Канке В.А., Лукашина Л.В. Концепция современного естествознания Теория и практика

плодотворно осмысливались посредством теории. Следуя нобелевской лекции А. К. Гейма, перечислим некоторые их открытия.

•Было дано квантовополевое объяснение происходящих в графене процессов. При этом переносчиками зарядов являются особые частицы — безмассовые фермионы, которые в случае двухслойного графена приобретают массу.

•Была обнаружена универсальная оптическая проводимость графена.

•Было установлено, что двухслойный графен является полупроводником с управляемой запрещенной зоной.

•Была подчеркнута возможность вырезать из графена нанометровые устройства.

•Были изготовлены портативные устройства (сенсоры), способные детектировать отдельные молекулы.

•Были получены две химические разновидности графена — графан

ифторграфен, которые также могут использоваться в нанотехнологии. На этом можно было бы закончить параграф, посвященный двум лауре-

атам Нобелевской премии и мезоскопической физике графена. Но, пожалуй, заслуживает внимания необычный рекорд А. Гейма. Он единственный является лауреатом не только Нобелевской, но и шнобелевской премии.

Английское название Ig Nobel Prize представляет собой игру слов: nobel — знаменитый, а ignobel — постыдный. Русское название «шнобелевская премия» также является игрой слов. Русское жаргонное слово «шнобель» произошло от идишского термина «шнобл» (нос, клюв). Русское «шнобелевская премия» означает шуточную Нобелевскую премию. Она вручается за необычные, остроумные исследования, которые сначала вызывают смех, а затем заставляют задуматься. А. Гейм и М. Берри из Великобритании были удостоены шнобелевской премии за 2000 г. за демонстрации левитации лягушек, их свободного парения над магнитами.

А. Гейм, большой любитель неожиданных экспериментов, в 1996 г. он однажды налил немного воды в зазор сильного магнита. К его удивлению, шарик воды диаметром около 5 см свободно парил в отверстии магнита. Удивление было вызвано тем, что вода, будучи магнитом, обладает низкой магнитной восприимчивостью. Но ее оказалось достаточно для компенсации силы тяжести. Когда на место шарика воды была помещена лягушка, то картина левитации привлекла внимание СМИ. Многие авторы популярных газетных и журнальных статей сравнивали лягушку с человеком: он также способен на левитацию, следовательно, можно избавиться от не всегда желательной силы тяжести, препятствующей полетам. Люди с недостаточным чувством юмора отказываются от получения шнобелевской премии. Разумеется, Гейм и Берри ее приняли, позабавившись вместе с другими.

Выводы

•Мезоскопическая физика представляет собой еще один раздел физики.

•Открытия, связанные с изучением графена, показали актуальность мезоскопической физики.

•Мир полон удивительных физических явлений, но видит их только развитый

ум.

111

2.27. Обзор главы. Панорама развития физики. Ответственность ученых

Научная фаза развития физики, обычно связываемая с именем Ньютона, простирается от XVII в. до наших дней.

В табл. 2.10 указаны физические направления. Имеется в виду, что речь идет не об одной теории, а о разветвленной сети родственных групп теорий. Так, механика Ньютона существует во многих вариантах. Одним из таких вариантов является Лагранжева механика, в которой используется понятие лагранжиана. Каждая из групп теорий содержит некоторые подгруппы. Таким образом, иерархическое устройство физики довольно сложное. Одно несомненно — ее образующими являются теории. Отдельные понятия, не объединенные в теории, не обладают смыслом. Из теорий состоят разнообразные подгруппы и группы теорий, равно как и физика в качестве отрасли науки в целом.

Детальный анализ имеет место лишь в случае, если анализируются отдельные теории и связи между ними. Если иметь в виду это немаловажное обстоятельство, то допустимо давать характеристику и различным физическим направлениям. Их поступь характеризует развитие физики, которое отмечено печатью как дискретности, так и непрерывности. Имеется в виду, что физические направления при довольно резких отличиях друг от друга тем не менее образуют восходящую линию развития физического знания. Основной принцип этого развития состоит в том, что более развитое физическое направление является ключом для интерпретации менее развитого. В этой связи мы еще раз приведем интерпретационный ряд (см. параграф 2.16):

Именно он наиболее полным образом выражает историю развития физического знания.

