Концепции современного естествознания

Аристотель и философские основания античной космологии

Ко времени Аристотеля древние греки знали, что Земля - шар, и знание это, вероятно, восходит к временам Пифагора (7 в. до н.э.). Аристотель приводит два веских аргумента в пользу шарообразности Земли. Во-первых, древние греки совершенно правильно определяли причины солнечного и лунного затмений. Лунное затмение - это покрытие Луны тенью Земли, когда Земля находится между Солнцем и Луной. Но тень Земли - круглая. Разумеется, греки понимали, что круглую тень может давать не только шар, но и диск, усечённый конус, полусфера и ещё множество геометрических фигур. Однако диск отбросит круглую тень, если Солнце будет стоять перпендикулярно к его поверхности, иначе тень будет эллиптическая. А Солнце в Греции так стоять не может, только в тропиках. Во-вторых, чем дальше двигаться на север, тем ниже будут стоять светила. При правильных наблюдениях можно не только доказать шарообразность Земли, но зная расстояние смещения к северу и изменение угла наклона светила, точно вычислить окружность и диаметр Земли. Допустим, сместившись на тысячу единиц длины (миль, стадий, километров) к северу, мы замечаем, что Солнце стоит на 10° ниже. Предполагая, что Земля - шар, рассуждаем следующим образом - если длина дуги в 10° составляет 1000 километров, полная окружность в 360° должна составлять 36 000 км. Если, смещаясь на разные углы, мы получаем одинаковые длины окружности, то Земля, без сомнения - шар. Аристотель, ориентируясь по Полярной звезде, выполнил эту операцию с большой ошибкой, но столетием спустя александриец Эратосфен очень точно вычислил окружность Земли. Земля - шар, находящийся внутри других, полых прозрачных шаров, на поверхности которых находятся светила - небесных сфер. Сферы, несущие Солнце, Луну, звёзды и планеты, вращаются вокруг неподвижной Земли, перемещая светила. Такое представление о строении Космоса возникло лет за триста до Аристотеля, и постепенно усложняясь, просуществовало около 2 тысяч лет. Древние астрономы различали неподвижные звёзды и планеты. Планэтэс по гречески означает «блуждающий». Некоторые звёзды медленно перемещаются относительно других звёзд - это и есть планеты: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Однако движение планет по небосводу является более сложным, чем движение Луны или Солнца, оно никогда не бывает круговым. Солнце и неподвижные звёзды тоже не имеют постоянной траектории вращения: Солнце, например, летом явно выше, чем зимой. Однако если солнечную сферу связать с другой сферой, вращающейся в ином направлении и с иной скоростью, то можно сравнительно точно рассчитать положение дневного светила для всех времён года. Итак, увеличиваем количество сфер - и получаем большую точность предсказаний. Астроном Эвдоксий, живший несколько раньше Аристотеля, оперировал уже 27 сферами. Аристотель попытался объяснить устройство Вселенной. Он определил отличие точных и естественных наук приблизительно так же, как и мы сейчас, и поставил задачей вывести движение физических тел «из самих себя». Движение тела может быть естественным и неестественным. Естественное движение - это движение тела к его естественному месту. Вода течёт вниз, потому что там, внизу - её естественное место. Дым поднимается наверх, потому что там его естественное место. А чем определяется «естественное место» тела? Его «сущностью», которое существенно зависит от состава тела. На Земле все тела состоят из четырёх элементов - земли, воды, воздуха и огня, но каждое вещество в отдельности образовано своим соотношением этих элементов. В Космосе преобладает эфир - пятый элемент, наиболее лёгкий из всех. Из чистого эфира состоит самая внешняя сфера - сфера неподвижных звёзд. Другие сферы содержат примесь иных элементов, которые и задают их «естественное место». И тогда всё становится понятным - Земля состоит из земли, поэтому находится в центре Вселенной. Вода растекается поверх Земли, воздух - поверх воды, а выше всех - эфирные сферы (не так уж важно, сколько). Естественное движение небесных эфирных тел - круговое. Самая внутренняя сфера - сфера Луны, которая из-за близости Земли неизбежно содержит наибольшее количество утяжеляющих её примесей тяжёлых элементов.

