1. Микромир и его описание в современной физике
Физический мир, окружающий человека, можно разделить на три уровня: Микромир, Макромир и Мегамир.
Микромир – это уровень природной реальности, формируемый особенностями элементарных частиц. Микромир включает в себя объекты, имеющие размер менее 10-8 см. Они чрезвычайно малы с точки зрения человеческих мер и весов. Универсальной закономерностью этого мира является его постоянная динамика: рождение, уничтожение и взаимопревращение элементарных частиц. Изучение микромира проводится в рамках квантово-релятивистского подхода.
Квантовая физика: становление и эволюция. В истории физики последовательно сменяли друг друга три картины мира: механическая, электродинамическая и квантово-релятивистская. Смена картин мира определялась количеством накопленных знаний, которые уже были необъяснимы в рамках предыдущей картины.
Для становления квантово-релятивистской картины мира решающую роль сыграли следующие открытия:
- открытие в 1896 году французским физиком Антуаном Анри Беккерелем (1852-1908) явления радиоактивности солей урана. Через два года французские физики супруги Пьер (1859-1906) и Мария (1867-1934) Кюри открыли новые радиоактивные вещества – химические элементы радий и полоний. Оказалось, что в результате радиоактивных реакций атомы одних элементов превращались в другие, при этом возникали различные элементарные частицы высоких энергий. В рамках классической физики явление радиоактивности объяснению не поддавалось. Было показано, что представления о неделимости атома ошибочны. Кроме того классической физикой не могла быть удовлетворительно объяснена периодическая зависимость свойств химических элементов от заряда атомного ядра;
- в 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) открыл элементарную частицу электрон. Выяснив, что электрон является составной частью атома, он попытался построить его физическую модель. Отрицательно заряженные электроны в его модели плавали в положительно заряженном ядре как изюминки в куске теста. Появилась возможность изучать строение атома;
- в 1911 году английский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937) в своих знаменитых экспериментах доказал несостоятельность этой модели. Согласно новым опытным данным электроны должны вращаться вокруг ядра подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Но, с другой стороны, если электрон вращается, то неизбежно, согласно электродинамике Максвелла, теряет энергию, и, в конце концов, должен будет упасть на положительно заряженное ядро. Исходя из классических представлений данную проблему разрешить было невозможно. Так в опытах Э. Резерфорда была открыта структура атома, стало ясно, что атом состоит из ядра и электронов. Сложилась планетарная модель атома;
- самой крупной проблемой стала проблема неустойчивости ядра. Из классических принципов следовало, что в соответствие с законами электродинамики электрон должен упасть на ядро после того, как излучит всю энергию, но в реальности этого не происходит, и атомы устойчивы;
- необъяснимыми с точки зрения классики стали и закономерности излучения от атомов, которые открыли В. Ритц, И.Я. Бальмер, Ф. Пашен, Т. Лайман. Изучая, каким образом должен излучать тепловую энергию идеальный излучатель, немецкий физик Макс Планк (1858-1947) пришёл к выводу, что излучение должно иметь дискретный характер. Этот вывод опять же никак не согласовался с классическими представлениями физики о непрерывности физических процессов. Было обнаружено, что спектр излучения атомов не непрерывен, а дискретен, и была установлена связь между поглощением и излучением света;
- было открыто два принципиально необъяснимых средствами классической физики эффекта: фотоэффект и эффект Комптона, связанных со взаимодействием поля и вещества. А. Эйнштейн в 1905 г. опубликовал статью, посвящённую явлению фотоэффекта. Используя понятие кванта, он убедительно доказал, что свет должен иметь свойства частицы. Но ещё ранее Максвелл теоретически обосновал, что свет – это не что иное, как электромагнитная волна. Получался парадокс: свет – это одновременно и частица и волна. При распространении в пространстве свет проявляет волновые свойства, при излучении и поглощении – корпускулярные.
Учёные понимали, что причины кризиса кроются не в ошибочности и несовершенстве отдельных теорий, а в неполноте оснований физике, неполноте её основополагающих принципов. Таким образом, в начале ХХ века объективно назрела необходимость коренного пересмотра основ классической научной картины мира.
Как решались эти проблемы? В 1900 г. М. Планк положил начало квантовым представлениям: он ввел понятие фотона, или кванта излучения. Если раньше считали, что свет – это длящаяся волна, то теперь свет представлялся в виде порций (квантов).
Затем Н. Бор, П. Эренфест (1880 – 1933), П. Дебай развили представления М. Планка и построили цельную теорию, объяснявшую все вышеуказанные проблемы.
Новый, неклассический подход к проблемам атомной физики продемонстрировал датский физик Нильс Бор (1885-1962). В 1913 году, приняв в качестве исходного пункта модель атома Резерфорда, он сумел объяснить механизм устойчивости атома. Бор допустил, что электроны в атоме, переходя с одной орбиты на другую, излучают энергию не непрерывно, а дискретно в виде квантов.
В 1920 г. Н. Бор выделил из своей теории два основных положения и назвал их постулатами, в которых он указал на закономерности поведения атома. Эти закономерности носят дискретный, квантуемый характер. Однако теория Н. Бора не была универсальным ответом на все вопросы, она была лишь удачным математическим приближением и смогла объяснить только один, самый простой, атом – атом водорода. Для более сложных атомов, а тем более молекул, эта теория не приводила к результатам, согласующимся с экспериментом.
Показательно обоснование Н. Бором нормативов квантово-механического описания. Решающую роль здесь сыграла аргументация Н. Бора, в частности его соображения о принципиальной «макроскопичности» познающего субъекта и применяемых им измерительных приборов. Исходя из анализа процесса познания как деятельности, характер которой обусловлен природой и спецификой познавательных средств, Бор обосновывал принцип описания, получивший впоследствии название принципа относительности описания объекта к средствам наблюдения.
К 1928 г. квантовая теория была оснащена фундаментальным, полностью разработанным, математически непротиворечивым аппаратом. Оформление квантовой теории связано с работами таких физиков как В. Гейзенберг, Э. Шрёдингер, П. Дирак. В настоящее время квантовая механика стала новой универсальной методологией физики и позволила решать задачи в самых различных областях.
Когда говорят о квантовой теории, чаще всего характеризуют ее с точки зрения вероятностной интерпретации различных явлений. Вероятностная интерпретация означает:
во-первых, в микроскопических явлениях присутствует принципиально непреодолимая вероятностность. Это значит, что измеряя на опыте физические величины, мы будем получать не строго фиксированные значения, и не непрерывный диапазон, а лишь набор значений с определенной вероятностью. При этом можно говорить о среднем значении скорости и отклонении измеряемых значений от него. В общем случае это отклонение будет отличным от нуля;
во-вторых, на некоторые вопросы, возникающие в эксперименте, принципиально нет ответов. Некоторые вопросы классической физики для квантовой физики бессмысленны. Например, какова скорость электрона? Мы можем вести речь лишь о вероятности получения определенных ее значений в эксперименте. Следовательно, результат эксперимента зависит от того, насколько корректно сформулирован вопрос.
