Современные естественнонаучные теории
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Рубцовский индустриальный институт (филиал)
ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет
имени И.И. Ползунова»
Реферат
Современные естественнонаучные теории
по дисциплине: «Концепции современного естествознания»
Вариант-1
Выполнила: Крамарева О.В.
Проверил: Павлов А. Ю.
Рубцовск 2011
Содержание
наука математическая теория гармония вселенная
1. Что такое наука
2. Законы Кеплера. Идея всеобщей гармонии
. Понятие пространственно-временного континуума
4. Квантовая теория Планка
. Тепловая смерть вселенной
6. Условия возникновения самоорганизации в открытых системах
Список использованной литературы
1. Что такое наука
Наука - особый вид познавательной деятельности, направленной на выработку объективных, системно организованных и обоснованных знаний о мире. Взаимодействует с другими видами познавательной деятельности: обыденным, художественным, религиозным, мифологическим, философским постижением мира. Н. ставит своей целью выявить законы, в соответствии с которыми объекты могут преобразовываться в человеческой деятельности. Поскольку в деятельности могут преобразовываться любые объекты - фрагменты природы, социальные подсистемы и общество в целом, состояния человеческого сознания и т.п., постольку все они могут стать предметами научного исследования. Н. изучает их как объекты, функционирующие и развивающиеся по своим естественным законам. Она может изучать и человека как субъекта деятельности, но тоже в качестве особого объекта.
Предметный и объективный способ рассмотрения мира, характерный для Н., отличает ее от иных способов познания. Например, в искусстве отражение действительности происходит как своеобразная склейка субъективного и объективного, когда любое воспроизведение событий или состояний природы и социальной жизни предполагает их эмоциональную оценку. Отражая мир в его объективности, Н. дает лишь один из срезов многообразия человеческого мира. Поэтому она не исчерпывает собой всей культуры, а составляет лишь одну из сфер, которая взаимодействует с другими сферами культурного творчества - моралью, религией, философией, искусством и т.д. Признак предметности и объективности знания выступает важнейшей характеристикой Н., но он еще недостаточен для определения ее специфики, поскольку отдельные объективные и предметные знания может давать и обыденное познание. Но в отличие от него Н. не ограничивается отражением только тех объектов, их свойств и отношений, которые в принципе могут быть освоены в практике соответствующей исторической эпохи. Она способна выходить за рамки каждого исторически определенного типа практики и открывать для человечества новые предметные миры, которые могут стать объектами практического освоения лишь на будущих этапах развития цивилизации.
В свое время Лейбниц характеризовал математику как Н. о возможных мирах. В принципе эту характеристику можно отнести к любой фундаментальной.
Постоянное стремление Н. к расширению поля изучаемых объектов безотносительно к сегодняшним возможностям их массового практического освоения, выступает тем системообразующим признаком, который обосновывает другие характеристики Н., отличающие ее от обыденного познания. Прежде всего - это отличие по их продуктам (результатам).
Обыденное познание создает конгломерат знаний, сведений, предписаний и верований, лишь отдельные фрагменты которого связаны между собой. Истинность знаний проверяется здесь непосредственно в наличной практике, так как знания строятся относительно объектов, которые включены в процессы производства и наличного социального опыта. Но поскольку Н. постоянно выходит за эти рамки, она лишь частично может опереться на наличные формы массового практического освоения объектов. Ей нужна особая практика, с помощью которой проверяется истинность ее знаний. Такой практикой становится научный эксперимент. Часть знаний непосредственно проверяется в эксперименте. Остальные связываются между собой логическими связями, что обеспечивает перенос истинности с одного высказывания на другое. В итоге возникают присущие Н. характеристики: системная организация, обоснованность и доказанность знания.
Далее, Н., в отличие от обыденного познания, предполагает применение особых средств и методов деятельности. Она не может ограничиться использованием только обыденного языка и тех орудий, которые применяются в производстве и повседневной практике. Кроме них ей необходимы особые средства деятельности - специальный язык (эмпирический и теоретический) и особые приборные комплексы. Именно эти средства обеспечивают исследование все новых объектов, в том числе и тех, которые выходят за рамки возможностей наличной производственной и социальной практики. С этим же связаны потребности Н. в постоянной разработке специальных методов, обеспечивающих освоение новых объектов безотносительно к возможностям их сегодняшнего практического освоения.
Метод в Н. часто служит условием фиксации и воспроизводства объекта исследования; наряду со знанием об объектах, Н. систематически развивает знание о методах. Наконец, существуют специфические особенности субъекта научной деятельности. Субъект обыденного познания формируется в самом процессе социализации. Для Н. же этого недостаточно - требуется особое обучение познающего субъекта, которое обеспечивает его умение применять свойственные Н. средства и методы при решении ее задач и проблем. Кроме того, систематические занятия Н. предполагают усвоение особой системы ценностей.
Фундаментом выступают ценностные установки на поиск истины и на постоянное наращивание истинного знания. На базе этих установок исторически развивается система идеалов и норм научного исследования. Эти ценностные установки составляют основание этики Н., запрещающей умышленное искажение истины в угоду тем или иным социальным целям и требующей постоянной инновационной деятельности, вводя запреты на плагиат. Фундаментальные ценностные установки соответствуют двум фундаментальным и определяющим признакам Н: предметности и объективности научного познания и ее интенции на изучение все новых объектов, безотносительно к наличным возможностям их массового практического освоения. В развитии научного знания можно выделить стадию преднауки и Н. в собственном смысле слова. На первой стадии зарождающаяся Н. еще не выходит за рамки наличной практики. Она моделирует изменение объектов, включенных в практическую деятельность, предсказывая их возможные состояния. Реальные объекты замещаются в познании идеальными объектами и выступают как абстракции, которыми оперирует мышление.
