Научная картина мира
Научная картина мира — целостная система представлений об общих свойствах и закономерностях действительности, построенная в результате обобщения и синтеза фундаментальных научных понятий и принципов.
В процессе развития науки происходит постоянное обновление идей и концепций, более ранние представления становятся частными случаями новых теорий. Таким образом, научная картина мира — не догма и не абсолютная истина. В то же время, научные представления приближены к истине, так как основаны на всей совокупности доказанных фактов и установленных причинно-следственных связей. В результате научные знания позволяют делать верные предсказания о свойствах нашего мира и способствуют развитию человеческой цивилизации. Противоречия между научными концепциями преодолеваются путём выявления новых фактов и сравнения их с предсказаниями различных теорий. В таком развитии — суть научного метода.
Научная картина мира существенно отличается от религиозных представлений о мире, которые основаны не столько на доказанных фактах, сколько на авторитете пророков и религиозной традиции. Религиозные интерпретации концепции мироздания постоянно изменяются, чтобы приблизить их к современным научным трактовкам. Так, ещё несколько сотен лет назад христиане, буквально толкуя Библию, считали, что небо — твёрдое («твердь»), а мусульмане, согласно Корану, полагали, что Солнце заходит в «мутный колодец». Догмы разных религий, как правило, противоречат друг другу, и эти противоречия весьма трудно преодолеть (в отличие от научных противоречий, которые преодолеваются экспериментальным путём).
История Вселенной[править | править код]
Рождение Вселенной[править | править код]
В соответствии с данными космологии, Вселенная возникла в результате взрывного процесса, получившего название Большой взрыв, произошедшего около 14 млрд. лет назад. Теория Большого взрыва хорошо согласуется с наблюдаемыми фактами (например, расширением Вселенной и преобладанием водорода) и позволила сделать верные предсказания, в частности, о существовании и параметрах реликтового излучения.
В момент Большого взрыва Вселенная занимала микроскопические, квантовые размеры.
В соответствии с одной из гипотез, связанных с Инфляционной моделью, Большой взрыв порождён флуктуацией вакуума, находящимся в особом состоянии, называемом ложным вакуумом или инфлатонным скалярным полем. Причина флуктуации — квантовые колебания, которые испытывает любой объект на квантовом уровне; вероятность крупной флуктуации низка, но отлична от нуля. В результате флуктуации вакуум вышел из состояния равновесия (подобно тому, как шарик, прыгающий в ямке, может из неё выскочить при достаточно сильном прыжке, см. туннельный эффект) и перешёл в новое состояние — обычного вакуума (новое состояние равновесия, другая ямка в аналогии с шариком).
В результате фазового перехода вакуума из одного состояния в другое произошло резкое расширение пространства и образовалось вещество — массивные частицы и излучение. При этом закон сохранения энергии не нарушился в том случае, если энергия частиц и излучения в точности равна отрицательной энергии гравитационного поля. По другой гипотезе энергия выделилась в результате перехода вакуума в состояние с меньшим энергетическим уровнем. Появление массы из «ничего» также не противоречит физическим законам, например, рождение пары частица-античастица из вакуума можно наблюдать и сейчас в некоторых научных экспериментах.
Предполагается, что в момент инфляционного расширения Вселенная была пустой и холодной (существовал только вакуум), а затем заполнилась горячим веществом, продолжавшим расширяться.
Некоторые физики допускают возможность множественности подобных событий, а значит и множественность вселенных, обладающих разными свойствами. Тот факт, что наша Вселенная приспособлена для образования жизни может объясняться случайностью — в «менее приспособленных» вселенных просто некому это анализировать (см. Антропный принцип и статью [1]). Ряд учёных выдвинули концепцию «кипящей Мультивселенной», в которой непрерывно рождаются новые вселенные и у этого процесса нет начала и конца.
Необходимо отметить, что сам факт Большого взрыва с высокой долей вероятности можно считать доказанным, но объяснения его причин и подробные описания того, как это происходило, пока относятся к разряду гипотез.
Эволюция Вселенной[править | править код]
Расширение и остывание Вселенной в первые секунды существования нашего мира привело к следующему фазовому переходу — образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме.
Доминирующие гипотезы сводятся к тому, что первые 300—400 тыс. лет Вселенная была заполнена только ионизированным водородом и гелием. По мере расширения и остывания Вселенной они перешли в стабильное нейтральное состояние, образовав обычный газ. Предположительно через 500 млн. лет. зажглись первые звёзды, а сгустки вещества, образовавшиеся на ранних стадиях благодаря квантовым флуктуациям, превратились в галактики.
