Контрольная работа Методы научного познания. Развитие научного знания. Эволюция вселенной
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-25Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра физики
Контрольная работа
на тему
Методы научного познания. Развитие научного знания
Эволюция вселенной
ТЕМА 3
МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ. РАЗВИТИЕ НАУЧНОГО ЗНАНИЯ
Процесс научного познания в самом общем виде представляет собой решение различного рода задач, возникающих в ходе практической деятельности. Решение возникающих при этом проблем достигается путем использования особых приемов (методов), позволяющих перейти от того, что уже известно, к новому знанию. Такая система приемов обычно и называется методом. Метод есть совокупность приемов и операций практического и теоретического познания действительности.
МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ
Каждая наука использует различные методы, которые зависят от характера решаемых в ней задач. Однако своеобразие научных методов состоит в том, что они относительно независимы от типа проблем, но зато зависимы от уровня и глубины научного исследования, что проявляется прежде всего в их роли в научно-исследовательских процессах. Иными словами,-в каждом научно-исследовательском процессе меняется сочетание методов и их структура. Благодаря этому возникают особые формы (стороны) научного познания, важнейшими из которых являются эмпирическая, теоретическая и производственно-техническая.
Эмпирическая сторона предполагает необходимость сбора фактов и информации (установление фактов, их регистрацию, накопление), а также их описание (изложение фактов и их первичная систематизация).
Теоретическая сторона связана с объяснением, обобщением, созданием новых теорий, выдвижением гипотез, открытием новых законов, предсказанием новых фактов в рамках этих теорий. С их помощью вырабатывается научная картина мира и тем самым осуществляется мировоззренческая функция науки.
Производственно-техническая сторона проявляет себя как непосредственная производственная сила общества, прокладывая путь развитию техники, но это уже выходит за рамки собственно научных методов, так как носит прикладной характер.
Средства и методы познания соответствуют рассмотренной выше структуре науки, элементы которой одновременно являются и ступенями развития научного знания. Так, эмпирическое, экспериментальное исследование предполагает целую систему экспериментальной и наблюдательной техники (устройств, в том числе вычислительных приборов, измерительных установок и инструментов), с помощью которой устанавливаются новые факты. Теоретическое исследование предполагает работу ученых, направленную на объяснение фактов (предположительное - с помощью гипотез, проверенное и доказанное - с помощью теорий и законов науки), на образование понятий, обобщающих опытные данные. То и другое вместе осуществляет проверку познанного на практике.
В основе методов естествознания лежит единство его эмпирической и теоретической сторон. Они взаимосвязаны и обусловливают друг друга. Их разрыв, или преимущественное развитие одной за счет другой, закрывает путь к правильному познанию природы - теория становится беспредметной, опыт -слепым.
Методы естествознания могут быть подразделены на следующие группы:
1. Общие методы, касающиеся любого предмета, любой науки. Это различные формы метода, дающего возможность связывать воедино все стороны процесса познания, все его ступени, например, метод восхождения от абстрактного к конкретному, единства логического и исторического. Это, скорее, общефилософские методы познания.
2. Особенные методы касаются лишь одной стороны изучаемого предмета или же определенного приема исследования:
анализ, синтез, индукция, дедукция. К числу особенных методов также относятся наблюдение, измерение, сравнение и эксперимент.
В естествознании особенным методам науки придается чрезвычайно важное значение, поэтому в рамках нашего курса необходимо более подробно рассмотреть их сущность.
Наблюдение - это целенаправленный строгий процесс восприятия предметов действительности, которые не должны быть изменены. Исторически метод наблюдения развивается как составная часть трудовой операции, включающей в себя установление соответствия продукта труда его запланированному образцу.
Наблюдение как метод познания действительности применяется либо там, где невозможен или очень затруднен эксперимент (в астрономии, вулканологии, гидрологии), либо там, , где стоит задача изучить именно естественное функционирование или поведение объекта (в этологии, социальной психологии и т.п.). Наблюдение как метод предполагает наличие программы исследования, формирующейся на базе прошлых убеждений, установленных фактов, принятых концепций. Частными случаями метода наблюдения являются измерение и сравнение.
Эксперимент - метод познания, при помощи которого явления действительности исследуются в контролируемых и управляемых условиях. Он отличается от наблюдения вмешательством в исследуемый объект, то есть активностью по отношению к нему. Проводя эксперимент, исследователь не ограничивается пассивным наблюдением явлений, а сознательно вмешивается в естественный ход их протекания путем непосредственного воздействия на изучаемый процесс или изменения условий, в которых проходит этот процесс.
Специфика эксперимента состоит также в том, что в обычных условиях процессы в природе крайне сложны и запутанны, не поддаются полному контролю и управлению. Поэтому возникает задача организации такого исследования, при котором можно было бы проследить ход процесса в «чистом» виде. В этих целях в эксперименте отделяют существенные факторы от несущественных и тем самым значительно упрощают ситуацию. В итоге такое упрощение способствует более глубокому пониманию явлений и создает возможность контролировать немногие существенные для данного процесса факторы и величины.
Развитие естествознания выдвигает проблему строгости наблюдения и эксперимента. Дело в том, что они нуждаются в специальных инструментах и приборах, которые последнее время становятся настолько сложными, что сами начинают оказывать влияние на объект наблюдения и эксперимента, чего по условиям быть нс должно. Это прежде всего относится к исследованиям в области физики микромира (квантовой механике, квантовой электродинамике и т.д.).
Аналогия - метод познания, при котором происходит перенос знания, полученного в ходе рассмотрения какого-либо одного объекта, на другой, менее изученный и в данный момент изучаемый. Метод аналогии основывается на сходстве предметов по ряду каких-либо признаков, что позволяет получить вполне достоверные знания об изучаемом предмете.
Применение метода аналогии в научном познании требует определенной осторожности. Здесь чрезвычайно важно четко выявить условия, при которых он работает наиболее эффективно. Однако в тех случаях, когда можно разработать систему четко сформулированных правил переноса знаний с модели на прототип, результаты и выводы по методу аналогии приобретают доказательную силу.
Моделирование - метод научного познания, основанный на изучении каких-либо объектов посредством их моделей. Появление этого метода вызвано тем, что иногда изучаемый объект или явление оказываются недоступными для прямого вмешательства познающего субъекта или такое вмешательство по ряду причин является нецелесообразным. Моделирование предполагает перенос исследовательской деятельности на другой объект, выступающий в роли заместителя интересующего нас объекта или явления. Объект-заместитель называют моделью, а объект исследования - оригиналом, или прототипом. При этом модель выступает как такой заместитель прототипа, который позволяет получить о последнем определенное знание.
Таким образом, сущность моделирования как метода познания заключается в замещении объекта исследования моделью, причем в качестве модели могут быть использованы объекты как естественного, так и искусственного происхождения. Возможность моделирования основана на том, что модель в определенном отношении отображает какие-либо стороны прототипа. При моделировании очень важно наличие соответствующей теории или гипотезы, которые строго указывают пределы и границы допустимых упрощений.