Переход к собственно Н. связан с новым способом формирования идеальных объектов и их связей, моделирующих практику. Теперь они черпаются не непосредственно из практики, а создаются в качестве абстракций, на основе ранее созданных идеальных объектов. Построенные из их связей модели выступают в качестве гипотез, которые затем, получив обоснование, превращаются в теоретические схемы изучаемой предметной области. Так возникает особое движение в сфере развивающегося теоретического знания, которое начинает строить модели изучаемой реальности как бы сверху по отношению к практике с их последующей прямой или косвенной практической проверкой. Исторически первой осуществила переход к собственно научному познанию мира математика. Затем способ теоретического познания, основанный на движении мысли в поле теоретических идеальных объектов с последующей экспериментальной проверкой гипотез, утвердился в естествознании.
Третьей вехой в развитии Н. было формирование технических Н. как своеобразного опосредующего слоя знания между естествознанием и производством, а затем становление социальных Н. Каждый из этих этапов имел свои социокультурные предпосылки.
Первый образец математической теории (эвклидова геометрия) возникла в контексте античной культуры, с присущими ей ценностями публичной дискуссии, демонстрации доказательства и обоснования как условий получения истины. Естествознание, основанное на соединении математического описания природы с ее экспериментальным исследованием, формировалось в результате культурных сдвигов, осуществившихся в эпоху Ренессанса, Реформации и раннего Просвещения. Становление технических и социальных Н. было связано с интенсивным индустриальным развитием общества, усиливающимся внедрением научных знаний в производство и возникновением потребностей научного управления социальными процессами. На каждом из этапов развития научное познание усложняло свою организацию. Во всех развитых Н. складываются уровни теоретического и эмпирического исследования со специфическими для них методами и формами знания (основной формой теоретического уровня выступает научная теория; эмпирического уровня - научный факт).
К середине 19 в. формируется дисциплинарная организация Н., возникает система дисциплин со сложными связями между ними
Как социальный институт Н. начала оформляться в 17-18 ст., когда в Европе возникли первые научные общества, академии и научные журналы.
В эпоху становления естествознания Н. отстаивала в борьбе о религией свое право участвовать в формировании мировоззрения.
В 19 ст. к мировоззренческой функции добавилась функция - быть производительной силой.
В первой половине 20 в. Н. стала приобретать еще одну функцию, она стала превращаться в социальную силу, внедряясь в различные сферы социальной жизни и регулируя различные виды человеческой деятельности.
В современную эпоху, в связи с глобальными кризисами возникает проблема поиска новых мировоззренческих ориентации человечества. В этой связи переосмысливаются и функции Н. Ее доминирующее положение в системе ценностей культуры во многом было связано с ее технологической проекцией.
Сегодня важно органичное соединение ценностей научно-технологического мышления с теми социальными ценностями, которые представлены нравственностью, искусством, религиозным и философским постижением мира. Такое соединение представляет собой новый тип рациональности. В развитии Н., начиная с 17 ст., можно выделить три основных типа рациональности: классическую (17 - начало 20 в.), неклассическую (первая половина 20 в.), постнеклассическую (конец 20 в.). Классическая Н. предполагала, что субъект дистанцирован от объекта, как бы со стороны познает мир, и условием объективно истинного знания считала элиминацию из объяснения и описания всего, что относится к субъекту и средствам деятельности. Для неклассическсой рациональности характерна идея относительности объекта к средствам и операциям деятельности; экспликация этих средств и операций выступает условием получения истинного знания об объекте. Образцом реализации этого подхода явилась квантово-релятивистская физика.
Наконец, постнеклассическая рациональность учитывает соотнесенность знаний об объекте не только со средствами, но и ценностно-целевыми структурами деятельности, предполагая экспликацию внутрина-учных ценностей и их соотнесение с социальными целями и ценностями. Появление каждого нового типа рациональности не устраняет предыдущего, но ограничивает поле его действия. Каждый из них расширяет поле исследуемых объектов.
В современной постнеклассической Н. все большее место занимают сложные, исторически развивающиеся системы, включающие человека. К ним относятся объекты современных биотехнологий, в первую очередь генной инженерии, медико-биологические объекты, крупные экосистемы и биосфера в целом, человеко-машинные системы, включая системы искусственного интеллекта, социальные объекты и т.д. В широком смысле сюда можно отнести любые сложные синергетические системы, взаимодействие с которыми превращает само человеческое действие в компонент системы. Методология исследования таких объектов сближает естественнонаучное и гуманитарное познание, составляя основу для их глубокой интеграции. .C. Степин. [16] .
2. Законы Кеплера. Идея всеобщей гармонии
Принципы движения планет, сформулированные в начале 17 в. И.Кеплером (1571-1630) на основе многолетних наблюдений Т.Браге (1546-1601). Они используются в небесной механике и формулируются так:
. Орбита любой планеты есть эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце.
. Планета движется так, что ее радиус-вектор за равные интервалы времени заметает равные площади. (Закон площадей.)
. Квадраты периодов любых двух планет соотносятся как кубы их средних расстояний от Солнца. (Гармонический закон.)
Замечательно, что законы Кеплера, составляющие базис небесной механики, выведены из наблюдений Тихо, выполненных без телескопа.
Закон 1.
Тихо поставил перед Кеплером задачу создания научной теории движения Марса. Следуя методике тех лет, Кеплер перепробовал множество комбинаций эпициклов и эксцентриков, но не смог найти подходящую для точного предвычисления наблюдаемого положения планеты. Наконец, он предположил, что орбита Марса эллиптическая, и увидел, что эта кривая хорошо описывает наблюдения, если Солнце поместить в один из фокусов эллипса. Затем Кеплер предположил (хотя и не мог точно доказать этого), что все планеты движутся по эллипсам, в фокусе которых находится Солнце. А орбиту Луны он описал эллипсом, в фокусе которого расположена Земля.
Действительно, орбиты всех больших планет - эллипсы, причем у Венеры орбита наиболее округлая (эксцентриситет е = 0,0068), а у Плутона наиболее вытянута (е = 0,2485). Орбиты малых планет - астероидов - тоже эллипсы; наиболее круглая орбита у астероида 1177 Гоннезия (е = 0,0063), а наиболее эксцентричная у 944 Идальго (е = 0,656). [12].
