Наука как вид познавательной деятельности. Критерии научности.

1. Наука как вид познавательной деятельности. Критерии научности.
Эпистемологические характеристики науки представляют ее как особый вид знания и познавательной деятельности. Остановимся на тех, которые являются необходимыми и достаточными для раскрытия существа научно-познавательной деятельности. В качестве таковых предстают основания (или основополагающий метод) науки, критерии научности, а также научная истина (проблема достоверности научных знаний).
Основания науки на протяжении ее развития менялись. Античная наука построена на умозрении («умом зрить сущность»), которое достигается па основе теоретико-созерцательного отношения к миру. Средневековая наука основана на вере как сверхчувственном и сверхрациональном опыте, позволяющем «зрить незримое». Наука Нового времени основана на признании активного отношения человека к миру: человек является субъектом, а мир для пего — объект исследования. Появляется научный метод в строгом смысле слова как способ связи исследователя с изучаемым объектом, выстроенный на определенной технологии и правилах действия. Методом науки современного типа становится эксперимент. Цель эксперимента как научного метода — получение фактов, которые способны подтвердить или опровергнуть выдвинутое в ходе исследования предположение.
В естественных и технических науках в ходе эксперимента создаются специальные искусственные условия для исследования объекта «в чистом виде», что позволяет обнаруживать зависимости и законы. Разновидностью современного эксперимента является математический эксперимент, который позволяет с помощью ЭВМ выявлять многофакторные зависимости сложных объектов (типа экологических или экономических систем).
В исторических и гуманитарных науках существуют свои процедуры получения фактических данных — так называемая «критика источников» (отыскание, сопоставление, проверка, оценка, истолкование данных и пр.).
Критерии научности (или отличительные признаки научного знания):
— Оно имеет предметный характер, поскольку стремится изучать предметы, как они есть сами по себе, и связано, в конечном счете, с фактами. Именно по этому признаку оно отличается от вненаучного и ненаучного знания и может быть воплощено в предметной деятельности человека.
Предметные соотношения и зависимости предстают в науке как причинно-следственные связи: ничто в мире не происходит без причины, и все приводит к каким-либо следствиям.
- В научных знаниях представлены не единичные и не уникальные причинно-следственные зависимости, а повторяющиеся, общие или универсальные, поэтому наука дает знание на уровне законов.
- Знание на уровне законов позволяет с помощью обнаруженных закономерностей рассчитывать протекание событий в будущем или их состояние в прошлом. Эта особенность научного знания может быть названа проективностью.
- Объективность — существенный признак научных знаний, не совпадающий с предметностью. Объективность научных знаний — это независимость их содержания от познающего субъекта. Неклассическая паука открывает принципиальную неустра- нимость субъекта из результатов научного исследования, что заставляет признать относительность данного критерия.
- Стремление избавиться от субъективных факторов позволяет говорить о ценностной нейтральности науки, в отличие от всех остальных проявлений духовной жизни.
— Поскольку в науке все организовано по правилам метода, то надо признать технологичность, и в этом аспекте — социальность научного знания.
На основе естественного языка наука выработала адекватный содержанию и эффективный в функционировании язык. Язык науки отличается однозначностью и точностью основных понятий, прозрачностью логической структуры, наличием искусственных терминов (типа химической или математической символики).
Итак, критериями научного знания являются предметность, объективность, ценностная нейтральность, воспроизведение причинно-следственных зависимостей на уровне законов, проективность и выраженность в особом языке.


2. Научная картина мира как основание науки. Понятие «научная рациональность». Типы научной рациональности.
Научная картина мира - целостная система представлений об общих свойствах и закономерностях действительности, построенная в результате обобщения и синтеза фундаментальных научных понятий и принципов.
В зависимости от оснований деления различают общенаучную картину мира, которая включает представления о всей действительности (т.е. о природе, обществе и самом познании) и естественнонаучную картину мира. Последняя - в зависимости от предмета познания - может быть физической, астрономической, химической, биологической и т.п. В общенаучной картине мира определяющим элементом выступает картина мира той области научного знания, которая занимает лидирующее положение на конкретном этапе развития науки.
Структура научной картины мира предлагает центральное теоретическое ядро, фундаментальные допущения и частные теоретические модели, которые постоянно достраиваются. Центральное теоретическое ядро обладает относительной устойчивостью и сохраняет свое существование достаточно длительный срок. Оно представляет собой совокупность конкретно-научных и онтологических констант. Когда речь идет о физической реальности, то к сверхустойчивым элементам любой картины мира относят принципы сохранения энергии, постоянного роста энтропии, фундаментальные физические константы, характеризующие основные свойства универсума: пространство, время, вещество, поле, движение.
В случае столкновения сложившейся картины мира с контрпримерами или аномалиями для сохранности центрального теоретического ядра и фундаментальных допущений образуется ряд дополнительных частнонаучных моделей и гипотез. Научная картина мира представляет собой не просто сумму или набор отдельных знаний, а результат их взаимосогласования и организации в новую систему. С этим связана такая характеристика научной картины мира, как ее системность.
Классическая научная картина мира, была основана на достижениях Галилея и Ньютона, господствовала до конца прошлого столетия. Она претендовала на привилегию обладания истинным знанием. Ей соответствует графический образ прогрессивно направленного линейного развития с жестко однозначной детерминацией. Прошлое определяет настоящее так же изначально, как и настоящее определяет будущее. Все состояния мира, от бесконечно отдаленного былого до весьма далекого грядущего, могут быть просчитаны и предсказаны. Классическая картина мира осуществляла описание объектов, как если бы они существовали сами по себе в строго заданной системе координат.
Неклассическая картина мира, родилась под влиянием первых теорий термодинамики, оспаривающих универсальность законов классической механики. Переход к неклассическому мышлению был осуществлен на рубеже XIX-XX вв., в том числе и под влиянием теории относительности. Графическая модель неклассической картины мира опирается на образ синусоиды, омывающей магистральную направляющую развития. В ней возникает более гибкая схема детерминации, нежели в линейном процессе, и учитывается новый фактор - роль случая. Развитие системы мыслится направленно, но ее состояние в каждый момент времени не детерминировано. Предположительно изменения осуществляются, подчиняясь закону вероятности и больших чисел. Отсутствие детерминированности на уровне индивидов сочетается с детерминированностью на уровне системы в целом.
Постнеклассическая картина мира - древовидная ветвящаяся графика – разработа с учетом достижений И. Пригожина. С самого начала и к любому данному моменту времени будущее остается неопределенным. Развитие может пойти в одном из нескольких направлений, что чаще всего определяется каким-нибудь незначительным фактором. Достаточно лишь небольшого энергетического воздействия, чтобы система перестроилась, и возник новый уровень организации. В современной постнеклассической картине мира анализ общественных структур предполагает исследование открытых нелинейных систем, в которых велика роль исходных условий, входящих в них индивидов, локальных изменений и случайных факторов. В постнеклассической методологии очень популярны такие понятия, как бифуркация, флуктуация, хаосомность, диссипация, странные аттракторы, нелинейность. Они наделяются категориальным статусом и используются для объяснения поведения всех типов систем: доорганизмических, организмических, социальных, деятельностных, этнических, духовных и пр.
В новый, расширенный объем понятия «рациональность» включены интуиция, неопределенность, эвристика и другие не традиционные для классического рационализма прагматические характеристики, например, польза, удобство, эффективность.
Понятие научной рациональности.
Н. Р. – характеризуется стремлением к максимально достижимой определенности, точности, доказательности, объективной истинности. Н. Р. - совокупность норм, идеалов и методов, характеризующих научное исследование в целом.
В современной научной картине мира Р рассматривается как высший тип сознания и мышления. Она отождествляется с целесообразностью. Говоря об открытии Р имеют в виду способность мышления работать с идеальными объектами, способность слова отражать мир разумно-понятийно. Три стадии исторического развития науки три исторических типа Н. Р.:
1.классическая рациональность (соответствует класс. науке в двух состояниях - додисциплинарном и дисциплинарно организованном);
2.неклассическая рациональность (соответствует неклас. науке)
3.постнеклассическая рациональность.
Между ними, как этапами развития науки, существуют своеобразные «перекрытия», причем появление каждого нового типа рациональности не отбрасывало предшествующего, а только ограничивало сферу его действия, определяя его применимость только к определенным типам проблем и задач.
Каждый этап характеризуется особым состоянием научной деятельности, направленной на постоянный рост объективно-истинного знания. Если схематично представить эту деятельность как отношения «субъект-средства-объект» (включая в понимание субъекта ценностно-целевые структуры деятельности, знания и навыки применения методов и средств), то описанные этапы эволюции науки, выступающие в качестве разных типов Н. Р, характеризуются различной глубиной рефлексии по отношению к самой научной деятельности.
Классический тип Н. Р., центрируя внимание на объекте, стремится при теоретическом объяснении и описании элиминировать все, что относится к субъекту, средствам и операциям его деятельности. Такая элиминация рассматривается как необходимое условие получения объективно-истинного знания о мире. Цели и ценности науки, определяющие стратегии исследования и способы фрагментации мира, на этом этапе, как и на всех остальных, детерминированы доминирующими в культуре мировоззренческими установками и ценностными ориентациями. Но классическая наука не осмысливает этих детерминаций.
Неклассический тип Н. Р. учитывает связи между знаниями об объекте и характером средств и операций деятельности. Экспликация этих связей рассматривается в качестве условий объективно-истинного описания и объяснения мира. Но связи между внутринаучными и социальными ценностями и целями по-прежнему не являются предметом научной рефлексии, хотя имплицитно они определяют характер знаний.
Постнеклассический тип рациональности расширяет поле рефлексии над деятельностью. Он учитывает соотнесенность получаемых знаний об объекте не только с особенностью средств и операций деятельности, но и с ценностно-целевыми структурами. Причем эксплицируется связь внутринаучных целей с вненаучными, социальными ценностями и целями.