Законы квантовой механики оказались совершенно не похожими на законы механики классической. Оказалось, что все процессы в микромире носят вероятностный характер. Например, невозможно точно определить траекторию движения частицы, её местоположение и другие параметры. Можно лишь говорить о вероятностном значении тех или иных параметров.
Математически эти законы были оформлены немецким физиком Вернером Гейзенбергом (1901-1976). Он вывел закон, названный законом соотношения неопределённостей, согласно которому невозможно одновременно установить точные значения местоположения элементарной частицы и её импульс.
В рамках описания многих процессов, наблюдаемых в природе, таких как распространение света в среде, его взаимодействие с веществом, движение элементарных частиц, проявляются свойства, которые могут быть приписаны либо частице (корпускуле), либо волне. Для того чтобы дать объяснение этому факту, определим несколько понятий из классической и квантовой физической теории.
Волной называют определенный периодичный процесс, характеризующийся некоторой величиной. Простейшими наблюдаемыми волнами являются расходящиеся круги на воде от брошенного в нее предмета. В качестве величины можно выбрать высоту уровня воды по отношению к ее первоначальному (спокойному) состоянию. Тогда на гребнях волн эта высота будет одинакова, то есть повторяться через равные расстояния, называемые длиной волны. Другой пример – это звуковые волны, чередующиеся области сжатия и разрежения той среды, в которой они распространяются, например воздуха.
В период с конца XVIII до начала XX в. в экспериментальной физике были накоплены знания о различных оптических эффектах. Исходя из них, природу света можно было объяснить как с точки зрения потока частиц, так и с точки зрения волн. В пользу последней теории говорили такие эффекты, как интерференция (взаимодействие двух световых пучков, не сводящееся к их простому наложению), дифракция (изменение направления движения пучка света на препятствиях малых размеров).
Представления об описании света в виде распространяющейся в пространстве волны развивали такие ученые, как Х. Гюйгенс и О. Френель. Результатом их работы стало создание принципа, описывающего распространение световых пучков. Он утверждал, что каждая точка, куда доходит световое возмущение, сама является источником вторичных волн. Для того чтобы представить свет как волну, необходимо было ввести специфическую среду – носитель возмущений, получившую название светового эфира. В таком решении этой проблемы проявился механицизм – принцип решения разнообразных задач исходя из чисто механических представлений. В то же время И. Ньютон развивал представления о свете как о потоке частиц – корпускул, что также позволило ему дать удовлетворительное описание эффекта интерференции.
Явление фотоэффекта, исследованное А. Эйнштейном, и эффект Комптона свидетельствовали о том, что взаимодействие света со средой возможно представить как взаимодействие некоторых частиц и среды. Исходя из других исследований, анализировавших фотопластинки после облучения их слабыми световыми пучками, было показано, что свет приходит не непрерывными количествами, а строго фиксированными порциями. Такие порции получили название квантов, или фотонов. Математически их введение можно обосновать тем, что свободное электромагнитное поле имеет импульс и энергию, которые можно представить в виде суммы целого числа элементарных импульсов и энергий. Следовательно, можно вести речь о частице, обладающей определенным значением и импульса, и энергии. Состояние поля же можно описать как сумму конечного числа таких частиц.
Л. де Бройль (1892 – 1987) распространил корпускулярно – волновой дуализм со света на вещество. Так, он утверждал, что элементу всякой материи могут быть приписаны двойственные свойства, то есть каждой частице можно приписать определенную длину волны. Вскоре математические следствия такого предположения подтвердились в экспериментах с частицами – электронами, протонами, нейтронами, которые вели себя как волны. Это проявлялось, например, в дифракции протонов – явлении, которое вначале приписывалось лишь чисто волновым процессам.
Таким образом, корпускулярная картина мира оперировала представлением о материи как о наборе частиц, а волновая – как о специальных волновых процессах. В то же время возможность двойственного описания проявилась в концепции корпускулярно-волнового дуализма. В классической физике наличие дуализма объяснялось тем, что у материи существуют различные свойства – волны или частицы, которые проявляются в разных экспериментах.
Более глубокое объяснение этому факту дает квантовая механика. Обнаруживаемый нами характер элемента материи зависит лишь от той величины, которую мы измеряем, то есть от эксперимента, а не от самой материи. Так, измеряя энергию частицы, мы обнаруживаем ее дискретный характер, а измеряя интерференционную картину, получаем распределение энергии, такое же, как и при взаимодействии волн. Казалось бы, мы получили волновое свойство. В то же время при точных измерениях можно обнаружить, что свет приходит порциями, но их распределение по-прежнему эквивалентно распределению при волновом взаимодействии. Поэтому получаемый результат в этом случае зависит от точности эксперимента, но не от света.
Но подобное представление потребовало и нового математического аппарата, детально разработанного П. Дираком (1902 – 1984), Э. Шрёдингером (1887 – 1961) и другими авторами квантовой механики.
Таким образом, принципиальное отличие новых представлений о материи состояло в отказе от понятия состояния, точно известного в данный момент, и замене его на понятие вероятности происхождения событий. Отсюда следует важный вывод: измерение в квантовой механике и роль экспериментатора в получении ответа на тот или иной вопрос весьма существенны.
В дальнейшем квантовая физика развивалась в двух направлениях. Первое связано с уже сложившейся традицией, выработанным подходом, второе – с разработкой теории скрытых переменных. Его представители полагали, что есть универсальные переменные, которые описывают физическую реальность в тех областях, где проявляются квантовые свойства, так же хорошо, как обычные величины описывают явления, изучаемые в классической физике, но наука их до сих пор не открыла.
В 60-е гг. XX в. математики вывели из этих двух теорий различные формулы, что дало возможность проверить, какая из теорий выполняется на практике. Оказалось, что на практике подтверждается именно первая.
Квантовая теория находит широкое применение в различных областях физики, например, в оптике, в атомной и молекулярной физике, в физике твердого тела.