Закон 2.
Описывает изменение скорости движения планет вокруг Солнца. В формальном виде я его формулировку уже приводил, а чтобы лучше понять его физический смысл, вспомните свое детство. Наверное, вам доводилось на детской площадке раскручиваться вокруг столба, ухватившись за него руками. Фактически, планеты кружатся вокруг Солнца аналогичным образом. Чем дальше от Солнца уводит планету эллиптическая орбита, тем медленнее движение, чем ближе к Солнцу - тем быстрее движется планета. Теперь представьте пару отрезков, соединяющих два положения планеты на орбите с фокусом эллипса, в котором расположено Солнце. Вместе с сегментом эллипса, лежащим между ними, они образуют сектор, площадь которого как раз и является той самой «площадью, которую отсекает отрезок прямой». Именно о ней говорится во втором законе. Чем ближе планета к Солнцу, тем короче отрезки. Но в этом случае, чтобы за равное время сектор покрыл равную площадь, планета должна пройти большее расстояние по орбите, а значит скорость ее движения возрастает.
В первых двух законах речь идет о специфике орбитальных траекторий отдельно взятой планеты.
Закон 3.
Кеплера позволяет сравнить орбиты планет между собой. В нем говорится, что чем дальше от Солнца находится планета, тем больше времени занимает ее полный оборот при движении по орбите и тем дольше, соответственно, длится «год» на этой планете. Сегодня мы знаем, что это обусловлено двумя факторами. Во-первых, чем дальше планета находится от Солнца, тем длиннее периметр ее орбиты. Во-вторых, с ростом расстояния от Солнца снижается и линейная скорость движения планеты.
В своих законах Кеплер просто констатировал факты, изучив и обобщив результаты наблюдений. Если бы вы спросили его, чем обусловлена эллиптичность орбит или равенство площадей секторов, он бы вам не ответил. Это просто следовало из проведенного им анализа. Если бы вы спросили его об орбитальном движении планет в других звездных системах, он также не нашел бы, что вам ответить. Ему бы пришлось начинать всё сначала - накапливать данные наблюдений, затем анализировать их и стараться выявить закономерности. То есть у него просто не было бы оснований полагать, что другая планетная система подчиняется тем же законам, что и Солнечная система.
Один из величайших триумфов классической механики Ньютона как раз и заключается в том, что она дает фундаментальное обоснование законам Кеплера и утверждает их универсальность. Оказывается, законы Кеплера можно вывести из законов механики Ньютона, закона всемирного тяготения Ньютона и закона сохранения момента импульса путем строгих математических выкладок. А раз так, мы можем быть уверены, что законы Кеплера в равной мере применимы к любой планетной системе в любой точке Вселенной. Астрономы, ищущие в мировом пространстве новые планетные системы (а открыто их уже довольно много), раз за разом, как само собой разумеющееся, применяют уравнения Кеплера для расчета параметров орбит далеких планет, хотя и не могут наблюдать их непосредственно. [8].
Идея всеобщей гармонии.
С давних пор человечество пытается найти законы расположения планет. Такую попытку предприняли пифагорейцы, считавшие, что Земля имеет форму шара и расположена в центре Вселенной. Вокруг нее располагаются сферы с планетами, последней из них является сфера звезд. Пифагорейцы считали, что расстояния между сферами соответствует музыкальным интервалам: от Земли до Луны - один тон, от Луны до Меркурия - полутон, от Венеры до Солнца - полтора тона и так далее. Получалась интересная аналогия музыкальной октавы. Предполагалось, что при вращении каждая сфера издает музыкальный тон, а вся система сфер образует гармонию - "музыку сфер".
Возможно, что идея всеобщей гармонии во Вселенной, выраженная образно пифагорейской "музыкой сфер", побудила Иоганна Кеплера искать закономерности в движении планет Солнечной системы, используя "платоновы тела" (об этом мы уже рассказывали на страничке нашего Музея, посвященной Кеплеру).
Поиски закономерностей расположения и обращения планет в Солнечной системе продолжаются. В 1978 г. русский астроном К. Бутусов рассчитал средние периоды обращения планет Солнечной системы и сопоставил их с "золотой" геометрической прогрессией. Получилось весьма точное соответствие. Найденная закономерность соблюдается с надежностью 95%, среднее отклонение расчетных данных от фактических всего около 4%.
Бутусов установил, что отношение периодов обращения соседних планет вокруг Солнца равны либо золотой пропорции 1,618, либо ее квадрату 2,618. Бутусов также устанавливает следующее:
"Частоты обращения планет и разности частот обращений образуют спектр с интервалом, равным t, т.е. спектр, построенный на основе "золотого сечения"! Иными словами, спектр гравитационных и акустических возмущений, создаваемых планетами, представляет собой консонансный аккорд, наиболее совершенный с акустической точки зрения...
Кажется весьма удивительным, что Кеплер, писавший о "золотом сечении" и занимавшийся проблемой гармонии мира, не открыл этой закономерности!
Можем сделать вывод, что утверждения пифагорейцев и Кеплера о "музыке сфер" действительно соответствуют реальным фактам, а не являются только символическими".
В 1988 г. было сделано важное научное открытие в области механики. Это открытие удостоверяло существование нового явления в Природе - синхронизацию вращающихся тел, основанную на явлении резонанса, которое приводит к тому, что между скоростями вращающихся тел устанавливаются определенные фазовые соотношения.
Приведенные Бутусовым математические выкладки показывают, что решением алгебраических уравнений, описывающих резонансные явления между планетами, действительно является либо золотая пропорция, либо квадрат золотой пропорции.
Значение резонанса в природе и технике трудно переоценить. В технике явление резонанса учитывают при расчете конструкций машин и других инженерных сооружений.
Явление резонанса лежит в основе гармонического сочетания звуков в музыкальных произведениях. Резонансу подчинены разнообразные биоритмы человеческого организма, работа его отдельных органов, например, биение сердца.