В результате термоядерных реакций в звёздах были синтезированы более тяжёлые элементы (вплоть до углерода). Во время взрывов сверхновых звёзд образовались ещё более тяжёлые элементы. В молодых галактиках процесс образования и гибели звёзд шёл очень бурно. Чем массивнее звезда, тем быстрее она гибнет и рассеивает бо́льшую часть своего вещества в пространстве, обогащая его разнообразными химическими элементами. После взрывов вещество сгущалось снова, в результате чего зажигались звёзды следующих поколений, вокруг которых образовывались планетные системы. Поэтическая фраза «мы состоим из пепла давно угасших звёзд» полностью соответствует действительности.
Образование планетных систем[править | править код]
Образование звёзд и планетных систем изучает наука космогония. Под действием гравитации в газопылевых облаках формируются сгущения с образованием вращающихся газопылевых дисков. Основная масса вещества концентрируется в центра диска, где растёт температура, в результате чего начинается термоядерная реакция и вспыхивает звезда (рождения звёзд в газопылевых облаках наблюдались в телескоп). В остальных частях диска образуются планеты.
Как показывают исследования последних лет, планетные системы вокруг звёзд весьма распространены (во всяком случае в нашей Галактике). В Галактике имеется несколько сотен миллиардов звёзд и, по-видимому, не меньшее количество планет.
Солнечная система образовалась около 5 млрд. лет назад. Мы находимся в периферийной части нашей Галактики (хотя и достаточно далеко от её края).
См. также статью происхождение Солнечной системы.
Устройство Вселенной[править | править код]
Одно из важнейших свойств Вселенной — она расширяется, причём ускоренно. Чем дальше расположен объект от нашей галактики, тем быстрее он от нас удаляется (но это не означает, что мы находимся в центре мира: то же самое справедливо для любой точки пространства).
Видимое вещество во Вселенной структурировано в звёздные скопления — галактики. Галактики образуют группы, которые, в свою очередь, входят в сверхскопления галактик. Сверхскопления сосредоточены в основном внутри плоских слоёв, между которыми находится пространство, практически свободное от галактик. Таким образом, в очень больших масштабах Вселенная имеет ячеистую структуру, напоминающую «ноздреватую» структуру хлеба. Однако на ещё бо́льших расстояниях (порядка 1 млрд. световых лет) вещество во Вселенной распределено однородно.
Помимо видимого вещества во Вселенной присутствует тёмная материя, проявляющаяся через гравитационное воздействие. Тёмная материя также сосредоточена в галактиках. Кроме того, имеется гипотетическая тёмная энергия, которая является причиной ускоренного расширения Вселенной. По одной из гипотез ([2]) в момент Большого взрыва вся тёмная энергия была «спрессована» в маленьком объёме, что и послужило причиной взрыва (по другим гипотезам тёмная энергия может проявляться лишь на больших расстояниях).
Согласно расчётам свыше 70 % массы во Вселенной приходится на тёмную энергию (если перевести энергию в массу по формуле Эйнштейна), свыше 20 % — на тёмную материю и лишь около 5 % — на обычное вещество.
Устройство пространства и материи[править | править код]
Пространство и время[править | править код]
Понятия пространства и времени составляют основу физики. Согласно классической физике, созданной Исааком Ньютоном, физические взаимодействия разворачиваются в бесконечном трёхмерном пространстве — так называемом абсолютном пространстве, время в котором может быть померено универсальными часами (абсолютное время).
В начале двадцатого века учёные обнаружили в ньютоновской физике некоторые противоречия. В частности, физики не могли обьяснить, каким образом скорость света остаётся постоянной вне зависимости от того, движется ли наблюдатель. Альберт Эйнштейн разрешил этот парадокс в своей специальной теории относительности.
В соответствии с теорией относительности, пространство и время относительны — результаты измерения длины и времени зависят от того, движется наблюдатель или нет. Этот эффект проявляется, к примеру, в необходимости корректировать часы на спутниках Земли.
Основываясь на теории Эйнштейна, Герман Минковский создал элегантную теорию, описывающую пространство и время как 4-х мерное пространство-время (пространство Минковского). В пространстве-времени расстояния (точнее, гипер расстояния, так как они включают время как одну из координат) абсолютны: они одинаковы для любого наблюдателя.
Создав специальную теории относительности, Эйнштейн обобщил её на случай гравитации в общей теорией относительности. В общей теории относительности, массивные тела создают гравитационное поле, которое «искривляет» пространство-время.
Согласно экспериментальным данным, пространство (обычное) нашей Вселенной на больших расстояниях имеет нулевую либо очень маленькую положительную кривизну. Это объясняют быстрым расширением Вселенной в начальный момент, в результате чего элементы кривизны пространства выровнялись (см. Инфляционная модель Вселенной).
В нашей Вселенной пространство имеет три измерения (согласно некоторым теориям имеются дополнительные измерения на микрорасстояниях), а время — одно. Обьяснение этому пока не найдено.
