Все темы. Лекция по дисциплине История и философия науки
 Скачать 1.24 Mb.
|
0,03%.
70% состава Вселенной) – невидимая космическая субстанция, физическая природа и структура которой неизвестна. Она имеет положительную плотность и отрицательное давление (обладает антигравитацией). Видимо, благодаря ей Вселенная, являющаяся плоской, изотропной, однородной (космологический принцип), ускоренно расширяется. 3 76 лет, прошедшие после окончания войны, характеризуются в истории науки событийным многообразием, содержательной «плотностью», революционными изменениями в самой ткани познавательной деятельности, трансформациями науки как формы общественного сознания. Это позволяет, вслед за В. С. Степиным, рассматривать послевоенную науку как уникальное явление в жизни цивилизации и присвоить ей новое имя – постнеклассическая. Есть аргументы и в пользу другого тезиса: послевоенная неклассическая наука претерпела существенные изменения, но ее фундамент остался прежним, и нет необходимости дробить ХХ столетие на два автономных периода. Аберрация близости не позволяет пока адекватно оценить процессы, происходившие в минувшем столетии, тем более, имеющие место сейчас. Поэтому уместно ограничиться нейтральными терминами: «современный этап в развитии неклассической науки» или «современная наука». Период 1945–2021 годов отличается временной «компактностью» и столь сложной событийной архитектурой, что разбить его на промежутки – невозможно. Выделим несколько взаимодействующих трендов, ключевых концептуальных структур, знаковых событийных массивов современной научной жизни. Их анализ позволит репрезентировать образы той науки, которая создавалась и создается на наших глазах. Рассмотрим 1) эволюцию современной физики и содержание Стандартной модели (СМ), 2) историю освоения космического пространства и достижения новейшей космологии, 3) компьютеризацию и изменения в информационно-коммуникационной сфере. Из трех основных структурных элементов теоретической физики – классической механики, релятивистской механики (СТО, ОТО), квантовой механики – наибольшие успехи были достигнуты в области последней. Говоря о структуре современной физики необходимо иметь в виду, что ее деление на дисциплины проводится по различным критериям и весьма вариативно. Например, по объекту физику можно поделить на физику элементарных частиц (ФЭЧ) и полей; ядра и плазмы; атомов и молекул; твердых, жидких, газообразных тел. Бурное развитие в последние десятилетия получила физика высоких энергий – раздел ФЭЧ. Квантовая механика описывает явления микроскопического масштаба, обусловленные существованием наименьшего кванта действия (h). Это явления излучения, феномены атомной и ядерной физики, физики конден сированных сред и т. д. Основой ФЭЧ, которая занимается описанием элементарных частиц (из них, в том числе, состоят ядра атомов), их взаимодействий (и взаимопревращений), является квантовая теория поля (КТП). В ней квантовые принципы экстраполируются на системы с бесконечным числом степеней свободы. Такие системы именуются «физическими полями». Они были известны уже классической физике XIX века. Квантовое поле – фундаментальная форма материи, основа ее конкретных проявлений. Понятие поля возникает при отказе от принципа дальнодействия. Этого требует СТО с ее положением о постоянстве скорости света. «Считая, что пространство между частицами заполнено полем, мы возлагаем на поле функцию передачи возмущений с конечной скоростью от одной частицы к другой»1. Вклад в изучение квантовых полей внесли Н. Н. Боголюбов, С. Вайнберг, Д. Д. Иваненко, Р. Миллс, Р. Фейнман, В. А. Фок, Ч. Янг и др. Частицы обладают следующими свойствами: масса (измеряется в энергетической шкале), спин, наличие электрического заряда, время жизни (абсолютно стабильными являются электрон, протон, фотон, электронное нейтрино, а также их античастицы). Нестабильность частиц – важнейшее свойство микромира. Частицы взаимопревращаются и взаимодействуют. Взаимопревращения частиц возможны, только если они не запрещены законами сохранения (энергии, импульса, электрического заряда и т. д.). Эти законы – следствие тех или иных симметрий. Например, закон сохранения энергии – проявление