3. Проблема возникновения и периодизации развития науки. Этапы развития науки.
В истории формирования и развития науки можно выделить две стадии, которые соответствуют двум различным методам построения знаний и двум формам прогнозирования результатов деятельности. Первая стадия характеризует зарождающуюся науку (преднауку), вторая - науку в собственном смысле слова. Зарождающаяся наука изучает преимущественно те вещи и способы их изменения, с которыми человек многократно сталкивался в производстве и обыденном опыте. Он стремился построить модели таких изменений с тем, чтобы предвидеть результаты практического действия. Первой и необходимой предпосылкой для этого было изучение вещей, их свойств и отношений, выделенных самой практикой. Если на этапе преднауки как первичные идеальные объекты, так и их отношения (соответственно, смыслы основных терминов языка и правила оперирования с ними) выводились непосредственно из практики и лишь затем внутри созданной системы знания (языка) формировались новые идеальные объекты, то на этапе науки познание делает следующий шаг. Оно начинает строить фундамент новой системы знания как бы «сверху» по отношению к реальной практике и лишь после этого, путем ряда опосредовании, проверяет созданные из идеальных объектов конструкции, сопоставляя их с предметными отношениями практики. Поскольку демаркация между преднаукой и наукой связана с новым способом порождения знаний, проблема генезиса науки предстает как проблема предпосылок собственно научного способа исследования. Эти предпосылки складываются в культуре в виде определенных установок мышления, позволяющих возникнуть научному методу. Их формирование является результатом длительного развития цивилизации.
Переход к науке в собственном смысле слова был связан с двумя переломными состояниями развития культуры и цивилизации. Во-первых, с изменениями в культуре античного мира, которые обеспечили применение научного метода в математике и вывели ее на уровень теоретического исследования, во-вторых, с изменениями в европейской культуре, произошедшими в эпоху Возрождения и перехода к Новому времени, когда собственно научный способ мышления стал достоянием естествознания (главным процессом здесь принято считать становление эксперимента как метода изучения природы, соединение математического метода с экспериментом и формирование теоретического естествознания).
Эвристическую функцию познания в древности реализовала античная философия. Идея экспериментального исследования полагала субъекта в качестве активного начала, противостоящего природной материи, изменяющего ее вещи путем силового давления на них на основе представлений, которые сформировались в культуре Нового времени.
В качестве последующих исторически значимых этапов науки, определивших ее развитие и функции в культуре, можно выделить становление технических и социально-гуманитарных наук. Их становление происходило в эпоху вступления техногенной цивилизации в стадию индустриализма и знаменовало обретение наукой новых функций — быть производительной и социальной силой.
В конце XVIII - первой половине XIX в. начинается процесс интенсивного взаимодействия науки и техники и возникает особый тип социального развития, который принято именовать научно-техническим прогрессом. Потребности практики все отчетливее обозначали тенденции к постепенному превращению науки в непосредственную производительную силу. Расширяющееся применение научных знаний в производстве сформировало общественную потребность в появлении особого слоя исследований, который бы систематически обеспечивал приложение фундаментальных естественнонаучных теорий к области техники и технологии. Как выражение этой потребности между естественнонаучными дисциплинами и производством возникает своеобразный посредник - научнотеоретические исследования технических наук. В строгом смысле слова социальные и гуманитарные науки конституировались в XIX столетии. Предпосылками социально-гуманитарного знания было формирование практик и типов дискурса, в которых человек, его качества, его деятельность и социальные связи предстают как особые объекты целерационального действия. Возникновение социально-гуманитарных наук завершало формирование науки как системы дисциплин, охватывающей все основные сферы мироздания: природу, общество и человеческий дух. Наука обрела привычные для нас черты универсальности, специализации и междисциплинарных связей. С середины XIX в. в философии начинают формироваться новые подходы. Философия осознает себя как развивающаяся система знания, которая, подобно науке, не заканчивается ни на одном этапе своего развития достижением окончательной и всеобъемлющей картины мироздания. Одновременно философия в этот период все больше начинает обращать внимание на специфику познания и знания не только в науке, формируя философию науки как область философского знания, нацеленную на разработку методологических и мировоззренческих проблем науки.

4. Предмет естествознания. Иерархия и взаимосвязь естественных наук

Структура наук о природе определяется характером объекта исследования — самой природы. По мере изучения всё более сложных форм строения и движения материи усложняется и структура наук, их изучающих. Даже если какая-то наука занимается одним и тем же объектом или одним и тем же кругом явлений, то по мере его изучения идет развитие этой науки. Вначале она описывает и систематизирует знание о нем, далее вникает в его структуру, свойства и отношения, усложняет свою структуру.
Коль скоро все эти науки, так или иначе, изучают один предмет — природу, то между ними устанавливается некая связь, которая определяется структурой природы. И изучение идет от более простых форм материи к всё более сложным.
Как мы уже отмечали, особое место в классификации естественных наук занимает математика. Она основана на системе аксиом и определений, появившихся вовсе не из потребностей практики. Ее задача заключается не в изучении какой-либо формы движения материи. Она занимается некими абстрактными формами, которые в общем случае не имеют прямого отношения к действительности, но очень часто математические модели, методы и результаты исследований находят применение в естественных науках. То есть она выступает некоторой методологией, особым методом изучения и способом анализа опытного материала.
Далее идут естественные науки, предметом исследования которых является неживая природа. Среди них особое место занимает астрономия, поскольку она не предполагает постановку экспериментов. Поэтому астрономия является не экспериментальной, а наблюдательной наукой.
Еще в начале XX в. ведущей наукой по изучению неживой природы была химия. Но после того как физика прояснила основания химии, последняя уступила ведущее место физике.
Далее следуют науки, изучающие живую природу. Ведущей наукой в изучении живой природы является биология. Остальные науки занимают некое переходное положение между физикой и биологией, что свидетельствует об отсутствии четких границ между различными отраслями знания и о взаимопроникновении наук.
Эмпирический и теоретический уровни в естествознании.
Естественные науки не могут развиваться, опираясь либо только на эксперимент, либо только на теорию. Эксперименты дают основания для формулирования теоретических гипотез, на основании которых делаются предсказания, которые в дальнейшем проверяются новыми экспериментами. Так идет процесс развития естественных наук.
Диалектическое единство теории и эксперимента есть движущая сила развития наук. Это есть единство наглядно-чувственного, практики, эксперимента и абстрактного, теоретического.
Исторически естественнонаучное познание мира начиналось с наблюдения, восприятия фактов в результате практической деятельности. Далее шло осмысление накопленных данных, выстраивание их в некоторую причинно-следственную цепочку, создание гипотезы, объясняющей происходящее. После этого вновь возвращение к практике для проверки полученных теоретических предположений. Затем, если была необходимость, следовала корректировка теории на основе новых фактов.
Естественно, сегодня мы не начинаем цепочки исследований с процесса созерцания. У нас уже есть наработанное ранее наукой знание. Но любая научная мысль, как бы логически выверенной она ни казалась, требует экспериментальной проверки, так как только из умозрительных предположений невозможно вскрыть истинные природные закономерности. Нужны подтверждения наших выводов через наблюдения и эксперименты, т.е. посредством эмпирического познания. Есть законы, которые предсказываются на основе теории, и они требуют эмпирического подтверждения. А есть законы, обобщающие эмпирические факты. Эти законы требуют теоретического обоснования.