Гелиоцентрическая картина мира и её доказательства

Отцом новой космологии стал Николай Коперник, знаменитый астроном и католический священник, изложивший основы гелиоцентрической системы в книге «О вращении небесных сфер». Очень осторожное изложение материала в книге Коперника. Новая гипотеза подавалась как одна из альтернатив. Аристарх Самосский утверждал, что Солнце находится в центре мироздания, а Земля вращается вокруг него. Научная теория должна на основании минимального числа допущений объяснять наибольшее количество фактов. Далее мы увидим, что новые теории побеждают старые, сокращая количество допущений и увеличивая количество объяснённых феноменов. Первая такая редукция допущений осуществлена Коперником, причём в очень явном виде. Количество сфер в системе Птолемея достигало 55, плюс допущения о существовании эквантов, эксцентриков, эпициклов. От почти всего этого можно отказаться, признав Землю одной из планет, вращающихся вокруг Солнца! Сложные петлеобразные траектории движения планет «внешнего круга» - Марса, Юпитера, Сатурна - становятся просто круговыми. Более того, новая гипотеза шла дальше объяснения фактов, выводимых из геоцентрической модели - Коперник рассчитал относительные радиусы орбит всех планет, что на основании прежних представлений вычислить было невозможно. Одним из самых ярких сторонников теории Коперника был Джордано Бруно. Это был не астроном, а философ, священник эпохи Реформации, горячий сторонник Лютера и борец со схоластикой. Он утверждал, что Вселенная бесконечна, наше Солнце - это одна из многих звёзд, вокруг которых тоже вращаются обитаемые планеты. Первым крупным астрономом, который попытался проверить правильность теории Коперника, был датчанин Тихо Браге. Благодаря заслугам отца Браге, датский король выделил огромную сумму денег, которую Тихо потратил на строительство лучшей в мире обсерватории Ураниборг. Четырнадцать лет подряд Браге со своими учениками вёл ежесуточные наблюдения за звёздным небом. При новом датском короле Браге вынужден был бежать в Прагу, где и умер. Его архив оказался в руках секретаря и помощника Браге - Иоганна Кеплера, открытия которого окончательно утвердили гелиоцентрическую картину мира. Браге совершил самые точные наблюдения за звёздным небом, которые были сделаны невооружённым глазом и умер за 8 лет до изобретения Галилеем телескопа. Галилея смело можно назвать отцом экспериментальной физики. Он же сыграл огромную роль в зарождении новой философии естествознания. Галилей открыл математический закон, описывающий падение тел и то, что впоследствии стало называться первым законом Ньютона. С помощью телескопа Галилей находит на Луне моря и горы. Но моря состоят из воды, а горы - из земли, следовательно, их естественное место и естественное место Луны в целом должно быть внизу, на Земле. Он наводит на Солнце свой телескоп и обнаруживает на нём пятна, которые смещаются к правому краю диска и через 27 дней появляются слева в том же порядке - следовательно, солнечный шар вращается вокруг своей оси! Он открывает 4 спутника Юпитера, движение которых не вписывается в систему небесных сфер. И, наконец, он обнаруживает фазы Венеры, наличие которых предсказано Коперником. Последнее наблюдение является прямым подтверждением гелиоцентрической теории - Венера не светящийся диск, а шар, подобно Луне, освещаемый Солнцем. Иоганн Кеплер почти не проводил самостоятельных наблюдений над звёздами - у него было слабое зрение. Однако удивительный математический талант позволил ему завершить гелиоцентрическую картину мира, пользуясь таблицами Тихо Браге. Кеплер верил, что в основе мироздания лежит простой математический закон. Семь лет он считал орбиту Марса, получил фигуру, отличную от окружности и вынужден был признать её как данность. Космос управлялся тремя законами Кеплера, о существовании которых раньше никто не догадывался. Первый закон Кеплера: планеты движутся не по круговым, а по эллиптическим орбитам. В фокусе эллипса находится Солнце. Второй закон Кеплера: планеты движутся с непостоянной скоростью. Постоянна площадь, которую заметает за единицу времени радиус-вектор, опущенный от Солнца. Третий закон Кеплера: кубы длинных радиусов орбит относятся к квадратам времени обращения планет как постоянные величины. Благодаря его законам, расчет движения светил стал абсолютно точным, «астрономически точным» и использование телескопов доказывало отсутствие ошибок в его вычислениях. Абсолютный закон, управляющий движением небесных тел, который искал Кеплер, был установлен Ньютоном - закон всемирного тяготения. Приняв его, можно вывести все три закона Кеплера. Это - хороший пример редукции допущений при расширении сферы действия теории на всю Вселенную. При этом проявляется закономерность, названная впоследствии «принципом соответствия» - новая теория не опровергает предшествующую, та просто становится частной отраслью новой теории. Следует отметить, что принцип соответствия начинает работать только в средневековой науке - птолемеева космология не является частным случаем космологии Коперника. Причиной тому является отсутствие в современной науке аргументов ad hoc. Она основана на проверяемых допущениях. Закон всемирного тяготения был открыт Ньютоном для объяснения законов Кеплера. Таким образом, законы Кеплера выводятся из закона всемирного тяготения, а истинность закона тяготения подтверждается законами Кеплера. Элемент тавтологии очевиден и желательна внешняя, прямая проверка закона тяготения. Она была выполнена Кавендишем через много лет после смерти Ньютона. Ввод закона всемирного тяготения повлёк за собой пересмотр всей картины Космоса. Поскольку жёстких сфер нет, звёзды могут располагаться без всякой связи друг с другом. Ньютон вынужден был признать бесконечность Вселенной в пространстве - в ограниченной Вселенной все тяготеющие массы должны упасть в общий центр. Однако звёзды находятся на тех же местах, где их наблюдали древние греки. Только в бесконечной Вселенной тяготение масс с одной стороны будет уравновешено тяготением со стороны противоположной. Впоследствии в так называемой «механистической» картине мира бесконечность Вселенной в пространстве была дополнена бесконечностью во времени. Закон всемирного тяготения не имел никакого физического объяснения. Тяготение есть сила, действующая на расстоянии, передающаяся через пустоту, причём мгновенно.

Волновая и электромагнитная теории света, понятие об эфире

Максвелл считал, что одной из частных разновидностей электромагнитных волн являются световые волны. Скорость света была измерена достаточно точно французом Физо в 1848 г. Она оказалась очень большой - около 300 000 км/сек, но конечной. Следовательно, сила, действующая на расстоянии, распространяется с конечной скоростью, не мгновенно. Физики ревностно относятся к скорости света. Дело не в видимом свете как частном феномене, дело в скорости действия поля. Свет - проявление действия электромагнитного поля. Что будет, если некоторый заряд будет двигаться со скоростью, превышающей скорость света? Этот вопрос можно поставить так: что будет, если тело, определяющее характеристики пространства, выскочит за пределы пространства, характеристики которого оно определяет? Допустим, два одноименных электрических заряда несутся навстречу друг другу со скоростями, превышающими скорость света. Они должны встретиться в некоторой точке, где силы отталкивания должны быть большими. Допустим, наши тела - две струи разреженного ионизированного газа. Они пройдут друг сквозь друга, не провзаимодействовав, поскольку поле за ними не угонится. А когда поле доковыляет до точки встречи струй, что оно будет отталкивать? Как можно определить из данного предположения, силы, действующие на заряды, как-то зависят от скорости движения зарядов. Если свет - разновидность электромагнитных колебаний…На природу света существовали две точки зрения. Одна, восходящая к Аристотелю и продолженная Ньютоном, толковала свет как поток мелких частиц. Современник Ньютона Гюйгенс разработал волновую теорию света. Она объясняла все известные к тому времени явления и позволила создать совершенные оптические приборы, которые мало изменились со второй половины XVIII. Классическими волновыми явлениями, с которыми знакомят школьников, являются дифракция и интерференция света. Интерференция - это наложение в данной точке двух световых волн, которые, будучи в противофазе, взаимно погашают друг друга, а при совпадении по фазе - усиливают.