112

В школьном курсе физики это обстоятельство не подчеркивается. В итоге выпускник средней школы осведомлен главным образом относительно классической физики. Иначе говоря, современная физика почти полностью остается вне поля его внимания. Такое положение дел обычно объясняют сложностью современной физики, особенно ее математического аппарата, недоступного школьнику, равно как и студенту гуманитарного факультета. Этот аргумент при его известной правильности, тем не менее, несостоятелен. Современные люди должны быть в курсе современной физике. Гуманитарий, естественно, будет знать ее не столь основательно, как студент физического факультета. Но было бы неправильно оставлять его не сведущим относительно современной физики. Прошлому знанию не следует придавать самодовлеющего значения. Его уроки следует учитывать во имя настоящего и будущего. В нашем случае это как раз и означает, что непременно следует учитывать основополагающее значение самого развитого знания. Как именно это сделать, мы стремились объяснить на протяжении всей данной главы.

Более чем трехвековое развитие физики служит весомым свидетельством уникальной познавательной способности человека, а именно концептуального постижения физических явлений. При этом сам человек выступает в качестве конгломерата физических явлений. Но этим обстоятельством не исчерпывается его природа, включающая не только физические, но и в частности биологические и социальные явления. Нет сомнений, что без физических процессов они не могли бы состояться. Это означает, что физические процессы являются символом всех тех процессов, которые отличают человека от физических объектов.

Необходимо также учитывать, что становление и развитие человека было всегда связано с известным обособлением определенной части физических процессов. Люди оценивают эти процессы по степени их актуальности. Своеобразие людей вынуждает их не довольствоваться существующим, а использовать его в своих интересах ради обеспечения своего благосостояния. В этой связи физика не изолируется от других наук, а приобретает в первую очередь техническую направленность. Можно вспомнить в этой связи, например, мирное и военное использование ядерной энергии, развитие микроэлектроники и нанотехнологий. Разумеется, технической направленностью физики не исчерпывается ее человеческое измерение. В конечном счете она имеет непосредственное отношение ко всем сторонам жизни людей, в частности к их экономике и политике.

Если физика полностью игнорировала бы своеобразие человека, то она была бы в этическом отношении нейтральной. Но так как этого нет, она приобщается к этике, т.е. к дисциплине, в рамках которой решается задача максимально эффективного обеспечения ценностей людей, которые непосредственно являются концептами не физики, а аксиологических наук, например медицины, экономики, политологии. Абсолютное большинство физиков не желают быть изобретателями знания, которое может послужить источником горя и бедствий. Поясним это обстоятельство конкретным примером.

Накануне Второй мировой войны в гитлеровской Германии велись работы по созданию атомной бомбы. Если бы Гитлер имел в своем рас-

113

поряжении атомное оружие, то во имя осуществления своих авантюрных планов он мог бы принести человечеству неисчислимые катастрофические бедствия. В этих условиях ученые-физики, в частности в СССР и США, считали своим долгом создать как можно быстрее атомную бомбу, чтобы противостоять осуществлению планов Гитлера.

После Второй мировой войны потребность а атомном оружии отпала. И тогда по инициативе А. Эйнштейна и английского философа Б. Рассела в 1955 г. было создано Пагуошское движение ученых, выступающих за мир, разоружение и международную безопасность, за предотвращение мировой термоядерной войны и научное сотрудничество. Манифест этого движения написали А. Эйнштейн, Ф. Жолио-Кюри, Б. Рассел, М. Борн, П. У. Бриджмен, Л. Инфельд, Л. Полинг, Дж. Ротблат. Из них семеро были физиками (Рассел — философ, логик и математик, Л. Полинг — химик и физик). Пагуошское движение, существующее по настоящий день и, кстати, имеющее молодежное отделение, является ярким свидетельством вполне определенной этической направленности физиков.

В современную эпоху наука стала планетарной силой. В этих условиях необычайно возрастает ответственность ученых, в том числе физиков, за будущее человечества. На ответственности ученых в атомную эпоху особенно энергично настаивал знаменитый немецкий физик-ядерщик К. Ф. фон Вайцзеккер. А. Д. Сахаров неоднократно подчеркивал, что ученый ответствен не только за свои действия, но и бездействие. На наш взгляд, предельно актуально следующее положение: с каждой новой теорией ответственность ученого, в том числе физика, возрастает.

Часто обсуждается вопрос о конце науки. Многим кажется, что успехи науки, а в них не приходится сомневаться, приближают к абсолютной истине и, следовательно, концу науки. Это явное заблуждение. Прогнозируя будущее науки, следует исходить из ее исторических уроков. А они таковы. Развитие научного знания сопровождается ростом его проблемной напряженности. Дело обстоит не так, что разрешение некоторых проблем уменьшает их число раз и навсегда. Неизбежно возникают новые проблемы, более трудные, чем те, которые были уже разрешены. Быть в науке — значит быть в поле высокого проблемного напряжения. Знание проблемно — такова его природа. Тот, кто сознательно или бессознательно стремится к беспроблемному знанию, в конечном счете неизбежно оказывается безоружным перед суррогатным знанием, от которого, к сожалению, недалеко и до невежества.