Приведенные выше закономерности в расположении планет и их периодах вращения, основанные на золотой пропорции, достаточно убедительны. Можно ожидать, что законы развития различных систем природы, законы роста не очень разнообразны и прослеживаются в самых различных образованьях. В этом и проявляется единство природы. Идея такого единства, основанная на проявлении одних и тех же закономерностей в разнородных явлениях природы, сохранила свою актуальность от Пифагора дот наших дней. [11].
3. Понятие пространственно-временного континуума
Пространство-время - физическая модель, дополняющая пространство временным измерением и, таким образом, создающая новую теоретико-физическую конструкцию, которая называется пространственно-временным континуумом. В соответствии с теорией относительности, Вселенная имеет три пространственных измерения и одно временное измерение.
Концепцию пространства-времени допускает и ньютоновская механика, но в ней это объединение искусственно, так как пространство-время классической механики - прямое произведение пространства на время, то есть пространство и время независимы друг от друга. В контексте теории относительности время неотделимо от трех пространственных измерений и зависит от скорости наблюдателя (см. собственное время).
Количество измерений, необходимых для описания Вселенной, окончательно не определено. Теория струн, например, требовала наличия 10, а теперь даже 11 измерений (в рамках М-теории). Предполагается, что дополнительные (ненаблюдаемые) 6 или 7 измерений свёрнуты до планковских размеров, так что экспериментально они пока не могут быть обнаружены. Ожидается, тем не менее, что эти измерения каким-то образом проявляют себя в макроскопическом масштабе.
Первый вариант модели естественного объединения пространства и времени, пространство Минковского, был создан Германом Минковским в 1908 году на основе специальной теории относительности Эйнштейна.
Несмотря на то, что, на первый взгляд, временное измерение абстрактно, понятие времени как измерения вполне конкретно. Когда мы хотим с кем-то встретиться, мы говорим, где «в пространстве» мы рассчитываем встретиться с ним, например, на 9-м этаже здания на углу Верхней Полевой улицы и шоссе Энтузиастов. В этом описании содержатся три элемента информации (9-й этаж, Верхняя полевая улица, шоссе Энтузиастов), описывающих конкретное место в трёх пространственных измерениях Вселенной. Не менее важным является указание времени встречи, например, в 3 часа пополудни. Эта часть информации указывает, где «во времени» состоится встреча. Следовательно, события описываются четырьмя элементами информации: тремя, указывающими расположение в пространстве, и одним, указывающим положение во времени. Таким образом характеризуется положение события в пространстве и времени, то есть в пространстве-времени. В этом смысле время представляет собой ещё одно измерение. [1].
Пусть мы имеем плоскость или, если вы предпочитаете что-либо более конкретное, поверхность прямоугольного стола . Положение точки на этом столе можно охарактеризовать двумя числами, а не одним, как раньше. Два числа суть расстояния от двух перпендикулярных краев стола. Не одно число, а пара чисел соответствует каждой точке плоскости; каждой паре чисел соответствует определенная точка. Другими словами: плоскость есть двухмерный континуум. Тогда существуют точки, сколь угодно близкие к данной точке плоскости. Две отдаленные точки могут быть связаны кривой, разделенной на отрезки, сколь угодно малые. Таким образом, произвольная малость отрезков, последовательно укладывающихся на кривой, связывающей две отдаленные точки, каждая из которых может быть определена двумя числами, снова является характеристикой двухмерного континуума.
Еще один пример. Представим себе, что вы хотите в качестве системы координат рассматривать свою комнату. Это означает, что вы хотите любое положение тела определить относительно стен комнаты. Положение кончика лампы, если она в покое, может быть описано тремя числами: два из них определяют расстояние от двух перпендикулярных стен, а третье - расстояние от пола или потолка. Каждой точке пространства соответствуют три определенных числа; каждым трем числам соответствует определенная точка в пространстве. Это выражается предложением: наше пространство есть трехмерный континуум. Существуют точки, весьма близкие к каждой данной точке пространства. И опять произвольная малость отрезков линии, связывающей отдаленные точки, каждая из которых представлена тремя числами, есть характеристика трехмерного континуума.
Все, что мы только что сказали, нетрудно обобщить для случая движения, не ограниченного прямой линией. В самом деле, для описания событий в природе нужно применить не два, а четыре числа. Физическое пространство, постигаемое через объекты и их движения, имеет три измерения, и положения объектов характеризуются тремя числами. Момент события есть четвертое число. Каждому событию соответствует четыре определенных числа; каким-либо четырем числам соответствует определенное событие. Поэтому: мир событий образует четырехмерный континуум. В этом нет ничего мистического, и последнее предложение одинаково справедливо и для классической физики, и для теории относительности. И опять различие обнаруживается лишь тогда, когда рассматриваются две системы координат, движущиеся друг относительно друга. Пусть движется комната, а наблюдатели внутри и вне ее определяют пространственно-временные координаты одних и тех же событий. Сторонник классической физики разобьет четырехмерный континуум на трехмерное пространство и одномерный временной континуум. Старый физик заботится только о преобразовании пространства, так как время для него абсолютно. Он находит разбиение четырехмерного мирового континуума на пространство и время естественным и удобным. Но с точки зрения теории относительности время, так же как и пространство, изменяется при переходе от одной системы координат к другой, и преобразования Лоренца рассматривают трансформационные свойства четырехмерного пространственно-временного континуума -нашего четырехмерного мира событий. [7].
Мир событий может быть описан динамически с помощью картины, изменяющейся во времени и набросанной на фоне трехмерного пространства. Но он может быть также описан посредством статической картины, набросанной на фоне четырехмерного пространственно-временного континуума. С точки зрения классической физики обе картины, динамическая и статическая,- равноценны. Но с точки зрения теории относительности статическая картина более удобна и более объективна.
Даже в теории относительности мы можем еще употреблять динамическую картину, если мы ее предпочитаем. Но мы должны помнить, что это деление на время и пространство не имеет объективного смысла, так как время больше не является «абсолютным». Дальше мы еще будем пользоваться «динамическим», а не «статическим» языком, но при этом всегда будем учитывать его ограниченность. [4, c186].
