Научная картина мира
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Научная картина мира (НКМ) — целостная система представлений об свойствах и закономерностях действительности, построенная в результате обобщения и синтеза научных понятий и принципов, а также методология получения научного знания.
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).
Содержание |
[править] Астрономия
[править] Космогония
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 инфляционной моделью, в начальной стадии своей эволюции Вселенная пережила период ускоренного расширения (инфляции). Предполагается, что в этот момент Вселенная была "пустой и холодной" (существовало только высокоэнергетическое скалярное поле), а затем заполнилась горячим веществом, продолжавшим расширяться.
Переход энергии в массу не противоречит физическим законам, например, рождение пары частица-античастица из вакуума можно наблюдать и сейчас в некоторых научных экспериментах.
О причинах Большого взрыва выдвинуто несколько гипотез. В соответствии с одной из них, взрыв порождён флуктуацией вакуума. 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 (см. туннельный эффект) и перешёл в новое состояние с меньшим энергетическим уровнем (что привело к выделению энергии).
Другая гипотеза, оперирующая в терминах теории струн, предполагает некое внешнее по отношению к нашей Вселенной событие, например, столкновение бран в многомерном пространстве.
Некоторые физики допускают возможность множественности подобных процессов, 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 текст лекции «Инфляция, квантовая космология и антропный принцип»). 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.
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.
[править] Космология
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 (свыше 1 млрд. световых лет) вещество во Вселенной распределено однородно.
Помимо видимого вещества во Вселенной присутствует тёмная материя, проявляющаяся через гравитационное воздействие. Тёмная материя, как и обычное вещество, также сосредоточена в галактиках. Природа тёмной материи пока неизвестна. Кроме того, имеется гипотетическая тёмная энергия, которая является причиной ускоренного расширения Вселенной. По одной из гипотез ([1]), в момент Большого взрыва вся тёмная энергия была «спрессована» в маленьком объёме, что и послужило причиной взрыва (в соответствии с другими гипотезами, 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.
[править] Астрофизика
[править] Звездная астрономия
Образование звёзд и планетных систем изучает наука звездная астрономия. Под действием гравитации в газопылевых облаках формируются сгущения с образованием вращающихся газопылевых дисков. Основная масса вещества концентрируется в центре 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.
[править] Физика
[править] Классическая механика
[править] Электромагнетизм
[править] Термодинамика и статистическая физика
[править] Квантовая механика
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.
[править] Теория относительности
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 навигационных спутниках GPS.
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: на уровне взаимодействия элементарных частиц все физические процессы обратимы, 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. Согласно другой гипотезе, редукция волновой функции необратима и потому определяет направленность времени (однако многие учёные сомневаются, что редукция является реальным физическим процессом).
[править] Элементарные частицы
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 некоторых 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.
Одной из попыток построить универсальную теорию стала теория струн, в рамках которой фундаментальные элементарные частицы представляют собой одномерные объекты (струны), отличающиеся только своей геометрией.
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.
[править] Химия
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 (например, пионий и мюоний, в состав которых входят пион и мюон.).
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.
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).
[править] Биология
[править] Молекулярная биология
[править] Биохимия
Живые организмы состоят из органических веществ, воды и минеральных соединений.
[править] Генетика
Признаки организмов определяются набором генов, в которых записана большая часть наследственной информации. 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. Правда, существуют немногочисленные исключения из этого правила.
Генетическая информация реализуется при экспрессии генов в процессах транскрипции и трансляции. Передача генетической информации следующему поколению происходит в результате репликации (копирования ДНК комплексом ферментов).
Помимо генов в ДНК имеются некодирующие участки. Некоторые из них выполняют регуляторную функцию (энхансеры, сайленсеры); функция других пока неизвестна.
Генетика достигла впечатляющих успехов. Учёные уже умеют внедрять гены одних организмов в геномы других, клонировать простейшие живые существа, «включать» и «выключать» определённые гены и многое другое. Это привносит проблемы морального плана.
[править] Цитология
[править] Гистология
[править] Физиология
[править] Анатомия
[править] Экология
[править] Принципы эволюции
Согласно теории эволюции, развитие жизни на Земле, в том числе усложнение живых организмов происходит в результате непредсказуемых мутаций и последующего естественного отбора наиболее удачных из них (о механизмах эволюции см. книгу «Эволюция жизни»).
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 об эволюции глаза).
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.
[править] История жизни на Земле
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, согласно одной из наиболее распространённых теорий, 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 «История развития жизни»).
[править] Происхождение человека
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 людей — неандертальцев.
