ЗИМНЯЯ СЕССИЯ / ксе / Концепции современного естествознания

А. Ю. Долгих

СОВРЕМЕННОЕ

ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ

ÁÁÊ 20ÿ73 Ä64

Долгих А. Ю.

Д64 Современное естествознание: учебное пособие. – Киров, 2014. – 122 с.

В учебном пособии представлены фундаментальные физи- ческие теории современности, а также важнейшие открытия и˝ гипотезы в геологии, космологии и зоологии. Пособие может˝ быть использовано студентами, изучающими такие дисципли˝- ны, как «История и философия науки», «Философские проблемы естествознания», «Концепции современного естеств˝ознания».

© А. Ю. Долгих, 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ТЕОРИИ ...............................						4
Теория	относительности .................................................................................................					4
Теория	химических элементов ...................................................................................					31
Электромагнетизм ............................................................................................................						33
Квантовая теория .............................................................................................................						34
Теория элементарных частиц и взаимодействий ........................................					˝......	37
Теория	квантовых струн ..............................................................................................					44
Термодинамика и синергетика ....................................................................................						45
Антропный		принцип .......................................................................................................				50
ГЕОЛОГИЯ ............................................................................................						51
Возраст	Земли ....................................................................................................................					51
Движение континентов			..................................................................................................			53
Внутреннее		строение ......................................................................................................				56
Воздушная		оболочка .......................................................................................................				58
Погодные условия ...........................................................................................................						60
Происхождение Земли			...................................................................................................			67
КОСМОЛОГИЯ ......................................................................................						69
Большие планеты ..............................................................................................................						69
Малые	планеты (астероиды) ......................................................................................					73
Карликовые		планеты ......................................................................................................				76
Кометы	.................................................................................................................................					76
Солнце	..................................................................................................................................					77
Гипотезы о		происхождении ........................................................................................				79
Другие	планетные системы .........................................................................................					82
Звезды	..................................................................................................................................					83
Туманности, галактики			и квазары ..........................................................................			87
Измерение		расстояний	..................................................................................................			93
Метагалактика и мир			(вселенная) ..........................................................................			95
ЗООЛОГИЯ ...........................................................................................						99
Споры о возникновении животных (XVII век) ...............................................						99
Представления о животном мире и его развитии (XVIII век) .............						100
Развитие животного мира по Ламарку ..............................................................						101
Теория	катастроф ..........................................................................................................					101
Открытие естественного отбора .............................................................................						102
Учение о клеточном строении живых существ ..............................................						104
Гипотеза о носителях наследуемых признаков ............................................					˝...	107
Современные представления о наследственности и изменчи˝вости .......						108
Эволюция, или возникновение новых видов животных ..........................					˝.. 110
Доказательства естественного видообразования ..............................				˝................		111
Гипотезы о		возникновении жизни ........................................................................				113
Развитие жизни на Земле .........................................................................................						115
Видовое разнообразие жизни ....................................................................................						120

3

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ТЕОРИИ

ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Предпосылки. В IV веке до н. э. эллинские философы дополнили список четырех стихий (земля, вода, воздух и огонь) пятой стихией – эфиром. Его тогда рассматривали в качестве своего рода «наполнителя» надлунной области ми˝- роздания. В XVI–XVII веках предположение о наличии в пространстве особых областей стало вызывать слишком бол˝ь- шие сомнения, и от него отказались. Но не от эфира. Отныне последний стал восприниматься как некая среда, в которую как бы погружены небесные тела и в которой распространяются световые волны. Поскольку, как выяснилось, скорость этих волн очень большая, эфир следовало признать твердым телом. Но как тогда Земля и светила могли легко и свободно двигаться в нем?.. Таково было противоречие. В 1818 году Огюстен Жан Френель (Франция, 1788–1827) предположил, что движущиеся через эфир тела частично увлекают его за собой. Он даже попытался рассчитать степень этого «увлече˝- ния». Были и другие мысли. Например, в 1845 году Джордж Стокс (Британия, 1819–1903) решил, что движущиеся тела увлекают эфир таким образом, что он покоится относительно˝ поверхности этих тел. Иными словами, он оказывается как бы˝ прикрепленным к любым поверхностям. С середины XIX века физики занялись проверкой этих догадок. В 1851 году Ипполит Физо (Франция, 1819–1896) поставил опыты, в которых свет пропускался через воду, и получил некоторые данные в˝ пользу гипотезы Френеля. В 1862 году Жан Фуко (Франция, 1819–1868) измерял скорость света в разных средах (вода, воздух, почти пустое межпланетное пространство), еще раз убедился в волновой природе света и склонился к выводу, чт˝о искомая скорость в «пустоте» наибольшая.