Дифракция света - феномен "огибания" препятствия волновым фронтом. Давно известна также длина световой волны для каждого чистого цвета спектра. Однако, если свет - это волновые колебания, то что же колеблется? Со вздохом приходится признать - эфир, старый добрый Аристотелев эфир. Свет - тот же звук, только в эфире. Странное это вещество - с одной стороны, оно твёрдое, поскольку колебания его - поперечные (колебания в жидкости и газе - продольные), с другой стороны, абсолютно лишенное упругости (хоры стройные светил движутся в нём без всякого сопротивления). Он вездесущ. Помните «торричеллиеву пустоту» - вакуум XVII века? В длинную стеклянную запаянную с одного конца трубку наливаем ртуть, переворачиваем слепым концом вверх - ртутный столб держится на атмосферном давлении, а над ним - пустота. Но эфир там есть - ведь свет через эту пустоту проходит. Как он там оказался? А главное - никто не может его получить. Наш Менделеев сколько времени убил в попытках выделить эфир - и всё напрасно.

Казалось бы, что Максвелл мог бы обойтись без эфира, но и он считал, что электромагнитные волны распространяются именно в эфире. По разным причинам физики видели пространство чем-то заполненным, пустое «чистое пространство», пространство без материи непредставимо. Эфир для физиков XIX в. - абсолютно неподвижная среда.

Опыты Майкельсона и их значение

Суть их в следующем. Земля вращается вокруг Солнца со скоростью около 30 км/сек. Луч света, пущенный с Земли по ходу её движения, должен двигаться на 30 км/ч быстрее, чем пущенный перпендикулярно орбитальной скорости, а свет, пущенный «назад» - на 30 км/час медленнее. Прибор, построенный Майкельсоном, был достаточно чувствительным, чтобы уловить разницу в скоростях света такого порядка, однако он не зарегистрировал её. Другие физики, заинтригованные парадоксальным результатом Майкельсона, тоже не могли её зафиксировать. В 1904 г. Х. Лоренц, знаменитый специалист в области теории электричества, нобелевский лауреат 1902 г. по физике, опираясь на гипотезу Фицджеральда, предположил, что тела, движущиеся через эфир, сокращаются в длине и время их движения сокращается. В конце концов, что такое скорость? Путь, деленный на время. Если мы немного поманипулируем с путём и временем, то получим подгонку результатов опытов Майкельсона-Морли под нечто объяснимое: где x' - длина тела, движущегося со скоростью v, x - длина этого тела в покое, t' - время для тела, движущегося со

скоростью v, t - время процессов в покое, с - скорость света.Очевидно, что перед нами допущения ad hoc.

Физические и философские основы специальной теории относительности

Теории относительности в основе своей очень проста, потому что базируется всего на двух допущениях.Допущения:1. Все инерциальные системы отсчёта равны между собой. Инерциальные системы отсчёта - это тела, движущиеся с постоянной скоростью. Всю выделенную фразу следует понимать так: для всех физических тел, движущихся с постоянной скоростью, физические законы одинаковы.2. Скорость света постоянна, не зависит от скорости источника и приёмника света. Никакое тело не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Собственно говоря, все физические законы будут одинаковы для инерциальных объектов, только если мы примем допущение о равенстве скорости света для всех.Следствия: Теперь пропустим оба допущения через математическую мясорубку и получим в результате преобразования Лоренца. Поверим, что математики всё сделали правильно, и они доказали не только справедливость, но и единственность полученных решений. Тогда получается, что уравнения Лоренца не есть допущения ad hoc, но следствие из очень широких обобщений. В этом случае при малых, земных скоростях v сокращение длин и времени будет так мало, что точность измерительных приборов не позволит его обнаружить. Сработает принцип соответствия: в механике Ньютона ничего менять не надо, это частный случай механики Эйнштейна - механика для малых скоростей.

Для случаев больших скоростей возникает вопрос: как быть с кинетической энергией тела, Е = ? mv², точнее, Е = ?m(v₁ -v₂)² ? Поскольку пространство и время при увеличении скорости сокращаются, работа со скоростями, очевидно, требует больших ухищрений, чем в механике Ньютона. Из согласования этих вопросов с допущениями о равенстве физических законов на телах, движущихся с разными скоростями, получаем где m' - масса тела, движущегося со скоростью v, m - его масса в покое. Причём для расчёта кинетической энергии получаем, что энергия тела, находящегося в покое - E ? mc². Относительно чего движется тело со скоростью v? - относительно наблюдателя. Здесь главное - почувствовать симметричность преобразований Лоренца. Допустим, некоторый наблюдатель движется относительно Вас с большой скоростью и для него пара, на которой Вы сидите, кажется тянущейся целый год. Но пара, на которой сидит он, тоже будет тянуться для Вас целый год. Допустим, Вы послали лектора (ногами назад) со скоростью, близкой к скорости света, и для Вас он укоротился до 1 метра. Но и Вы окажетесь в его системе координат укоротившимися тем же образом.То есть, одно и то же тело для разных наблюдателей будет иметь разные размеры и участвовать в процессах разной продолжительности. Но если всех этих наблюдателей свести за одним столом, то их линейки и их часы покажут одинаковые значения.Парадоксальные на первый взгляд следствия из теории относительности не являются парадоксами в истинном смысле этого слова, то есть не находятся в противоречии с логикой. Одним из следствий теории относительности является неодновременность событий, оцененных в разных системах отсчёта. Но эта неодновременность не является нарушением причинных связей.