Выдающиеся физики демонстрируют высочайшие образцы и эталоны мышления, приобщение к которым благотворно для любого человека.

Выводы

• Развитие физического знания наиболее емким образом выражает интерпретационный ряд теорий: Тквтп Тквм{Тквтп} Трел{Тквтп} Ткл{Тквтп}.

•Физика — поле высокого проблемного напряжения.

•Физика не является нейтральной в этическом отношении.

•По мере развития физики ответственность ее творцов возрастает.

•Нет никаких оснований утверждать, что физика в обозримом будущем перестанет развиваться.

114

Глава 3 АСТРОНОМИЧЕСКИЕ

И КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ

Основная цель данной главы состоит в обеспечение понимания студентом концептуального устройства современной астрономии, астрофизики и космологии. В результате изучения данной главы студент будет:

знать

•содержание шести астрономических революций;

•основные концепты различных астрономических и физических теорий;

•историю развития астрономического и космологического знания от Птолемея до наших дней;

уметь

•объяснять в основных чертах динамику астрофизических процессов;

•интерпретировать содержание менее развитой теории с позиций более развитой концепции;

•выявлять связи между принципами, законами и переменными;

владеть

•навыками анализа концептуального содержания астрономических, астрофизических и космологических концепций;

•умением выявлять проблемные аспекты различных воззрений;

•способностью учета междисциплинарных связей физики и астрономии.

Ключевые термины: астрономическая революция, расширяющаяся и горячая Вселенная, хаотическая инфляция, эволюция звезд и планет, Солнце.

3.1. Птолемеевская и коперникианская революции

Все концепции естествознания взаимосвязаны между собой. Их общей основой является физика. Нет ни одной естественнонаучной дисциплины, которая не использовала бы достижения физики. С учетом этого обстоятельства нам необходимо перейти от физики, рассмотренной в предыдущей главе, к другим естественным наукам. Разумно в этой связи обратиться в первую очередь к астрономии и родственным ей дисциплинам — астрофизике и космологии. Эти три дисциплины задают концептуальный каркас, без которого преждевременно обращаться к химии, геологии и биологии. Атомы химических элементов синтезируются в недрах звезд. Следовательно, ранее их следует рассмотреть звезды. Жизнь зарождается на планетах, значит, резонно ее концептуальному осмыслению предпослать рассмотрение процесса образования планет. Звезды и планеты являются

116

объектами астрономии. Итак, ближайший предмет нашего рассмотрения — астрономия.

Астрономия (от греч. astron — звезда и nomos — закон) — наука о космических объектах. Как свидетельствует ее название, она первоначально воспринималась как наука о звездах. Но космос не исчерпывается звездами. С учетом современного уровня знания астрономию следует определить как науку о мультивселенной (от лат. multus — многие), состоящей из многих вселенных, одной из которых является наша Вселенная, или просто Вселенная. При характеристике объектного состава мультивселенной следует учитывать ее строение. В ее состав входят отдельные вселенные, состоящие из сверхскоплений звезд. Они в свою очередь состоят из скоплений звезд, которые представляют собой системы галактик, в том числе и нашу Галактику. Галактики состоят из ~108 звезд. В состав вселенных входит также темная материя и темная энергия, межзвездные и межгалактические среды, планеты, кометы и многое другое. Часть ученых полагают, что нет многих вселенных. Для них астрономия — наука о Вселенной и ее объектах.

Астрофизика, по определению, является наукой о физических процессах, происходящих во вселенных. Судя по термину «астрофизика», она должна была бы изучать только физику звезд. В действительности же астрофизика имеет дело и с физикой темной материи, и с физикой космических излучений.

Что касается космологии, то ее обычно понимают в качестве раздела астрономии, изучающего свойства и эволюцию Вселенной или даже мультивселенной в целом. Таким образом, астрофизика и космология, как правило, понимаются в качестве двух самых крупных разделов астрономии.