Современной науке известно несколько типов моделирования:
1) предметное моделирование, при котором исследование ведется на модели, воспроизводящей определенные геометрические, физические, динамические или функциональные характеристики объекта-оригинала;
2) знаковое моделирование, при котором в качестве моделей выступают схемы, чертежи, формулы. Важнейшим видом такого моделирования является математическое моделирование, производимое средствами математики и логики;
3) мысленное моделирование, при котором вместо знаковых моделей используются мысленно-наглядные представления этих знаков и операций с ними.
В последнее время широкое распространение получил модельный эксперимент с использованием компьютеров, которые являются одновременно и средством, и объектом экспериментального исследования, заменяющими оригинал. В таком случае в качестве модели выступает алгоритм (программа) функционирования объекта.
Анализ - метод научного познания, в основу которого положена процедура мысленного или реального расчленения предмета на составляющие его части. Расчленение имеет целью переход от изучения целого к изучению его частей и осуществляется путем абстрагирования от связи частей друг с другом.
Анализ - органичная составная часть всякого научного исследования, являющаяся обычно его первой стадией, когда исследователь переходит от нерасчлененного описания изучаемого объекта к выявлению его строения, состава, а также его свойств и признаков.
Синтез - это метод научного познания, в основу которого положена процедура соединения различных элементов предмета в единое целое, систему, без чего невозможно действительно научное познание этого предмета. Синтез выступает не как метод конструирования целого, а как метод представления целого в форме единства знаний, полученных с помощью анализа. В синтезе происходит не просто объединение, а обобщение аналитически выделенных и изученных особенностей объекта. Положения, получаемые в результате синтеза, включаются в теорию объекта, которая, обогащаясь и уточняясь, определяет пути нового научного поиска.
Индукция - метод научного познания, представляющий собой формулирование логического умозаключения путем обобщения данных наблюдения и эксперимента.
Непосредственной основой индуктивного умозаключения является повторяемость признаков в ряду предметов определенного класса. Заключение по индукции представляет собой вывод об общих свойствах всех предметов, относящихся к данному классу, на основании наблюдения достаточно широкого множества единичных фактов. Обычно индуктивные обобщения рассматриваются как опытные истины, или эмпирические законы.
Различают полную и неполную индукцию. Полная индукция строит общий вывод на основании изучения всех предметов или явлений данного класса. В результате полной индукции полученное умозаключение имеет характер достоверного вывода. Суть неполной индукции состоит в том, что она строит общий вывод на основании наблюдения ограниченного числа фактов, если среди последних не встретились такие, которые противоречат индуктивному умозаключению. Поэтому естественно, что добытая таким путем истина неполна, здесь мы получаем вероятностное знание, требующее дополнительного подтверждения.
Дедукция - метод научного'познания, который заключается в переходе от некоторых общих посылок к частным результатам - следствиям.
Умозаключение по дедукции строится по следующей схеме:
все предметы класса «А» обладают свойством «В»; предмет «а» относится к классу «А»; значит «а» обладает свойством «В». В целом дедукция как метод познания исходит из уже познанных законов и принципов. Поэтому метод дедукции не позволяет получить содержательно нового знания. Дедукция представляет собой лишь способ логического развертывания системы положений на базе исходного знания, способ выявления конкретного содержания общепринятых посылок.
Решение любой научной проблемы включает выдвижение различных догадок, предположений, а чаще всего более или менее обоснованных гипотез, с помощью которых исследователь пытается объяснить факты, не укладывающиеся в старые теории. Гипотезы возникают в неопределенных ситуациях, объяснение которых становится актуальным для науки. Кроме того, на уровне эмпирических знаний (а также на уровне их объяснения) нередко имеются противоречивые суждения. Для разрешения этих проблем требуется выдвижение гипотез.
Гипотеза представляет собой всякое предположение, догадку или предсказание, выдвигаемое для устранения ситуации неопределенности в научном исследовании. Поэтому гипотеза есть не достоверное знание, а вероятное, истинность или ложность которого еще не установлены.
Любая гипотеза должна быть обязательно обоснована либо достигнутым знанием данной науки, либо новыми фактами (неопределенное знание для обоснования гипотезы не используется). Она должна обладать свойством объяснения всех фактов, которые относятся к данной области знания, систематизации их, а также фактов за пределами данной области, предсказывать появление новых фактов (например, квантовая гипотеза М. Планка, выдвинутая в начале XX в., привела к созданию квантовой механики, квантовой электродинамики и др. теорий). При этом гипотеза не должна противоречить уже имеющимся фактам.
Гипотеза должна быть либо подтверждена, либо опровергнута. Для этого она должна обладать свойствами фальсифицируемости и верифицируемости. Фальсификация- процедура, устанавливающая ложность гипотезы в результате экспериментальной или теоретической проверки. Требование фальсифицируемости гипотез означает, что предметом науки может быть только принципиально опровергаемое знание. Неопровержимое знание (например, истины религии) к науке отношения не имеет. При этом сами по себе результаты эксперимента опровергнуть гипотезу не могут. Для этого нужна альтернативная гипотеза или теория, обеспечивающая дальнейшее развитие знаний. В противном случае отказа от первой гипотезы не происходит. Верификация - процесс установления истинности гипотезы или теории в результате их эмпирической проверки. Возможна также косвенная верифицируемость, основанная на логических выводах из прямо верифицированных фактов.
3. Частные методы - это специальные методы, действующие либо только в пределах отдельной отрасли науки, либо за пределами той отрасли, где они возникли. Таков метод кольцевания птиц, применяемый в зоологии. А методы физики, использованные в других отраслях естествознания, привели к созданию астрофизики, геофизики, кристаллофизики и др. Нередко применяется комплекс взаимосвязанных частных методов к изучению одного предмета. Например, молекулярная биология одновременно пользуется методами физики, математики, химии, кибернетики.
В ходе развития науки методы могут переходить из более низкой категории в более высокую: частные превращаться в особенные, особенные в общие. Так, эволюционный подход из биологии распространился на весь цикл наук о Земле, о Вселенной, а сегодня академик Н.Н. Моисеев уже формулирует принцип универсального эволюционизма, охватывающий все области бытия.
ЗАКОНЫ НАУКИ
Целью научного познания является установление законов науки, адекватно отражающих действительность. Принято считать, что в природе действуют объективные закономерности -устойчивые, повторяющиеся связи между предметами и явлениями. Мы же познаем законы - отражение этих объективных закономерностей в нашем сознании. Законы всегда носят объективный характер и выражают реальные процессы, связывающие явления объективного мира. Законы являются ступенями познания. Принято различать законы по степени их общности: менее общие (касаются ограниченной области знания, изучаемой конкретными науками, например, закон естественного отбора); более общие (затрагивают несколько областей знания, распространены в нескольких смежных областях, например, закон сохранения энергии); всеобщие (фундаментальные законы бытия, например, принцип развития и всеобщей связи). Также выделяют законы функционирования и законы развития.