Последовательность событий в любой системе отсчёта остаётся одной и той же.Комментарий.Теория, основы которой заложены Эйнштейном в 1905 г., получила название частной или специальной теории относительности, поскольку рассматривала физику тел, движущихся только с постоянной скоростью. Эта удивительная теория, так же как и последовавшая за ней общая теория относительности на первый взгляд действительно кажется целиком выведенной «из головы». Она могла появиться и без опытов Майкельсона-Морли. Эта теория является чисто редукционной, так же как и гелиоцентрическая теория Коперника, возникает как следствие снятия логических противоречий старой теории путём удаления из неё ненаблюдаемых сущностей - абсолютного пространства и времени, связанных с эфиром, как более ёмкая переупаковка уже накопленных физикой данных.

Но при всех логических достоинствах частная теория относительности нуждалась в экспериментальной проверке. Пока она не технически не осуществима на макрообъектах, но элементарные частицы могут быть разогнаны на ускорителях до скоростей свыше 0,9999 от скорости света. Эти эксперименты показывают полное согласие теории с практикой - здесь наблюдается замедление времени, сокращение размеров и увеличение массы частиц согласно преобразованиям Лоренца. 

Общая теория относительности и её экспериментальные доказательства

Общая теория относительности раскрывает природу закона всемирного тяготения. Допущение:Основное допущение ОТО очень простое и называется принципом эквивалентности. На кухонном языке оно звучит приблизительно так: если мы не можем отличить силу, возникающую в результате ускорения (например, центробежного) от силы, порождённой гравитационным полем - то это одно и то же. В более формализованном виде принцип эквивалентности выглядит так: гравитационная масса эквивалентна инерционной массе. Что известно о массе? Это понятие входит в два уравнения Ньютона: F = am и F = G·m₁m₂/r², - второй закон механики и закон всемирного тяготения. Однако почему мы решили, что масса, входящая в первое уравнение и масса, входящая во второе - это одно и то же? Ведь они ничем не связаны между собой. Будем называть массу первого уравнения инерционной (m_i), а из второго - гравитационной (m_g). Давайте считать, что это одно и то же и посмотрим, что получится. Пропустив математические выкладки получим следующее.

Следствие: Наша Вселенная четырёхмерна («четырёхмерный пространственно-временной континуум»). Любая масса искривляет пространство-время, и наоборот, степень искривления пространства-времени материальным объектом определяет его массу. Трёхмерное тело, движущееся в искривленном четырёхмерном пространстве, испытывает угловое ускорение, которое наблюдатель воспринимает как тяготение. В любой популярной книжке по ОТО приводится одна и та же аналогия. Представим себе двумерного человечка, живущего на бесконечно тонкой плёнке. Он во всём не хуже нас, трёхмерных и у них на плёнке все такие. Представим, что этот человечек спешит из точки А в точку В. А теперь продавим эту плёнку пальцем. Человечек в недоумении: он много раз ходил этим маршрутом и проходил его за время, значительно более короткое, чем сейчас. Об удлинении маршрута он не подозревает: добавочная длина возникает в третьем измерении, опытных знаний о котором он не имеет. Он видит, что изменилась скорость его движения, а там, где есть изменение скорости, там есть ускорение, а там, где ускорение - сила. Эту силу, тормозящую его движение к точке В, он воспринимает как тяготение. Также и мы, трёхмерные, движемся по поверхности огромного четырёхмерного пузыря, испещрённого многочисленными выбоинами и колдобинами - посторонними массами. Это довольно грубая аналогия, но, по крайней мере, она наглядна. Мы и дальше ей будем пользоваться, но добавим физичности.

Во-первых, никакого дополнительного скрытого пространства нет. Физическое тело, перемещаясь в пространстве, перемещается также и во времени, в трёх пространственных измерениях плюс одном временном. Мирный обыватель очень чётко понимает различия между пространством и временем. Однако с появлением теории относительности физик-теоретик получает волшебную палочку - фундаментальную постоянную с, скорость света. Теперь, с помощью этой мировой постоянной можно время выразить через пространственные единицы, например, секунду можно задать как 300 000 км, делённые на с - скорость света, или, сходным образом, пространство через время. Наш пространственно-временной континуум - это три симметричные, сходные, различаемые только по произволу наблюдателя пространственные координаты плюс одна, (временная) особенная. Но если каждую из четырёх переменных на что-то умножить и одинаково преобразовать, то можно получить четыре совершенно неразличимые оси, каждая из которых будет в равной степени и временной и пространственной. Этот фокус называется преобразованиями Минковского. Итак, с помощью математических преобразований и палочки-выручалочки с в теоретической физике можно перейти от несимметричных привычных нам пространственно-временных координат к симметричным координатам Минковского и обратно. Нового, добавочного четвёртого измерения нет, есть новая форма представления известных уже понятий. Правда, время отличается от пространства ещё одним качеством: во времени стоять нельзя. В новых пространственно-временных координатах неподвижных объектов нет. Но если четырёхмерное пространство-время - это то, в чём мы существуем, и ничего нового, скрытого, добавочного нет, почему мы не видим его искривления массой? Потому, что оно исключительно мало. Допустим, с обрыва падает камень. За секунду он пролетит 4,9 м. Если мы выразим секунду в единицах длины (зачем - для того, чтобы отразить путь и время в некотором едином масштабе), то это составит 300 000 км пути света, т.е. при движении по одной оси на 300 000 км смещение по другой составит 4.9 м. При преобразовании координат в пространстве Минковского различия не сгладятся. И в этом пространстве-времени приходится всегда двигаться, а поскольку оно более или менее искривлено - чувствовать перегрузки на виражах. Трёхмерное геометрическое пространство, в котором, по обычному представлению мы существуем, описывается геометрией Эвклида. Эвклидова геометрия - частный случай геометрии Римана. Есть другие геометрии и у физиков возникает вопрос - какова истинная геометрия нашего мира? Так же как при обычных, привычных для нашего восприятия скоростях сокращения длин и времени неуловимо малы и неотличимы от постоянных величин механики Ньютона, так же для малых масс отличия геометрии нашего обывательского мира от прямолинейной геометрии Эвклида исчезающее малы.