Начало новой научной революции можно датировать 1905 годом. Малоизвестный тогда в научных кругах молодой немецкий физик Альберт Эйнштейн (1879-1955) создаёт специальную теорию относительности. В господствовавшей до этого механистической картине мира предполагалось, что пространство абсолютно и неизменно, и существует независимо от материи и её движения. Время также считалось абсолютным и одинаково текущим в любой точке пространства. Специальная теория относительности опровергла эти положения и показала, что свойства пространства, и течение времени прямо зависят от движения тел. В каждой движущейся системе отсчёта своё пространство и время, то есть они относительны. Позже Эйнштейн создаёт общую теорию относительности, в которой принцип относительности распространяется и на системы отсчёта, движущиеся с ускорением, и находящиеся в гравитационном поле. Таким образом, он создаёт новую (после Ньютона) теорию гравитации. Впоследствии она блестяще подтверждается экспериментально.
Релятивистские взгляды, которые нашли свое выражение в теории относительности А. Эйнштейна, стали неотъемлемой частью современной физики. Теория относительности – наука, изучающая пространственно-временные закономерности, присущие всем физическим процессам, она состоит из общей теории относительности и специальной теории относительности.
Общая теория относительности (ОТО) – это теория тяготения, она описывает свойства пространства и времени в некоторой области, определяемые действующими в ней полями тяготения.
Специальная теория относительности (СТО) – это физика пространства-времени, которая описывается с такой точностью, чтобы пренебречь гравитацией.
Математически ОТО отличается от СТО тем, что моделирует гравитацию кривизной пространства-времени с помощью специальной величины – тензора кривизны.
Важными в теории относительности являются понятия:
- «инерциальная система отсчета» – система отсчета, в которой выполняется первый закон Ньютона;
- «неинерциальная система» – система, движущаяся с ускорением относительно инерциальной;
- «сигнал» – передача энергии и импульса на некоторые расстояния;
- «событие» – все то, что характеризуется временем, когда оно произошло, и местом, где оно произошло.
Принципы СТО:
принцип относительности: никакими физическими экспериментами невозможно обнаружить движение одной инерциальной системы отсчета относительно другой, если эксперименты одинаковы и проводятся в одинаковых начальных условиях. Например, если вы находитесь в трюме корабля, в который не проникают никакие звуки, то вы не можете точно сказать, плывет корабль или покоится. Имеется в виду, что если корабль движется без ускорения, то результаты всех ваших опытов будут одинаковы вне зависимости от скорости;
принцип постоянства скорости света: скорость света не зависит от движения источника света, она постоянна в вакууме. Иногда говорят так: свет не может обогнать свет. Почему в вакууме? Потому что в других средах скорость света меньше и может зависеть от структуры вещества.
Свое подтверждение теория относительности находит в так называемых релятивистских эффектах: сокращении длин, замедлении времени, релятивистском сложении скоростей.
Описанные выше открытия в физике полностью изменили наши представления об устройстве окружающего мира. Простая и понятная с точки зрения обыденного опыта механистическая картина мира оказалась неспособной объяснить природу новых физических открытий. В результате второй научной революции оказались пересмотренными основания нашего понимания природы.
Во-первых, теорией относительности было отвергнуто бытовавшее со времён Ньютона представление об абсолютности и независимости друг от друга пространства и времени. Как оказалось, они связаны с конкретной системой отсчёта и тесно взаимосвязаны между собой. Пространство и время не абсолютны, а относительны, ибо зависят от скорости системы отсчёта и от распределения масс вблизи неё.
Во-вторых, квантовая механика окончательно разрушила господствовавшую в механистической картине мира уверенность в универсальной применимости принципа детерминизма. Если раньше физики надеялись, что все взаимосвязи физических явлений можно в принципе описать в терминах причинно-следственных связей, то теперь они были вынуждены отказаться от этой идеи. Оказалось, что в микромире невозможно заранее предсказать поведение тех или иных объектов и систем. В квантовой механике можно говорить лишь о вероятности явлений.
В-третьих, квантовая механика показала, что невозможно построить объективную картину физической реальности, ибо никакие ухищрения не позволят устранить влияние на картину мира субъекта - наблюдателя реальности. Теоретическое описание объекта неизбежно будет зависеть от способа его наблюдения, тем самым, наблюдатель становится неотъемлемой частью теории. Классическая для прежней теории познания схема субъектно-объектных отношений перестаёт здесь работать.
Таким образом, мы можем констатировать, что наступил новый неклассический этап развития естествознания.
2. Макромир как уровень природной реальности
Макромир – это уровень природной реальности, формируемый структурной организацией системных объектов. Он включает в себя объекты размерами от 10-8 см до 10-15 см.
Макромир представляет собой совокупность тел, достаточно больших с точки зрения человеческих мер и весов, состоящих из атомов и молекул. Большинство объектов макромира не выходят за рамки тех, которые могут быть использованы в деятельности человека.
Специфика организации и закономерности функционирования объектов макромира были открыты еще классической физикой и исследуются в специальных областях – в физике твердого тела, гидродинамике, аэродинамике, технических отраслях, имеющих соприкосновение с практикой.
Особенность макромира как физической реальности состоит в том, что он дан нам непосредственно и фиксируется всеми нашими органами чувств, в отличие от объектов микромира и мегамира, которые познаются опосредованно, через приборы, математический аппарат. Поэтому способом обоснования теоретических представлений о макромире является наглядность. Все объекты макромира даны нам сразу, мы легко их можем представить в изменениях и провести в своем сознании мысленный эксперимент с их участием. В итоге мы получим верный результат, а результаты всякой теории, которые описывают макромир, интуитивно понятны каждому человеку, потому что он сам является объектом макромира, и его жизнь проходит среди тел, которые существуют по таким же принципам.
Для макромира в целом свойственны динамические, а не статистические законы. Здесь чаще всего рассматривается конкретный объект, а не их большие совокупности. Пространство в макромире трехмерно, что выражается в понятии объема. Тела макромира изменяются во времени, что выражается в длительности, начале, окончании события.
С точки зрения физики интерес представляют не только естественные объекты, которые мы наблюдаем в природе, но и элементы технического мира, созданного самим человеком. Его изучением занимаются технологические отрасли физического знания, которые уделяют внимание не теоретическому рассмотрению вопроса и не моделированию, а практическому воплощению какой-то идеи в жизнь. При этом возникает определенный разрыв между техническими возможностями производства на данном этапе и теоретически предсказанными свойствами данных объектов, например, создание больших конструкций, где традиционные физические методы практически неприменимы, но технологические дают возможность оценивать устойчивость крупных строений: зданий, мостов. Еще один интересный пример – изготовление деталей для различных устройств. Теоретическая физика в качестве модели рассматривает однородную деталь, а в реальности в ней есть трещины, пустоты, дефекты. Научиться их преодолевать – задача специалистов соответствующих областей.
В настоящее время перед человеком встали задачи не только использования тех объектов, которые ему даны непосредственно, но и создания материалов с заранее известными свойствами. Для этого необходимо обращаться к уровню молекул и даже атомов, получая при этом вполне конкретные макроскопические тела.