5. Теория научных революций Т. Куна
Согласно концепции Куна, развитие науки идет не путем плавного наращивания новых знаний на старые, а через смену ведущих представлений -- через периодически происходящие научные революции. Однако, действительного прогресса, связанного с возрастанием объективной истинности научных знаний, Кун не признает, полагая, что такие знания могут быть охарактеризованы лишь как более или менее эффективные для решения соответствующих задач, а не как истинные или ложные.
В этой связи следует отметить, что Кун не связывает явно смену парадигм с преемственностью в развитии науки, с движением по спирали от неполного знания к более полному и совершенному. По моему мнению, Кун опускает вопрос о качественном соотношении старой и новой парадигмы: является ли новая парадигма, пришедшая на смену старой, лучше с точки зрения прогресса в научном познании? Спираль развития зрелой науки у Куна не направлена вверх к высотам «абсолютной истины», она складывается стихийно в ходе исторического развития науки.
«Нормальной наукой» Кун называет исследование, прочно опирающееся на одно или несколько прошлых научных достижений, которые в течение некоторого времени признаются определенным научным сообществом в качестве основы для развития, то есть это исследование в рамках парадигмы и направленное на поддержание этой парадигмы. При ближайшем рассмотрении «создается впечатление, будто бы природу пытаются втиснуть в парадигму, как в заранее сколоченную и довольно тесную коробку», «явления, которые не вмещаются в эту коробку, часто, в сущности, вообще упускаются из виду».
Нормальная наука не ставит своей целью создание новой теории, и успех в нормальном научном исследовании состоит не в этом. Исследование в нормальной науке направлено на разработку тех явлений и теорий, существование которых парадигма заведомо предполагает. Кратко деятельность ученых в рамках нормальной науки можно охарактеризовать как наведение порядка (ни в коем случае не революционным путем).
По мнению Куна, «три класса проблем - установление значительных фактов, сопоставление фактов и теории, разработка теории - исчерпывают ... поле нормальной науки, как эмпирической, так и теоретической». Подавляющее большинство проблем, поднятых даже самыми выдающимися учеными, обычно охватывается этими тремя категориями. Существуют также экстраординарные проблемы, но они возникают лишь в особых случаях, к которым приводит развитие нормального научного исследования. Работа в рамках парадигмы не может протекать иначе, а отказаться от парадигмы значило бы прекратить те научные исследования, которые она определяет. В случае отказа от парадигмы мы приходим к научной революции.
Понятие «нормальной науки», введенное Куном, подверглось острой критике сторонниками критического рационализма во главе с Карлом Поппером. Поппер согласен с тем, что нормальная наука существует, но если Куну этот феномен представляется как нормальный, то Поппер в работе «Нормальная наука и ее опасности» (1970) рассматривает его как опасный для науки в целом.
В критике понимания Куном нормальной науки можно выделить два направления. Во-первых, полное отрицание самого существования нормальной науки. С этой точки зрения наука никогда бы не сдвинулась с места, если бы основной деятельностью ученых была нормальная наука, как ее представляет Кун. Сторонники этого направления в критике Куна полагают, что нормальной науки, предполагающей только кумулятивное накопление знания, вообще не существует; что из нормальной науки Куна не может вырасти революции. «Нормальная наука» отождествляется с теоретическим застоем или стагнацией в науке.
Второе направление в критике нормальной науки представлено К.Поппером. Он признает существование нормальной науки, но вместе с тем принижает ее роль. Нормальная наука Куна, как считает Поппер, представляет опасность для самого существования науки. «Нормальный» ученый вызывает у Поппера чувство жалости: он не привык к критическому мышлению. На самом деле, хотя ученый и работает обычно в рамках какой-то теории, при желании он может в любой момент выйти за эти рамки. Неверно, однако, на этом основании говорить об истории науки как о непрерывной революции, к чему склоняется Поппер, и принижать роль нормальной науки как периода эволюционного развития в науке.
Действительно, в понимании Куна «самая удивительная особенность проблем нормальной науки ... состоит в том, что они в очень малой степени ориентированы на крупные открытия, будь то открытие новых фактов или создание новой теории». Ученые в русле нормальной науки не ставят себе цели создания новых теорий, каких-то значительных качественных (революционных) преобразований в своей научной дисциплине. Для них результат научного исследования значителен уже потому, что он расширяет область применения парадигмы и уточняет некоторые параметры. Такие результаты, особенно в математике, могут быть предсказаны, но сам способ получения результата или доказательство остается в значительной мере сомнительным. Возникающие проблемы часто оказываются трудными для разрешения, хотя предшествующая практика нормальной науки дала все основания считать их решенными или почти решенными в силу существующей парадигмы. Завершение проблемы исследования требует решения всевозможных сложных инструментальных, концептуальных и математических задач-головоломок.
Таким образом, нормальная наука предстает у Куна как «решение головоломок». Ученый, который преуспеет в этом, становится специалистом своего рода по решению задач-головоломок, и стремление к разрешению все новых и новых задач-головоломок становится стимулом его дальнейшей активности, хотя он и не выходит за рамки нормальной науки. Среди главных мотивов, побуждающих к научному исследованию, можно назвать желание решить головоломку, которую до него не решал никто или в решении которой никто не добился убедительного успеха.
Как мы уже обсуждали, работа в рамках парадигмы предполагает, что научное сообщество с приобретением парадигмы получает критерий для выбора проблем, которые могут считаться в принципе разрешимыми, пока эта парадигма является общепризнанной. В значительной степени ученые занимаются только теми проблемами, которые сообщество признает научными или заслуживающими внимания. Парадигма может даже изолировать научное сообщество от тех важных проблем, которые нельзя свести к типу головоломок, поскольку нельзя представить в терминах концептуального и инструментального аппарата, предполагаемого парадигмой. Такие проблемы иногда отбрасываются только потому, что они кажутся слишком сомнительными, чтобы тратить на них время. Одну из причин кажущегося прогресса в развитии нормальной науки Кун видит в том, что «ученые концентрируют внимание на проблемах, решению которых им может помешать только недостаток собственной изобретательности».

6. Теория научно-исследовательских программ И. Лакатоса
Имре Лакатос (1922-1974) – британский философ и историк науки, который разработал универсальную концепцию развития науки, основанную на идее конкурирующих научно-исследовательских программ. Исследовательские программы складываются из методологических правил: часть из них – это правила, указывающие, какие пути исследования непродуктивны (отрицательная эвристика); другая часть – это правила, указывающие, какие пути исследования следует избирать и как по ним двигаться (положительная эвристика). Наука в целом может рассматриваться как гигантская исследовательская программа, подчиняющаяся основному правилу, которое выдвинул К. Поппер: выдвигай гипотезы, имеющие большее эмпирическое содержание, чем у предшествующих. У всех исследовательских программ есть так называемое «твердое ядро». Отрицательная эвристика запрещает использовать modus tollens, когда речь идет об утверждениях, включенных в «твердое ядро». Вместо этого нужно прояснять, развивать уже имеющиеся гипотезы или выдвигать новые вспомогательные гипотезы, которые образуют «защитный пояс» вокруг основы исследовательской программы. Все опровержения направляются именно на вспомогательные гипотезы, которые и должны выдерживать основной удар со стороны проверок
«Согласно моей методологической концепции, исследовательские программы являются величайшими научными достижениями и их можно оценивать на основе прогрессивного или регрессивного сдвига проблем; при этом научные революции состоят в том, что одна исследовательская программа (прогрессивно) вытесняет другую. Эта методологическая концепция предлагает новый способ рациональной реконструкции науки. Выдвигаемую мною методологическую концепцию легче всего изложить, противопоставляя её фальсификационизму и конвенционализму, у которых она заимствует существенные элементы. У конвенционализма эта методология заимствует разрешение рационально принимать по соглашению не только пространственно-временные единичные «фактуальные утверждения», но также и пространственно-временные универсальные теории, что даёт нам важнейший ключ для понимания непрерывности роста науки. В соответствии с моей концепцией фундаментальной единицей оценки должна быть не изолированная теория или совокупность теорий, а «исследовательская программа».
В структуру исследовательской программы входят: - жёсткое ядро, содержащее неопровергаемые в рамках данной исследовательской программы допущения, постуаты; - защитный пояс, состоящий из вспомогательных гипотез при этом часть из них могут быть модифицированы (приспособлены) без ущерба для «жесткого ядра» при столкновении с новыми контрпримерами; - положительные эвристики - принятые правила работы в рамках программы; - отрицательные эвристики - правила, указывающие на то, каких путей следует избегать. «Исследовательская программа считается прогрессирующей тогда, когда её теоретический рост предвосхищает её эмпирический рост, то есть когда она с некоторым успехом может предсказывать новые факты («прогрессивный сдвиг проблем»); программа регрессирует, если её теоретический рост отстает от её эмпирического роста, то есть когда она даёт только запоздалые объяснения либо случайных открытий, либо фактов, предвосхищаемых и открываемых конкурирующей программой («регрессивный сдвиг проблем»). Если исследовательская программа прогрессивно объясняет больше, нежели конкурирующая, то она «вытесняет» её, и эта конкурирующая программа может быть устранена (или, если угодно, («отложена»). Прогресс некоторой программы играет роковую роль в регрессе её конкурента. Если программа Р1 постоянно производит «новые факты», то они, по определению, будут аномалиями для конкурирующей программы Р2. Если Р2 объясняет эти новые факты только посредством гипотез ad hoc, то она, по определению, регрессирует. Таким образом, чем больше прогрессирует программа Р1 тем больше трудностей это создает для прогресса программы Р2.
В рамках исследовательской программы некоторая теория может быть устранена только лучшей теорией, то есть такой теорией, которая обладает большим эмпирическим содержанием, чем ее предшественница, и часть этого содержания впоследствии подтверждается».