Признаками закона являются универсальность и необходимая истинность предложений. Законы должны относиться к любому объекту, изучаемому данной наукой, а также адекватно отражать предметы и явления и их свойства, которые изучаются теорией.
РАЗВИТИЕ НАУЧНОГО ЗНАНИЯ
Общий ход развития науки (и особенно естествознания, которое и будет нас интересовать в дальнейшем) включает основные ступени познания природы и мира вообще. Он проходит несколько основных ступеней:
1. Непосредственное созерцание природы как нерасчлененного целого - идет верный охват общей картины природы при пренебрежении частностями, что характерно для греческой натурфилософии;
2. Анализ природы, расчленение ее на части, выделение и изучение отдельных вещей и явлений, поиски отдельных причин и следствий, при этом за частностями исчезает общая картина универсальной связи явлений -.характерно для начального этапа развития любых конкретных наук, в их историческом развитии, для позднего Средневековья и начала Нового времени;
3. Воссоздание целостной картины на основе уже познанных частностей путем приведения в движение остановленного, оживления омертвленного, связывания изолированного раньше, то есть на основе соединения анализа с синтезом - характерно для зрелого периода развития конкретных наук и для современной науки вообще.
Итак, очевидно, что научное знание не является раз и навсегда данным феноменом, объем и содержание его постоянно меняются, происходит появление новых гипотез, теорий и отказ от старых. Но каков механизм развития научного знания, как соотносятся в науке старое и новое, какие существуют модели развития науки?
В настоящее время наиболее четко вырисовываются три основные модели исторических реконструкций науки:
1. История науки как кумулятивный, поступательный, прогрессивный процесс;
2. История науки как развитие через научные революции;
3. История науки как совокупность индивидуальных, частных ситуаций (кейс стадис).
Все три модели сосуществуют в современном науковедении, но возникли они в разное время, с этим связано доминирование отдельных моделей в конкретные периоды развития науки.
Долгое время господствующей моделью развития научного знания была кумулятивистская, тесно связанная с философией позитивизма. В науке больше, чем в любой другой сфере человеческой деятельности, происходит накопление знаний. Это обстоятельство стало основой для формирования кумулятивистской модели развития науки. Она строится на идее, что каждый последующий шаг в науке можно сделать, лишь опираясь на предыдущие достижения, поэтому новое знание всегда лучше, совершеннее старого, точнее отображает действительность. Поэтому предшествующее развитие науки является лишь подготовкой ее современного состояния. В силу этого обстоятельства значение имеют только те элементы знания, которые соответствуют современным теориям; отвергнутые идеи, признаваясь ошибочными, являются не более чем недоразумениями, заблуждениями, отклонениями от магистрального пути развития науки.
Эти идеи наиболее полно были сформулированы в работах Э. Маха и П. Дюгема в конце XIX в.
В связи с общим кризисом позитивизма - методологической базы кумулятивистской модели - в середине XX в. в науку проникают идеи прерывности развития, особенности, уникальности отдельных периодов в развитии научного знания. Они четко формулируются в модели научных революций.
Неверным было бы считать, что до появления этой модели в истории науки не было представлений о научных революциях. Сторонники эволюционизма признавали их существование, но они либо понимались как ускоренное эволюционное развитие, происходящее в том же направлении, что и общий ход развития знания, либо отодвигались далеко в прошлое, как абсолютное начало, как переход от донаучных представлений к научным. И в том, и в другом случае революции полностью вписываются в эволюционное движение.
Новая трактовка революций основывалась на идее абсолютной прерывности хода развития научного знания. Предполагалось, что новая теория, возникающая в ходе научной революции, отличается от старой самым принципиальным образом. После революции развитие науки начинается заново и идет совсем в другом направлении.
Именно такая точка зрения представлена в знаменитой работе Т. Куна «Структура научных революций». В этой работе автор ввел столь часто используемое сегодня понятие «парадигма» - признанные всеми научные достижения, которые в течение определенного времени дают научному сообществу модель постановки проблем и их решение. Таким образом, Кун предложил весьма плодотворную идею о том, что наука - это не простое приращение знаний, а комплекс знаний соответствующей эпохи. Ученые, чья научная деятельность строится на основе одной парадигмы, опираются на одни и те же правила и стандарты научной практики. Это - предпосылка для нормальной науки.
Переход от одной парадигмы к другой идет через революцию, это - обычная модель развития зрелой науки (Кун считает, что зрелой науку можно считать со времен Ньютона).
До этого наука представляла собой скопление мелких школ с различными теоретическими и методологическими подходами. Выделение одной из них привело к созданию парадигмы и знаменовало переход от предыстории к истории науки.
Парадигма представляет собой не просто образец для слепого копирования, а объект для дальнейшей разработки и конкретизации в новых или более трудных условиях. Цель науки - «втиснуть» природу в парадигму. Она не требует создания новых теорий, а разрабатывает те из них, с которыми существенно связано ее появление. Этим объясняется очень глубокое исследование конкретного фрагмента природы, выбранного данной парадигмой.
Парадигма обусловливает постановку экспериментов, определение универсальных констант, количественных законов. Поскольку в ходе революции парадигма возникает сразу как целое, в своей завершенной и совершенной форме, она не требует сколько-нибудь существенной доработки, идет лишь уточнение понятий, совершенствование техники эксперимента. С одной стороны, это сильно ограничивает поле зрения ученого, ведет к упорному сопротивлению всяким изменениям в парадигме. Поэтому смена парадигмы возможна только вместе со сменой поколений ученых - все сторонники старой парадигмы должны отойти от научной деятельности и уступить место молодым. С другой стороны, наука становится все более строгой внутри тех областей, на которые парадигма ориентирует исследователей, накапливается подробная информация. Только тот, кто в совершенстве знает свою область исследования, формирует соответствующие предсказания, способен распознать отклонение от них, увидеть аномалии на фоне парадигмы.
К новому изменению парадигмы приведут только те аномалии, которые являются свидетельством действительного кризиса науки. При этом недостаточно осознания кризисной ситуации, исчерпания всех средств, представленных старой парадигмой. Отказ от нее происходит, только если у нее есть альтернатива.
Такой подход к научной революции предполагает постоянное разделение между контекстом открытия и контекстом подтверждения знания, причем все усилия по изобретению нового, все творчество сконцентрированы в революционных ситуациях. Таким образом, научное творчество - это яркие, исключительные вспышки, определяющие все дальнейшее развитие науки, в ходе которого добытое ранее знание в форме парадигмы обосновывается, расширяется, подтверждается.
Деятельность в ходе научных революций - экстраординарная (то есть чрезвычайная, необычная), работа же ученых в послереволюционный период - нормальная, продолжающаяся большую часть времени.
Что касается самого научного знания, то идея научных революций представляла его развитие как абсолютно прерывистое. Вся прошлая история рассматривалась как постепенное, прогрессивное движение в сторону современной теории, являющейся на сегодняшний день кульминацией, вершиной всей предыдущей истории. Наступает следующая революция, возникает новая фундаментальная теория и происходит новая радикальная ломка прошлого, которое перестраивается как предыстория новой теории. Таким образом, каждая научная теория влечет за собой разрушение прошлого и построение истории заново.