симметрии относительно непрерывной операции сдвига времени. Взаимодействий в природе четыре: электромагнитное, слабое, сильное, гравитационное. Довоенная физика знала только первое и последнее. СМ – квантовополевая калибровочная теория, формирование которой началось в 50-е гг. и завершилось в 70-е гг. Она описывает три взаимодействия всех частиц. Вне ее компетенции находится гравитация, а также темная материя и темная энергия. Появление СМ связано с реализацией США и СССР проектов по созданию атомного и термоядерного оружия. «В терминах акторно-сетевой теории (АСТ), наверное, допустимо сказать, что акторами или актантами в процессе создания СМ были, помимо прочих, атомная и водородная бомбы, а также большие ускорители заряженных частиц и соответствующие детекторы. Можно говорить и о других, более общих, «внешних» социокультурных факторах, таких как начавшаяся в 1946 г. холодная война и характерный для 1950-60-х гг. культ атома (или ядерный культ)»2. Переносчиками взаимодействий являются бозоны (спин целый, равен 1; у фермионов – полуцелый спин). Фотон – квант света – переносчик электромагнитного взаимодействия. Это безмассовая, нейтральная, стабильная частица, известная уже более ста лет. Не будем забывать, о корпускулярно-волновом дуализме: фотон еще и поперечная волна. КТП электромагнитного взаимодействия именуется квантовой электродинамикой. Ее основы были заложены П. Дираком в 20-е гг., оформилась она в 40-е гг. (Р. Фейнман, Ю. Швингер, В. А. Фок). С именем Фейнмана связывают рождение нанотехнологий – области науки и техники, изучающей, проектирующей, применяющей объекты, имеющие масштаб 1–100 нм. Наноматериалы широко используются в микроэлектронике, робототехнике, медицине, фармакологии, химии и биологии. Благодаря сильному взаимодействию образуются атомные ядра. Его переносчиком являются безмассовые глюоны (от английского «клей»). Их восемь типов. Предсказаны М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом (1964), обнаружены экспериментально в 1979 г. Данное взаимодействие описывает квантовая хромодинамика. Ее главный «персонаж» – кварки – фундаментальные (бесструктурные) частицы из семейства фермионов. Именно они «склеиваются», образуя нуклоны – протоны и нейтроны. Всего три поколения кварков (в каждом по два типа – «аромата»): верхний и нижний; странный и очарованный, прелестный и истинный (необычные для физики наименования). Ароматы – это квантовые числа, характеризующие кварки и лептоны. Наличие первых трех типов было теоретически обосновано Гелл-Манном и Цвейгом (1964), последний и самый массивный кварк – истинный – обнаружен в 1994–1995 гг. Время жизни этого кварка всего 5 × 10–25 с. Кварки различают не только по аромату, но и «цвету» (отсюда – «хромодинамика»). Это условно желтый, синий и красный цвета. Каждый аромат кварка может проявляться в трех различных цветовых состояниях, характеризуемых одинаковыми массами, электрическими зарядами и другими свойствами. Антикварки тоже имеют цвета, точнее, антицвета. Число кварков, включая антикварки, таким образом, равно 36. Нуклоны состоят только из самых «легких» кварков первого поколения: протон – из двух верхних и одного нижнего, нейтрон – из двух нижних и одного верхнего. Из кварков (и антикварков) состоят и другие «составные» частицы, подверженные сильному взаимодействию (их именуют адронами). Наличие особенной «цветной» симметрии предопределяет то, что «все наблюдаемые адроны являются связанными состояниями либо трех кварков, либо кварка и антикварка. Ненарушенность цветной симметрии ответственна за то, что свободные кварки и (цветные) глюоны не наблюдаются»1. Т. е., получить «чистые» кварки нельзя. Об их наличии мы знаем косвенно, они, скорее, математические объекты. «Вырвать» кварки, например, из протона – невозможно; чем дальше кварки друг от друга, тем сильнее они взаимодействуют благодаря глюонам. Это явление именуется конфайнментом (удержанием). Наряду с кварками, бесструктурными фермионами – частицами вещества – являются лептоны. Их тоже шесть, и тоже три поколения. Первое – электрон и электронное нейтрино (предсказано в 30-е гг., обнаруже- но в 1956 г.), второе – мюон (1936) и мюонное нейтрино (1964), третье – тау-лептон (1965) и тау-нейтрино (2000). Нейтрино – таинственный объект мироздания, родившийся в первую секунду жизни Вселенной и имеющий удивительную проникающую способность. А. Мак-Дональд и Т. Кадзита (2015) доказали наличие нейтринных осцилляций. Это свидетельствует: нейтрино имеет массу, правда, в миллион раз меньше массы электрона. Слабое взаимодействие значительно уступает в интенсивности сильному и электромагнитному. Его уникальная особенность – нарушение ряда законов сохранения. Как и сильное взаимодействие – оно короткодействующее (проявляется в масштабах, меньших размера атомного ядра). В слабом взаимодействии участвуют все фермионы, они обмениваются энергией, массой и т. д., превращаясь друг в друга. Процессы, «инициированные» этим взаимодействием протекают медленно, имеют меньшие вероятности. Однако оно слабо лишь при сравнительно низких энергиях взаимодействующих частиц. При высоких энергиях оно «становится даже несколько сильнее электромагнитного»1. Слабое взаимодействие обеспечивает водородный цикл – последовательность термоядерных реакций в звездах, приводящий к превращению водорода в гелий без участия катализаторов. Этот процесс – основа эволюции звезд, источник их энергии, препятствие для стабильности и широкого распространения «нежелательных» для обычного вещества частиц (мюоны, π-мезоны и т. д.). Переносчиками данного взаимодействия являются бозоны W +, W –, Z 0, открытые в 1983 г. Они, в отличие от фотонов и глюонов, имеют массу. Первая попытка объяснить превращения нуклонов при бета-распаде (самый распространенный процесс при данном взаимодействии) была предпринята Э. Ферми (1934). Вклад в исследование слабого взаимодействия в 50-е гг. внесли Ли Цзундао, Янг Чженьнин, М. Гелл-Манн, Р. Фейнман, Р. Маршак, Л. Д. Ландау. В 1968 г. С. Вайнберг, Ш. Глэшоу и А. Салам разработали теорию, в которой электромагнитное и слабое взаимодействия получили общее описание. При высоких энергиях они представляют собой единое электрослабое взаимодействие. Последняя, предсказанная СМ еще в 1964 г., частица – бозон Хиггса – экспериментально обнаружена на Большом адронном коллайдере (БАК) в 2012 г. Названа в честь шотландского физика Питера Хиггса. Этот бозон – единственная скалярная фундаментальная частица (остальные – векторные) с нулевым спином. Т. е. она остается неизменной при вращении или при движении относительно некоторой системы отсчета. Хиггсовский бозон имеет огромную по меркам микромира массу. Он обеспечивает механизм спонтанного нарушения электрослабой симметрии, объясняет наличие массы у W +, W –, Z 0 бозонов, кварков и лептонов, и отсутствие массы у фотона и глюонов. Поле Хиггса пронизывает вакуум и превращает его в нечто, напоминающее вязкую «жидкость». Частицы, несущие слабый заряд взаимодействуют с этой «жидкостью» и теряют скорость. «Такое замедление говорит об обретении частицами массы – ведь безмассовые частицы путешествуют сквозь вакуум со скоростью света»2. БАК, на котором был обнаружен бозон Хиггса, пожалуй, наиболее значимое творение научно-технической мысли XXI века. Сооружение этого гигантского ускорителя заряженных частиц было завершено в 2008 г. БАК, расположенный на границе Франции и Швейцарии, – международный проект под эгидой Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), основанной в 1954 г. Длина туннеля 26,7 км, глубина 150– 175 м. Вдоль двух параллельных кольцевых каналов расположено более 1600 сверхпроводящих магнитов. Они работают при температуре менее 2 К. После разгона по туннелю протоны движутся со скоростью всего на 3 метра в секунду медленнее, чем свет. Ученые почти 100 государств, проделывают на БАКе колоссальную работу. Например, в 2012 г. они проанализировали 6 × 1015 только протон-протонных столкновений3. Гравитационное взаимодействие (сила тяготения), наряду с электромагнитным взаимодействием, – дальнодействующее, но необычайно слабое. Гравитация слабее электрических сил на число N, которое составляет 1046. N измеряет слабость притяжения в масштабе атома. Известные всем черные дыры – объекты, в которых тяготение подавляет все другие силы, ни один фотон не может вырваться из черной дыры. Для того чтобы сформировалась черная дыра, размером