Однако допущение, что мы живём именно в эвклидово пространстве - слишком сильное допущение и Эйнштейн от него отказывается, допуская существование «менее правильного» мира. Проверка: Ещё в первой редакции ОТО (1915 г.) Эйнштейн предложил два критерия проверки своей гипотезы: смещение орбиты Меркурия и искривление световых лучей в поле тяготения Солнца. Меркурий, ближайшая к Солнцу планета), находясь в нижней точке своей орбиты (перигее), оказывается в зоне наиболее искривлённого тяготением Солнца пространства-времени. Для земного наблюдателя время на нём замедляется. Это приводит к тому, что следующий виток орбиты происходит с небольшим поворотом длинного радиуса эллипса. За столетие это смещение становится величиной, которую можно зарегистрировать. Этот феномен был известен и до Эйнштейна - его открыл Леверье в середине XIX в. Расчёты по формулам ОТО совпали с наблюдаемыми данными. Эйнштейн предсказывал, что во время полного затмения Солнца звёзды, находящиеся вблизи солнечной короны, должны показаться сместившимися относительно своих исходных координат. Не то, чтобы во время затмения тяготение иное - без него звёзд не видно. Луч света от звезды, проходя вблизи массивного Солнца, движется в искривлённом им пространстве и это отклонение луча будет приводить к «смещению» звёзд.

Нестационарная Вселенная Фридмана

Вселенная Эйнштейна была замкнутой гиперсферой - безграничной, но конечной. Безграничной в том смысле, что путешествующий в ней луч света никогда не упрётся в препятствие, но конечной, имеющей определённый размер. Но в такой Вселенной возникает общее тяготение, стремящееся собрать все массы в единую точку - проблема, которую осознал ещё Ньютон. Чтобы все массы не упали в общую кучу, Эйнштейн ввёл космологическую постоянную, космологический член Л (лямбда большое). Кардинальные изменения в неё внёс Александр Фридман - советский метеоролог. Этот странный любитель работал в области космологии в 1922-1924 гг. Он указал Эйнштейну на то, что его Л-член - совершенно лишняя конструкция. Эйнштейн вынужден был признать свою ошибку - Л-член был типичной логической конструкцией ad hoc. Если Вселенной угодно падать внутрь самой себя - пусть падает. Так появилась концепция нестационарной Вселенной. Фридман рассмотрел несколько моделей нестационарной Вселенной. Модель пульсирующей Вселенной предполагает, что Вселенная равномерно расширяется под воздействием какого-то внутреннего импульса, но силы тяготения постоянно тормозят это расширение и, в конце концов, Вселенная станет сжиматься до приобретения нового импульса. Так камень, брошенный вверх, движется, постоянно теряя скорость, и начинает падать вниз. Другая модель предполагает, что несмотря на постоянное торможение гравитацией, Вселенная будет расширяться вечно. Так камень, брошенный со скоростью, превышающей вторую космическую, будет вечно терять скорость под влиянием тяготения Земли, но будет и вечно от неё удаляться. Фридман скончался от воспаления лёгких в возрасте 37 лет в 1925 г., за три года до того, как американец Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется - звёзды удаляются от нас тем быстрее, чем дальше они находятся, по закону Хаббла - V = HR, где R - расстояние до звезды, V скорость удаления звезды, H - постоянная Хаббла.

Эффект Доплера, красное смещение и доказательства расширения Вселенной

Как можно измерить расстояние до звезды и скорость её удаления? Хаббл нашёл особый класс звёзд - цефеиды. Это огромные пульсирующие звёзды, такие большие, что их можно различать даже в ближайших галактиках (доказательство факта наличия других галактик также принадлежит Хабблу). Все цефеиды светят приблизительно одинаково - как по яркости, так и по спектру излучения. Зная это, можно определить расстояние до цефеиды - чем она тусклее, тем дальше (интенсивность света падает пропорционально квадрату расстояния до источника). Чем быстрее удаляется звезда, тем более длинными кажутся наблюдателю электромагнитные волны, которые она излучает. Этот феномен известен также как эффект Доплера, который справедлив и для звуковых волн - визг нападающего должен быть выше, чем рёв убегающего. Самые длинные световые волны, которые различает глаз человека - красные, следовательно, чем быстрее улетает звезда, тем её свет становится краснее. Итак, по интенсивности блеска цефеид определяем расстояние до звезды, по красному смещению - её скорость и, оценив разлёт многих звёзд, сможем проследить общую закономерность расширения Вселенной. Уравнение Хаббла преподносит нам удивительный гносеологический сюрприз. Дело в том, что скорость разлёта звёзд не может превышать скорости света - а, следовательно, ограничено и расстояние до звёзд - если V=c, то R=c/H. Последнее выражение определяет так называемый ”горизонт видимости”. Сюрприз заключается в том, что познать можно только участок Вселенной, ограниченный ”горизонтом видимости”. Сама Вселенная или Метагалактика, значительно больше. Есть участки Вселенной, о которых мы никогда ничего не узнаем - световой или любой другой сигнал никогда уже не придёт оттуда, скорость разлёта участков Метагалактики не позволит ему догнать Землю. Есть нечто, о чем невозможно знать ничего, кроме того, что оно существует.