Впоследствии историки науки попытались объединить модели эволюционного и революционного развития науки. В научном познании действует закономерность единства эволюционного и революционного перехода от одной ступени познания к другой. В период эволюционного развития познания происходит процесс совершенствования знаний на основе накопления новых фактов, их систематизации, формирования законов, теорий, разработок новых принципов познания, его методов и средств. Такой эволюционный процесс может привести к существенным противоречиям с господствующей в науке теорией, к замене ее новой теорией, к открытию принципиально новых законов, использованию новых методов и средств.
СПЕЦИФИКА НАУЧНЫХ РЕВОЛЮЦИЙ
Научная революция - это специфическое явление, возникающее только в определенные периоды развития науки как средство разрешения ее внутренних противоречий, изменения ее содержания.
Революция в науке многогранна. Можно выделить три основные черты научных революций:
1. Необходимость теоретического синтеза нового эмпирического материала;
2. Коренная ломка господствующих представлений о природе;
3. Возникновение кризисных ситуаций.
Для научных революций характерно качественное преобразование теоретических основ познания на базе крушения и отбрасывания старых идей и теорий, расширение научных знаний. Но научные революции ведут не к открытию новых фактов, а к радикальному пересмотру теоретических следствий из них, вызывают необходимость теоретического синтеза нового эмпирического материала, коренную ломку, пересмотр содержания старых категорий конкретных, частных наук на базе новых гносеологических предпосылок. Это связано с качественным изменением самого предмета науки, его внутренней логики на базе открытия новых материальных объектов или новых их свойств. i!
В историческом развитии научного познания можно выделить несколько типов научных революций:
1. Частная - микрореволюция, затрагивающая одну область знания;
2. Комплексная - революция, затрагивающая ряд областей знания;
3. Глобальная - всеобщая революция, радикально меняющая основания науки.
При определении типа научной революции необходимо учитывать следующие моменты:
1. Масштаб научной революции;
2. Глубину переворота фундаментальных теорий и законов науки;
3. Открытие новых фундаментальных законов, новой общей естественнонаучной теории;
4. Формирование общей картины мира;
5. Выработку нового типа мышления;
6. Исторический период развития науки;
7. Сопровождающие научную революцию социально-экономические преобразования.
Если обратиться к истории науки, то подлинно глобальными, фундаментальными можно назвать лишь две революции: революцию XVI - XVII вв. и научно-техническую революцию XX в.
Научная революция XVI - XVII вв. представляла собой революционный скачок в науках, изучающих механическую форму движения материи. Она ознаменовала становление классического естествознания. В тот период главное внимание при объяснении отдельных явлений и процессов природы уделялось наблюдению, поиску очевидных, вытекающих из опыта принципов бытия, на базе которых возможно построение теории. Развивалось механистическое понимание систем природы как вековечных и неизменных. Каждый материальный объект, явление представлялись относительно устойчивыми телами, а процесс развития сводился к перемещению тел в пространстве и во времени.
В середине XIX в. произошло несколько комплексных научных революций одновременно. Среди них особое значение имели революции, связанные с открытиями органической клетки, закона сохранения и превращения энергии, эволюционного учения Ч. Дарвина, периодической системы химических элементов. Сущность этих революций заключалась в рассмотрении предметов и явлений в процессе развития и во взаимной связи.
Вторая глобальная революция совершается в начале XX в. Она связана с пересмотром исходных идеализации пространства, времени, движения в контексте создания теории относительности и разработки квантовой механики.
Сегодня, пожалуй, можно говорить об очередной глобальной революции, в ходе которой рождается новая постнеклассическая наука. Сегодня научные знания включаются практически во все сферы социальной жизни. Сама научная деятельность тесно связана с революцией в средствах хранения и получения информации. Объектами современного научного познания становятся уникальные системы, характеризующиеся открытостью и саморазвитием.
Вместе с включением научных революций в конечный вариант исторической реконструкции приобретают значение теории прошлого не как некоторые ошибки, зигзаги в сторону от генеральной линии научного развития, а как обладающие своей непреходящей значимостью, особенностью. Рассматривается возникновение нового знания, но без разрушения старого. Прошлое не утрачивает своего своеобразия и не поглощается настоящим.
Сегодня в истории и методологии науки на первый план выходят «кейс стадис», которые называют ситуационными исследованиями. Это направление формируется с 70-х годов.
В работах этого направления прежде всего подчеркивается необходимость остановить внимание на отдельном событии из истории науки, которое произошло в определенном месте и в определенное время. Это прямой антипод кумулятивистских, линейных моделей развития науки.
В «кейс стадис» ставится задача понять прошлое событие не как вписывающееся в единый ряд развития, не как обладающее какими-то общими с другими событиями чертами, а как неповторимое, невоспроизводимое в других условиях. В работах прежнего типа исследователь стремился изучить как можно больше фактов, чтобы обнаружить в них нечто общее и на этом основании вывести общие закономерности. Теперь он изучает факт как событие - результат многих особенностей развития науки, сходящихся в одной точке с тем, чтобы отличить ее от других.
Для истории науки - это новый поворот исследования. Он более характерен для гуманитарных наук. Ведь история науки больше, чем история любой другой области человеческой жизни, всегда воспринималась как нечто максимально рациональное и упорядоченное.
В «кейс стадис» элементарное событие не приобщается к некоторому всеобщему, находящемуся вне его, а, наоборот, это всеобщее обнаруживается в нем самом и через общение с другим особенным событием. Но это - в перспективных исследованиях. Сегодняшние исследователи таких проблем пока не ставят.
Историческая картина, складывающаяся на базе «кейс стадис», представляет собой что-то вроде плоскости с возвышающимися на ней холмами и пиками, изображающими события меньшей или большей значимости. Поскольку по ходу истории старые события, как не имеющие значения, не вытесняются новыми, история становится многосубъектной, малособытийной. Между событиями устанавливаются диалогические отношения, речь идет о сосуществовании разных теорий, парадигм.
План семинарского занятия (2 часа)
1. Общие, особенные и частные методы науки.
2. Эмпирические и теоретические методы научного познания.
3. Три модели исторических реконструкций науки.
4. Научные революции и их роль в развитии науки.
ТЕМА 15 ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ
РОЖДЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ
Вопрос о6 возникновении Вселенной для многих поколений ученых был предметом их научного поиска. В истории науки существовало множество гипотез, отвечающих на этот вопрос. Современное естествознание объясняет возникновение Вселенной с помощью теории Большого взрыва.
Примерно 15 млрд. лет отделяет нашу эпоху от начала процесса расширения Вселенной, когда вся наблюдаемая нами Вселенная была сжата в комочек, в миллиарды раз меньший булавочной головки. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плотность равна бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью - точечный объем с бесконечной плотностью. Известные законы физики в сингулярности не работают. Более того, нет уверенности, что наука когда-либо познает и объяснит такие состояния. Так что если сингулярность и является начальным простейшим состоянием нашей расширяющейся Вселенной, то наука не располагает о нем информацией.