4. Квантовая теория Планка
М. Планк выдвинул гипотезу, что при тепловом излучении энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными квантами (порциями).
Квант электромагнитного излучения, относящийся к оптическому диапазону спектра, называют Фотоном. Масса покоя фотона равна нулю. Фотон существует только, распространяясь со скоростью Света. Если его остановить каким-либо способом, то он исчезнет. Но фотон, обладающий достаточной энергией, может при этом порождать частицы, имеющие массу покоя, например пару электрон-позитрон (позитрон - это положительно заряженный электрон).
Проследим цепочку фотона - движется - масса есть - остановился - массы нет, и исчез в неизвестном направлении - не имея массы, родил детей с массой. Читаешь и диву даешься, как такое могло быть возведено в ранг великой науки и просуществовать столетие? "… На характер протекания фотоэффекта оказывает влияние разная энергия фотонов…" Фотоны с разной энергией не могут достигнуть скорости Света, то есть не могут существовать в свете вышесказанного утверждения.
Мы уже знаем, что Свет - это веревки из нейтронов имеющие свои магнитные поля. Свет имеет различную скорость. Нейтрон в заторможенном состоянии носитель тепла. Нейтрон в структуре ежика - составляющая химического элемента. Скорость Света определяет цвет материала, среды и т.д. Теперь вспомним главное - это то, что Свет разгоняется нейтронной (ядерной) силой пятерок направленных в одну сторону. Это возможно только при формировании веревок с магнитными полями. Для формирования веревок нужно иметь поток нейтронов из зоны высокой плотности в зону с низкой плотностью - это обычно окружающая среда.
Излучение твердых тел при помощи нагрева - это формирование веревок Света из нейтронов, полученных в результате частичного разрушения ежей кристаллической решетки тела, при направленном потоке последних из зоны высокой плотности носителей в низкую с включением нейтронного (ядерного) разгонного механизма. Мощность разгонного механизма определяется закруткой нейтронов. Чем выше температура - тем больше закрутка нейтронов - тем больше скорость Света и сдвиг цвета от красного в сторону фиолетового для данного тела. Спирали и другие тела, излучающие Свет в результате нагрева платят за это разрушением своей кристаллической решетки. Никакое электромагнитное излучение на основе нейтрино не может перейти в видимый Свет, который формируется на основе нейтронов.
Все теории о квантово оптических явлениях оказались не более чем версиями. [13].
В своих расчетах Планк выбрал наиболее простую модель излучающей системы (стенок полости) в виде гармонических осцилляторов (электрических диполей) со всевозможными собственными частотами. Здесь Планк следовал Рэлею. Но Планку пришла мысль связать с энергией осциллятора не его температуру, а его энтропию. Оказалось, что полученное выражение хорошо описывает экспериментальные данные (октябрь 1900 г.). Однако обосновать свою формулу Планк смог только в декабре 1900 года, после того, как более глубоко понял вероятностный смысл энтропии, на которую указал Больцман . [5, c 23].
Термодинамическая вероятность - число возможных микроскопических комбинаций, совместимое с данным состоянием в целом.
В данном случае это число возможных способов распределения энергии между осцилляторами. Однако, такой процесс подсчета возможен, если энергия будет принимать не любые непрерывные значения, а лишь дискретные значения, кратные некоторой единичной энергии. Эта энергия колебательного движения должна быть пропорциональна частоте.
Итак, энергия осциллятора должна быть целым кратным некоторой единицы энергии, пропорциональной его частоте.
En=nhv (1)
где n = 1, 2, 3…
Принципиальное отличие вывода Планка от выводов Рэлея и других в том, что «не может быть и речи о равномерном распределении энергии между осцилляторами».
Окончательный вид формулы Планка:
rv,t=(2Пv2/c2)*(hv/ehv/kt-1 (2)
Таким образом, формула Планка полностью объясняла законы излучения абсолютно черного тела. Следовательно, гипотеза о квантах энергии была подтверждена экспериментально, хотя сам Планк не слишком благосклонно относился к гипотезе о квантовании энергии. Тогда было совершенно не ясно, почему волны должны излучаться порциями.
Излучения черного тела во всем интервале частот и температур. Теоретически вывод этой формулы М. Планк представил 14 декабря 1900 г. на заседании Немецкого физического общества. Этот день стал датой рождения квантовой физики.
Из формулы Планка, зная универсальные постоянные h, k и c, можно вычислить постоянную Стефана-Больцмана σ и Вина b. С другой стороны, зная экспериментальные значения σиb, можно вычислить h и k (именно так было впервые найдено числовое значение постоянной Планка).
Таким образом, формула Планка не только хорошо согласуется с экспериментальными данными, но и содержит в себе частные законы теплового излучения. Следовательно, формула Планка является полным решением основной задачи теплового излучения, поставленной Кирхгофом. Ее решение стало возможным лишь благодаря революционной квантовой гипотезе Планка. [9]. кеплер континуум планк
5. Тепловая смерть вселенной
Тепловая смерть вселенной - гипотетич. состояние мира, к к-рому якобы должно привести его развитие в результате превращения всех видов энергии в тепловую и равномерного распределения последней в пространстве; в таком случае Вселенная должна прийти в состояние однородного изотермич. равновесия, характеризуемого макс. энтропией. Допущение Т. с. в. формулируется на основе абсолютизации второго начала термодинамики, согласно к-рому энтропия в замкнутой системе может только возрастать. Между тем у второго начала термодинамики, хотя оно и обладает очень большой сферой действия, есть существ. ограничения.