В связи с расширением Вселенной возникает вопрос: по какой модели она расширяется, каково будущее Вселенной? Полного ответа пока нет - необходимо сосчитать всю массу во Вселенной, чтобы численно определить тормозящие силы тяготения. Но большинство исследователей склоняются к мысли о том, что Вселенная будет расширяться вечно. Легче говорить о прошлом. Если мы знаем текущий объём Вселенной и закономерность её расширения, легко просчитать этот процесс назад. Тогда получится, что переместившись на 13 млрд. лет в прошлоё, обнаружим Вселенную, сжавшуюся в точку. Итак, 13 млрд. лет назад произошёл Большой Взрыв и Вселенная началась. Представить себе наблюдателя, находящегося вне Вселенной и рассматривающего её возникновение - невозможно. До Большого Взрыва не было ни пространства, ни времени, следовательно, не могло быть времени и до Взрыва. Отчего ничего взорвалось? По-правде говоря, и на этот вопрос нет удовлетворительного ответа. Физики говорят о некоей сингулярной точке, в которой находилась Вселенная в начальный момент её истории, и процессы её зарождения называют сингулярными процессами. Такое красивое слово, как сингулярность (лат. singularis - отдельный, одиночный, единственный в своем роде, исключительный) завораживает дилетантов, но говорить пока можно о доказательствах факта самого Большого Взрыва и о непроверяемых гипотезах о его причинах. Ясно одно - в начале времён Вселенная была настолько малой, что полностью управлялась квантовыми законами.

Концепция большого взрыва

Представление о развитии Вселенной привело к постановке вопроса о начале эволюции (рождении) Вселенной и ее конце. В настоящее время существует несколько космологических моделей, объясняющих отдельные аспекты возникновения материи во Вселенной, но они не объясняют причины и процесс рождения самой Вселенной. Только теория Большого взрыва Гамова смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с этой проблемой. Основные черты этой модели сохранились до сих пор, хотя она была позже дополнена теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными А. Гутом и П. Стейнхардтом, и дополненной советским физиком А. Д. Линде.В 1948 г. Гамов выдвинул предположение, что Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, происшедшего примерно 15 млрд лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был равен нулю, а ее плотность -- бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью. Но по принципу неопределенности В. Гейзенберга вещество невозможно стянуть в одну точку, поэтому считается, что Вселенная в начальном состоянии имела определенную плотность и размеры.В соответствии с наиболее распространенным представлением возраст Вселенной составляет 15 млрд лет.В соответствии с этой концепцией Вселенная на ранних стадиях расширения характеризовалась не только высокой плотностью вещества, но и его высокой температурой. В простейшем варианте теории горячей Вселенной предполагается, что Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из состояния с очень большой плотностью и энергией (состояние сингулярности). По мере расширения Вселенной температура падала (сначала быстро, а затем все медленнее) от очень большой до довольно низкой, обеспечивавшей возникновение условий, благоприятных для образования звезд и галактик. На протяжении около 1 млн лет температура превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образованию атомов, и, следовательно, космическое вещество имело вид разогретой плазмы, состоящей из ионизированных водорода и гелия. Лишь когда температура Вселенной понизилась приблизительно до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы. Таким образом, атомы - это реликты эпохи, наступившей через 1 млн лет после Большого Взрыва.

Атомизм в химии XIX в.

Атомная теория впервые возникает в Древней Греции. Её прародителями являются Левкипп и Демокрит. До нас не дошло ни строчки их трудов, известны только комментарии их учения. По этим комментариям мы знаем основной тезис первых атомистов - «нет ничего, кроме атомов и пустого пространства». «Атом» в целом - «недробимый», нечто, неподверженное дальнейшему делению. Древнегреческий атомизм на протяжении двух тысячелетий существовал без существенных изменений. Это учение не являлось каноническим, церковью не поддерживалось и не отрицалось. Новое качество и новую аргументацию атомистическое учение приобретает в XIX в. Атомизм развивали химики, а у физиков отношение к атомам было скептическим. Особенно энергично отрицали атомную структуру вещества эмпириокритики во главе с Э. Махом. Нельзя сказать, что физики были едины - в XIX в. развивалась молекулярная теория газов и создавали её такие замечательные теоретики, как Максвелл, Гиббс, Больцман. Химия как наука возникает во второй половине XVIII в. в первую очередь благодаря трудам А. Лавуазье. Основной теоретический базис, который отделил химию от алхимии - признание неизменяемости, «непревращаемости» химических элементов. Лавуазье обосновал существование 33 элементов (в их числе свет и теплород), которые, вступая в соединение друг с другом, образуют всё разнообразие природных веществ. Дальнейшее развитие химии в этом направлении шло по пути уточнения списка элементов, но без изменения концептуальной базы. В 1799 г. Пруст постулирует «Закон постоянства состава веществ» или «закон Пруста». Если в борщ положить немножко больше или немножко меньше свёклы, он останется борщом. По аналогии с этим можно ожидать, что если при образовании воды ввести больше или меньше водорода, получится вода (может быть, чуть гуще или жиже). Новорожденная химия того времени дебатировала подобные вопросы.

Но «закон Пруста» утверждает, что вода всегда одинакова и избыток водорода просто не превратится в воду. Следующим шагом, приведшим к атомному учению, был «закон кратных отношений» Дальтона (это уже самое начало XIX в.). В углекислом газе на весовую единицу углерода ровно в 2 раза больше кислорода, чем в угарном газе. Сейчас мы запишем их формулы как СО₂ и СО, что означает, что с одним атомом углерода связаны, соответственно, два и один атома кислорода. Дальтон так и объяснил, почему в ряду окислов весовые соотношения меняются как целые числа - сложные вещества состоят из целого числа атомов каждого элемента. Углерод присоединяет один, два, но не «пи пополам» атомов кислорода. Итак, атомная теория из умозрительных рассуждений превращается в нечто, подтверждающееся химическими наблюдениями, и кладётся в основу теоретического аппарата химии: Дальтон публикует капитальный труд «Атомная химия». Далее Авогадро оперирует понятием «молекула». Поскольку при реакциях в газовой фазе относительные объемы исходных веществ и продуктов реакции относятся как целые числа, следует считать, что в равных объёмах газов содержится равное число молекул (не атомов!). Если два объёма водорода и один объём кислорода дают два объёма водяных паров (разумеется при той же температуре и том же давлении), то это неслучайно - при таком соотношении объёмов каждая молекула кислорода и две молекулы водорода дают две молекулы воды.