В состоянии сингулярности кривизна пространства и времени становится бесконечной, сами эти понятия теряют смысл. Идет не просто замыкание пространственно-временного континуума, как это следует из общей теории относительности, а его полное разрушение. Правда, понятия и выводы общей теории относительности применимы лишь до определенных пределов - масштаба порядка 10-33 см. Дальше идет область, в которой действуют совсем иные законы. Но если считать, что начальная стадия расширения Вселенной является областью, в которой господствуют квантовые процессы, то они должны подчиняться принципу неопределенности Гейзенберга, согласно которому вещество невозможно стянуть в одну точку. Тогда получается, что никакой сингулярности в прошлом не было и вещество в начальном состоянии имело определенную плотность и размеры. По некоторым подсчетам, если все вещество наблюдаемой Вселенной, которое оценивается примерно
в 1061г, сжать до плотности 1094 г/см3, оно заняло бы объем
около 10-33 см3, что примерно в 1000 раз больше объема ядра атома урана. Его нельзя было бы разглядеть и в электронный микроскоп.
Причины возникновения такого начального состояния (или сингулярности - эту гипотезу и сегодня поддерживают многие ученые), а также характер пребывания материи в этом состоянии считаются неясными и выходящими за рамки компетенции любой современной физической теории. Неизвестно также, что было до момента взрыва. Долгое время ничего нельзя было сказать и о причинах Большого взрыва, и о переходе к расширению Вселенной, но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы.
Итак очевидно, что исходное состояние перед «началом» не является точкой в математическом смысле, оно обладает свойствами, выходящими за рамки научных представлений сегодняшнего дня. Не вызывает сомнения, что исходное состояние было неустойчивым, породившим взрыв, скачкообразный переход к расширяющейся Вселенной. Это, очевидно, было самое простое состояние из всех, реализовавшихся позднее вплоть до наших дней. В нем было нарушено все, что нам привычно: формы материи, законы, управляющие их поведением, пространственно-временной континуум. Такое состояние можно назвать хаосом, из которого в последующем развитии системы шаг за шагом формировался порядок.
Хаос оказался неустойчивым, это послужило исходным толчком для последующего развития Вселенной.
Еще Демокрит утверждал, что мир состоит из атомов и пустоты - абсолютно однородного пространства, разделяющего атомы и тела, в которые они соединяются. Современная наука на новом уровне интерпретирует атомизм, и вносит совершенно иной смысл в понятие среды, разделяющей частицы. Эта среда отнюдь не является абсолютной пустотой, она вполне материальна и обладает весьма своеобразными свойствами, пока еще мало изученными. По традиции, эта среда, неотделимая от вещества, продолжает называться пустотой, вакуумом.
Вакуум - это пространство, в котором отсутствуют реальные частицы и выполняется условие минимума плотности энергии в данном объеме. Казалось бы, раз нет реальных частиц, то пространство пусто, в нем не может содержаться энергия, даже минимальная. Но это представление пришло к нам из классической физики. Квантовая же теория, опираясь на принцип неопределенности Гейзенберга, опровергает его. Мы помним, что применительно к теории поля принцип неопределенности утверждает невозможность одновременного точного определения напряженности поля и числа частиц. Раз число частиц равно нулю, то напряженность поля не может равняться нулю, иначе оба параметра будут известны, и принцип неопределенности будет нарушен. Напряженность поля в вакууме может существовать лишь в форме флуктуационных колебаний около нулевого значения. Соответствующая этим колебаниям энергия будет минимально возможной.
В соответствии с признанным дуализмом волновых и корпускулярных свойств колебания полей обязаны порождать частицы. И здесь мы сталкиваемся еще с одним парадоксом микромира. Квантовые эффекты могут на очень короткое время приостанавливать действие закона сохранения энергии. В течение этого промежутка времени энергия может быть взята «взаймы» на различные цели, в том числе на рождение частиц. Разумеется, все возникающие при этом частицы будут короткоживущие, так как израсходованная на них энергия должна быть возвращена спустя ничтожную долю секунды. Тем не менее частицы могут фактически возникнуть из ничего, обретая мимолетное бытие, прежде чем снова исчезнуть. И эту скоротечную деятельность невозможно предотвратить. Эти частицы-призраки нельзя наблюдать, хотя они могут оставить след своего кратковременного существования. Они представляют собой разновидность виртуальных частиц, аналогичных переносчикам взаимодействия, но не предназначенных для получения или передачи сигналов.
Таким образом, «пустой» вакуум оказывается заполненным виртуальными частицами. Он не безжизнен и безлик, а полон энергии. А то, что мы называем частицами, - всего лишь редкие возмущения, подобные «пузырькам» на поверхности целого моря активности.
Современные теории предполагают, что энергия вакуума проявляется отнюдь не однозначно. Вакуум может быть возбужденным и находиться в одном из многих состояний с сильно различающимися энергиями, подобно тому, как атом может возбуждаться, переходя на уровни с более высокой энергией, причем различие между самой низкой и самой высокой энергиями невообразимо велико.
Очевидно, вакуум играет роль базовой формы материи. На самой ранней фазе эволюции Вселенной именно ему отводится ведущая роль. Экстремальные условия «начала», когда даже пространство-время было деформировано, предполагают, что и вакуум находился в особом состоянии, которое называют «ложным» вакуумом. Оно характеризуется энергией предельно высокой плотности, которой соответствует предельно высокая плотность вещества. В этом состоянии вещества в нем могут возникать сильнейшие напряжения, отрицательное давление, которое равносильно гравитационному отталкиванию такой величины, которое и вызвало безудержное и стремительное расширение Вселенной - Большой взрыв. Это и было первотолчком, «началом».
С началом стремительного расширения Вселенной возникает время и пространство. По разным оценкам период «раздувания» занимает невообразимо малый промежуток времени - до 10-33с после «начала». Он называется инфляционным периодом. За это время Вселенная успевает раздуться до гигантского «пузыря», радиус которого на несколько порядков превышает радиус современной нам Вселенной, но там практически отсутствуют частицы вещества. Это еще не то расширение, о котором мы говорили, а предпосылка к нему. К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Но когда инфляция иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно горячей. Этот всплеск тепла обусловлен огромными запасами энергии, заключенными в «ложном» вакууме. Когда это состояние вакуума распалось, его энергия высвободилась в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную до 1027 К. С этого момента Вселенная развивалась согласно стандартной теории горячего Большого взрыва.
РАННИЙ ЭТАП ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ
Доступная астрономическим наблюдениям современная Вселенная состоит на 99% из водорода и гелия, но в первоначальном плазмоподобном сгустке не было ни водорода, ни гелия. Теория Большого взрыва утверждает, что от появления протовещества до образования ядер водорода и гелия прошло немногим более трех секунд. На этом временном промежутке стремительно преобразовывались вакуум и вещество, а этапы преобразования определялись процессами расширения и остывания сгустка.