К ним, в частности, относятся многочисленные флуктуационные процессы - броуновское движение частиц, возникновение зародышей новой фазы при переходе вещества из одной фазы в другую, самопроизвольные колебания температуры и давления в равновесной системе и т.п. Еще в трудах Л. Больцмана и Дж. Гиббса было установлено, что второе начало термодинамики имеет статистич. природу и предписываемое им направление процессов фактически является лишь наиболее вероятным, но не единственно возможным. В общей относительности теории показано, что благодаря наличию гравитац. поля в гигантских космич. термодинамич. системах их энтропия может все время возрастать без того, чтобы они достигали равновесного состояния с макс. значением энтропии, т.к. такого состояния в этом случае вообще не существует. Невозможность существования к.-л. абсолютного равновесного состояния у Вселенной связана также с тем фактом, что в нее входят структурные элементы все возрастающего порядка сложности. Поэтому допущение Т. с. в. несостоятельно. [6].
«Тепловая смерть» Вселенной, ошибочный вывод о том, что все виды энергии во Вселенной в конце концов должны перейти в энергию теплового движения, которая равномерно распределится по веществу Вселенной, после чего в ней прекратятся все макроскопические процессы.
Этот вывод был сформулирован Р. Клаузиусом (1865) на основе второго начала термодинамики. Согласно второму началу, любая физическая система, не обменивающаяся энергией с другими системами (для Вселенной в целом такой обмен, очевидно, исключен), стремится к наиболее вероятному равновесному состоянию - к так называемому состоянию с максимумом энтропии. Такое состояние соответствовало бы «Т. с.» В. Ещё до создания современной космологии были сделаны многочисленные попытки опровергнуть вывод о «Т. с.» В. Наиболее известна из них флуктуационная гипотеза Л. Больцмана (1872), согласно которой Вселенная извечно пребывает в равновесном изотермическом состоянии, но по закону случая то в одном, то в другом её месте иногда происходят отклонения от этого состояния; они происходят тем реже, чем большую область захватывают и чем значительнее степень отклонения. Современной космологией установлено, что ошибочен не только вывод о «Т. с.» В., но ошибочны и ранние попытки его опровержения. Связано это с тем, что не принимались во внимание существенные физические факторы и прежде всего тяготение. С учётом тяготения однородное изотермическое распределение вещества вовсе не является наиболее вероятным и не соответствует максимуму энтропии. Наблюдения показывают, что Вселенная резко нестационарна. Она расширяется, и почти однородное в начале расширения вещество в дальнейшем под действием сил тяготения распадается на отдельные объекты, образуются скопления галактик, галактики, звёзды, планеты. Все эти процессы естественны, идут с ростом энтропии и не требуют нарушения законов термодинамики. Они и в будущем с учётом тяготения не приведут к однородному изотермическому состоянию Вселенной - к «Т. с.» В. Вселенная всегда нестатична и непрерывно эволюционирует. [2, c 29].
6. Условия возникновения самоорганизации в открытых системах
Открытие самоорганизации в простейших системах неорганической природы, прежде всего в физике и химии, имеет огромное научное и философско-мировоззренческое значение. Оно показывает, что такие процессы могут происходить в фундаменте самого "здания материи", и тем самым проливает новый свет на взаимосвязь живой природы с неживой. С такой точки зрения возникновение жизни на Земле не кажется теперь таким редким и случайным явлением, как об этом говорили многие ученые раньше. С позиции самоорганизации становится также ясным, что весь окружающий нас мир и Вселенная представляют собой совокупность разнообразных самоорганизующихся процессов, которые служат основой любой эволюции. [3].
Как же объясняет современная наука, и в частности, синергетика процесс самоорганизации систем?
. Для этого система должна быть открытой, потому что закрытая, изолированная система в соответствии со вторым законом термодинамики в конечном итоге должна придти в состояние, характеризуемое максимальным беспорядком или дезорганизацией.
. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и потому неспособна к какой-либо организации: в этом положении достигается максимум ее самодезорганизации. Если же система расположена вблизи или недалеко от точки равновесия, то со временем она приблизится к ней и в конце концов придет в состояние полной дезорганизации.
. Если упорядочивающим принципом для изолированных систем является эволюция в сторону увеличения их энтропии или усиления их беспорядка (принцип Больцмана), то фундаментальным принципом самоорганизации служит, напротив, возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. Однако в открытых системах благодаря усилению неравновесности эти отклонения со временем возрастают и в конце концов приводят к "расшатыванию" прежнего порядка и возникновению нового порядка. [15].
Этот процесс обычно характеризуют как принцип образования порядка через флуктуации. Поскольку флуктуации носят случайный характер (а именно: с них начинается возникновение нового порядка и структуры), то становится ясным, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов. В этом выводе находит свое конкретное подтверждение гениальная догадка античных философов Эпикура (341-270 до н. э.) и Лукреция Кара (99-45 до н. э.), требовавших допущения случайности для объяснения появления нового в развитии мира.
. В отличие от принципа отрицательной обратной связи, на котором основывается управление и сохранение динамического равновесия систем, возникновение самоорганизации опирается на диаметрально противоположный принцип - положительную обратную связь. Функционирование различных технических регуляторов и автоматов основывается на принципе отрицательной связи, т.е. получении обратных сигналов от исполнительных органов относительно положения системы и последующей корректировки этого положения управляющими устройствами. Для понимания самоорганизации следует обратиться к принципу положительной обратной связи, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а напротив, накапливаются и усиливаются, что и приводит в конце концов к возникновению нового порядка и структуры.
. Процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. Мы уже видели, что при описании необратимых процессов пришлось отказаться от симметрии времени, характерной для обратимых процессов в механике. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур.
. Самоорганизация может начаться лишь в системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления кооперативного (коллективного) поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации.
Мы перечислили необходимые, но далеко недостаточные условия для возникновения самоорганизации в различных системах природы. Даже в химических самоорганизующихся системах, которые изучали Белоусов и Жаботинский, в "игру" вступают такие новые факторы, как процессы катализа, которые ускоряют химические реакции. Поэтому можно сделать вывод, что чем выше мы поднимаемся по эволюционной лестнице развития систем, тем более сложными и многочисленными оказываются факторы, которые играют роль в самоорганизации. [10].
