Академия. Конспект первой части третьей недели курса "Философия и наука: введение в философию физических наук"

Целью данного курса, является знакомство с некоторыми из основных областей и тем, на ключевом стыке философии и естественных наук. Каждую неделю будет происходить знакомство с некоторыми из этих важных вопросов на переднем крае научных исследований. В ходе курса будут рассматриваться вопросы о происхождении и эволюции нашей Вселенной, природа темной энергии и темной материи.

Введение

В прошлой лекции рассматривалось, как космология утвердилась в качестве науки, и в этой лекции будет рассмотрена современная космологическая модель, называемая Лямбда-CDM (Lambda-Cold Dark Matter)

Данная модель основывается на ОТО Эйнштейна, и так называемой модели Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера, и утверждает, что Вселенная бесконечна и состоит из 5% обычной материи, 25% холодной темной материи и 70% темной энергии. Сейчас идет активный поиск темной материи и энергии, и с философской точки зрения встают вопросы, насколько оправдана вера в них, почему была выбрана именно эта теория, и что они из себя представляют.

В этой лекции будет рассмотрена история темной материи и энергии, некоторые экспериментальные данные по ним, и некоторые конкурирующие теории, которые были предложены в рамках философской дискуссии о рациональности выбора теории.

Начиная с дискуссии о рациональном выборе теории, рассмотрим на примере открытие планеты Нептун в 1846 году. Аномальное движение по орбите планеты Уран было известно давно. Астрономы Урбен Леверье и Джон Коуч Адамс, независимо друг от друга пытались примерить аномалию с теорией Ньютона, предполагая что существует еще одна планета, которая влияет на орбиту Урана и она бала обнаружена 23 сентября 1846 года, мы знаем ее как Нептун.

Похожее явление наблюдалось и для планеты Меркурий, и Урбен Леверье предположил существование новой планеты, Вулкан, как объяснение аномалии, но эта планета не была найдена и объяснение аномалии появилось только с появлением ОТО.

Это иллюстрирует проблему доказательств теорий, если их несколько, то имеющихся данных может быть недостаточно для определения какая из них верная. В случае с Ураном, его аномалия доказывает, что было что-то не так с набором предположений, таких, как основные гипотезы ньютоновской механики и гипотезы о количестве планет в Солнечной системе, их масса и орбита, аномальная сама по себе, не говорила ученым, какая именно из гипотез была виновником аномалии. На примере с Меркурием видно, что ответ может быть не так очевиден.

Физик и философ Пьер Дюгем (о нем рассказывалось в прошлом конспекте), считал, что ученые при принятии решения в спорных случаях следуют из здравого смысла. Но такие решения не совсем верные, что считать здравым смыслом?

Взглянем на аргумент недодетерминации и как он бросает вызов рациональности выбора теории. Если теория логически верна и ее данные совпадают с конкурирующими теориями, то это не веский повод для того, чтобы отбрасывать конкурентов. В 1977 году Томас Кун утверждает, что выбор теории определяется пятью критериями:

1. Точность - теория должна согласовываться с имеющимися экспериментальными данными.
2. Согласованность - теория не должна расходиться с теориями принятыми в данное время.
3. Широкий охват - теория должна иметь возможность выйти за пределы исходной области явлений, которую она призвана объяснить.
4. Простота - теория должна быть легкой в понимании.
5. Плодотворность - теория должна также быть в состоянии предсказать новые, непонятные явления.

Но позже Кун пришел к выводу, что пяти критериев не достаточно для выбора теории, например критерии согласованности и точности. Астрономия Коперника кажется лучше Птолимея на основании точности, но хуже на основании согласованности с другими принятыми теориями Аристотеля. Внешние социологические соображения являются решающими в сборе консенсуса ученых вокруг одной теории.

Возвращаясь к теме лекции, можно задаться вопросом, чем теория темной энергии и материи является лучше конкурирующих теорий?