Читателю уже известно, что науки по мере своего развития переходят от одних концепций, менее развитых, к другим, более развитым. Такие переходы называются научными революциями. Они могут быть более или менее значимыми. Разумеется, особое внимание уделяется самым существенным новациям. В астрономии такой новацией стала замена геоцентрической системы мира гелиоцентрической системой. Согласно геоцентрической системе мира, в его центре находится Земля, вокруг которой вращаются Солнце, Луна и планеты. По гелиоцентрической системе, в центре мира находится Солнце, вокруг которого вращаются Луна и планеты. Звезды уподобляются Солнцу. Они не признаются вращающимися вокруг Солнца. Такова, в частности, позиция Дж. Бруно.

Обычно концепции называются именами тех ученых, которые внесли наибольший вклад в ее развитие. Следуя этому правилу, геоцентрическую систему допустимо считать теорией Аристотеля — Птолемея, а гелиоцентрическую систему — концепцией Коперника — Галилея — Кеплера — Ньютона.

Аристотель (384—322 до н.э.) — гений Античности, обладавший замечательным талантом интегратора знаний. Именно он первым представил геоцентрическую систему мира как соответствующую многочисленным наблюдениям. Но в его теории не было математики. Снабдить геоцентрическую систему развитым математическим аппаратом удалось Клав-

117

дию Птолемею (ок. 90—168). Он полагал, что вращающаяся вокруг Земли планета равномерно движется по малому кругу, называемого эпицентром, а его центр — по большому кругу. Сложение равномерных движений дает неравномерное движение. Обилие эпицентров — в модели Птолемея их было 80 — свидетельствовало об известной искусственности его модели. Тем не менее она в некотором интервале погрешности адекватно описывала движение планет. Вплоть до открытий Коперника геоцентрическая система Птолемея господствовала в астрономии.

Николай Коперник, как и Птолемей (1473—1543), был превосходным математиком. Он отмечал громоздкость модели Птолемея. Будучи знакомым с учением пифагорейцев, как известно, большими любителями числовых пропорций, Коперник знал, что некоторые из них, в частности Гикет из Сиракуз и Филолай, высказывали предположение, что не Земля является центром мира. Впрочем, они и не утверждали, что Земля вращается вокруг Солнца. Как бы то ни было, идеи пифагорейцев, живших без малого за 2000 лет до него, очевидно, показались ему заслуживающими внимания. Но есть все основания считать, что решающим импульсом его новаций стало превосходство его математического аппарата над аппаратом Птолемея. Если поставить в цент мира Солнце, то описание движения планет существенно упрощается. Отказаться от более красивой теории, которую он разрабатывал 40 лет, в пользу менее удачного построения Коперник не пожелал. Основные положения его теории таковы:

•центром мира является Солнце, вокруг которого по круговым орбитам вращаются планеты, в том числе Земля;

•расстояние от Земли до Солнца значительно меньше, чем до сферы неподвижных звезд;

•суточное движение Солнца воображаемо и является эффектом, за который ответственно вращение Земли вокруг своей оси.

Воззрения Коперника были для своего времени необычны в высшей степени. И неудивительно, он ведь поменял местами действительное и кажущееся. Кажется, что Солнце вращается вокруг Земли, а на самом деле планета вращается вокруг светила. Неподвижность Солнца многим казалась также непонятным феноменом.

Актуальное разъяснение

Строго говоря, неверно утверждать, что либо Земля вращается вокруг Солнца, либо Солнце вращается вокруг Земли. Они движутся вокруг общего для них центра масс. Но расстояние от него до центра масс Солнца намного ближе, чем до центра масс Земли. Это обстоятельство выражается Коперником значительно точнее, чем Птолемеем.

Непреклонным пропагандистом гелиоцентрической системы стал Галилео Галилей. С помощью собственноручно изготовленного телескопа, дававшего 32-кратное увеличение, Галилей рассмотрел на Луне кратеры и горы, четыре спутника Юпитера, фазы Венеры. Все эти факты прекрасно объяснялись в рамках гелиоцентрической системы.

Датский астроном Тихо Браге (1546—1601) отличился на эмпирическом поприще. Проводя астрономические наблюдения с невиданной

118

до него точностью, он составил каталог 1004 звезд. Его данные о движении планет представляли большую научную ценность. Сам Браге это отлично понимал. Но ему недоставало некоторых математических познаний. В этой связи он пригласил к сотрудничеству немецкого астронома и математика Иоганна Кеплера (1571—1630).

Осмысливая результаты измерений Браге, Кеплер сумел открыть законы движения планет. Это был настоящий индуктивный подвиг, на который у него ушло около двух десятков лет.

Законы Кеплера

•Первый закон Кеплера: каждая планета Солнечной системы вращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.