7. Теория «Большого взрыва» и реликтовое излучение
В нулевой момент времени Вселенная возникла из сингулярности. В течение первой миллионной доли секунды, когда температура значительно превышала 1012К, а плотность была немыслимо велика, должны были неимоверно быстро сменять друг друга экзотические взаимодействия, недоступные пониманию в рамках современной физики. Мы можем лишь размышлять над тем, каковы были те первые мгновения; например, возможно, что четыре фундаментальные силы природы были вначале слиты воедино. Однако есть основания полагать, что к концу первой миллионной доли секунды уже существовал первичный «бульон» богатых энергией («горячих») частиц излучения (фотонов) и частиц вещества. Эта само взаимодействующая масса находилась в состоянии так называемого теплового равновесия.
В те первые мгновения все имевшиеся частицы должны были непрерывно возникать и аннигилировать. Любая материальная частица имеет некоторую массу, и поэтому для ее образования требуется наличие определенной «пороговой , энергии»; пока плотность энергии фотонов оставалась достав точно высокой, могли возникать любые частицы. Мы знаем также, что, когда частицы рождаются из гамма-излучения (фотонов высокой энергии), они рождаются парами, состоящими из частицы и античастицы, например электрона и позитрона. В условии сверхплотного состояния материи, характерного для раннего этапа жизни Вселенной, частицы и античастицы должны были тотчас же после своего рождения снова сталкиваться, превращаясь в гамма-излучение. Это взаимное превращение частиц в излучение и обратно продолжалось до тех пор, пока плотность энергии фотонов превышала значение пороговой энергии образования частиц.
Когда возраст Вселенной достиг одной сотой доли секунды, ее температура упала примерно до 1011К, став ниже порогового значения, при котором могут рождаться протоны и нейтроны, но некоторые из этих частиц все-таки избежали взаимной аннигиляции со своими античастицами - иначе в современной нам Вселенной не было бы вещества! Через 1 с после Большого взрыва температура понизилась примерно до 1010К, и нейтрино, по существу, перестали взаимодействовать с веществом: Вселенная стала практически прозрачной для нейтрино. Электроны и позитроны еще продолжали аннигилировать и возникать снова, но примерно через 10с уровень плотности энергии излучения упал ниже и их порога, и огромное число электронов и позитронов превратилось в излучение в катастрофическом процессе взаимной аннигиляции, оставив после себя лишь незначительное количество электронов, достаточное, однако, для того, чтобы, объединившись с протонами и нейтронами, дать начало тому количеству вещества, которое мы наблюдаем сегодня во Вселенной.
Судя по всему, должна была существовать некоторая диспропорция между частицами (протонами, нейтронами, электронами и т. д.) и античастицами (антипротонами, антинейтронами, позитронами и т. д.), так как все частицы (а не только все античастицы) исчезли бы в процессе аннигиляции. В окружающей нас части Вселенной вещества несравнимо больше, чем антивещества, которое лишь изредка встречается в виде отдельных античастиц. Не исключено, конечно, что на ранней стадии эволюции Вселенной в ней были области, где доминировало вещество, и области с преобладанием антивещества - в этом случае возможно существование звезд и целых галактик, состоящих из антивещества; на больших расстояниях они были бы неотличимы от привычных нам звезд и галактик из вещества. Однако у нас нет никаких свидетельств в пользу этого предположения, поэтому более разумным кажется считать, что с самого начала возник небольшой, но заметный дисбаланс частиц и античастиц. В настоящее время разрабатывается ряд теорий, в которых такой дисбаланс находит вполне естественное объяснение.
Через 3 мин после Большого взрыва температура Вселенной понизилась до 109К и возникли подходящие условия для образования атомов гелия: на это были затрачены практически все имевшиеся в наличии нейтроны. Спустя примерно еще минуту почти все вещество Вселенной состояло из ядер водорода и гелия, находившихся примерно в той же количественной пропорции, какую мы наблюдаем сегодня. Начиная с этого момента, расширение первичного огненного шара происходило без существенных изменений до тех пор, пока через 700000 лет электроны и протоны не соединились в нейтральные атомы водорода, тогда Вселенная стала прозрачной для электромагнитного излучения - возникло то, что сейчас наблюдают как реликтовое фоновое излучение.
После того как вещество стало прозрачным для электромагнитного излучения, в действие вступило тяготение: оно начало преобладать над всеми другими взаимодействиями между массами практически нейтрального вещества, составлявшего основную часть материи Вселенной. Тяготение создало галактики, скопления, звезды и планеты - все эти объекты образовались из первичного вещества, которое, в свою очередь, выделилось из быстро остывавшего и терявшего плотность первичного огненного шара; тяготению же предстоит определить путь эволюции и исход жизни всей Вселенной в целом. Тем не менее, многие вопросы, касающиеся эпохи, последовавшей за эпохой отделения излучения от вещества, остаются пока без ответа.
Есть два основных взгляда на проблему формирования галактик. Первый состоит в том, что в любой момент времени в расширяющейся смеси вещества и излучения могли существовать случайно распределенные области с плотностью выше средней. В результате действия сил тяготения эти области сначала отделились в виде очень протяженных сгустков вещества, в которых затем начался процесс фрагментации, приведший к образованию облаков меньших размеров, которые позднее превратились в скопления и отдельные галактики, наблюдаемые сегодня. Далее в этих меньших - галактических размеров - сгустках опять-таки под действием притяжения в случайных неоднородностях плотности началось формирование звезд. Существует и другая точка зрения на ход развития событий: вначале из флуктуаций плотности в расширяющемся первичном шаре сформировались многочисленные (малые) галактики, которые с течением времени объединились в скопления, в сверхскопления и, возможно, даже в более крупные иерархические структуры.