Тема 2
1. Представление о материи, движении, причинности, пространстве и времени в механистической картине мира

В конце XVI–XVII вв. европейская наука пережила революцию, то есть качественный скачок в своем развитии, а именно:
- осуществился переход науки с эмпирического уровня развития – на теоретический: от «собирания фактов», от фрагментарных знаний о мире наука перешла к созданию фундаментальной научной теории – механики, которая на основе немногочисленных исходных принципов охватывала фактически всю природу, описывая движение материальных тел от атомов до планет;
- произошла математизация естествознания (без чего был бы невозможен выход науки на теоретический уровень);
- наука стала опираться на принципиально новую методологию -эмпирическую, предполагающую опытное, экспериментальное обоснование знания. Основоположником этого метода в философии Нового времени был английский философ XVII века Френсис Бэкон;
- научные знания, научные открытия стали широко применяться на практике. Результаты научных исследований были востребованы быстро развивающимся машинным производством. Наука постепенно становилась производительной силой индустриального общества;
- наука стала важнейшим социальным институтом: раньше она была занятием одиноких мыслителей, теперь ученые объединились в научные сообщества, появились первые Академии наук, начали выходить научные периодические издания, значительно увеличилось число университетов.
Все эти качественные изменения привели к формированию науки в её современном виде. Если до этого, с момента своего возникновения в Древней Греции в VI–V веках до н. э., под наукой подразумевалась система логически обоснованных знаний, то теперь наука стала производством новых знаний о мире, имеющих опытное обоснование и практическое применение, производительной силой общества и его социальным институтом.
Научная картина мира – это целостная система представлений о мире, возникающая в результате обобщения и синтеза основных естественно- научных понятий и принципов. В основе научной картины мира лежит фундаментальная научная теория, в нашем случае – классическая механика.
В результате научной революции в новоевропейской культуре формируется первая в истории европейской мысли научная картина мира, а именно механистическая. Научная картина мира выполняет роль посредника между профессиональной наукой и общественным сознанием, культурой в целом. Через неё осуществляется переемственность между поколениями ученых. В силу своих, «популяризаторских» функций, научная картина мира содержит в себе не только концептуальный (понятийный), но и чувственно-образный компонент, то есть ряд наглядных представлений о природе.
Целостное представление о мире невозможно без представлений о пространстве, времени, материи и развитии этого мира. Наука и научная картина мира заимствуют эти представления у философии, они являются ее философскими основаниями.
Материя в механистической картине мира рассматривается как вещество. Материальное приравнивается к вещественному. Помимо твердого, жидкого и газообразного состояния вещества в механистической картине мира признается существование особого сверхплотного и невидимого вещества – эфира, которое заполняет межзвездное пространство и через которое осуществляется гравитационное взаимодействие. В механистической картине мира есть также представление о флогистоне и теплороде – тоже веществах, при помощи которых объясняются химические взаимодействия и тепловые явления (наличие этих квазивеществ в механистической картине мира объясняется тем, что ещё не было сформировано понятие о поле как разновидности материи).
Материя, то есть вещество, в механистической картине мира имеет предел делимости – атомы. Атомы, как и все тела, двигаются согласно законам механики.
Представление о пространстве и времени носило субстанциональный характер: они ни от чего не зависят, однородны и неизменны. Пространство мыслилось как пустое вместилище вещей, а время – вместилище событий. Представления о неоднородности времени (например, ощущение, что время длится долго или быстро) относились к обыденному сознанию, только к субъективному отражению неизменного объективного времени.
Со времен Коперника и Бруно пространство Вселенной мыслилось бесконечным, а также столь же однородным, как и время.
Все виды движения в механистической картине мира были редуцированы к механическому перемещению. Даже животные и растения мыслились наподобие неких механизмов. (Французский философ Ж. О. Ламетри написал книгу под очень красноречивым названием «Человек-машина».) В условиях такой жесткой редукции, где все сложные виды движения сведены к одному – простейшему, нет места развитию, то есть появлению чего-то качественно нового. Философской основой отрицания развития служила (уже упоминавшаяся выше) деистическая концепция, согласно которой Бог сотворил мир однажды в его законченном, совершенном виде.
Представление о причинности носило строго детерминистский характер: все события и явления причинно обусловлены, ничего случайного быть не может.
Итак, в механистической картине мира весь мир – от атомов до планет и звезд – уподоблен некоему неизменному, раз и навсегда созданному механизму, где все материальные объекты перемещаются, не претерпевая развития, в абсолютном пространстве и времени, подчиняясь законам механики и строгой причинности.


2. Представления о материи и движении в электромагнитной картине мира. Характеристики вещества и поля как двух видов материи
На протяжении XIX в. продолжались попытки объяснить электромагнитные явления в рамках механической картины мира. Но это оказалось невозможным: электромагнитные явления слишком отличались от механических процессов. Наибольший вклад в формирование электромагнитной картины мира внесли работы М. Фа-радея и Дж. Максвелла. Максвелл одним из первых оценил идеи Фарадея (1831-1879). При этом он подчеркивал, что Фарадей выдвинул новые философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во многом изменявшие прежнюю «механистическую» картину мира. После создания Максвеллом теории электромагнитного поля стало возможным говорить о появлении электромагнитной картины мира.
Свою теорию Максвелл разработал на основе открытого Фара-деем явления электромагнитной индукции. Проводя эксперименты с магнитной стрелкой, стремясь объяснить природу электрических и магнитных явлений, Фарадей пришел к выводу, что вращение магнитной стрелки обусловлено не электрическими зарядами, которые находятся в проводнике, а особым состоянием окружающей среды, которое возникало в месте нахождения магнитной стрелки. Это означало, что во взаимодействии тока с магнитной стрелкой активную роль играет окружающая проводник среда. В связи с этим он ввел понятие поля как множества магнитных силовых линий, пронизывающих пространство и способных определять и направлять (индуцировать) электрический ток. Это открытие привело Фа-радея к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений о материи новыми континуальными, непрерывными.
Теория электромагнитного поля Максвелла сводится к тому, что изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля. Так в физику была введена новая реальность — электромагнитное поле.
Теория электромагнитного поля Максвелла ознаменовала собой начало нового этапа в физике. В соответствии с этой теорией мир стал представляться единой электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля. Важнейшими понятиями новой теории являются: заряд, который может быть как положительным, так и отрицательным; напряженность поля — сила, которая действовала бы на тело, несущее единичный заряд, если бы оно находилось в рассматриваемой точке. Когда электрические заряды движутся друг относительно друга, появляется дополнительная магнитная сила. Поэтому общая сила, объединяющая электрическую и магнитную силы, называется электромагнитной. Считается, что электрические силы (поле) соответствуют покоящимся зарядам, магнитные силы (поле) — движущимся зарядам. Все многообразие этих сил и зарядов описывается системой уравнений классической электродинамики, известных как уравнения Максвелла.
Сущность уравнений классической электродинамики сводится к закону Кулона, который полностью эквивалентен закону всемирного тяготения Ньютона, а также к утверждениям о том, что магнитные силовые линии непрерывны и не имеют ни начала, ни конца; магнитных зарядов не существует; электрическое поле создается переменным магнитным полем; магнитное поле может создаваться как электрическим током, так и переменным электрическим полем. Уравнения Максвелла записываются в терминах теории поля, что позволяет единообразно описать стационарные и нестационарные электромагнитные явления, связать пространственные и временные изменения электрического и магнитного полей. Эти уравнения имеют решения, которые описывают электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света. Из них можно получить решения для совокупности всех волн, которые могут распространяться в любом направлении в пространстве.
Таким образом, были выдвинуты новые физические и философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во многом изменявшие прежнюю механическую картину мира. Разумеется, нельзя сказать, что эти изменения были кардинальными, так как они осуществились в рамках классической науки. Поэтому новую электромагнитную картину мира можно считать промежуточной, соединяющей в себе как новые идеи, так и старые механистические представления о мире. Кардинально изменились лишь представления о материи: корпускулярные идеи уступили место континуальным (полевым). Отныне совокупность неделимых атомов переставала быть конечным пределом делимости материи. В качестве такового принималось единое абсолютно непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами — электрическими зарядами и волновыми движениями в нем. Согласно электромагнитной картине мира, материя существует в двух видах — вещество и поле. Они строго разделены, и их превращение друг в друга невозможно.
Главным из них является поле, а значит, основным свойством материи является непрерывность в противовес дискретности. Электромагнитное поле распространяется в виде поперечных электромагнитных волн со скоростью света, захватывая постоянно новые области пространства. Заполнение пространства электромагнитным полем нельзя описать на основе законов Ньютона, так как механика не понимает этого механизма. В электромагнетизме изменение одной сущности (магнитного поля) приводит к появлению другой сущности (электрического поля). Обе эти сущности образуют в совокупности электромагнитное поле. В механике же одно материальное явление не зависит от изменения другого, и вместе они не создают единой сущности. Расширилось также и понятие движения. Оно стало пониматься не только как простое механическое перемещение, но и как распространение колебаний в поле. Соответственно законы механики Ньютона уступили свое господствующее место законам электродинамики Максвелла.
Новая картина мира требовала нового решения проблемы физического взаимодействия. Ньютоновский принцип дальнодействия заменялся фарадеевским принципом близкодействия, который утверждал, что любые взаимодействия передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью. Концепция абсолютного пространства и абсолютного времени Ньютона не подходила к новым полевым представлениям о материи, так как поля не имеют четко очерченных границ и перекрывают друг друга. Кроме того, поля — это абсолютно непрерывная материя, поэтому пустого пространства просто нет. Так же и время должно быть неразрывно связано с процессами, происходящими в поле. Было ясно, что пространство и время нельзя рассматривать как самостоятельные, независимые от материи сущности. Но инерция мышления и сила привычки были столь велики, что еще долго ученые предпочитали верить в существование абсолютного пространства и абсолютного времени. Первоначально в понимании пространства и времени электромагнитная картина мира исходила из убеждения, что абсолютное пустое пространство заполнено мировым эфиром.
С неподвижным эфиром ученые пытались связать абсолютную систему отсчета. При этом для объяснения многих материальных явлений эфиру приходилось приписывать необычные свойства, зачастую противоречащие друг другу. Однако создание специальной теории относительности вынудило ученых отказаться от идеи эфира, поскольку данная теория исходила из относительности длины, времени и массы, т.е. из их зависимости от системы отсчета. Поэтому лишь к началу XX в. абсолютная концепция пространства и времени уступила место реляционной (относительной) концепции пространства и времени, в соответствии с которой пространство, время и материя существуют только вместе, полностью зависят друг от друга. При этом пространство и время являются свойствами материальных тел.
Электромагнитная картина мира произвела настоящий переворот в физике. Она базировалась на идеях непрерывности материи, материального электрического поля, неразрывности материи и движения, связи пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей. Новое понимание сущности материи поставило ученых перед необходимостью пересмотра и переоценки этих основополагающих качеств материи. Законы электродинамики, как и законы классической механики, все еще однозначно предопределяли события, которые они описывали, поэтому случайность пытались исключить из физической картины мира. Однако в середине XIX в. впервые появилась фундаментальная физическая теория нового типа, которая основывалась на теории вероятности. Это была кинетическая теория газов, или статистическая механика. Случайность, вероятность наконец-то нашли свое место в физике и были отражены в форме так называемых статистических законов. Правда, пока физики не оставляли надежды найти за вероятностными характеристиками четкие однозначные законы, подобные законам Ньютона, и считали вновь созданную теорию промежуточным вариантом, временной мерой. Тем не менее, прогресс был налицо: в электромагнитную картину мира вошло понятие вероятности. Не менялось в электромагнитной картине мира и представление о месте и роли человека во Вселенной. Его появление считалось лишь капризом природы. Эти взгляды еще более упрочились после появления дарвиновской теории эволюции. Идеи о качественной специфике жизни и разума с большим трудом прокладывали себе путь в научном мировоззрении. Электромагнитная картина мира объяснила большой круг физических явлений, непонятных с точки зрения прежней механической картины мира. Однако дальнейшее ее развитие показало, что она имеет ограниченный характер.
Главная проблема состояла в том, что континуальное понимание материи не согласовывалось с опытными фактами, подтверждающими дискретность ее многих свойств — заряда, излучения, действия. Оставалась также нерешенной проблема соотношения между полем и зарядом, не удавалось объяснить устойчивость атомов и их спектры, излучение абсолютно черного тела. Все это свидетельствовало об относительном характере электромагнитной картины мира и необходимости ее замены новой физической картиной мира. Поэтому на смену ей пришла новая — квантово-полевая — картина мира, объединившая в себе дискретность механической картины мира и непрерывность электромагнитной картины мира.