Например, большое внимание в научно-технологическом направлении физики уделяется понятию нанотехнологий. Это технологии, которые позволяют оперировать с объектами размером в один нанометр (10-9 м). В этом направлении проявляется связь исследований микро- и макроуровней физической реальности. При разработке нанотехнологий необходимо знать и уметь оперировать микроскопическими характеристиками и переходить от них к характеристикам макроскопических тел. Подобные манипуляции требуют разработки новых методик исследования. В целом данное направление является очень перспективным с точки зрения применения в широком диапазоне практической жизни.
3. Мегамир в его многообразии, единстве и развитии
Мегамир – это уровень природной реальности, формируемый целостностью пространственно-временного континуума. Он включает в себя объекты размерами свыше 1015 см.
Мегамир – специфическое понятие для обозначения всех объектов Вселенной, чрезвычайно больших с точки зрения человеческих мер и весов. Мегамир изучается практически всеми разделами астрономии, особое место среди которых занимают космология и космогония.
Космология – наука, которая изучает Вселенную как единое целое, с точки зрения ее структуры и связей между объектами. Основу этой дисциплины составляет математика, физика и астрономия. Большинство космологических теорий опирается на теорию тяготения, физику элементарных частиц, ОТО и, конечно, на астрономические наблюдения. В своих задачах она часто пересекается с философией и богословием.
Ранние формы космологии представляли собой религиозные мифы о сотворении (космогония) и уничтожении (эсхатология) существующего мира.
В китайской космологии считалось, что Земля — своего рода чаша, прикрытая небом, состоящая из полусфер, вращающихся на очень низком расстоянии от Земли.
Большинство древнегреческих учёных поддерживали геоцентрическую систему мира, согласно которой в центре Вселенной находится неподвижная шарообразная Земля, вокруг которой обращаются пять планет, Солнце и Луна. Предложенная Аристархом Самосским гелиоцентрическая система мира, не получила поддержки большинства древнегреческих астрономов.
Мир считался ограниченным сферой неподвижных звёзд. Иногда добавлялась ещё одна сфера, отвечающая за прецессию. Предметом споров был вопрос о том, что находится за пределами мира: перипатетики вслед за Аристотелем полагали, что вне мира нет ничего (ни материи, ни пространства), стоики считали, что там находится бесконечное пустое пространство, атомисты (Левкипп, Демокрит, Метродор, Эпикур, Лукреций) полагали, что за пределами нашего мира находятся другие миры. Особняком стоят взгляды Гераклида Понтийского, согласно которым, звёзды являются далёкими мирами, включающими в себя землю и воздух. Атомисты и Гераклид полагали Вселенную бесконечной. На закате античности появилось религиозно-мистическое учение герметизм, согласно которому вне мира может находиться область нематериальных существ — духов.
Многие досократики полагали, что движением светил управляет гигантский вихрь, давший начало Вселенной. После Аристотеля большинство античных астрономов считали, что планеты переносятся в своём движении материальными сферами, состоящими из особого небесного элемента — эфир, свойства которого не имеют ничего общего с элементами земли, воды, воздуха и огня, составляющих «подлунный мир». Широко было распространено мнение о божественной природе небесных сфер или светил, их одушевлённости.
В Средние века в астрономии и философии как христианских, так и мусульманских стран доминировала космология Аристотеля, дополненная птолемеевой теорией движения планет, вместе с представлением о материальных небесных сферах. Некоторые философы XIII—XIV вв. считали, что бесконечно всемогущий Бог мог создать, помимо нашего, и другие миры; тем не менее, эта возможность считалась сугубо гипотетической: хотя Бог и мог создать другие миры, он не сделал этого. Некоторые философы (например, Томас Брадвардин и Николай Орем) считали, что за пределами нашего мира находится бесконечное пространство, служащее обителью Бога (модификация космологии герметистов, также полагавших внемировое пространство относящимся к духовной сфере).
Новаторский характер носит космология Николая Кузанского, изложенная в трактате «Об учёном незнании». Он предполагал материальное единство Вселенной и считал Землю одной из планет, также совершающей движение; небесные тела населены, как и наша Земля, причём каждый наблюдатель во Вселенной с равным основанием может считать себя неподвижным. По его мнению, Вселенная безгранична, но конечна, поскольку бесконечность может быть свойственна одному только Богу. Вместе с тем, у Кузанца сохраняются многие элементы средневековой космологии, в том числе вера в существование небесных сфер, включая внешнюю из них — сферу неподвижных звёзд. Однако эти «сферы» не являются абсолютно круглыми, их вращение не является равномерным, оси вращения не занимают фиксированного положения в пространстве. Вследствие этого у мира нет абсолютного центра и чёткой границы (вероятно, именно в этом смысле нужно понимать тезис Кузанца о безграничности Вселенной).
Первая половина XVI века отмечена появлением новой, гелиоцентрической системы мира Николая Коперника. В центр мира Коперник поместил Солнце, вокруг которого вращались планеты (в числе которых и Земля, совершавшая к тому же ещё и вращение вокруг оси). Вселенную Коперник по-прежнему считал ограниченной сферой неподвижных звёзд; по-видимому, сохранялась у него и вера в существование небесных сфер.
Модификацией системы Коперника была система Томаса Диггеса, в которой звёзды располагаются не на одной сфере, а на различных расстояниях от Земли до бесконечности. Некоторые философы (Франческо Патрици, Ян Ессенский) заимствовали только один элемент учения Коперника — вращение Земли вокруг оси, также считая звёзды считались разбросанными во Вселенной до бесконечности. Воззрения этих мыслителей несут на себе следы влияния герметизма, поскольку область Вселенной за пределами Солнечной системы считалась ими нематериальным миром, местом обитания Бога и ангелов.
Возникновение современной космологии связано с развитием в XX веке общей теории относительности Эйнштейна и физики элементарных частиц.
В 1922 году А. А. Фридман предложил решение уравнения Эйнштейна, в котором изотропная Вселенная расширялась из начальной сингулярности. Подтверждением теории нестационарной вселенной стало открытие в 1929 году Э. Хабблом космологического красного смещения галактик. Таким образом, возникла общепринятая сейчас теория Большого взрыва.
Космогония (греч. ??????????, от греч. ?????? — мир, Вселенная и греч. ???? — рождение) – раздел астрономии, в рамках которого изучаются происхождение и эволюция небесных тел. Поскольку изучаются большие и сложные системы, в ней используются численные методы решения уравнений, методы компьютерного моделирования.