В 1865 году Джеймс Клерк Максвелл (Британия, 1831– 1879) заявил: все заполнено эфиром, даже так называемая пустота; скорость света – это скорость волн относительно эфира; наблюдатели должны получать разные скорости света˝

4

(ведь они движутся), но относительно эфира скорость света есть постоянная величина. Максвелл не был до конца удовлетворен своими выкладками, но ничего лучшего тогда пред-˝ ложить не смог. Затем в 1873 году он выдвинул гипотезу о существовании особых электромагнитных волн (их открыл в 1887 году Генрих Рудольф Герц) и, наконец, в 1878 году у него в уме родился замысел того опыта, который впервые поставил Альберт Майкельсон. Сам Максвелл, впрочем, не верил в возможность его осуществления, поскольку этому, к˝ак он считал, препятствует малая точность измерительных приборов. Но требуемая точность вскоре была достигнута.

Альберт Авраам Майкельсон (США, 1852–1931) вместе со своими помощниками – прежде всего с Эдвардом Морли – поставил многочисленные опыты (в 1878–1931 годы), в ходе которых движение Земли относительно эфира, о котором издавна говорили физики, не обнаружилось.

Суть опыта такова. Был сделан прибор, в котором одна световая вспышка направлялась вдоль движения Земли, другая – поперек. Свет отражался от зеркал, возвращался к источнику, а измерители определяли время, затраченное им на совершение всего пути. Если Земля покоится в эфире, рассуждали исследователи, оба промежутка времени будут одинаковым; если движется – разным. И поскольку расстояния от излучателей до зеркал известны (они составляли 22 метра) и скорость света тоже, скорость набегающего на Землю эфирного ветра, если он вообще есть, тоже удастся вычислить.

Опыты, как уже говорилось, были повторены многократно, но ничего не дали в том смысле, что никакого движения Земли относительно эфира уловить не удалось. С таким заявлением Майкельсон и выступил в 1887 году. Он был не слишком рад своему открытию, поскольку оно разрушало привычные представления о мире, и физики того времени в большинстве своем вполне разделяли его чувства. Начали искать ошибки в рассуждениях и измерениях, возобновили постановку опытов. Но ожидаемых плодов это не принесло. Получалось, что эфир не проявляет себя ни по отношению к небесным телам, ни как носитель световых волн, а сама скорость света в пустоте никак не зависит от движения Земли и вообще чего бы то ни было. Сам Майкельсон считал, что опроверг Френеля и доказал Стокса. Впрочем, Хендрик Лоренц, один из тех, кто никак не хотел расставаться с эфирной˝ гипотезой, как будто нашел выход. Он допустил, что, когда

5

тела движутся через эфир, их размеры в направлении движения сокращаются, а время для них замедляется. И тогда все остается на прежних местах: Френель не опровергнут, Стокс не доказан, эфирная гипотеза по-прежнему в силе. Такое объяснение считалось удовлетворительным среди физиков вплоть до 1905 года и даже какое-то время после.

Основные положения теории относительности. Не видя иного выхода, Альберт Эйнштейн (Германия, 1879–1955) в своей новой теории придал данным Майкельсона силу закона˝. Однако в одной из книг он говорит следующее: «…от всех свойств эфира не осталось ничего, кроме того свойства, из-з˝а которого его и придумали, а именно кроме способности пере˝- давать электромагнитные волны». Но отсюда вытекает, что Майкельсон доказал не то, что эфира нет, а то, что эфир, эфирные волны, электромагнитное поле и электромагнитные˝ волны тождественны. Поэтому, хотя отказались от понятия «эфир», с тем же успехом могли отбросить понятие «электромагнетизм», поскольку одно из них (причем любое) лишнее. И сейчас бы говорили «эфирные волны» вместо «электромагнитные волны».

В науке о природе с XVII века господствовали два представления:

•есть тела движущиеся равномерно и прямолинейно и есть т˝ела покоящиеся (Галилей);

•пространство – независимое вместилище для материи, врем˝я – независимая мера движения (Ньютон).

Эйнштейн решил отказаться, по крайней мере, от второго. Этим он сделал свою теорию более правдоподобной. Он последовательно предложил два новых подхода:

•будем считать, что пространство и время – свойства матер˝ии,

èрассмотрим движение галилеевских тел (покоящихся или движущихся прямо и равномерно);

•будем считать, что пространство и время – свойства матер˝ии,

èрассмотрим тела в ускоренном движении.