3.Релятивистская концепция пространства и времени А. Эйнштейна
В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности (СТО), которая объясняла, как интерпретировать движения между различными инерциальными системами отсчета – попросту говоря, объектами, которые движутся с постоянной скоростью по отношению друг к другу.
Эйнштейн объяснил, что когда два объекта двигаются с постоянной скоростью, следует рассматривать их движение друг относительно друга, вместо того чтобы принять один из них в качестве абсолютной системы отсчета.
Так что, если два космонавта, вы и, допустим, Герман, летите на двух космических кораблях и хотите сравнить ваши наблюдения, единственное, что вам нужно знать – это ваша скорость относительно друг друга.
Специальная теория относительности рассматривает лишь один специальный случай (отсюда и название), когда движение прямолинейно и равномерно. Если материальное тело ускоряется или сворачивает в сторону, законы СТО уже не действуют. Тогда в силу вступает общая теория относительности (ОТО), которая объясняет движения материальных тел в общем случае.
Теория Эйнштейна базируется на двух основных принципах:
1. Принцип относительности: физические законы сохраняются даже для тел, являющихся инерциальными системами отсчета, т. е. двигающимися на постоянной скорости относительно друг друга.
2. Принцип скорости света: скорость света остается неизменной для всех наблюдателей, независимо от их скорости по отношению к источнику света. (Физики обозначают скорость света буквой с).
Одна из причин успеха Альберта Эйнштейна состоит в том, что он ставил экспериментальные данные выше теоретических. Когда в ряде экспериментов обнаружились результаты, противоречащие общепринятой теории, многие физики решили, что эти эксперименты ошибочны.
В конце 19 века физики находились в поиске таинственного эфира – среды, в которой по общепринятым предположениям должны были распространяться световые волны, подобно акустическим, для распространения которых необходим воздух, или же другая среда – твердая, жидкая или газообразная. Вера в существование эфира привела к убеждению, что скорость света должна меняться в зависимости от скорости наблюдателя по отношению к эфиру.
Альберт Эйнштейн отказался от понятия эфира и предположил, что все физические законы, включая скорость света, остаются неизменными независимо от скорости наблюдателя – как это и показывали эксперименты.
Однородность пространства и времени
В Специальной теории относительности Эйнштейна постулируется фундаментальная связь между пространством и временем. Материальная Вселенная, как известно, имеет три пространственных измерения: вверх-вниз, направо-налево и вперед-назад. К нему добавляется еще одно измерение – временное. Вместе эти четыре измерения составляют пространственно-временной континуум.
Если вы двигаетесь с большой скоростью, ваши наблюдения относительно пространства и времени будут отличаться от наблюдений других людей, движущихся с меньшей скоростью.


4. Атом и элементарные частицы. Модели атома. Современная классификация элементарных частиц
Элементарная частица - собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части. В современной физике термин «элементарные частицы» используют в более широком смысле: так называют мельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются атомными ядрами и атомами (исключение составляет протон); иногда по этой причине элементарные частицы называют субъядерными частицами. Некоторые элементарные частицы (электрон, фотон, кварки и т. д) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы.
Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы - протон, нейтрон и т.д.) имеют сложную внутреннюю структуру, но, тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно. Строение и поведение элементарных частиц изучается физикой элементарных частиц. Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - их способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с др. частицами. В этом отношении они полностью аналогичны фотонам.
Элементарные частицы — это специфические кванты материи, более точно - кванты соответствующих физических полей. Все процессы с элементарными частицами протекают через последовательность актов их поглощения и испускания. Распад нестабильных элементарных частиц на более лёгкие частицы, сопровождаемый выделением энергии, отвечает той же закономерности и является процессом, в котором продукты распада рождаются в момент самого распада и до этого момента не существуют.
В этом отношении распад элементарных частиц подобен переходу возбуждённого атома в основное состояние с испусканием фотона. На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного, слабого. При этом электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия. Различные процессы с элементарными частицами заметно отличаются по интенсивности протекания. В соответствии с этим взаимодействия элементарных частиц можно феноменологически разделить на несколько классов: сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия. Все элементарные частицы обладают, кроме того, гравитационным взаимодействием.
Сильные взаимодействия выделяются как взаимодействия, которые порождают процессы, протекающие с наибольшей интенсивностью среди всех остальных процессов. Они приводят и к самой сильной связи элементарных частиц. Именно сильные взаимодействия обусловливают связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивают исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях Электромагнитные взаимодействия характеризуются как взаимодействия, в основе которых лежит связь с электромагнитным полем.
Процессы, обусловленные ими, менее интенсивны, чем процессы сильных взаимодействий, а порождаемая ими связь элементарных частиц заметно слабее. Электромагнитные взаимодействия, в частности, ответственны за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах. Слабые взаимодействия, как показывает само название, вызывают очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами. Иллюстрацией их малой интенсивности может служить тот факт, что нейтрино, обладающие только слабыми взаимодействиями, беспрепятственно пронизывают, например, толщу Земли и Солнца. Слабые взаимодействия обусловливают также медленные распады так называемых квазистабильных элементарных частиц. Времена жизни этих частиц лежат в диапазоне 10-8 -10-10 сек, тогда, как типичные времена для сильных взаимодействий элементарных частиц составляют 10-23-10-24 сек.
Гравитационные взаимодействия, хорошо известные по своим макроскопическим проявлениям, в случае элементарных частиц на характерных расстояниях ~10-13 см дают чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц. Ведутся поиски других типов фундаментальных взаимодействий, как в явлениях микромира, так и в космических масштабах, однако пока существование какого-либо другого типа фундаментального взаимодействия не обнаружено. Классификация элементарных частиц. По величине спина все элементарные частицы делятся на два класса: фермионы - частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино); бозоны - частицы с целым спином (например, фотон, глюон, мезоны).
По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на основные группы. Первую составляют переносчики взаимодействий - калибровочные бозоны - частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия. Сюда относится фотон, или квант электромагнитного излучения,- частица, переносящая электромагнитное взаимодействие. Переносчики электрослабого взаимодействия три промежуточных векторных бозона W+ , W− и Z 0 , а также восемь глюонов - частиц, переносящих сильное взаимодействие. Сюда также следовало бы отнести гравитон - гипотетическую частицу, переносящую гравитационное взаимодействие. Однако существование гравитонов пока не доказано экспериментально. Вторая группа элементарных частиц – лептоны (др.-греч. λεπτοζ - лёгкий), участвующие только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Известно 6 лептонов: электрон, электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тяжелый τ-лептон (тау-лептон) и соответствующее τ-нейтрино.
Электрон считается материальным носителем наименьшей массы в природе me, равной 9,1⋅10-31 кг (в энергетических единицах ≈0,511 МэВ) и наименьшего отрицательного электрического заряда e = 1,6⋅10-19 Кл. Мюоны (µ − ) - частицы с массой около 207 масс электрона (105,7 МэВ) и отрицательным электрическим зарядом, равным заряду электрона; тяжелый τ-лептон имеет массу около 1,8 ГэВ. Соответствующие этим частицам три типа нейтрино - электронное (νe), мюонное (νµ) и τ-нейтрино (ντ) - легкие электрически нейтральные частицы. Все лептоны имеют спин ½ћ, т.е. являются фермионами. Каждому из лептонов соответствует античастица, имеющая те же значения массы, спина и других характеристик, но отличающаяся знаком электрического заряда. Существуют позитрон (e+ ) - античастица по отношению к электрону, положительно заряженный мюон (µ + ) и три типа антинейтрино (νe , µ ν , ντ ), которым приписывают противоположный знак особого квантового числа, называемого лептонным зарядом.
Третья группа элементарных частиц - адроны, они участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны и лептоны образуют вещество. Адроны представляют собой «тяжелые» частицы с массой, значительно превышающей массу электрона. Это наиболее многочисленная группа элементарных частиц. Адроны делятся на барионы - частицы со спином ½ћ, мезоны - частицы с целочисленным спином (0 или 1); а также так называемые резонансы - короткоживущие возбужденные состояния адронов. К барионам (от греч. βαρύς - тяжёлый) относят протон и нейтрон. Из протонов и нейтронов построены все атомные ядра, именно сильное взаимодействие обусловливает связь этих частиц между собой.
В сильном взаимодействии протон и нейтрон имеют одинаковые свойства и рассматриваются как два квантовых состояния одной частицы - нуклона с изотопическим спином ½ћ. Барионы включают и гипероны - элементарные частицы с массой больше нуклонной: Λ-гиперон имеет массу 1116 МэВ, Σ-гиперон - 1190 МэВ, Θ-гиперон - 1320 МэВ, Ωгиперон - 1670 МэВ. Мезоны (от др. греч. μέσος - средний) имеют массы, промежуточные между массами протона и электрона (π-мезон, K-мезон). Существуют мезоны нейтральные и заряженные (с положительным и отрицательным элементарным электрическим зарядом). Все мезоны по своим статистическим свойствам относятся к бозонам.
Резонансы (резонансные частицы) - короткоживущие возбуждённые состояния сильно взаимодействующих адронов. В отличие от др. нестабильных частиц, резонансы распадаются в основном за счёт сильных взаимодействий. Поэтому их времена жизни лежат в интервале 10-22÷10-24 сек, что по порядку величины совпадает с характерным ядерным временем.