При температуре 1027 К, если только справедлива гипотеза Большого объединения, лептоны и кварки в сгустке свободно превращались друг в друга, то есть были неразличимы. В среде существовал единый вид взаимодействия и роль его частицы-посредника выполнял скалярный бозон, названный X-бозоном. Это была необычайно массивная частица, порядка
10-9г , что в 1014 раза больше массы протона. Эти частицы исчезли после снижения температуры в ранней Вселенной, остатков их пока не найдено, ожидать, что такие частицы могут быть обнаружены, не приходится, так как подобных температур нет нигде в современной Вселенной.
Через 10-33 секунды после «начала» кварки и лептоны разделились, а сильное взаимодействие отделилось от электрослабого. Единый Х-бозон распался на глюоны и безмассовый бозон - переносчик электрослабого взаимодействия. К моменту прекращения переходов кварков в лептоны число кварков несколько превышало число антикварков (вообще, современное существование Вселенной связано с нарушениями симметрии), а число электронов - число позитронов. В общем сгустке число частиц в каждом миллиарде оказывалось на единицу больше числа античастиц. Это и определило дальнейшее появление вещественной Вселенной с галактиками, звездами, планетами и разумными существами на некоторых из них.
Следующая критическая точка - 10-10c, когда температура
снизилась до 1015 К. После этого безмассовый электрослабый бозон разделился на безмассовый фотон и три тяжелых векторных бозона. Электрослабое взаимодействие разделилось на слабое и электромагнитное. Во Вселенной утвердились все четыре известные ныне науке фундаментальные взаимодействия.
При снижений температуры до 1013К прекращается свободное существование кварков, они сливаются в адроны.
Ранний период развития Вселенной завершается лептонно-фотонной эрой. Образуются барионы и антибарионы, которые аннигилируют, оставляя после себя фотоны и выделившуюся энергию. Но так как барионов немного больше, чем антибарионов, оставшиеся стали примесью в однородной смеси фотонов и лептонов. Такое состояние было достигнуто через 0,01 с после «начала».
В течение первой секунды температура снизилась до 10 млрд. градусов. Этого оказалось достаточно для отделения от газовой смеси нейтрино и антинейтрино. К 14 секунде температура упала до 3 млрд. градусов и при этом появились условия для соединения и аннигиляции электронов и позитронов. При этом электронов опять-таки было немного больше, чем позитронов. Их избыток и суммарный отрицательный заряд точно компенсировал суммарный положительный заряд протонов, которые появились раньше. Также в протоны превращались свободные нейтроны, пока в конце концов отношение числа протонов к числу нейтронов не стало равно 8:1, оно сохранилось в дальнейшем и определило соотношение водорода и гелия во Вселенной.
Спустя 3 минуты 2 секунды после «начала» температура снизилась до миллиарда градусов. На этом завершилось формирование ранней Вселенной и начался процесс соединения протонов и нейтронов в составные ядра - нуклеосинтез. Плотность вещества в это время уже была в сто раз меньше плотности воды, размеры Вселенной возросли почти до 40 световых лет (для расширения пространства скорость света не является предельной). Через полчаса после «начала» барионное вещество Вселенной состояло из 28% гелия, остальное - ядра водорода (протоны). Но барионное вещество - это ничтожная часть Вселенной, ее основными компонентами были фотоны и нейтрино.
Затем почти 500 тысяч лет шло медленное остывание. Вселенная, оставаясь однородной, становилась все более разреженной. Когда она остыла примерно до 3 тысяч градусов, протоны (ядра водорода) и ядра атомов гелия уже могли захватывать свободные электроны и превращаться при этом в нейтральные атомы водорода и гелия. Излучение отделилось от атомарного вещества и образовало то, что в нашу эпоху назвали реликтовым излучением. В своей структуре реликтовое излучение сохранило «память» о структуре барионного вещества в момент разделения. Сегодня его энергия снизилась до температуры всего 3К. И оно излучает радиоволны в сантиметровом диапазоне. Эти радиоволны были открыты в 1964 г. и стали серьезным подтверждением концепции «горячей» Вселенной. Они равномерно поступают из всех точек небосвода и не связаны с каким-нибудь отдельным радиоисточником.
В результате мы имеем однородную Вселенную, представляющую собой смесь трех почти не взаимодействующих субстанций; лептонов (нейтрино и антинейтрино), реликтового излучения (фотоны) и барионного вещества (атомы водорода, гелия и их изотопы). В сложившихся условиях, когда уже нет ни высоких температур, ни больших давлений, казалось, перспективой было бы дальнейшее расширение и остывание Вселенной, завершающееся образованием «лептонной пустыни» -чем-то вроде тепловой смерти. Но этого не произошло, напротив, произошел скачок, создавший современную структурную Вселенную. По современным оценкам, переход от однородной Вселенной к структурной занял от 1 до 3 миллиардов лет.
СТРУКТУРНАЯ САМООРГАНИЗАЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ
Предполагается, что в расширяющейся Вселенной возникают и развиваются случайные уплотнения вещества. Силы тяготения внутри уплотнения проявляют себя заметнее, чем вне их. Поэтому, несмотря на общее расширение Вселенной, вещество в уплотнениях притормаживается, и его плотность постепенно нарастает. Появление таких уплотнений и стало началом рождения крупномасштабных структур во Вселенной. Согласно расчетам, из этих сгущений должны были возникать плоские образования, напоминающие блины.
Сжатие водородно-гелиевой плазмы в «блины» неизбежно приводило к значительному повышению их температуры. В конечном счете сжатие «блина» порождало его неустойчивость и он распадался на более мелкие подсистемы, которые, возможно, стали зародышами галактик. Подсистемы, в свою очередь, достигали состояния неустойчивости и распадались на более мелкие уплотнения, ставшие зародышами звезд первого поколения.
Образование разномасштабных структур во Вселенной открыло возможность для новых усложнений вещества. Важнейшим узловым моментом стало образование всей совокупности элементов таблицы Менделеева. Они появились в звездах в ходе процессов звездного нуклеосинтеза.
Согласно современным представлениям, присутствующие в межзвездной среде тяжелые элементы изготовлены в звездах типа красных гигантов. Желтые карлики типа нашего Солнца поддерживают свое состояние главным образом в результате термоядерной реакции, превращающей водород в гелий. Красные гиганты обладают массой, в несколько раз превышающей солнечную, водород в них выгорает очень быстро. В центре, где сосредоточен гелий, их температура достигает нескольких сотен миллионов градусов, что оказывается достаточным для протекания реакций углеродного цикла - слияния ядер гелия в углерод. Ядро углерода, в свою очередь, может присоединить еще одно ядро гелия и образовать ядро кислорода, неона и т.д. вплоть до кремния. Выгорающее ядро звезды сжимается и температура в нем поднимается до 3 - 10 млрд. градусов. В таких условиях реакции объединения продолжаются вплоть до образования ядер железа.
Ядро железа - самое устойчивое во всей последовательности химических элементов. Здесь проходит граница, выше которой нуклеосинтез перестает быть источником выделяющейся энергии (как это было в предыдущих реакциях) и протекание реакций с образованием еще более тяжелых ядер требует энергетических затрат.