К середине XIX в. расширился как круг элементов, так и объём знаний об их свойствах. К этому времени Франкланд ввёл в химию понятие «сродство», которое количественно выражалось в числе атомов водорода, которое может присоединить или заместить данный элемент. У кислорода, например, две единицы сродства, азота - три, углерода - четыре. Это то же самое, что нынешнее понятие «валентность». Купер разработал метод составления структурных формул. Пользуясь структурными формулами, Кекуле и Бутлеров положили начало современной органической химии. Для физика XIX в. атом является ненаблюдаемой сущностью. Он требует физические характеристики атома: вес, размеры, координаты в пространстве и т.д.

Открытие радиоактивности

В 1895 г. Рентген открыл лучи Рентгена. Это было замечательное научное достижение и газеты писали о нём взахлёб - это ж можно увидеть кости скелета у живого человека или струны рояля не подымая крышки! Недаром Рентгену первому была присуждена Нобелевская премия по физике. Анри Беккерель, подогретый общим ажиотажем, задался вопросом: а не могут ли тела, самопроизвольно светящиеся в темноте, кроме световых лучей испускать и другие, невидимые. С этой целью он провёл ряд экспериментов с фосфоресцирующими объектами и нашёл-таки невидимое излучение, которое засвечивало фотопластинки. Его испускали соли урана (и чистый уран тоже). И это были не лучи Рентгена, а что-то иное. Так же, как Колумб отправился искать короткий путь в Индию, а открыл Америку, так и Беккерель в поисках новых источников лучей Рентгена открыл совершенно новый мир физических явлений - в 1896 г. была открыта радиоактивность. Открытие радиоактивности было непосредственно связано с открытием Рентгена. Более того, некоторое время думали, что это один и тот же вид излучения. Конец 19 в. вообще был богат на открытие различного рода не известных до того “излучений”. В 1880-е английский физик Джозеф Джон Томсон приступил к изучению элементарных носителей отрицательного заряда, в 1891 ирландский физик Джордж Джонстон Стони (1826-1911) назвал эти частицы электронами. Наконец, в декабре Вильгельм Конрад Рентген сообщил об открытии нового вида лучей, которые он назвал Х-лучами. До сих пор в большинстве стран они так и называются, но в Германии и России принято называть лучи рентгеновскими. Эти лучи возникают, когда быстро летящие в вакууме электроны (катодные лучи) сталкиваются с препятствием.

Было известно, что при попадании катодных лучей на стекло, оно испускает видимый свет - зеленую люминесценцию. Рентген обнаружил, что одновременно от зеленого пятна на стекле исходят какие-то другие невидимые лучи. Это произошло случайно: то в темной комнате светился находящийся неподалеку экран, покрытый веществом, который дает яркую желто-зеленую люминесценцию под действием ультрафиолетовых, а также катодных лучей. Но катодные лучи на экран не попадали, и более того, когда прибор был закрыт черной бумагой, экран продолжал светиться. Вскоре Рентген обнаружил, что излучение проходит через многие непрозрачные вещества, вызывает почернение фотопластинки, завернутой в черную бумагу или даже помещенной в металлический футляр. Лучи проходили через очень толстую книгу, через еловую доску толщиной 3 см, через алюминиевую пластину толщиной 1,5 см... Рентген понял возможности своего открытия: “Если держать руку между разрядной трубкой и экраном, - писал он, - то видны темные тени костей на фоне более светлых очертаний руки”. Это было первое в истории рентгеноскопическое исследование. Открытие Рентгена мгновенно облетело весь мир и поразило не только специалистов. В канун 1896 в книжном магазине одного немецкого города была выставлена фотография кисти руки. На ней были видны кости живого человека, а на одном из пальцев - обручальное кольцо. Это была снятая в рентгеновских лучах фотография кисти жены Рентгена.

Открытие электрона

А в следующем, 1897 г. Д. Д. Томсон (лучше произносить по-английски: Джи-Джи Томсон) открыл электрон. Мало кому известный до того времени Д.Д. Томсон был, тем не менее, директором Кавендишевской лаборатории при Кембриджском университете - учреждении, где великие открытия совершались чаще, чем где-либо ещё на планете. Первым Директором Кавендишевской лаборатории был Джеймс Максвелл, вторым - лорд Рэлей, третьим - Д.Д. Томсон. Он занимался катодными лучами.Можно ли пропустить электрический ток через вакуум? Возьмём стеклянную капсулу, впаяем в неё электроды, выкачаем воздух и подключим электроды к мощной батарее. В капсуле (которую далее будем уже называть электронно-лучевой трубкой) появится свечение.

Светится в данном случае разреженный газ. Если в трубке создать более глубокий вакуум, то около отрицательно заряженного электрода (катода) появится зеленоватое свечение. Металлический предмет, помещённый между катодом и стеклом, даст тень (экранированный им участок стекла светиться не будет). Итак, нечто вылетает из отрицательно заряженного электрода (катода), попадает на стеклянную стенку и заставляет её светиться. Назовём это нечто катодными лучами. Может быть, это волны эфира, а может - частицы вещества, «чистого электричества». Та же неопределенность во времена ранних работ Томсона с катодными лучами существует и для лучей Рентгена. Томсону удаётся отклонить катодные лучи в электрическом и магнитном полях. Значит, перед нами не волны эфира, а частицы. Сила отклоняющая частицы в магнитном поле, есть функция, определяемая тремя параметрами - скоростью частиц, их зарядом и массой. Сила отклонения в магнитном поле - функция от тех же трёх параметров. Зная эти силы, получаем систему из двух уравнений с тремя неизвестными. Понятно, что полностью решить их невозможно, но Томсону удаётся вычислить скорость частиц и отношение массы к заряду, m/q.