Главным пунктом в этом споре является вопрос, имел ли процесс Большого взрыва вихревой, турбулентный, характер или протекал более гладко. Турбулентности в крупномасштабной структуре сегодняшней Вселенной отсутствуют. Вселенная выглядит удивительно сглаженной в крупных масштабах; несмотря на некоторые отклонения, в целом далекие галактики и скопления распределены по всему небу в высшей степени равномерно, а степень изотропности фонового излучения также довольно высока (выше, чем 1:3000). Все эти факты, видимо, говорят о том, что Большой взрыв был безвихревым, упорядоченным процессом расширения. Но откуда же в таком случае возникли флуктуации плотности, ставшие позднее галактиками? Решение этого вопроса затрудняется тем, что мы не располагаем наблюдательными данными, относящимися к критическому моменту образования звездных систем;
Согласно общепринятой точке зрения, микроволновое фоновое излучение дает нам информацию о той эпохе, когда возраст Вселенной насчитывал примерно 700 000 лет, чему соответствует красное смещение около 1000. Самый далекий от нас квазар имеет смещение 3,6, т.е. наблюдаемый свет этого квазара был испущен им, когда возраст Вселенной составлял чуть меньше 2 млрд. лет. В промежутке времени от 700 000 до 2 млрд. лет во Вселенной должно было произойти многое, в том числе сформировались галактики. Тем не менее, последние данные, скорее всего, свидетельствует в пользу второй из двух упомянутых выше гипотез, согласно которой образование галактик предшествовало формированию скоплений и сверхскоплений.
Успешное объяснение ряда явлений с помощью модели Большого взрыва привело к тому, что, как правило, не вызывает сомнения реальность происхождения микроволнового фонового излучения из расширяющегося первичного огненного шара в тот момент, когда вещество Вселенной стало прозрачным. Возможно, однако, что это слишком простое объяснение. В 1978 г., пытаясь найти обоснование для наблюдаемого соотношения фотонов и барионов (барионы - «тяжелые» элементарные частицы, к которым, в частности, относятся протоны и нейтроны) - 108:1, - М.Рис высказал предположение, что фоновое излучение может быть результатом «эпидемии» образования массивных звезд, начавшейся сразу после отделения излучения от вещества и до того, как возраст Вселенной достиг 1 млрд. лет. Продолжительность жизни этих звезд не могла превышать 10 млн. лет; многим из них было суждено пройти стадию сверхновых и выбросить в пространство тяжелые химические элементы, которые частично собрались в крупицы твердого вещества, образовав облака межзвездной пыли. Эта пыль, нагретая излучением догалактических звезд, могла, в свою очередь, испускать инфракрасное излучение, которое в силу его красного смещения, вызванного расширением Вселенной, наблюдается сейчас как микроволновое фоновое излучение.
Эта точка зрения не получила широкого признания, однако интересно отметить, что в 1979 г. Д.П.Вуди и П.Л.Ричарде из Калифорнийского университета опубликовали результаты наблюдений, как будто указывающие на некоторые отклонения характеристик микроволнового фонового излучения от кривой излучения абсолютно черного тела: кривая фонового излучения выглядит «острее», чем ей следовало бы быть. Позднее в том же году М.Роуэн-Робинсон, Дж.Негропонте и Дж.Силк (Колледж королевы Марии, Лондон) указали, что «горб» на кривой микроволнового излучения, обнаруженный Вуди и Ричардсом, может быть объяснен излучением пылевых облаков, образовавшихся вслед за «эпидемией» массового формирования звезд, что соответствует гипотезе М. Риса. Пока рано говорить, выдержит ли эта новая идея последующий анализ, но если она соответствует истине, то это означает, что подавляющее количество всей массы Вселенной содержится в невидимых остатках звезд первичного, догалактического, поколения ив настоящее время может находиться в массивных темных гало, окружающих яркие галактики, которые мы наблюдаем сегодня.
Теория происхождения вселенной: вначале была тьма...
Согласно новой модели формирования вселенной, предложенной астрофизиком Государственного университета Нью-Йорка Кеннетом Ланцеттой, на протяжении почти полумиллиарда лет после Большого Взрыва, формально считающегося моментом ее рождения, все в мире было погружено во мрак. И "разорвал" этот мрак гигантский звездный "взрыв", в результате которого вселенная начала приобретать тот вид, который мы наблюдаем в наши дни.
Эта теория полностью опровергает уже устоявшееся мнение о том, что формирование звезд шло постепенно после Большого Взрыва и достигло своего пика примерно 5 миллиардов лет назад. На основании анализа данных, полученного в результате наблюдений за зонами "глубокого космоса", Ланцетта сделал вывод о том, что процесс формирования звезд начался гораздо раньше Большого взрыва и проходил очень стремительно. Причем, чем процесс происходил тогда и происходит в настоящее время тем интенсивнее, чем ближе проходил у гипотетических "краев вселенной".
"Таким образом, - подводит итоги своего исследования Ланцетта, - начальной фазой формирования вселенной стал чрезвычайно интенсивный процесс формирования звезд. И то, что для нас было следствием, теперь можно назвать первопричиной возникновения той вселенной, в рамках которой мы существуем".
Остальные ученые пока осторожно относятся к этой гипотезе, предлагая проведение нескольких независимых исследований для ее подтверждения или опровержения. Однако, как отмечает директор департамента физики и астрономии NASA Энни Кинни, если эта гипотеза подтвердится, то всем нам придется кардинально пересматривать практически все теории, связанные с процессом формирования и существования вселенной. [14].
Список используемой литературы
1. Арнольд В. И.: Математические методы классической механики, с 408. [электронный ресурс]///#"justify">. Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Строение и эволюция Вселенной .
М.: 1975. с. 736
. Козина Е.Ф. Самоорганизация: кооперативные процессы в природе и обществе - М., 2007
. Эйнштейна А., Инфельда Л. Эвалюция физики .-М.: Наука, 1954. с 345
. Станюкович К. П., К вопросу о так называемой "тепловой смерти вселенной", "ВФ", 1962, No 3
. #"justify">. #"justify">. #"justify">. #"justify">. #"justify">.#"justify">. #"justify">. #"justify">. #"justify">. http://www.slovopedia.com/6/205/770842.html