Разработана теория образования в недрах красных гигантов элементов от железа до висмута - в процессах медленного захвата нейтронов. Образование же наиболее тяжелых ядер, замыкающих таблицу Менделеева, предположительно происходило в оболочках взрывающихся звезд или при прохождении сильной ударной волны, созданной взрывом сверхновой звезды, через гелиевую оболочку этой звезды с массой около 25 солнечных масс.
Красные гиганты быстро расходуют запас гелия, у них короткий жизненный цикл порядка десятка миллионов лет. За время своего активного существования красный гигант отдает
в межзвездную среду ежегодно не менее 10-4 - 10-5 масс Солнца, а в конце существования он со взрывом сбрасывает внешнюю оболочку вместе с накопившимися в ней «шлаками» - химическими элементами, результатами деятельности циклов нуклеосинтеза. Поэтому межзвездная среда сравнительно быстро обретает все известные на сегодняшний день химические элементы тяжелее гелия. Звезды следующих поколений, в том числе и Солнце, с самого начала содержат в своем составе и в составе окружающего их газопылевого облака примесь тяжелых элементов.
Появление во Вселенной всей гаммы химических элементов открыло новый этап в развитии вещества и в формировании его структур. Так, в местах нахождения разнообразных химических элементов протекают процессы их объединения в молекулы, сложность которых может нарастать до очень высоких уровней. Причину, заставляющую атомы объединяться в молекулы, наука знает достаточно хорошо. В основе этих процессов - химические силы, за которыми скрывается одна из фундаментальных сил природы - электромагнитное взаимодействие. Процессы соединения атомов в молекулы широко распространены во Вселенной. В межзвездной среде, где концентрация вещества ничтожно мала, тем не менее обнаруживаются молекулы водорода. Там же встречаются мельчайшие пылинки, в их основе - кристаллики льда или углерода с примесью гидратов разных соединений. Молекулярный водород вместе с гелием образует газовые межзвездные облака. Скопление газов вместе с пылинками формирует газо-пылевые облака. Но самое интересное, с чем столкнулись наблюдатели, - это неожиданно большое присутствие в космосе разнообразных органических молекул, вплоть до таких сложных, как молекулы некоторых аминокислот. В межзвездных облаках насчитали более 50 видов органических молекул. Еще удивительнее, что органические молекулы находят во внешних оболочках некоторых не очень горячих звезд и в образованиях, температура которых незначительно отличается от абсолютного нуля. Так что синтез молекул, в том числе и органических, - распространенное и вполне обыденное явление в космосе. Правда, наука пока не может с уверенностью назвать конкретные пути протекания такого синтеза.
В связи с этим невольно возникает вопрос, способно ли усложнение вещества достигнуть самых высоких уровней вне планет, в межзвездной среде или в оболочках не очень горячих звезд? Иначе говоря, возможна ли там жизнь? Эта тема неоднократно обыгрывалась в научно-фантастических произведениях, но современная наука не позволяет дать ни положительного, Ни отрицательного ответа на этот вопрос. Пока мы знаем только один вариант жизни в Космосе - на Земле.
Наличие тяжелых химических элементов, а также молекул и их соединений обеспечивает также возможность образования около некоторых звезд второго поколения планетных систем типа Солнечной. В таких системах становится возможным протекание геологической и химической эволюции.
ОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
Как и в случае со Вселенной, современное естествознание не дает точного описания этого процесса. Но современная наука решительно отвергает допущение о случайном образовании и исключительном характере образования планетных систем. Современная астрономия дает серьезные аргументы в пользу наличия планетных систем у многих звезд. Так, примерно у 10% звезд, находящихся в окрестностях Солнца, обнаружено избыточное инфракрасное излучение. Очевидно, это связано с присутствием вокруг таких звезд пылевых дисков, которые, возможно, являются начальным этапом формирования планетных систем.
На протяжении нескольких лет канадскими учеными измерялись очень слабые периодические изменения скорости движения шестнадцати звезд. Такие изменения возникают из-за возмущения движения звезды под действием гравитационно связанного с ней тела, размеры которого много меньше, чем у самой звезды. Обработка данных показала, что у десяти из шестнадцати звезд изменения скорости указывают на наличие около них планетных спутников, масса которых превышает массу Юпитера. Можно предполагать, что существование крупного спутника типа Юпитера, по аналогии с Солнечной системой, указывает на большую вероятность существования и семейства более мелких планет. Наиболее вероятное существование планетных систем отмечено у эпсилона Эридана и гаммы Цефея.
Но следует отметить, что одиночные звезды типа Солнца явление не столь уж частое, обычно они составляют кратные системы. Нет уверенности, что планетные системы могут образовываться в таких звездных системах, а если они в них возникают, то условия на таких планетах могут оказаться нестабильными, что не способствует появлению жизни.
О механизме образования планет, в частности, в Солнечной системе, также нет общепризнанных заключений. Солнечная система образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причем Солнце - звезда второго (или еще более позднего) поколения. Так что Солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звезд предыдущего поколения, скапливавшихся в газо-пылевых облаках.
Вообще, сегодня мы больше знаем о происхождении и эволюции звезд, чем о происхождении собственной планетной системы, что не удивительно: звезд много, а известная нам планетная система - одна. Накопление информации о Солнечной системе еще далеко от завершения. Сегодня мы видим ее совершенно иначе, чем даже тридцать лет назад.
И нет гарантии, что завтра не появятся какие-то новые факты, которые перевернут все наши представления о процессе ее образования.
Сегодня существует довольно много гипотез образования Солнечной системы. В качестве примера изложим гипотезу шведских астрономов X. Альвена и Г. Аррениуса. Они исходили из предположения, что в природе существует единый механизм планетообразования, действие которого проявляется и в случае образования планет около звезды, и в случае появления планет-спутников около планеты. Для объяснения этого они привлекают совокупность различных сил - гравитацию, магнитогидродинамику, электромагнетизм, плазменные процессы.
К моменту, когда начали образовываться планеты, центральное тело системы уже существовало. Чтобы образовать планетную систему, центральное тело должно обладать магнитным полем, уровень которого превышает определенное критическое значение, а пространство в его окрестностях должно быть заполнено разреженной плазмой. Без этого процесс планетообразования невозможен.
Солнце имеет магнитное поле. Источником же плазмы служила корона молодого Солнца. Сегодня она стала меньше. Но даже сейчас планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) практически погружены в разреженную атмосферу Солнца, а солнечный ветер доносит ее частицы и к более далеким планетам. Так что, возможно, корона молодого Солнца распространялась до современной орбиты Плутона.
Альвен и Аррениус отказались от традиционного допущения об образовании Солнца и планет из одного массива вещества, в одном нераздельном процессе. Они считают, что сначала из газо-пылевого облака возникает первичное тело, затем к нему извне поступает материал для образования вторичных тел. Мощное гравитационное воздействие центрального тела притягивает поток газовых и пылевых частиц, пронизывающих пространство, которому предстоит стать областью образования вторичных тел.