Пропускаем через раствор или расплав определённое количество электричества q и получаем на электроде определённую массу вещества m, - в электролизной ванне тоже движутся заряженные частицы вещества, их принято называть ионами. Хотя ион - такая же ненаблюдаемая сущность, как и атом, для него есть по крайней мере одна физическая характеристика - отношение массы к заряду.

Однако m/q даже самого лёгкого элемента, водорода, в 2 000 раз больше, чем у частиц катодных лучей. Что же перед нами: ион водорода (или ещё какого-либо элемента) с аномально большим зарядом, или «стандартный» по заряду ион «чистого электричества» с аномально малой массой.

Лучше выбрать последний вариант - во-первых, m/q частиц катодных лучей не зависит от материала катода (Томсон это проверил), т.е. это не есть мельчайшие кусочки катода; во-вторых масса заряженного тела и того же тела, с которого заряд «стёк», не меняется, точнее, разница не может быть измерена лабораторными весами - и для объяснения этого феномена сверхлёгкие частицы «чистого электричества» весьма подходят. Название для гипотетических частиц «чистого электричества» предложили ещё в 1891 г. - «электрон».

Томсон пошёл дальше второго варианта - он решил, что электроны - это кусочки атома, такой штучки, от которой нельзя отрезать кусочек по определению.

Теория радиоактивности Резерфорда-Содди

В 1898 г. супруги Кюри открывают радий, а Резерфорду удаётся расщепить радиоактивные лучи Беккереля. Самое удивительное в явлении радиоактивности - постоянное выделение энергии. Самое непонятное - откуда она возникает? Радий - исключительно радиоактивный элемент. Чуть позже Пьер Кюри подсчитал, что радий выделяет за час около 80 кал. энергии. С одной стороны, эмпириокритики с удовлетворением констатируют, что рухнул ещё один фундаментальный закон природы - закон сохранения энергии. С другой стороны, ежели каждый час грамм радия выделяет 80 кал. … много-много, сколько угодно много часов… а если всю эту энергию вытащить из него разом - вот это будет плюх! Русский символист А. Белый писал в стихах «И мир взорвётся атомною бомбой!». Физики тщетно пытались объяснить, что атомная бомба невозможна, никакими физическими действиями - нагреванием, давлением, электротоком и т. д. нельзя изменить равномерность истечения энергии из радия. Во-вторых, все вопросы, связанные со строением атомов, долгое время будут решаться через радий. Тот, кто владеет радием, владеет ключами к внутреннему миру атомов. Но ключ оказался у Эрнста Резерфорда. Он, во-первых, был исключительно силён и крепок физически, во-вторых, вышел из самого дальнего уголка Британской империи - деревеньки Пунгареху в Новой Зеландии, а в-третьих, сам был университетом (в том числе и нашим, советским); последнее следует понимать так: он создал международную школу атомной физики.

Сам же Резерфорд являлся учеником Дж. Дж. Томсона - самым блестящим. В 1898 г. Резерфорд является аспирантом Томсона. В сильном магнитном и электрическом поле Резерфорд разделяет истекающий из радиоактивного препарата «луч Беккереля» на поток положительно заряженных частиц - б-излучение и поток отрицательных частиц - в-излучение. в-частицы оказались электронами Томсона, а массивные б-частицы были чем-то совершенно новым. После окончания аспирантуры молодой доктор философии Резерфорд едет преподавать в Канаду, в Мак-Гилльский университет, куда в это же время судьба занесла другого выпускника Кэмбриджского университета - химика Ф. Содди. Молодой профессор-физик и лаборант-химик объединили свои усилия в работе над торием. Торий - тоже радиоактивный элемент, но активность его очень слабая, ниже активности урана, не говоря уже о радии. Молодым учёным удалось выделить из препаратов тория вещество под названием «торий-Х», впоследствии оказавшееся изотопом радия. Это было серьёзное открытие, не несущее, однако, ничего необычайного: радий и полоний тоже были выделены как примесь урана.

Очищенный от тория-Х препарат тория терял свою радиоактивность. Неожиданностью оказалось другое: лишённый тория-Х «чистый» торий через некоторое время опять содержал примесь тория-Х. И тогда было произнесено запретное слово: «Трансмутация!». Трансмутация - это алхимический термин, означающий превращение одного элемента в другой. В 1903 г. Резерфорд и Содди опубликовали серию статей, в которых они изложили теорию радиоактивности. С последующими дополнениями она может быть изложена так: радиоактивность есть акт, сопровождающий превращение одного элемента в другой. В процессе радиоактивного распада атомов выделяется огромное количество энергии. в процессе превращения атомов одного элемента в другой выделяются б- или в-частицы. В результате в-распада появляется элемент, следующий за исходным в таблице Менделеева, при б-распаде возникает элемент, стоящий на две клетки левее исходного. каждый радиоактивный элемент характеризуется своим, строго постоянным временем полураспада. Например, для урана это 4,5 млрд. лет, для тория - 14 млрд. лет, изотопа радия, выделенного Кюри - 1 600 лет. За создание теории радиоактивности и открытие явления трансмутации Резерфорду была присуждена нобелевская премия по химии (1908; несмотря на выдающиеся открытия, Резерфорд, член всех академий мира, так и не стал нобелевским лауреатом по физике; Содди получил Нобелевскую премию по химии в 1921 г. за достижения в исследовании изотопов).