с атом, 1036 атомов должны сжаться до размеров одного. Будь N хоть немного меньше, «могла бы существовать только короткоживущая миниатюрная вселенная: ни одно существо не могло бы стать больше насекомого, и времени на биологическую эволюцию не хватило»3. Переносчик гравитационного взаимодействия науке не известен. Гипотетические кванты возмущений в гравитационном поле именуют гравитонами. Согласно квантовой теории, электромагнитное поле квантуется на отдельные элементы – фотоны. «При разложении поля на его частотные составляющие, компонента с частотой v может входить в это разложение только в виде целого числа фотонов, каждый с энергией равной hv. Предполагается, что аналогичные правила должны быть также применимы и к гравитационному полю. Один гравитон – это минимальная единица кривизны, допускаемая квантовой теорией»1, – пишет лауреат Нобелевской премии по физике 2020 г. Р. Пенроуз. Из гравитонов состоят гравитационные волны – своего рода, «рябь» пространства-времени, наличие которой предсказывает ОТО. «Рябь» порождается очень массивными объектами, и распространяются со скоростью света. Гравитационные волны были экспериментально обнаружены в 2015 г. детекторами обсерватории LIGO (Б. Бэриш, Р. Вайс, К. Торн). Освоение космоса – триумф теоретической, экспериментальной и инструментальной науки. Оно началось в СССР запуском первого искусственного спутника (1957), достижением поверхности Луны автоматической станцией «Луна-2» и фотографированием ее обратной стороны «Луной-3» (1959). Советский Союз выполнил первый орбитальный пилотируемый космический полет (Ю. А. Гагарин, 1961); осуществил первый полет женщины-космонавта (В. В. Терешкова, 1962) и выход в открытый космос (А. А. Леонов, 1965). Ключевая фигура начального этапа освоения космоса – С. П. Королев – выдающийся ученый и конструктор. Советский космический аппарат «Венера-3» совершил жесткую посадку на ближайшую к нам планету (1965), а спускаемый аппарат «Марс-3» – мягкую посадку на поверхность «красной планеты» (1971). В настоящее время (февраль 2021 г.) на Марсе работает несколько автоматических станций. У СССР был соперник – США. Конкуренция двух великих космических держав оказалась продуктивной. Первый пилотируемый полет НАСА осуществлен в 1962 г. (Дж. Глен). В 1969 г. астронавты Н. Армстронг и Б. Олдрин совершили посадку на поверхность Луны. С 1998 г. и до сегодняшнего дня на орбите постоянно функционирует пилотируемая Международная космическая станция – проект 14 государств. В его реализации ведущую роль играет Россия. США только в 2020 г. возобновили полеты своих пилотируемых космических кораблей. С 2003 г. такие полеты осуществляет Китай. Отметим, что китайская автоматическая станция «Чанъэ-4» совершила мягкую посадку на обратной стороне Луны (2019). США преуспели в деле покорения «дальнего» космоса. Аппарат «Пионер-10» пролетел мимо Юпитера (1973), «Маринер-10» – Меркурия (1974), «Пионер-11» – Сатурна (1979). С 1977 г. до сегодняшнего дня исследуют Солнечную систему зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Они сделали качественные снимки Юпитера, Сатурна и их спутников (1979–1980), Урана (1986) и Нептуна (1989). Благодаря гравитационному маневру «Вояджеры» развили огромную скорость (сейчас составляет около 16 км/с) и достигли пояса Койпера. Он находится от нас на расстоянии 30–55 астрономических единиц (а. е.). Одна а. е. равна 150 млн. км (расстояние между Землей и Солнцем). В 2012 г. «Вояджер-1» вышел на границу межзвездного пространства. В ноябре 2020 г. он находился на расстоянии 141 а. е. от Земли; «Вояджер-2» – 117 а. е. Когда-то зонды достигнут границ облака Оорта – сферической области, находящейся на расстоянии 50000 – 150000 а. е. Гипотеза о существовании этой области Солнечной системы выдвинута в 1950 г. нидерландским астрономом Я. Оортом. Основными «обитателями» облака являются кометы. Иногда они, под действием темной материи, покидают свою обитель и оправляются в центральную часть Солнечной системы. 