Со времён Гесиода космогония служила сюжетом множества философских трактатов. В настоящее время космогония является областью науки, изучающей образование и развитие всех астрономических объектов: звёзд и звёздных скоплений, галактик, туманностей, Солнечной системы и всех входящих в неё тел — Солнца, планет (включая Землю), их спутников, астероидов (или малых планет), комет, метеоритов.
Изучение космогонических процессов является одной из главных задач астрофизики. Поскольку все небесные тела возникают и развиваются, идеи об их эволюции тесно связаны с представлениями о природе этих тел вообще. В современной космогонии широко используется методология физики и химии.
Космологией является изучение структуры и изменений в современной Вселенной, в то время как научные области космогонии касаются вопроса происхождения Вселенной. Наблюдения нашей нынешней Вселенной, возможно, не только позволит дать предсказания на будущее, но они также предоставляют ключ к событиям, которые происходили давно, когда космос только зарождался. Так работа по космологии и космогонии дублируется.
Космогонию можно отличить от космологии, которая изучает Вселенную в целом и на протяжении всего своего существования. Существует некоторая неопределенность между этими двумя терминами, например, космологический аргумент из теологии о существовании Бога является обращением к космогонии, а не к космологическим идеям. На практике, существует научное различие между космологическими и космогоническими идеями. Физическая космология это наука, которая пытается объяснить все наблюдения, имеющих отношение к развитию и характеристике Вселенной в целом. Вопросы о том, почему Вселенная ведет себя таким образом, были описаны в физике и космологи как экстранаучные, хотя спекуляции сложились из различных точек зрения, которые включают экстраполяции научных теорий на непроверенных режимах и философских или религиозных идеях.
Характерной чертой мегамира является то, что его объекты не даны человеку в непосредственном восприятии, а могут исследоваться только на расстоянии, причем анализируются не сами объекты, а те изменения, которые они вносят в окружающее пространство. Это связано с их удаленностью и неразвитостью технических средств цивилизации. Такие изменения называют возмущениями.
Второй характерной чертой мегамира является возможность исследования не текущего, а прошлого его состояния. Это связано с конечностью скорости света. Поэтому изображения, которые видят ученые при исследовании звездного неба, были реальными миллиарды лет назад, ведь именно столько времени понадобилось свету, чтобы дойти до нас.
Многообразие мегамира состоит в огромном числе космических объектов, различных по своим физическим свойствам. Каждый из обнаруживаемых в космосе объектов уникален и представляет собой задачу для исследователей, поэтому объединение их в группы происходит из соображений удобства идентификации этих объектов. Существуют классы объектов, состоящие всего из пяти-шести представителей, а иногда при детальном их исследовании класс распадается. Например, звездные объекты могут быть идентифицированы по вращению, спектру, но каждый обладает специфическими характеристиками.
Единство мегамира состоит в том, что, несмотря на его дифференцированный характер, большие расстояния между объектами и кажущееся отсутствие связей, Вселенная развивается как единое целое после момента своего возникновения. Это проявляется, например, в ее расширении, которое происходит по одинаковому закону для большинства космических объектов – закону Хаббла.
Все объекты во Вселенной находятся в постоянном динамическом взаимодействии, начиная от элементарных и заканчивая глобальными объектами. Это проявляется в столкновении галактик, появлении и уничтожении звезд, рождении новых объектов.
Развитие Вселенной – это предмет острых дискуссий астрономов. Исторически первым сложилось представление об уникальности Солнечной системы, а остальное пространство характеризовалось понятием «сфера неподвижных звезд».
Переход к пониманию множественности солнечных систем во Вселенной произошел в эпоху Возрождения. В XIX-XX вв. эти выводы были экспериментально подтверждены: было обнаружено движение звезд и наличие планет у других звезд, кроме Солнца.
Важным этапом стало построение первых моделей эволюции Солнечной системы:
- в конце XVIII в. П. Лаплас (1749 – 1827) и И. Кант (1724 -1804) высказали гипотезу о том, что образование планет связано с вращением первичной газопылевой туманности;
- в начале XX в. Дж. Джинс (1877 – 1946) выдвинул другую гипотезу, согласно которой вначале образуются звезды, а планетные системы возникают из вещества самих звезд при их взаимодействии;
- в середине ХХ в. О. Шмидтом (1891 – 1956) были заложены основы теории образования планет из твердых частиц околосолнечного допланетного облака.
Однако до сих пор нет законченной теории о происхождении и ранней эволюции Солнечной системы.
Более широкий масштаб исследований связан с созданием моделей эволюции всей Вселенной как целого. Вопрос об определении понятия момента возникновения Вселенной является спорным, но во многих космологических моделях начало ее эволюции связывают с так называемой точкой сингулярности. Она характеризуется бесконечно малыми размерами и бесконечно малым объемом. Это значит, что нет в природе такого объекта, который был бы сопоставим с этой точкой по размерам. Бесконечно малый размер этой точки содержит в себе бесконечно большое количество энергии. Все известные законы физики не могут быть применены для таких условий, они не описывают состояния вещества и вблизи самой сингулярности. Разнообразные концепции поэтапного развития Вселенной, начиная от исходного состояния - точки сингулярности различаются порядком возникновения объектов. Наиболее известной и аргументированной из них является концепция Большого взрыва. Она связывает начало эволюции Вселенной с расширением объема точки сингулярности и дальнейшим переходом энергии в различные вещественные образования.
Большо?й взрыв (англ. Big Bang) — космологическая теория начала расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии.
По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,7 ± 0,13 млрд лет назад из некоторого начального «сингулярного» состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно известным ограничениям по применимости современных физических теорий, наиболее ранним моментом, допускающим описание, считается момент Планковской эпохи с температурой примерно 1032 K (Планковская температура) и плотностью около 1093 г/см? (Планковская плотность). Ранняя Вселенная представляла собой высокооднородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам.
Приблизительно через 10?35 секунд после наступления Планковской эпохи (Планковское время — 10?43 секунд после Большого взрыва, в это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий) фазовый переход вызвал экспоненциальное расширение Вселенной. Данный период получил название Космической инфляции. После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму. По прошествии времени температура упала до значений, при которых стал возможен следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь в излучение.
Дальнейшее падение температуры привело к следующему фазовому переходу — образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме. После чего наступила эпоха нуклеосинтеза, при которой протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и ещё нескольких лёгких изотопов. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода (до этого процессы ионизации и рекомбинации протонов с электронами находились в равновесии).
После эры рекомбинации материя стала прозрачной для излучения, которое, свободно распространяясь в пространстве, дошло до нас в виде реликтового излучения.