Для такого утверждения есть основания. Были подведены итоги многолетнего изучения изотопного состава вещества метеоритов. Солнца, Земли. Обнаружены отклонения в изотопном составе ряда элементов, содержащихся в метеоритах и земных породах, от изотопного состава тех же элементов на Солнце. Это говорит о различном происхождении этих элементов. Отсюда следует, что основная масса вещества Солнечной системы поступила из одного газо-пылевого облака и из него образовалось Солнце. Значительно меньшая часть вещества с другим изотопным составом поступила из другого газопылевого облака, и она послужила материалом для формирования метеоритов и частично планет. Смешение двух газопылевых облаков произошло примерно 4,5 млрд. лет назад, что и положило начало образованию Солнечной системы.
Молодое Солнце, предположительно обладавшее значительным магнитным моментом, имело размеры, превышавшие нынешние, но не доходившие до орбиты Меркурия. Его окружала гигантская сверхкорона, представлявшая собой разреженную замагниченную плазму. Как и в наши дни, с поверхности Солнца вырывались протуберанцы, но выбросы тех лет имели протяженность в сотни миллионов километров и достигали орбиты современного Плутона. Токи в них оценивались в сотни миллионов ампер и больше. Это способствовало стягиванию плазмы в узкие каналы. В них возникали разрывы, пробои, откуда разбегались мощные ударные волны, уплотнявшие плазму на пути их следования. Плазма сверхкороны быстро становилась неоднородной и неравномерной. Поступавшие из внешнего резервуара нейтральные частицы вещества под действием гравитации падали к центральному телу. Но в короне они ионизировались, и в зависимости от химического состава тормозились на разных расстояниях от центрального тела, то есть с самого начала имела место дифференциация допланетного облака по химическому и весовому составу. В конечном счете выделилось три-четыре концентрических области, плотности частиц в которых примерно на 7 порядков превышали их плотности в промежутках. Это объясняет тот факт, что вблизи Солнца располагаются планеты, которые при относительно малых размерах имеют высокую плотность (от 3 до
5,5 г/см3), а планеты-гиганты имеют намного меньшие плотности (1-2 г/см3).
Существование критической скорости, с достижением которой нейтральная частица, движущаяся ускоренно в разреженной плазме, скачком ионизируется, подтверждается лабораторными экспериментами. Оценочные расчеты показывают, что подобный механизм способен обеспечить накопление необходимого для образования планет вещества за сравнительно короткое время порядка ста миллионов лет.
Сверхкорона, по мере накопления в ней выпадающего вещества, начинает отставать в своем вращении от вращения центрального тела. Стремление выравнять угловые скорости тела и короны заставляет плазму вращаться быстрее, а центральное тело замедлять свое вращение. Ускорение плазмы увеличивает центробежные силы, оттесняя ее от звезды. Между центральным телом и плазмой образуется область очень низкой плотности вещества. Создается благоприятная обстановка для конденсации нелетучих веществ путем их выпадения из плазмы в виде отдельных зерен. Достигнув определенной массы, зерна получают от плазмы импульс и далее движутся по кеплеровской орбите, унося с собой часть момента количества движения в Солнечной системе: на долю планет, суммарная масса которых составляет только 0,1% от массы всей системы, приходится 99% суммарного момента количества движения.
Выпавшие зерна, захватив часть момента количества движения, следуют по пересекающимся эллиптическим орбитам. Множественные соударения между ними собирают эти зерна в большие группы и превращают их орбиты в почти круговые, лежащие в плоскости эклиптики. В конце концов они собираются в струйный поток, имеющий форму тороида (кольца). Этот струйный поток захватывает все частицы, которые с ним сталкиваются, и уравнивает их скорости со своей. Затем эти зерна слипаются в зародышевые ядра, к которым продолжают прилипать частицы, и они постепенно разрастаются до крупных тел - планетезималий. Их объединение образует планеты. А как только планетные тела оформляются настолько, что возле них появляется достаточно сильное собственное магнитное поле, начинается процесс образования спутников, в миниатюре повторяющий то, что произошло при образовании самих планет около Солнца.
Так, в этой теории, пояс астероидов - это струйный поток, в котором из-за нехватки выпавшего вещества процесс плане-тообразования прервался на стадии планетезималий. Кольца у крупных планет - это остаточные струйные потоки, оказавшиеся слишком близко к первичному телу и попавшие внутрь так называемого предела Роша, где гравитационные силы «хозяина» так велики, что не позволяют образоваться устойчивому вторичному телу.
Метеориты и кометы, согласно модели, формировались на окраине Солнечной системы, за орбитой Плутона. В отдаленных от Солнца областях существовала слабая плазма, в ней механизм выпадения вещества еще работал, но струйные потоки, в которых рождаются планеты, образовываться не могли. Слипание выпавших частиц привело в этих областях к единственно возможному результату - к образованию кометных тел.
Сегодня есть уникальные сведения, полученные «Вояджерами» о планетных системах Юпитера, Сатурна, Урана. Можно уверенно говорить о наличии общих характерных особенностей у них и у Солнечной системы как целого.
1. Одинаковая закономерность в распределении вещества по химическому составу: максимум концентрации летучих веществ (водород, гелий) всегда приходится на первичное тело и на периферийную часть системы. На некотором удалении от центрального тела располагается минимум летучих веществ. В Солнечной системе этот минимум заполнен самыми плотными планетами земной группы.
2. Во всех случаях на долю первичного тела приходится более 98% общей массы системы.
3. Имеются наглядные признаки, указывающие на повсеместное образование планетных тел путем слипания частиц (аккреция) во все более крупные тела, вплоть до окончательного оформления планеты (спутника).
Конечно, это только гипотеза, и она требует дальнейшей разработки. Так же пока не имеет убедительных доказательств предположение, что образование планетных систем является закономерным процессом для Вселенной. Но косвенные данные позволяют утверждать, что по крайней мере в определенной части нашей галактики планетные системы существуют в заметном количестве. Так, И.С. Шкловский обратил внимание на то, что все горячие звезды, температура поверхности которых превышает 7000 К, имеют высокие скорости вращения. По мере перехода ко все более холодным звездам на определенном температурном рубеже возникает внезапный резкий спад скорости вращения. Звезды, входящие в класс желтых карликов (типа Солнца), температура поверхности у которых порядка 6000 К, имеют аномально низкие скорости вращения, почти равные нулю. Скорость вращения Солнца - 2 км/с. Низкие скорости вращения могут быть результатом передачи 99% первоначального момента количества движения в протопланетное облако. Если это предположение верно, то наука получит точный адрес для поиска планетных систем.
План семинарского занятия (2 часа)
1. Рождение Вселенной. Роль вакуума в этом процессе.
2. Ранний этап эволюции Вселенной.
3. Появление во Вселенной структурных образований разных уровней.
4. Образование Солнечной системы.
Темы докладов и рефератов
1. Типы звезд.
2. Рождение и эволюция звезд.
3. Проблема жизни в космосе и ее отражение в научно-фантастической литературе.