Время движется только в одном направлении («стрела времени»), и возврат в прошлое возможен только в научной фантастике. Фундаментальные причины этого пока неизвестны. Одно из обьяснений основывается на втором законе термодинамики, согласно которому энтропия может только возрастать и поэтому определяет направленность времени. Рост энтропии объясняется вероятностными причинами: все физические процессы обратимы на квантовом уровне, но вероятность цепочки событий в «прямом» и «обратном» направлении может быть разной. Благодаря этой вероятностной разнице мы можем судить о событиях прошлого с большей уверенностью и достоверностью, чем о событиях будущего.
Физический вакуум[править | править код]
Вакуум не является абсолютной пустотой. В соответствии с квантовой теорией поля в вакууме непрерывно рождаются и умирают виртуальные частицы, которые при определённых условиях могут превращаться в реальные. Например, в ряде физических опытов из вакуума рождаются пары частица-античастица (с превращением энергии в массу). Согласно некоторым теориям, вакуум может находиться в разных состояниях с разными уровнями энергии. Современная наука пока не даёт удовлетворительного описания структуры и свойств вакуума.
Элементарные частицы[править | править код]
Согласно стандартной модели всё вещество (включая свет) состоит из 12 фундаментальных элементарных частиц и 12 частиц-переносчиков взаимодействий. В это число входят кварки (из которых состоят протоны и нейтроны), электроны, фотоны и другие элементарные частицы.
Всем элементарным частицам присущ корпускулярно-волновой дуализм: с одной стороны, частицы представляют собой единые, неделимые объекты, с другой стороны, они в определённом смысле «размазаны» в пространстве. При определённых условиях такая «размазанность» может принимать даже макроскопические размеры. Квантовая механика описывает частицу используя так называемую волновую функцию, которая определяет не где точно находится частица, а где бы она могла находиться и с какой вероятностью. Таким образом, поведение частиц носит принципиально вероятностный характер: вследствие вероятностной «размазанности» частицы в пространстве мы не можем с абсолютной уверенностью определить её местоположение (см. принцип неопределённости). Но в макромире дуализм незначителен.
Пока неизвестны причины того, почему имеется именно такой набор частиц, причины наличия массы у некоторых из них и ряда других параметров. Перед физикой стоит задача построить теорию, в которой свойства частиц вытекали бы из свойств вакуума.
Взаимодействия[править | править код]
В природе существуют четыре фундаментальные силы и все физические явления обусловлены всего четырьмя видами взаимодействий (в порядке убывания силы):
- сильное взаимодействие соединяет кварки в адроны и удерживает нуклоны в составе атомного ядра (действует на расстояниях порядка 10-13 см);
- электромагнитное взаимодействие действует между частицами, имеющими электрический заряд, и «ответственно» за явления электромагнетизма;
- слабое взаимодействие обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействия нейтрино с веществом и др. (действует на расстоянии порядка 10-16 см);
- благодаря гравитационному взаимодействию объекты, имеющие массу, притягиваются друг к другу.
Согласно новейшим теориям, взаимодействие происходит благодаря переносу частицы-носителя взаимодействия между взаимодействующими частицами. Например, электромагнитное взаимодействие между двумя электронами происходит в результате переноса фотона между ними. Природа гравитационного взаимодействия пока точно неизвестна, предположительно оно происходит в результате переноса гипотетических частиц гравитонов.
Многие физики-теоретики полагают, что в действительности в природе имеется лишь одно взаимодействие, которое может проявляться в четырёх формах (подобно тому, как всё многообразие химических реакций есть различные проявления одних и тех же квантовых эффектов). Поэтому задача фундаментальной физики — разработка теории «великого объединения» взаимодействий. К настоящему времени разработана лишь теория электрослабого взаимодействия, объединившего слабое и электромагнитное взаимодействия.
Как предполагают, в момент Большого взрыва действовало единое взаимодействие, которое разделилось на четыре в первые мгновения существования нашего мира.
Атомы, молекулы и химические вещества[править | править код]
Вещество, с которым мы сталкиваемся в повседневной жизни, состоит из атомов. В состав атомов входит атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, а также электроны, «вращающиеся» вокруг ядра (квантовая механика использует понятие «электронное облако»). Протоны и нейтроны относятся к адронам (которые состоят из кварков). Следует отметить, что в лабораторных условиях удалось получить «атомы», состоящие и из других элементарных частиц.
Атомы каждого химического элемента имеют в своём составе одно и то же количество протонов, называемое атомным номером или зарядом ядра. Однако количество нейтронов может различаться, поэтому один химический элемент может быть представлен несколькими изотопами. В настоящее время известно свыше 110 элементов, наиболее массивные из которых нестабильны (см. также Таблица Менделеева).