Экстраполяция наблюдаемого расширения Вселенной назад во времени приводит при использовании общей теории относительности и некоторых других альтернативных теорий гравитации к бесконечной плотности и температуре в конечный момент времени в прошлом. Более того, теория не даёт никакой возможности говорить о чём-либо, что предшествовало этому моменту (потому, что наша математическая модель пространства-времени в момент Большого взрыва теряет применимость: при этом теория вовсе не отрицает возможность существования чего-либо до Большого взрыва), а размеры Вселенной тогда равнялись нулю — она была сжата в точку. Это состояние называется космологической сингулярностью и сигнализирует о недостаточности описания Вселенной классической общей теорией относительности. Насколько близко к сингулярности можно экстраполировать известную физику, является предметом научных дебатов, но практически общепринято, что допланковскую эпоху рассматривать известными методами нельзя. Многие учёные полушутя-полусерьёзно называют космологическую сингулярность «рождением» (или «сотворением») Вселенной. Невозможность избежать сингулярности в космологических моделях общей теории относительности была доказана в числе прочих теорем о сингулярностях Р. Пенроузом и С. Хокингом в конце 1960-х годов. Её существование является одним из стимулов построения альтернативных и квантовых теорий гравитации, которые стараются разрешить эту проблему.
Согласно теории Большого взрыва, дальнейшая эволюция зависит от экспериментально измеримого параметра — средней плотности вещества в современной Вселенной. Если плотность не превосходит некоторого (известного из теории) критического значения, Вселенная будет расширяться вечно, если же плотность больше критической, то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнётся обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные экспериментальные данные относительно величины средней плотности ещё недостаточно надёжны, чтобы сделать однозначный выбор между двумя вариантами будущего Вселенной.
Есть ряд вопросов, на которые теория Большого взрыва ответить пока не может, однако основные её положения обоснованы надёжными экспериментальными данными, а современный уровень теоретической физики позволяет вполне достоверно описать эволюцию такой системы во времени, за исключением самого начального этапа — порядка сотой доли секунды от «начала мира». Для теории важно, что эта неопределённость на начальном этапе фактически оказывается несущественной, поскольку образующееся после прохождения данного этапа состояние Вселенной и его последующую эволюцию можно описать вполне достоверно.
История открытия Большого взрыва:
1916 — вышла в свет работа физика Альберта Эйнштейна «Основы общей теории относительности», которой он завершил создание релятивистской теории гравитации[2].
1917 — Эйнштейн на основе своих уравнений поля развил представление о пространстве с постоянной во времени и пространстве кривизной (модель Вселенной Эйнштейна, знаменующая зарождение космологии), ввёл космологическую постоянную ?. (Впоследствии Эйнштейн назвал введение космологической постоянной одной из самых больших своих ошибок; уже в наше время выяснилось, что ?-член играет важнейшую роль в эволюции Вселенной). В. де Ситтер выдвинул космологическую модель Вселенной (модель де Ситтера) в работе «Об эйнштейновской теории гравитации и её астрономических следствиях».
1922 — советский математик и геофизик А. А. Фридман нашёл нестационарные решения гравитационного уравнения Эйнштейна и предсказал расширение Вселенной (нестационарная космологическая модель, известная как решение Фридмана). Если экстраполировать эту ситуацию в прошлое, то придётся заключить, что в самом начале вся материя Вселенной была сосредоточена в компактной области, из которой и начала свой разлёт. Поскольку во Вселенной очень часто происходят процессы взрывного характера, то у Фридмана возникло предположение, что и в самом начале её развития также лежит взрывной процесс — Большой взрыв.
1923 — немецкий математик Г. Вейль отметил, что если в модель де Ситтера, которая соответствовала пустой Вселенной, поместить вещество, она должна расширяться. О нестатичности Вселенной де Ситтера говорилось и в книге А. Эддингтона, опубликованной в том же году.
1924 — К. Вирц обнаружил слабую корреляцию между угловыми диаметрами и скоростями удаления галактик и предположил, что она может быть связана с космологической моделью де Ситтера, согласно которой скорость удаления отдалённых объектов должна возрастать с их расстоянием.
1925 — К. Э. Лундмарк и затем Штремберг, повторившие работу Вирца, не получили убедительных результатов, а Штремберг даже заявил, что «не существует зависимости лучевых скоростей от расстояния от Солнца». Однако было лишь ясно, что ни диаметр, ни блеск галактик не могут считаться надёжными критериями их расстояния. О расширении непустой Вселенной говорилось и в первой космологической работе бельгийского теоретика Жоржа Леметра, опубликованной в этом же году.
1927 — опубликована статья Леметра «Однородная Вселенная постоянной массы и возрастающего радиуса, объясняющая радиальные скорости внегалактических туманностей». Коэффициент пропорциональности между скоростью и расстоянием, полученный Леметром, был близок к найденному Э. Хабблом в 1929. Леметр был первым, кто чётко заявил, что объекты, населяющие расширяющуюся Вселенную, распределение и скорости движения которых и должны быть предметом космологии — это не звёзды, а гигантские звёздные системы, галактики. Леметр опирался на результаты Хаббла, с которыми он познакомился, будучи в США в 1926 г. на его докладе.
1929 — 17 января в Труды Национальной академии наук США поступили статьи Хьюмасона о лучевой скорости NGC 7619 и Хаббла, называвшаяся «Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей». Сопоставление этих расстояний с лучевыми скоростями показало чёткую линейную зависимость скорости от расстояния, по праву называющуюся теперь законом Хаббла.
1948 — выходит работа Г. А. Гамова о «горячей вселенной», построенная на теории расширяющейся вселенной Фридмана. По Фридману, вначале был взрыв. Он произошёл одновременно и повсюду во Вселенной, заполнив пространство очень плотным веществом, из которого через миллиарды лет образовались наблюдаемые тела Вселенной — Солнце, звёзды, галактики и планеты, в том числе Земля и всё что на ней. Гамов добавил к этому, что первичное вещество мира было не только очень плотным, но и очень горячим.
Идея Гамова состояла в том, что в горячем и плотном веществе ранней Вселенной происходили ядерные реакции, и в этом ядерном котле за несколько минут были синтезированы лёгкие химические элементы. Самым эффектным результатом этой теории стало предсказание космического фона излучения. Электромагнитное излучение должно было, по законам термодинамики, существовать вместе с горячим веществом в «горячую» эпоху ранней Вселенной. Оно не исчезает при общем расширении мира и сохраняется — только сильно охлаждённым — и до сих пор. Гамов и его сотрудники смогли ориентировочно оценить, какова должна быть сегодняшняя температура этого остаточного излучения. У них получалось, что это очень низкая температура, близкая к абсолютному нулю. С учётом возможных неопределённостей, неизбежных при весьма ненадёжных астрономических данных об общих параметрах Вселенной как целого и скудных сведениях о ядерных константах, предсказанная температура должна лежать в пределах от 1 до 10 К. В 1950 году в одной научно-популярной статье Гамов объявил, что, скорее всего, температура космического излучения составляет примерно 3 К.