5. Физическое взаимодействие. Виды физического взаимодействия.

Способность к взаимодействию — важнейшее и неотъемлемое свойство материи. Именно взаимодействия обеспечивают объединение различных материальных объектов мега-, макро- и микромира в системы. Все известные современной науке силы сводятся к четырем типам взаимодействий, которые называются фундаментальными: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.
Гравитационное взаимодействие впервые стало объектом изучения физики в XVII в. Теория гравитации И. Ньютона, основу которой составляет закон всемирного тяготения, стала одной из составляющих классической механики. Закон всемирного тяготения гласит: между двумя телами существует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.
Любая материальная частица является источником гравитационного воздействия и испытывает его на себе. По мере увеличения массы гравитационные взаимодействия возрастают, т.е. чем больше масса взаимодействующих веществ, тем сильнее действуют гравитационные силы. Силы гравитации — это силы притяжения.
В последнее время физики высказывают предположение о существовании гравитационного отталкивания, которое действовало в самые первые мгновения существования Вселенной, однако эта идея пока не подтверждеиа. Гравитационное взаимодействие — наиболее слабое из ныне известных. Гравитационная сила действует на очень больших расстояниях, ее интенсивность с увеличением расстояния убывает, но нс исчезает полностью. Считается, что переносчиком гравитационного взаимодействия является гипотетическая частица гравитон. В микромире гравитационное взаимодействие нс играет существенной роли, однако в макро- и особенно мегапроцессах ему принадлежит ведущая роль.
Электромагнитное взаимодействие стало предметом изучения в физике XIX в. Первой единой теорией электромагнитного поля выступила концепция Дж. Максвелла. В отличие от гравитационной силы электромагнитные взаимодействия существуют только между заряженными частицами: электрическое поле — между двумя покоящимися заряженными частицами, магнитное — между двумя движущимися заряженными частицами. Электромагнитные силы могут быть как силами притяжения, так и силами отталкивания. Одноименно заряженные частицы отталкиваются, разноименно— притягиваются. Переносчиками этого типа взаимодействия являются фотоны. Электромагнитное взаимодействие проявляется в микро-, макро- и мегамире.
В середине XX в. была создана квантовая электродинамика — теория электромагнитного взаимодействия, которая удовлетворяла основным принципам квантовой теории и теории относительности. В 1965 г. ее авторы С. То- манага, Р. Фейнман и Дж. Швингер были удостоены Нобелевской премии. Квантовая электродинамика описывает взаимодействие заряженных частиц — электронов и позитронов.
Слабое взаимодействие было открыто только в XX в., в 1960-е гг. построена общая теория слабого взаимодействия. Слабое взаимодействие связано с распадом частиц, поэтому его открытие последовало только вслед за открытием радиоактивности. При наблюдении радиоактивного распада частиц обнаружились явления, которые, казалось бы, противоречили закону сохранения энергии. Дело в том, что в процессе распада часть энергии «исчезала». Физик В. Паули предположил, что в процессе радиоактивного распада вещества вместе с электроном выделяется частица, обладающая высокой проникающей способностью. Позже эта частица была названа «нейтрино». Оказалось, что в результате слабых взаимодействий нейтроны, входящие в состав атомного ядра, распадаются на три типа частиц: положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные нейтрино. Слабое взаимодействие значительно меньше электромагнитного, но больше гравитационного, и в отличие от них распространяется на небольших расстояниях— не более 10“22 см. Именно поэтому долгое время слабое взаимодействие экспериментально не наблюдалось. Переносчиками слабого взаимодействия являются бозоны.
В 1970-е гг. была создана общая теория электромагнитного и слабого взаимодействия, получившая название теории электрослабого взаимодействия. Ее создатели С. Вайнберг, А. Салам и С. Глэшоу в 1979 г. получили Нобелевскую премию. Теория электрослабого взаимодействия рассматривает два типа фундаментальных взаимодействий как проявления единого, более глубокого.
Так, на расстояниях более 10 17 см преобладает электромагнитный аспект явлений, на меньших расстояниях в одинаковой степени важны и электромагнитный, и слабый аспекты. Создание рассматриваемой теории означало, что объединенные в классической физике XIX в., в рамках теории Фарадея—Максвелла, электричество, магнетизм и свет в последней трети XX в. дополнились феноменом слабого взаимодействия.
Сильное взаимодействие также было открыто только в XX в. Оно удерживает протоны в ядре атома, не позволяя им разлететься под действием электромагнитных сил отталкивания. Сильное взаимодействие осуществляется на расстояниях не более чем 10“13 см и отвечает за устойчивость ядер. Ядра элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева, неустойчивы, поскольку их радиус велик и, соответственно, сильное взаимодействие теряет свою интенсивность. Такие ядра подвержены распаду, который и называется радиоактивным. Сильное взаимодействие ответственно за образование атомных ядер, в нем участвуют только тяжелые частицы: прогоны и нейтроны. Ядсрные взаимодействия не зависят от заряда частиц, переносчиками этого типа взаимодействий являются глюоны. Глюоны объединены в глюонное поле (по аналогии с электромагнитным), благодаря которому и осуществляется сильное взаимодействие. По своей мощи сильное взаимодействие превосходит другие известные и является источником огромной энергии. Примером сильного взаимодействия выступают термоядерные реакции на Солнце и других звездах. Принцип сильного взаимодействия использован при создании водородного оружия.
Теорию сильного взаимодействия называют квантовой хромодинамикой. Согласно этой теории сильное взаимодействие есть результат обмена глюонами, в результате чего обеспечивается связь кварков в адронах. Квантовая хромодинамика продолжает развиваться, и хотя ее нельзя пока считать законченной концепцией сильного взаимодействия, тем не менее эта физическая теория имеет прочную экспериментальную базу.
В современной физике продолжаются поиски единой теории, которая позволила бы объяснить все четыре типа фундаментальных взаимодействий. Создание подобной теории означало бы также построение единой концепции элементарных частиц. Этот проект получил название «Великое объединение». Основанием для убежденности, что такая теория возможна, является то обстоятельство, что на малых расстояниях (менее 10-29 см) и при большой энергии (более 1014 ГэВ) электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия описываются одинаковым образом, что означает общность их природы. Однако этот вывод имеет пока только теоретический характер, проверить его экспериментально до сих пор не удалось.
Различные конкурирующие между собой теории Великого объединения по-разному интерпретируют космологию.
Например, предполагается, что в момент рождения нашей Вселенной существовали условия, в которых все четыре фундаментальных взаимодействия проявлялись одинаковым образом. Создание теории, объясняющей на единых основаниях все четыре типа взаимодействий, потребует синтеза теории кварков, квантовой хромодинамики, современной космологии и релятивистской астрономии.
Однако поиск единой теории четырех типов фундаментальных взаимодействий не означает, что невозможно появление иных трактовок материи: открытие новых взаимодействий, поиск новых элементарных частиц и т.п. Некоторые физики высказывают сомнение в возможности единой теории. Так, создатели синергетики И. Пригожин и И. Стен- герс в книге «Время, хаос, квант» пишут: «надежду на построение такой “теории всего”, из которой можно было бы вывести полное описание физической реальности, придется оставить», и обосновывают свой тезис закономерностями, сформулированными в рамках синергетики (7.2).
Важную роль в понимании механизмов взаимодействия элементарных частиц, их образования и распада сыграли законы сохранения. Помимо законов сохранения, действующих в макромире (закона сохранения энергии, закона сохранения импульса и закона сохранения момента импульса), в физике микромира были обнаружены новые: закон сохранения барионного, лептонного зарядов, странности и др.
Каждый закон сохранения связан с какой-либо симметрией в окружающем мире. В физике под симметрией понимается инвариантность, неизменность системы относительно ее преобразований, т.е. относительно изменений ряда физических условий. Немецким математиком Эммой Нетер была установлена связь между свойствами пространства и времени и законами сохранения классической физики. Фундаментальная теорема математической физики, называемая теоремой Нетер, гласит, что из однородности пространства следует закон сохранения импульса, из однородности времени — закон сохранения энергии, а из изотропности пространства — закон сохранения момента импульса. Эти законы носят фундаментальный характер и справедливы для всех уровней существования материи.
Закон сохранения и превращения энергии утверждает, что энергия не исчезает и не появляется вновь, а лишь переходит из одной формы в другую. Закон сохранения импульса постулирует неизменность импульса замкнутой системы с течением времени. Закон сохранения момента импульса утверждает, что момент импульса замкнутой системы остается неизменным с течением времени. Законы сохранения являются следствием симметрии, т.е. инвариантности, неизменности структуры материальных объектов относительно преобразований, или изменения физических условий их существования.
Итак, законы сохранения энергии и импульса связаны с однородностью времени и пространства, закон сохранения момента импульса — с симметрией пространства относительно вращений. Законы сохранения зарядов связаны с симметрией относительно специальных преобразований волновых функций, описывающих частицы.