•Второй закон Кеплера: каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем за равные промежутки времени радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, описывает равные площади.

•Третий закон Кеплера: квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся, как кубы больших полуосей орбит планет.

Кеплер внес решающий вклад в развенчание догмы о круговом движении планет, которой придерживались его кумиры, Галилей и Браге. Он по праву гордился тем, что открыл гармонию небесных движений. Но его теория была феноменологической. Это означает, что Кеплер нашел замечательный ответ на вопрос: «Как движутся планеты?» Но вопрос о причине их движения, по сути, оставался без ответа. Кеплер высказывал предположения о силах, управляющих движением планет, но в его распоряжении не было динамического закона движения планет. Честь его открытия принадлежит И. Ньютону.

Именно Ньютон сумел показать, что законы Кеплера являются следствием закона тяготения, согласно которому гравитационная сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между притягивающимися друг к другу массами. На этой констатации мы можем прервать описание хода первой и второй революций в астрономии. Третья революция была инициирована релятивистской теорией тяготения. Случилась она лишь в XX столетии.

Выводы

•В становлении научной астрономии решающее значение имела концепция Клавдия Птолемея. Она стала первой революцией в развитии астрономии.

•Ее догматическое содержание было преодолено в процессе второй астрономической революции, начатой Н. Коперником и продолженной Г. Галилеем, Т. Браге

иИ. Кеплером.

•Венцом указанной революции стало открытие динамического закона движения планет, а именно закона всемирного тяготения И. Ньютона.

3.2. Третья революция в астрономии. Теория расширяющейся Вселенной

Ранее неоднократно отмечалось, что в науке высоко ценятся динамические теории, в которых рассматриваются причины происходящих явлений.

119

В случае космических явлений этими причинами часто являются гравитационные силы. С учетом этого обстоятельства очевидно, что замена ньютоновой теории тяготения релятивистской теорией А. Эйнштейна должно было привести к изменению астрономической картины мира. И это действительно имело место.

Сам А. Эйнштейн написал в 1917 г. статью, в которой он рассматривал модель стационарной Вселенной посредством созданной им релятивистской теории тяготения. Условие стационарности относилось к звездам, находящимся от Земли на гигантских расстояниях. Согласно законам тяготения, эти звезды притягиваются друг к другу. Если же они находятся в стационарном положении или близком к нему, двигаясь с малыми скоростями, то гравитационные силы притяжения должны компенсироваться силами отталкивания. Эйнштейну пришлось постулировать реальность этих сил. В этой связи он ввел в уравнения тяготения космологическую постоянную с соответствующим знаком. При этом природа гравитационных сил тяготения оставалась невыясненной.

Последующее развитие астрономических идей показало, что, постулировав стационарность Вселенной, Эйнштейн ошибся. Все в том же 1917 г. американский астроном В. Слайфер констатировал движение космических туманностей, состоящих из звезд. К этому выводу он пришел на основании анализа их спектров, так называемого красного смещения, о котором пойдет речь ниже. Слайфер ограничился констатацией факта движения туманностей, не пытаясь создать последовательную космологическую теорию.

Новации А. А. Фридмана

У Эйнштейна была еще одна ошибка, которую обнаружил петербургский математик и астроном А. А. Фридман. В 1922—1924 гг. он убедительно показал, что уравнения Эйнштейна соответствуют модели не только стационарной, но и расширяющейся или сжимающейся Вселенной. Он явно отдавал предпочтение теории нестационарной Вселенной и прежде всего модели расширяющейся Вселенной. К сожалению, преждевременная кончина А. А. Фридмана (1888—1925) прервала цикл его выдающихся работ, отмеченных печатью математического совершенства и глубокого понимания места релятивистских гравитационных эффектов в устройстве Вселенной.

В становлении концепции расширяющейся Вселенной видное место занимают исследования американского астронома Э. Хаббла. Он не только подтвердил существование наряду с Млечным путем других галактик, но и детальнее, чем кто-либо другой, с привлечением многочисленных эмпирических данных выявил соотношение, ныне называемое законом Хаббла:

где v — скорость удаления галактики от наблюдателя, r — расстояние между галактикой и наблюдателем, H 70 — постоянная Хаббла. 1 пк (парсек)3,0856776 · 1016 м; это расстояние свет в вакууме проходит за 3,2616 года.

Именно после ознакомления с законом Хаббла Эйнштейн произнес свою знаменитую фразу о том, что введение им в уравнение тяготения космологической постоянной было его самой большой ошибкой в жизни.

120