Первый подход привел к созданию так называемой «специальной (~частной) теории относительности» (СТО) в 1905 году; второй – к созданию «общей теории относительности» (ОТО) в 1915 году.

Основу СТО составляют следующие положения:

•скорость света в межзвездной среде неизменна и одинаков˝а во всех галилеевских (инерциальных) системах;

•для всех галилеевских (инерциальных) систем все законы п˝рироды одинаковы, и никакой абсолютной (т. е. главной) скорос˝-

6

ти или абсолютного покоя нет, ибо ни то, ни другое нельзя обнаружить.

Следует подчеркнуть, что постоянство и конечность скорости света устанавливается в СТО только для инерциальных систем отсчета и только для случаев, в которых имеет место распространение действия, передача данных и причинно-след- ственные связи. В неинерциальных системах и при отсутствии нарушений причинно-следственных связей могут наблюдаться и скорости, превышающие световую, причем это не˝ будет противоречить СТО. Например, солнечный зайчик, создаваемый с помощью зеркала, может передвигаться по очень удаленной стене со сверхсветовой скоростью. Объясняют эт˝о тем, что каждое новое положение зайчика не является следствием его предыдущего положения, а значит, здесь нет вышеупомянутых нарушений.

Основные следствия:

•невозможно в строгом смысле согласовать показания (син˝х- ронизировать) каких бы то ни было часов;

•события, которые одновременны для одного наблюдателя, м˝о- гут быть не одновременны для другого.

Данные положения прямо вытекают из постулата о конеч- ности скорости света.

Затем Эйнштейн получил уравнения, из которых следовало, что размеры движущегося тела в направлении движения (продольные размеры) сокращаются, а время для него замед-

ляется.
						t0
l = l0 Ö1 –		v2		t =
		c2
					Ö1 –		v	2
							c2

При приближении к скорости света эти величины начинают стремиться к предельным значениям: продольные размеры – к нулю, время – к полной остановке. То и другое заметно только по отношению к неподвижному наблюдателю. Это означает, что человек, летящий на космическом корабле˝ с околосветовой скоростью, сам по себе не ощутит ни замедления времени, ни изменения своих размеров. Он обнаружит это только в сравнении с какими-то другими условиями, например, если установит радиосвязь с оставшимися на Земле людьми… И, наконец, по сей день в теории относительности весьма спорным остается вопрос о массе – растет ли она с увеличением скорости тела или же остается постоянной.

7

Из уравнений также следует, что при сверхсветовых скоростях размеры обычного тела должны стать мнимыми, а время для наблюдателя, находящемся на этом теле, – ведь оно начнет обгонять свет, – как бы пойдет вспять.

А вообще, закон сложения скоростей двух тел в простейшем случае (когда тела движутся вдоль одной прямой) выглядит так:

v1 + v2 V =1 + v1v2

c2

Это означает, что даже если тела приближаются друг к другу или удаляются друг от друга и каждое движется со скоростью света, то скорость их сближения или удаления все равно скорости света не превысит. Она как раз и окажется равной этой предельной скорости. Когда же скорости тел невелики, знаменатель дроби почти не будет отличаться от единицы, следовательно, им можно пренебречь. Тогда уравне˝- ние примет привычный классический вид: V = v1 + v2.

В СТО впервые вводится понятие «энергия покоя»: она равна массе, умноженной на возведенную во вторую степень скорость света (E0 = mc2). Смысл этого выражения такой: всякое тело (масса) обладает энергией уже только потому, что оно существует (но не всякой энергии соответствует масса˝).

Надо сказать, что еще до Эйнштейна Джордж Френсис Фицджеральд (Ирландия, 1851–1901) в 1889 году и Хендрик Антон Лоренц (Нидерланды, 1853–1928) в 1892 году получи- ли главную составляющую уравнений СТО, а именно квадратный корень, под которым из единицы вычитается частное скорости тела и скорости света, возведенное во вторую степень. Лоренц вполне показал замедление времени и сокращение длины движущегося тела, поэтому Анри Пуанкаре (Франция, 1854–1912) назвал уравнения с вышеописанным членом «преобразованиями Лоренца», и это название закрепилось. И˝ все-таки теория относительности носит имя Эйнштейна. Иногда это объясняют тем, что Лоренц в свое время не смог отказаться от «эфирной» гипотезы, которую вскоре признал˝и ложной. Любопытно, что и Пуанкаре был близок к соответствующему объяснению опытов Майкельсона.