66 млн. лет назад одна из комет столкнулась с Землей. Это имело катастрофические последствия для жизни на нашей планете, в частности, привело к гибели динозавров. Л. Рэндалл предположила, что массовые вымирания биологических видов, происходящие с определенной периодичностью, связаны с «визитами» комет из облака Оорта2. В 2006 г. НАСА запустило межпланетную станцию «Новые горизонты», которая в 2015 г. провела исследования Плутона и его спутников. В 2018 г. зонд «Паркер» приблизился к Солнцу на рекордное расстояние – 15 млн. км. Успешным является совместный проект НАСА и Европейского космического агентства (ЕКА) «Кассини-Гюйгенс». Орбитальная станция «Кассини» стала первым искусственным спутником Сатурна (2004), зонд «Гюйгенс» совершил единственную в истории мягкую посадку на объект Внешней Солнечной системы – крупнейший спутник Сатурна Титан. В 2005 г. японский зонд «Хаябуса» доставил на землю образцы грунта с астероида Итокава, а в 2020 г. зонд «Хаябуса-2» – с астероида Рюгу. Межпланетная автоматическая станция ЕКА «Розетта» в 2014 г. совершила первую в истории посадку аппарата на поверхность кометы – 67Р / Чурюмова – Герасименко. В 2025 г. должен достигнуть поверхности Меркурия, запущенный ЕКА и Японией аппарат «Бепи Коломбо». Большую роль в развитии астрономии (и ее разделов – астрофизики, космологии, космохимии), а также физики играют аппараты на орбите Земли. Это обсерватория COBE – Cosmic Background Explorer (выведена на орбиту в 1989), телескоп «Хаббл» (1990 г.), гамма-обсерватория «Комптон» (1991), рентгеновская обсерватория «Чандра» (1999), аппарат WMAP – Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (2001), инфракрасный телескоп «Спитцер» (2003), телескоп «Кеплер» (2009), радиообсерватория ЕКА «Планк» (2009), российский радиоинтерферометр «Радиоастрон» (2011), российско-германская астрофизическая обсерватория «Спектр-РГ» (2019). На 2021 г. НАСА и ЕАК планируют запуск орбитальной инфракрасной обсерватории «Джеймс Уэбб». Космические исследования позволяют наблюдать Вселенную в очень широком диапазоне волн. Теперь, когда не мешает земная атмосфера, надежность результатов астрономических наблюдений сравнима с результатами лабораторных опытов. Важные открытия были сделаны в космологии, которая теснейшим образом взаимодействует с квантовой механикой и КТП. В 1948 г. Г. А. Гамов выдвинул теорию «горячей Вселенной», предсказав реликтовое излучение – остаточное излучение, возникшее на ранней стадии расширения Вселенной, имевшей сингулярное начало. В 1965 г. А. Пензиас и Р. Вильсон зафиксировали реликтовое излучение (космическое микроволновое фоновое излучение), равномерно заполняющее Вселенную. Его температура – 2,725 К (-270,4 C). Это открытие подтверждало теории нестационарной эволюционирующей Вселенной и Большого взрыва. Я. Б. Зельдович и Р. А. Сюняев в 1969 г. установили изменение интенсивности излучения реликтового фона. С помощью эффекта Сюняева – Зельдовича можно измерять диаметр скопления галактик, а затем строить шкалы расстояний во Вселенной. В 1992 г. российскими учеными с помощью спутника «Реликт» открыта анизотропия реликтового излучения (разница температуры в различных направлениях на небе). Тот же результат был получен COBE и WMAP. Анализ анизотропии дает информацию о рождении мироздания и его текущем состоянии, позволяет строить модели Вселенной. В 70-е гг. советские и американские астрономы обнаружили доказательства, предсказанной Ф. Цвикки в 1932 г., «скрытой массы» или темной материи. Имеется, как минимум, десять независимых свидетельств ее существования: движение галактик в скоплениях и их плоские кривые вращения, горячий газ в скоплениях, гравитационное линзирование и т. д.1 В начале 80-х годов А. Д. Линде, В. Ф. Муханов, А. А. Старобинский (СССР), А. Гут (США) формулируют гипотезу инфляционного периода в истории Вселенной. Он начался через 10–43 с после появления классического пространства-времени. В интервале от 10–43 до 10–36 с происходило экспоненциальное раздувание Вселенной. После этого началось возрастание энтропии и рождение частиц. Что представляло собой мироздание до этого (и было ли это чем-то), наука ответить не может. При «Большом взрыве» (ясно, что это метафора) вакуумоподобная материя («ложный вакуум») имела планковские энергию (2 × 109 Дж или 1019 ГэВ), радиус (10−35 м), температуру (1032 К), плотность ( |
Cold Dark Matter – темная материя (