1955 — Советский радиоастроном Тигран Шмаонов экспериментально обнаружил шумовое СВЧ излучение с температурой около 3K.
1964 — американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Уилсон открыли космический фон излучения и измерили его температуру: и она оказалась равной именно 3 К. Это было самое крупное открытие в космологии со времён открытия Хабблом в 1929 году общего расширения Вселенной. Теория Гамова была полностью подтверждена. В настоящее время это излучение носит название реликтового; термин ввёл советский астрофизик И. С. Шкловский.
2003 — спутник WMAP с высокой степенью точности измеряет анизотропию реликтового излучения. Вместе с данными предшествующих измерений (COBE, Космический телескоп Хаббла и др.), полученная информация подтвердила космологическую модель ?CDM и инфляционную теорию. С высокой точностью был установлен возраст Вселенной и распределение по массам различных видов материи (барионная материя — 4 %, тёмная материя — 23 %, тёмная энергия — 73 %).
2009 — запущен спутник Планк, который в настоящее время измеряет анизотропию реликтового излучения с ещё более высокой точностью.
Таким образом, концепция Большого взрыва получила строго научный статус и стала объектом дискуссий в 60-70-е гг. XX в. В 1965 г. во время изучения радиопомех американские радиоинженеры Р. Уилсон (р. 1936) и А. Пензиас (р. 1933) обнаружили избыточное над тепловым фоном реликтовое излучение. Этот эмпирический факт был объяснен на основе сделанных ранее теоретических выводов Г.А. Гамова (1904 – 1968), Э. Хаббла (1889 – 1953), А.А. Фридмана (1888 – 1925). Так, химик Г.А Гамов проследил процессы и этапы формирования вещества, физик Э. Хаббл исследовал расширение Вселенной, математик А.А. Фридман показал, что однородная и изотропная Вселенная не может находиться в равновесном состоянии. Интерпретация и была названа теорией Большого взрыва.
В экспериментальных исследованиях некоторые выводы данной теории подтверждаются. Во-первых, доказано, что в настоящее время Вселенная расширяется, а галактики на больших скоростях удаляются друг от друга, причем чем дальше, тем быстрее.
Во-вторых, на основе обнаружения реликтового излучения водорода сделан вывод о том, что в начале существования Вселенной был массовый выброс энергии с последующим охлаждением. Реликтовое излучение равномерно распределено во всех направлениях космического пространства. Оно представляет собой излучение Вселенной (горячей плазмы, состоящей из фотонов, электронов и барионов) на ранних этапах ее развития. Состояние Вселенной в тот период достаточно хорошо описывается моделью абсолютно черного тела. В результате расширения Вселенной, космологического красного смещения и, как следствие, охлаждения плазмы, рекомбинации электронов и протонов и альфа-частиц произошел отрыв излучения от вещества. Это случилось при температуре плазмы около 3000-4000 К и примерном возрасте Вселенной 400 тыс. лет. Затем в результате дальнейшего остывания излучения за счет красного смещения температура реликтового излучения снизилась и сейчас составляет 2,725 К (его спектр соответствует спектру излучения абсолютно черного тела с температурой 2,725 К). Максимум излучения приходится на частоту 160,4 ГГц (микроволновое излучение), что соответствует длине волны 1,9 мм.
В представлениях о рождении и эволюции Вселенной можно выделить финитные и инфинитные космологические модели. Финитный процесс ограничен с двух сторон. В инфинитном присутствует только одна граница или обе они обращены в бесконечность, а система может достичь в какой-то момент чрезвычайно большой величины.
В астрономии, такое деление процессов соответствует трем основным моделям функционирования Вселенной: закрытой, открытой и стационарной. Первая представляет собой финитную модель, а вторая и третья - инфинитную.
Модель закрытой Вселенной строится на следующих утверждениях. В результате Большого взрыва Вселенная начала расширяться, появились характеристики пространства и времени. В определенный момент фаза расширения сменилась фазой сжатия. Причина – превышение критического значения некоторого параметра – плотности Вселенной, массы темной материи. В результате эволюция Вселенной заканчивается в точке сингулярности, с которой и начиналась.
Открытая модель утверждает, что критический параметр никогда не будет превышен, поэтому расширение Вселенной будет продолжаться в неограниченных пределах.
Спор между сторонниками этих моделей сводится к оценке самого критического параметра, а в качестве возможного компромисса рассматривается «пульсирующая» модель: сжатие и расширение Вселенной повторяются бесконечно.
В основе открытой и закрытой моделей лежит концепция Большого взрыва. Концепция стационарной Вселенной предполагает отсутствие начала и завершения в ее существовании.
В настоящее время в науке принята так называемая ячеисто-сотовая структура Вселенной. Это значит, что Вселенную можно представить в виде большого количества ячеек, которые неравномерно распределены в пространстве. Большинство звезд находится в стенках этих ячеек, а их вещества внутри ячеек пренебрежительно мало по отношению к стенкам.
Методами СТО и ОТО пространственно-временная структура Вселенной и ее эволюция анализируются при помощи специального уравнения, вид которого был угадан А. Эйнштейном. В это уравнение входят численные характеристики, с помощью которых можно всецело описать объекты нашей Вселенной. Эти характеристики ставятся в соответствие таким фундаментальным понятиям, как пространство-время и гравитация (русский вариант – тяготение).
Пространство-время – это универсальные, неразделимые между собой характеристики материи. Их существование дано нам в практике. В формализованном варианте теории относительности они описываются понятием «событие» – местом и временем, где и когда что-то произошло.
Гравитация – это понятие, которое отражает наличие в нашей Вселенной особого поля, обеспечивающего взаимодействие между двумя телами, имеющими массу. Впервые оно было выражено математически И. Ньютоном в законе всемирного тяготения, а в ОТО - обобщено для характеристики всей Вселенной как целого.
Подтверждением ОТО стали многие эффекты, которые раньше невозможно было объяснить с помощью уже существовавших теорий. Это изменения траекторий планет, которые движутся вокруг солнца по особому закону, отклонения луча света в поле тяготения Солнца. ОТО дала их точное математическое выражение. Еще одним объектом, который стал настоящей проблемой для описания в ОТО, являются черные дыры.
Черная дыра – это область пространства-времени, из которой никакая информация в виде сигнала не может поступить к внешнему наблюдателю. Это значит, что ни одна частица, которая вступила во взаимодействие с черной дырой и может нести информацию о ней, не может покинуть ее чрезвычайно сильное поле притяжения. Поэтому непосредственной информации о черных дырах мы не можем получить.