Темная материя и темная энергия часть I

Александр Фридман был первым, кто понял полную динамику расширения Вселенной и она похожа на знакомые нам вещи. Если подбросить ручку, то вначале она движется быстро, а затем медленнее, кинетическая энергия сокращается, но полная энергия сохраняется, кинетическая преобразуется в потенциальную. Следственно кинетическая + потенциальная энергия = полная энергия. Уравнение Фридмана включает в себя скорость расширения Вселенной, ее плотность и кривизну, что в итоге даст нам постоянную, которая для плоской вселенной равнялась бы 0.

Наблюдая за расширением Вселенной можно высчитать плотность и кривизну, но как ее размер меняется со временем? В наблюдении за расширением поможет постоянная Хаббла и расчет расстояния до объектов испускающих свет.

Метод расчета известен под названием стандартных свечей - это могут быть звезды с постоянной яркостью, измерив их видимую яркость и зная светимость, можно посчитать расстояние до них. Еще один вид, это сверхновые типа Ia, примерно одинаковой массы, и практически с одинаковым выходом энергии. Их можно использовать, чтобы наметить отношение между расстоянием и красным смещением.

Законом Хаббла называется линейное соотношение между скоростью, с которой удаляются от нас далекие объекты, и расстоянием до них. Но на больших расстояниях заметна некоторая кривизна этой связи и это то, что позволяет определить, как исторически изменялось расширение Вселенной. Вывод делается на основании уравнения Фридмана, если Вселенная состоит из нескольких компонентов, то это должно быть около 70% темной энергии (неизменна с течением времени) и около 30% материи, из которых 25% приходятся на темную матерю и 5% на обычную, которая образовалась за счет ядерных реакций. И если бы бралась в расчет только обычная материя, то этого бы не хватало для ускоряющейся Вселенной. Поэтому при наблюдении за сверхновыми был сделан вывод о ускоряющемся расширении вселенной, и что доминирует не обычная атомная материя, а темная.

Другой способ, которым можно узнать о существовании темной материи, это изучение структуры Вселенной, в частности изучение галактик, с помощью 3х-мерного моделирования фотографий с использованием закона Хаббла и радиального расстояния. Из фотографии звездного неба выбирается участок и растягивается с отображением распределения галактик в зависимости от удаления. На таких моделях видны скопления цепочек галактик, которые соединены между собой и они окружены пустотой, в которой очень малое число галактик. Такие структуры галактик огромны и могут быть в 100 миллионов световых лет в поперечнике.

Везде, где есть больше материи, чем в среднем значении, она будет нарастать и дальше, таким образом понятно, что там действуют большие гравитационные силы. Таким образом, с помощью трехмерного отображения распределения галактик, можно сделать вывод о плотности Вселенной и по расчетам становится ясно, что массы обычной материи недостаточно для формирования таких больших структур. От сюда вывод, что большинство материи во Вселенной имеет форму, которую мы пока можем наблюдать только с помощью гравитации.

Мне пришлось разбить третью неделю курса на 2 части из-за нехватки времени и большого количества информации. В целом третья неделя начинает раскрывать теорию темной материи и энергии, почему была выбрана именно эта теория, и как ученые ищут доказательства присутствия этих таинственных составляющих нашей Вселенной. Курс продолжает радовать своей тематикой, но иногда бывает сложно понять преподавателей в их изъяснениях и приходится немного штудировать дополнительную литературу, но так как конспект пишется по лекциям, то иногда получается не совсем связанный и информативный текст, за что прошу прощения.
В целом данная неделя очень познавательна, ведь наконец мы подобрались к одной из основных тем курса - изучение темной материи и энергии. Интересно было послушать, как ученые пришли к выводу, что обычной материи недостаточно для формирования той структуры Вселенной, которую мы видим сейчас, а значит основная масса сокрыта пока что от нас. И конечно, столь же было интересно изучить методы обнаружения присутствия этой неуловимой темной материи))

Конспект составлен в рамках проекта Академия.
Условия участия и список курсов для изучения можно найти в соответствующем посте
Курс, по которому составлен текст можно найти здесь
P.S: Изображения кликабильны и ведут на источник.

Мои прошлые конспекты:

"Философия и наука: введение в философию физических наук" Неделя 1

"Философия и наука: введение в философию физических наук" Неделя 2