Частная теория относительности, насколько нам известно, ни у кого больших нареканий не вызывает. Но этого никак нельзя сказать об общей теории относительности. Некоторы˝е

8

физики говорят, что если и не во всем, то, по крайней мере, в некоторых отношениях она очень сомнительна Недоумение˝ у них вызывает уже само ее название. Дело в том, что этой самой «относительности» в ней, как они считают, совсем мало, так что она должна была бы называться просто «теорией гравитации». В таком духе высказывались, например, Владимир Фок и Анатолий Логунов (а также школа Логунова – М. Мествиришвили, Ю. Лоскутов, А. Власов, Ю. Чугреев и некоторые другие).

Общая теория относительности представляет собой каче- ственное объяснение и количественное описание тяготени˝я (гравитации). Уравнения ОТО получили почти одновременно Давид Гильберт и Альберт Эйнштейн; основные решения этих уравнений нашли Карл Шварцшильд и Александр Фридман.

Эйнштейн, главный создатель теории, рассуждал примерно так: если вещество определяет пространство, если простран˝- ства не может быть без вещества, то пространство (или, как говорят физики, геометрия) есть свойство вещества. Затем о˝н отождествил два понятия – так называемую инертную массу и так называемую тяжелую (гравитационную) массу. Инерцией именуют способность тела откликаться на внешнюю силу, т. е. противодействовать ей, или способность сохранять св˝ое состояние. Гравитация же есть не что иное как тяготение, притяжение.

Инерция свойственна всем телам, и гравитация действует на все тела – в этом они похожи. А измерения показывают равенство соответствующих масс с высокой точностью. И Эйнштейн отождествил их для всех тел. Данное им определение звучало так: наблюдатель, находящийся в закрытом ящике, никак не сможет определить, покоится ли ящик, испытывая постоянное притяжение, или движется с ускорением˝ от внешних сил в пространстве, где вообще нет тяготения.

Или иными словами: тяготение можно полностью заменить ускоренным движением. Это получило название «принцип эквивалентности».

Сделав указанные допущения, Эйнштейн вывел уравнения тяготения. По некоторым данным на пять дней раньше то же самое, хотя и другим способом (не прибегая к отождествлению тяготения с ускоренным движением), сделал Давид Гильберт (Германия, 1862–1943). Однако дальнейшей разработкой общей теории относительности он заниматься не стал, счита˝я ее ошибочной, поскольку она не предусматривает законов со˝- хранения. Гильберт же, как и многие физики, полагал, что

9

последние составляют самое прочное основание естествен˝ных наук. К этому вопросу мы еще вернемся.

Вот уравнение поля тяготения в ОТО:

R	–	1	g	mn	R =	8pG	T	mn
		2
mn						c4

ãäå Rmn – тензор кривизны

gmn – компоненты метрического тензора пространства-време- ни

R – радиус кривизны

Tmn – тензор энергии-импульса G – гравитационная постоянная c – скорость света

Таким образом, в уравнении связываются некоторые чисто геометрические величины (они стоят в левой части) с некоторыми физическими (в правой части). По сути, тяготение здесь приравнивается к искривлению пространства – геоме˝т- ризируется, как часто говорят в физике. Кроме того, в ОТО утверждается, что тяготение уничтожается свободным паде˝нием на притягивающее тело.

Черные дыры. В 1916 году немецкий астроном Карл Шварцшильд (1873–1916) нашел одно очень важное решение уравнений Гильберта – Эйнштейна. В переводе на обычный язык оно звучит примерно так: у всякого тела есть некий пограничный размер (он зависит от массы тела и очень маленький по сравнению с самим телом в его обычном состоянии); и если тело сжать до этого размера, силы тяготения на˝ его поверхности, направленные внутрь, станут бесконечно большими. Тогда, вероятно, уже ничто (например, никакое внутреннее давление) не сможет воспрепятствовать дальне˝й- шему сжатию этого предмета в безразмерную точку.

Указанный пограничный размер получил потом название «гравитационный радиус» (rg), шаровая область такого радиуса – «сфера Шварцшильда», поверхность этой сферы – «горизонт событий». Уравнение гравитационного радиуса:

2GM rg = c2

Например, для Солнца эта величина – примерно 3 километра, для Земли – 9 миллиметров.

10