Атомы могут взаимодействовать друг с другом, образуя химические вещества. Взаимодействие происходит на уровне их электронных оболочек. Химические вещества чрезвычайно многообразны.
Наука пока не решила задачу точного предсказания физических свойств химических веществ.
В XIX веке считалось, что атомы являются первичными «кирпичиками» строения материи. Однако и сейчас остаётся открытым вопрос о том, существует ли предел деления материи, о котором говорил ещё Демокрит (см. Атомизм).
Жизнь[править | править код]
Устройство живых организмов, гены и ДНК[править | править код]
Живые организмы состоят из органических веществ. Характеристики организмов кодируются набором генов, в которых записана вся наследственная информация. Количество генов может варьировать от нескольких сотен у простейших вирусов до десятков тысяч у высших организмов (около 30 тыс. у человека).
Носителем генетической информации является ДНК — органическая структура в виде двойной спирали. Информация записана с помощью последовательности нуклеотидов. В генетическом коде используется всего лишь 4 «буквы»-нуклеотида; код един для всех живых организмов.
Генетическая информация реализуется при экспрессии генов в процессах транскрипции и трансляции. Передача генетической информации следующему поколению происходит в результате репликации (самокопирования ДНК).
Помимо генов в ДНК имеются некодирующие участки, функции которых пока ещё не ясны.
Генетика достигла впечатляющих успехов. Учёные уже умеют внедрять гены одних организмов в другие, клонировать живые существа, «включать» и «выключать» определённые гены и многое другое. Это привносит проблемы морального плана.
Принципы эволюции[править | править код]
Согласно теории эволюции развитие жизни на Земле, в том числе усложнение живых организмов происходит в результате случайных мутаций и последующего естественного отбора наиболее удачных из них (о механизмах эволюции см. [3]).
Развитие таких сложных приспособлений, как глаз в результате случайных изменений может показаться невероятным. Однако анализ примитивных биологических видов и палеонтологических данных показывает, что эволюция даже самых сложных органов происходила через цепочку небольших изменений, каждое из которых по отдельности не представляет ничего необычного. Компьютерное моделирование развития глаза позволило сделать вывод, что его эволюция могла бы осуществляться даже быстрее, чем это происходило в реальности (см. статью [4]).
В целом, эволюция, усложнение систем есть фундаментальное свойство природы, воспроизводимое в лабораторных условиях. Это не противоречит закону возрастания энтропии, так как справедливо для незамкнутых систем (если через систему пропускать энергию, то энтропия в ней может уменьшаться). Процессы самопроизвольного усложнения изучает наука синергетика. Один из примеров эволюции неживых систем — формирование десятков атомов на основе лишь трёх частиц и образование миллиардов сложнейших химических веществ на основе атомов.
История жизни на Земле[править | править код]
Зарождение жизни на Земле представляет пока не до конца решённую проблему. Даже самые примитивые организмы не могли образоваться непосредственно из простых химических веществ. Поэтому появлению жизни предшествовала химическая эволюция, о ходе которой имеются пока ещё только гипотезы.
Согласно палеонтологическим данным, первые прокариоты (бактерии) появились около 4 млрд. лет назад. Первые эукариоты (клетки с ядром) образовались примерно 2 млрд. лет назад в результате симбиоза прокариот. Первые многоклеточные организмы появились около 1 млрд. лет назад в результате симбиоза эукариот. Около 600 млн. лет назад появились многие знакомые нам животные (например, рыбы, членистоногие и др.). 400 млн. лет назад жизнь вышла на сушу. 300 млн. лет назад появились деревья (с твёрдыми волокнами) и пресмыкающиеся, 200 млн. лет назад — динозавры и яйцекладущие млекопитающие, 65 млн. лет назад вымерли динозавры и появились плацентарные млекопитающие, около 100 тыс. лет назад появился современный человек (см. Геохронологическая шкала и сайт [5]).
Происхождение человека[править | править код]
Расхождение предков современных человекообразных обезьян и человека произошло около 15 млн. лет назад. Примерно 5 млн. лет назад появились первые гоминиды — австралопитеки. Следует отметить, что формирование «человеческих» черт шло одновременно у нескольких видов гоминид (такой параллелизм в истории эволюционных изменений наблюдался неоднократно).
Около 2,5 млн. лет назад от австралопитеков обособился первый представитель рода Homo — человек умелый (Homo habilis), который уже умел изготавливать каменные орудия. 1,6 млн. лет назад на смену Homo habilis пришёл человек прямоходящий (Homo erectus, питекантроп) с увеличенным объёмом мозга. Современный человек (кроманьонец) появился около 100 тыс. лет назад в Африке. Примерно 40 тыс. лет назад кроманьонцы перебрались в Европу, вытеснив другой вид Homo sapiens — неандертальцев.