Этимология понятия «черная дыра» объясняется двумя моментами. Во-первых, черная – это значит, что от нее не приходит излучения, ведь мы видим предметы из-за света, который от них отражается. А черную дыру не может покинуть никакой луч света, поэтому, наблюдая пространство, где она находится, мы видим темное место. Область, из которой частица, или луч света уже не могут вернуться, называется горизонтом событий.
Во-вторых, на черную дыру все время падает притягиваемое ею вещество. Этот процесс называется аккреция (падение). В результате выделяется большое количество энергии. Этот факт и вызвал ассоциацию с дырой. По наблюдению этих выбросов энергии, а также по их собственному излучению (так называемое испарение черных дыр) ученые и обнаруживают их.
На сегодняшний день предполагается, что черные дыры существуют в центре каждой галактики, в том числе и нашей. Их называют сверхмассивными, потому что их масса почти в миллиард раз больше массы Солнца. Кроме них обнаружены так называемые звездные черные дыры, которые являются результатом эволюции отдельных звезд. Третий тип обнаруженных дыр – первичные. Они образовались вскоре после рождения Вселенной.
Чёрная дыра? — область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света). Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер — гравитационным радиусом.
Для человека и человечества не менее важным является вопрос о существовании другой жизни во Вселенной кроме жизни на нашей планете. В таком виде он формулируется исследователями мегамира уже с XVII-XVIII вв. Развитие космологических представлений, утверждение гелиоцентрической системы, накопление знаний о Солнечной системе и ее строении поставили Землю в ряд с другими небесными телами. Подобное сопоставление вызвало вопрос о том, насколько условия жизни на Земле являются возможными для существования в глобальных масштабах. Первоначально интерес распространялся только на саму «семью» Солнца, возникли идеи о существовании жизни на Луне, Марсе и Венере. Вплоть до XX в. ученые, наблюдая плотные облака на Венере, строили предположения о том, что поверхность планеты покрыта тропическими лесами. Однозначный ответ на вопрос такого рода может быть дан лишь при непосредственном системном анализе геофизических условий на каждом из тел в отдельности. С этой целью к поверхности ближайших планет были отправлены летательные аппараты: советских и американских миссий к Венере и Марсу.
В то же время, в 70 – 80-е гг. уровень развития технических средств не позволял проводить всесторонний анализ возможностей существования следов живых организмов. И лишь на рубеже XX и XXI в. одной из важнейших целей любой межпланетной экспедиции является анализ доступных измерению величин на предмет не только существования жизни, но и ее поддержания. Это говорит о том, что после того как в Солнечной системе не было обнаружено разумных или высокоразвитых форм жизни, интерес к проблемам такого рода сместился в практическую область. Человечество ищет альтернативы существованию в рамках планеты Земля.
На этом пути в качестве первого шага стала возможность длительного существования человека и выполнение им его функций вне поверхности Земли. Полеты человека к Луне и комплекс орбитальных космических станций, таких как «Союз-Аполлон», «Мир», МКС, на которых осуществляется процесс постоянной научной деятельности человека, создают прецедент, отражающий тот факт, что возможность жизни человека в космическом пространстве нельзя отрицать. Уже сейчас очевидны уникальные черты таких образований, отличные от земных условий. Это и жизнь в ограниченных условиях, и отсутствие силы тяжести, и зависимость от внешних источников. В качестве наиболее яркого примера приведем следующий факт: для существования МКС необходимо было ввести единую систему счета времени, без сезонных «переводов» и изменения по часовым поясам, ведь иначе было бы невозможно координировать действия международного сообщества по освоению космического пространства.
Рассмотрим основные понятия и историю освоения космического пространства.
Пилотируемый космический полёт — путешествие человека в космос, на орбиту Земли и за её пределы, выполняемое с помощью пилотируемых космических аппаратов. Доставка человека в космос выполняется при помощи космических кораблей. Долговременное пребывание людей на орбите Земли обеспечивается за счёт использования орбитальных космических станций. Людей, совершающих космические полёты, называют космонавтами. Первый орбитальный пилотируемый космический полёт выполнил 12 апреля 1961 г. Юрий Гагарин на космическом корабле «Восток». СССР стал первой космической сверхдержавой. Второй страной, начавшей выполнять пилотируемые космические полёты, стали США (астронавт Алан Шепард, 5 мая 1961 г.). Китайская Народная Республика стала третьей космической сверхдержавой 15 октября 2003, когда на космическом корабле «Шэньчжоу-5» начал успешный полёт первый тайконавт Ян Ливэй. В 1990—2000-х годах собственные программы пилотируемых космических полётов имели Европейское космическое агентство и Япония.
Астрономическая обсерватория — учреждение, предназначенное для проведения систематических наблюдений небесных тел; возводится обыкновенно на высокой местности, с которой открывался бы большой кругозор во все стороны. Каждая обсерватория оборудована телескопами, как оптическими, так и работающими в других областях спектра (радиоастрономия).
Междунаро?дная косми?ческая ста?нция (МКС) — пилотируемая орбитальная станция, используемая как многоцелевой космический исследовательский комплекс. МКС — совместный международный проект, в котором участвуют шестнадцать стран: Бельгия, Бразилия, Великобритания, Германия, Дания, Испания, Италия, Канада, Нидерланды, Норвегия, Россия, США, Франция, Швейцария, Швеция, Япония.
Космический мусор - все искусственные объекты и их фрагменты в космосе, которые уже неисправны, не функционируют и никогда более не смогут служить никаким полезным целям, но являющиеся опасным фактором воздействия на функционирующие космические аппараты, особенно пилотируемые. В некоторых случаях, крупные или содержащие на борту опасные (ядерные, токсичные) материалы, объекты космического мусора могут представлять прямую опасность и для Земли. Проблема засорения околоземного космического пространства имеет международный, глобальный характер, о чем было сказано в докладе Генерального секретаря ООН «Воздействие космической деятельности на окружающую среду» 10 декабря 1993 г.
Заключение
1. Изучение микромира проводится в рамках квантово-релятивистского подхода.
2. Особенность макромира как физической реальности состоит в том, что он дан нам непосредственно и фиксируется всеми нашими органами чувств.
3. Мегамир изучается специальными отраслями астрономии – космологией и космогонией. Сегодня в отношении к космосу преобладает аксиологическая парадигма. Это проявляется в международном признании того, что все тела Солнечной системы не принадлежат ни физическим, ни юридическим лицам; введен мораторий на проведение ядерных испытаний в космосе; разработаны санитарные требования при проведении исследований с помощью космических аппаратов.