6. Корпускулярно-волновой дуализм как свойство элементарных частиц
Что такое элементарная частица? Слово «частица» происходит от слова «часть», поэтому обычно представляется, что это какой-то кирпичик, из которого мы строим целое. Кирпичик ассоциируется с чем-то цельным, твердым, компактным, небольшим, а частица — с каким-нибудь шариком (это первое, что приходит в голову у обывателя, когда говорят «элементарная частица»).
У осведомленного человека возникает вопрос: как работают научные методы, из чего состоит этот шарик? Откуда следует предположение, что частица должна быть шариком? Кроме того, слово «частица» происходит из ассоциации с каким-то шариком. Провел ли человек, который представляет себе элементарную частицу в виде шарика, эксперименты по проверке того, как элементарная частица проявляет себя во всех ипостасях? Проверил ли он, что она ведет себя как шарик при таких условиях, при других условиях, и поставил ли все возможные эксперименты? Оказывается, что это не так.
Элементарные частицы иногда ведут себя как шарик или даже как безразмерная точка, а иногда совершенно по-другому. Так устроено природное явление, и я сейчас опишу экспериментальные наблюдения, из которых люди делают выводы о корпускулярно-волновом дуализме.
Начнем совсем издалека, с опыта Резерфорда, который был поставлен в начале XX века. Во-первых, в опытах Резерфорда проверялась модель атома Томсона. Считалось, что атом — это пудинг, состоящий из ваты, внутри которой вкраплены твердые шарики с отрицательным зарядом, электроны, а сама вата имеет положительный заряд. Чтобы проверить эту модель, Резерфорд решил рассеять альфа-частицы на тонкой пленке, сделанной из золота. Что такое альфа-частицы, тогда приблизительно было известно. Альфа-частицы приблизительно в четыре тысячи раз тяжелее электрона. И Резерфорд надеялся увидеть, что поток из альфа-частиц беспрепятственно пройдет через пленку — по аналогии с тем, что у вас кегли массой 1 грамм, а мимо идет четырехкилограммовый кегельбанный шар. Вряд ли он заметит эти кегли на своем пути. Резерфорд ожидал, что все альфа-частицы пройдут сквозь, и все.
Но сотрудники Резерфорда проверили поток частиц по всех направлениях, не только то, что прошло сквозь. И они увидели, что какие-то из альфа-частиц отражаются от пластинки и улетают обратно. Это было совершенно невероятно! Кегельбанный шар, пролетая через нечто, состоящее из ватной консистенции с вкрапленными туда шариками массой, которая в четыре тысячи раз меньше, пройдет через это, не заметив. Но была вторая альтернатива для модели атома, и естественный вывод, который Резерфорд сделал, — атом устроен по-другому. Это не пудинг, а нечто очень тяжелое с массой, сопоставимой с массой альфа-частицы, сосредоточенное в маленьком центре, вокруг которого летает электрон. Если это так, то альфа-частица имеет массу, сопоставимую с ядром атома, и при столкновении с ним она, безусловно, может отразиться, как если кегельбанный шар попадет по кегельбанному шару, то он может отлететь назад.
Резерфорд и его сотрудники измерили, какое количество из общего потока альфа-частиц летит в разных направлениях. Было составлено распределение — это называется сечение рассеяния: поток частиц в этом направлении, поделенный на общий поток падающих. После этого Резерфорд, будучи уже сорокалетним известным ученым, пошел учиться теории вероятности в университет, прослушал курс и вывел формулу для рассеяния. Эту формулу можно найти в первом томе курса Ландау — Лифшица (он называется «Механика»).
Формула устроена так. Рассматриваются рассеивающие центры, которых в пластинке много. Для простоты давайте рассмотрим один рассеивающий центр. На него летит поток из альфа-частиц. Какая доля этих альфа-частиц полетит в направлении, отличном от общего падающего потока? В этой формуле существенно используется то, что у вас поток альфа-частиц точечный, то есть используется какое-то прицельное расстояние. Чем больше прицельное расстояние, тем меньше отклонение альфа-частиц. Чем меньше прицельное расстояние, тем больше отклонение альфа-частиц. Так была написана формула с использованием законов классической механики.
Если же вы откроете третий том Ландау — Лифшица под названием «Квантовая механика», вы с удивлением увидите, что та же самая формула из первого тома выводится и использованием волн. В этой формуле рассматривается рассеивающий центр, он все еще точечный. На него идет поток волн, которыми являются альфа-частицы. Когда идет волна, она заполняет все пространство, и ей прицельного расстояния не нужно. Она рассеивается либо не рассеивается с какой-то вероятностью и с какой-то вероятностью летит в том или ином направлении. Дело в том, что эта волна является волной вероятности. Вы считаете с помощью волновой механики вероятность волны рассеиваться в том направлении и получаете ту же самую формулу, которую получил Резерфорд, рассеивая точечные частицы.
На этом история не заканчивается. Вы открываете четвертый том Ландау — Лифшица, который посвящен квантовой электродинамике, что является уже не квантовой механикой, а квантовой теорией поля. Там рассчитывается формула, — правда, не для альфа-частиц, а для электронов, но ситуация абсолютно аналогичная, и все можно пересчитать для альфа-частиц. Вы получите то же рассеяние волн на рассеивающем центре, дающее ту же формулу, только уже с использованием методов квантовой теории поля. Более того, вы можете рассмотреть ядро как волну и рассеять волну на волне и получите ту же самую формулу. Такой удивительный факт. Эксперимент дает просто формулу вероятности увидеть альфа-частицу, вылетающую в этом направлении. А расчеты вы можете провести как частицами точечными, не имеющими размера вообще, так и волнами, которые заполняют все пространство, и получить тот же ответ.
Можно пойти дальше и посмотреть, как происходит рассеяние частиц в ускорителях. Исходно на ускорителях рассеивали поток частиц на мишенях. Это было энергетически невыгодно. Если вы хотите структуру частиц изучать, то выгоднее рассеивать частицы на частицах, потому что тогда в центре масс энергия сильно выше, чем, если мишень покоится, а на нее налетают частицы. Сильно больше выигрыш в энергии. Например, на Большом адронном коллайдере не на мишени рассеивается, а протоны на протоны. Когда Будкер предлагал рассеивать частицы на частицах, над ним смеялись известные ученые, потому что говорили, что он собирается число Авогадро рассеивать на числе Авогадро — попасть точкой в точку.
Когда вы на ускорителе рассеиваете потоки частиц, вам нужно два потока совместить так, чтобы они друг в друга попали. Там откалибровывают и в конце концов сводят два потока в одну точку. Они действительно сталкиваются друг с другом, и происходит рассеяние. Рассчитывают сечение рассеяния потока частиц в разных направлениях. И при расчетах сечения рассеяния частиц получается, что вы используете исключительно волны. Вы используете методы квантовой теории поля и рассеиваете волны. Получаются формулы, которые хорошо описывают то, что происходит в детекторах, какие частицы в каких направлениях летят в результате этого. Это одновременное описание одних и тех же явлений при помощи частиц и при помощи волн.

Тема 3
1. Статистическая модель Вселенной А. Эйнштейна.

Эйнштейн все же нашел разрешение задачи, но для этого ему пришлось видоизменить свои уравнения. В правую их часть он ввел дополнительное слагаемое так называемый космологический член Л<у/Н,. Если космологическая, постоянная Л положительна, то этим членом вводилась новая, пропорциональная расстоянию сила, действующая как сила космического отталкивания. Совместное действие притяжения и космического отталкивания могло обеспечить равновесное состояние Вселенной.
Положив А > 0, Эйнштейн получил решение своих обобщенных таким образом уравнений тяготения. Его решение описывало модель Вселенной в виде 3-мерной сферы 3-мерного аналога поверхности футбольного мяча. Эта модель замкнута, т.е. имеет конечный пространственный объем. Никакого противоречия со здравым смыслом здесь нет: выход за рамки этой сферы невозможен и физически бессмыслен. Конечный радиус Вселенной Н пропорционален массе М всех тел Вселенной: М = 4пЯ/я. Описываемая этой моделью Вселенная, обладая конечными массой и пространством, не может существовать без масс. Это отвечало принципу Маха: свойства пространства определяются всеми массами Вселенной. Модель Эйнштейна полностью реализовывала принцип Маха.
Правда, оставался открытым вопрос: выполняется ли принцип Маха без введения космологического члена, для обычных уравнений Эйнштейна? Ответ был получен, когда В. де Ситтер уже в том же 1917 году нашел решения обобщенных уравнений Эйнштейна, которые соответствовали статической модели пустого мира. Оказалось, что даже при
Л > 0 возможны пустые вселенные искривленные миры без масс. Впоследствии оказалось, что пустые миры де Ситтера возможны и при А < 0, и при А = 0.
Можно подумать: Вселенная без вещества это абстракция, далекая от реальности идеализация. На самом деле эта идеализация не так уж далека от реальности. Скоро мы увидим, что средняя плотность вещества в Метагалактике столь ничтожно мала, что в уравнениях ее можно полагать равной нулю. Это и будет «пустая модель»: это название не означает, что вещество во Вселенной отсутствует оно сосредоточено лишь в отдельных сгустках материи галактиках. Лишь на космических масштабах материю можно считать распределенной всюду равномерно.
Вопрос, как видим, имел принципиальное значение: если уравнения Эйнштейна допускают решения, описывающие всю Вселенную без масс, то принцип Маха в такой Вселенной не мог соблюдаться инерция тел не могла быть объяснена массами всей Вселенной. Выяснилось, что, независимо от знака и значения А, теория Эйнштейна в общем случае несовместима с принципом Маха тем эвристическим принципом, с помощью которого Эйнштейн строил саму теорию.


2. Модель расширяющейся Вселенной. Теория Большого Взрыва о возникновении Вселенной

Большой Взрыв – начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии.
Примерно 15 миллиардов лет назад, в гигантском взрыве началась Вселенная – горячий Большой взрыв! Её последующая эволюция от одной сотой секунды до сегодняшнего дня может быть надежно описана моделью Большого взрыва. Эта модель включает расширение Вселенной, возникновение легких элементов и реликтовое излучение от первоначального ядра, а также общие контуры понимания формирования галактик и других крупномасштабных структур. Фактически, модель Большого взрыва в настоящее время является настолько хорошо подтвержденной, что её называют стандартной космологией.
Согласно космологической модели Фридмана – Леметра, Вселенная возникла в момент Большого взрыва – около 20 млрд. лет назад, и ее расширение продолжается до сих пор, постепенно замедляясь. В первое мгновение взрыва материя Вселенной имела бесконечную плотность и температуру – такое состояние называют сингулярностью.
Согласно общей теории относительности, гравитация не является реальной силой, а есть искривление пространства-времени: чем больше плотность материи, тем сильнее искривление. В момент начальной сингулярности искривление тоже было бесконечным. Можно выразить бесконечную кривизну пространства-времени другими словами, сказав, что в начальный момент материя и пространство одновременно взорвались везде во Вселенной.
По мере увеличения объема пространства расширяющейся Вселенной плотность материи в ней падает. С.Хокинг и Р.Пенроуз доказали, что в прошлом непременно было сингулярное состояние, если общая теория относительности применима для описания физических процессов в очень ранней Вселенной.
Чтобы избежать катастрофической сингулярности в прошлом, требуется существенно изменить физику, например, предположив возможность самопроизвольного непрерывного рождения материи, как в теории стационарной Вселенной. Но астрономические наблюдения не дают для этого никаких оснований.
Изучая процессы, происходившие сразу после Большого взрыва, мы понимаем, что наши физические теории еще весьма несовершенны. Тепловая эволюция ранней Вселенной зависит от рождения массивных элементарных частиц – адронов, о которых ядерная физика знает еще мало. Многие из этих частиц нестабильны и короткоживущи.
Физик Р.Хагедорн считает, что может существовать великое множество адронов возрастающих масс, которые в изобилии могли формироваться при температуре порядка 1012 К, когда гигантская плотность излучения приводила к рождению адронных пар, состоящих из частицы и античастицы. Этот процесс должен был бы ограничить рост температуры в прошлом.
Согласно другой точке зрения, количество типов массивных элементарных частиц ограничено, поэтому температура и плотность в период адронной эры должны были достигать бесконечных значений. В принципе это можно было бы проверить: если бы составляющие адронов – кварки – были стабильными частицами, то некоторое количество кварков и антикварков должно было сохраниться от той горячей эпохи. Но поиск кварков оказался тщетным; скорее всего, они нестабильны.
После первой миллисекунды расширения Вселенной сильное (ядерное) взаимодействие перестало играть в ней определяющую роль: температура снизилась настолько, что атомные ядра перестали разрушаться. Дальнейшие физические процессы определялись слабым взаимодействием, ответственным за рождение легких частиц – лептонов (т.е. электронов, позитронов, мезонов и нейтрино) под действием теплового излучения. Когда в ходе расширения температура излучения понизилась примерно до 1010 К, лептонные пары перестали рождаться, почти все позитроны и электроны аннигилировали; остались лишь нейтрино и антинейтрино, фотоны и немного сохранившихся с предшествующей эпохи протонов и нейтронов. Так завершилась лептонная эра.
Следующая фаза расширения – фотонная эра – характеризуется абсолютным преобладанием теплового излучения. На каждый сохранившийся протон или электрон приходится по миллиарду фотонов. Вначале это были гамма-кванты, но по мере расширения Вселенной они теряли энергию и становились рентгеновскими, ультрафиолетовыми, оптическими, инфракрасными и, наконец, сейчас стали радиоквантами, которые мы принимаем как чернотельное фоновое (реликтовое) радиоизлучение.
Первое подтверждение факта взрыва пришло в 1964 году, когда американские радиоастрономы Р. Вильсон и А. Пензиас обнаружили реликтовое электромагнитное излучение с температурой около 3° по шкале Кельвина (–270°С). Именно это открытие, неожиданное для ученых, убедило их в том, что Большой взрыв действительно имел место и поначалу Вселенная была очень горячей5. Теория Большого взрыва позволила объяснить множество проблем, стоявших перед космологией. Но, к сожалению, а может, и к счастью, она же поставила и ряд новых вопросов.
Все это указывало на то, что теория Большого взрыва неполна. Долгое время казалось, что продвинуться далее уже невозможно. Только четверть века назад благодаря работам российских физиков Э. Глинера и А. Старобинского, а также американца А. Гуса было описано новое явление – сверх-быстрое инфляционное расширение Вселенной.
Вопрос о происхождении Вселенной со всеми ее известными и пока неведомыми свойствами испокон веков волнует человека. Но только в XX веке, после обнаружения космологического расширения, вопрос об эволюции Вселенной стал понемногу проясняться.
Последние научные данные позволили сделать вывод, что наша Вселенная родилась 15 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва. Но что именно взорвалось в тот момент и что, собственно, существовало до Большого взрыва, по-прежнему оставалось загадкой. Созданная в конце XX века инфляционная теория появления нашего мира позволила существенно продвинуться в разрешении этих вопросов, и общая картина первых мгновений Вселенной сегодня уже неплохо прорисована, хотя многие проблемы еще ждут своего часа
Вселенная началась около 15 миллиардов лет назад в яростном взрыве; в ранней сверхплотной фазе каждая частица бросилась прочь от каждой другой частицы. Тот факт, что галактики удаляются от нас во всех направлениях, является следствием этого начального взрыва, и он является первым обнаруженным Хабблом наблюдательным открытием.
Сегодня существуют прекрасные доказательства закона Хаббла, который утверждает, что скорость удаления v галактики пропорциональна расстоянию от нас до неё d , то есть, v = Hd, где H есть постоянная Хаббла. Мысленное продолжение траекторий галактик назад во времени показывает, что они сходятся в состояние с высокой плотностью – первоначальное ядро.
Коперниковский или космологический принцип утверждает, что Вселенная одинакова во всех направлениях и в любой точке пространства. Это приводит к заключеию, что наше положение во Вселенной – по отношению к очень большим масштабам – ни в коей мере не является особенным.
Для такого утверждения существуют значительные наблюдательные основания, включая измеренные распределения галактик и слабых радиоисточников, хотя наилучшим доказательством является практически совершенная однородность реликтового космического микроволнового фонового излучения. Это означает, что любой наблюдатель, находящийся где-угодно во Вселенной будет наслаждаться во многом такими же видами, что и мы, включая наблюдение, что галактики удаляются от него.
Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 году. В основе этой модели лежат два предположения:
1) свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность);
2) наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, – релятивистская.
Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности:
1) принципом относительности, гласящим, что во всех инерциональных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга;
2) экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.
Из принятия теории относительности вытекало в качестве следствия (первым это заметил А.А. Фридман в 1922 году), что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. На этот вывод не было обращено внимания вплоть до открытия американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения».
Красное смещение – это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний, воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит «покраснение», то есть линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.
Для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, то есть о расширении Мегагалактики – видимой части Вселенной.
Красное смещение надежно подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении, по меньшей мере, нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой.