Академия. Конспект второй недели курса "Философия и наука: введение в философию физических наук"

Целью данного курса является познакомить нас 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.

Истоки нашей Вселенной.

В 1998 году Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс сделали открытие, что наша Вселенная не только расширяется, но и скорость этого расширения так же возрастает, в 2011 году они получили Нобелевскую премию по физике. И это вызвало бурную дискуссию в научном сообществе, так как произошло это в то время, когда поступали новые данные пытающиеся дать ответы на вопросы о существовании темной энергии и материи.

Если мы заглянем немного в прошлое, то увидим, что космология долгое время не рассматривалась, как наука, ее относили ближе к философии, чем к физике. Ньютон в своем труде «Математические начала натуральной философии» заложил основы современной физики и он мог дать объяснения свободному падению и планетарному движению. Но его математическая физика не могла дать ответы на ряд вопросов, например, как формируются и развиваются планеты и звезды.

Позднее, в 1739 году, немецкий философ Александр Баумгартен в книге «Метафизика» утверждает, что раз космология содержит в себе принципы психологии, физики, теологии и практической философии, то ее нужно отнести к метафизике.

Иммануи́л Кант в своей книге «Всеобщая естественная история и теория неба» 1755 года, выразил необходимость дополнения физики Ньютона с метафизическими основами. Он предполагал, что Вселенная в начале была не пустая, как считал Ньютон, а была равномерно заполнена материальными частицами, на которые действовали силы притяжение и отталкивания.

• Сила притяжения - вследствие притяжения более крупных частиц на мелкие, были сформированы звезды и планеты.

• Сила отталкивания - своего рода противовес силы притяжения, благодаря которой планеты движутся по своим орбитам не падая при этом на солнце.

Кант так же заложил основы гипотезы называемой «Гипотеза Канта-Лапласа», в основе которой лежит предположение что Солнечная система была образована из газово-пылевой туманности.

Тем не менее Кант относился скептически к причислению космологии к науке, так как метафизическая идея Вселенной ему казалась, содержит много противоречий, по этому до признания космологии, как науки, еще пройдет немало времени и на пути к признанию у нее стоят 3 проблемы:

1. Выводы на основе законов природы. В случае с космологией проблема возникает при попытки использовать эти законы в выводах о происхождении Вселенной.
2. Статус экспериментальной науки. Чтобы получить этот статус, должна быть возможность проверки гипотезы, и должна быть возможность повторения эксперимента. Но в случае с космологией, это выглядит бесперспективно, так как Вселенная у нас наблюдается только одна и нет возможности воссоздания или наблюдения за зарождением другой.
3. Точка зрения. Проблема заключается в том, что с нашей планеты нет возможности охватить всю Вселенную целиком, чтобы собрать все необходимы данные. Количество информации ограничивается событиями, которые в состоянии излучать свет, чтобы была возможность их наблюдать. В случае с ускоряющимся расширением Вселенной всегда будет существовать горизонт, за который мы никогда не сможем заглянуть.

Несмотря на эти проблемы, космология прошла долгий путь который привел ее от метафизики к полноценному статусу науки.

Краткая история космологии.

Можно начать с того, что космология, довольно таки молодая наука если говорить о всемирном признании. Телескопы открыли нам путь к обширному изучению Вселенной и сейчас мы знаем, что Вселенная заполнена не просто звездами, а галактиками, в которых количество звезд насчитывается миллиардами.

Благодаря свету идущему от звезд и галактик в целом, мы можем изучать их прошлое, так как свету нужно пройти расстояние разделяющие нас. Таким образом, чем больше телескоп и, чем дальше мы смотрим, тем дальше в прошлое заглядываем. Так можно изучать прошлое Вселенной во всех направлениях и так было открыто, что галактики распределены в ней относительно однородно.

Одно из главных знаний полученных учеными это то, что Вселенная расширяется. В 1929 году Эдвин Пауэлл Хаббл с помощью 100 дюймового телескопа смог установить, что галактики разбегаются друг от друга, так появился «Закон Хаббла». Конкретно дело было в доплеровском сдвиге, который можно измерить с помощью спектроскопии. Хаббл сделал открытие, что красное смещение для далёких галактик больше, чем для близких, и возрастает с увеличением расстояния. Стоит отметить, что на самом деле, впервые это открытие сделал Весто Слайфер в 1912 году, наблюдая за галактикой Андромеда.

Говоря о том, что галактики разбегаются друг от друга, стоит отметить что все не так просто. У Вселенной нет никакого центра, откуда бы началось разбегание и это не расстояние между галактиками увеличивается, а Вселенная в целом расширяется.

Чтобы проследить эволюцию расширяющейся Вселенной, стоит обратить внимание на гравитацию. Ньютон считал, что Вселенная статична и сила тяготения является дальнодействующей силой, она действует мгновенно на любом расстоянии и придает баланс между объектами имеющих массу, поэтому они статичны и не могут отдалиться друг от друга.

В 1915 году Альберт Эйнштейн доказал в общей теории относительности, что Ньютон ошибался. Он полагал, что необходимо изменить закон самой гравитации и по этому ввел понятие космологической постоянной, своего рода антигравитационную поправку на необъяснимую силу отталкивания, растаскивающую галактики и противодействующую силе их взаимного гравитационного притяжения. Но после открытия расширения Вселенной, Эйнштейн понял, что нужда в космологической постоянной отпала и убрал ее из своих уравнений. О ней редко вспоминали до открытия того, что расширение Вселенной ускоряется и она снова вернулась в уравнения.

В 1922 году советский ученый Александр Фридман сделал ряд выводов на основе ОТО:

• Один из которых мы сейчас называем Большим Взрывом. Он заключил, что Вселенная не стационарна, в самом начале вся материя была сосредоточена в компактной области (сингулярности), из которой она начала свое расширение и время прошедшее с того времени насчитывает 13,8 миллиардов лет.

• Другой вывод заключается в том, что содержание материи во Вселенной повлияло на ее кривизну и она может иметь отрицательную величину. Для примера положительной кривизны возьмем нашу планету, она имеет замкнутую сферическую поверхность, можно ходить по кругу бесконечно и не придти к какой-то границе, но при этом будет возврат к начальной точке. Так же и во Вселенной, если бы была только положительная кривизна, то она была бы замкнутой и являлась бы конечной. В случае с отрицательной кривизной Вселенная будет бесконечной.

Еще одним свидетельством расширения Вселенной является тот факт, что в начале она была горячей плазмой, когда возраст был равен примерно 1 минуте, ее температура составляла около миллиарда градусов. В то время как вселенная начинает расширяться и остывать, начинают происходить ядерные реакции, которые привели к образованию водорода и гелия, и сейчас мы можем видеть, что звезды состоят на 25% из гелия. Кроме того, глядя на реликтовое обилие гелия, можно измерить количество обычного вещества во Вселенной, около 5%, который был образован в то время, когда возраст Вселенной был около одной минуты.

В настоящее время есть более прямой способ наблюдения ранней вселенной - это реликтовое излучение. Расширения Вселенной вызывало остывание плазмы, и на определённом этапе начали образовываться атомы. Это случилось при температуре плазмы около 3000 Кельвин и примерном возрасте Вселенной 400 000 лет. Свободного пространства между частицами стало больше, температура меньше и фотоны перестали так часто рассеиваться и теперь могли свободно перемещаться в пространстве. Но ввиду расширения вселенной и красного смещения они дошли до нас в виде микроволнового фона который был обнаружен в 1960 году.

Космология и научная методология

В начале конспекта выделялись 3 проблемы на пути к признанию космологии наукой.

1. Первая проблема заключается в том, что как мы можем применить текущие законы природы к ранней Вселенной?
   
   В 1950-х годах для решения этой проблемы Герман Бонди и другие сторонники стационарной Вселенной представили свой «Совершенный космологический принцип», согласно которому Вселенная однородна по своим физическим законам. Этот принцип был опровергнут открытием реликтового излучения и эта проблема вновь стала актуальной, побудив философов и физиков переосмыслить понятие законов в космологии. В результате физик Ли Смолин представил теорию «Космологического естественного отбора», согласно которой, необходимо перестать думать о законах природы, как о чем-то вечном и принять точку зрения, что законы природы эволюционировали вместе со Вселенной, ведь она управляет действующими законами.

2. Вторая проблема заключается в экспериментальной проверке возникновения вселенной, но объект для изучение есть только одни, это наша вселенная и других не наблюдается для сравнения.
   
   Критерий фальсификации Карла Поппера предлагает решение этой проблемы. В частности «потенциальный фальсификатор», все что требуется, это сделать рискованный прогноз, который может быть проверен и опровергнут. «Потенциальный» - потому, что этот прогноз может фальсифицировать теорию, но лишь в том случае, когда будет установлена его истинность.

3. Третья проблема заключается в ограниченном наблюдении прошлого и нынешнего состояния Вселенной. Наблюдая, например, за далекой галактикой или звездой, мы видим ее прошлое и не можем с уверенностью сказать о ее состоянии в настоящее время. Делая расчеты на текущих наблюдения можно делать различные выводы и предположения о текущем состоянии, но нет никаких фактов, которые бы могли подтвердить эти предположения.

Вторая неделя курса в принципе мало чем отличается от первой, так же было погружение в историю становления космологии. Но здесь рассматривались немного другие вопросы и открытия, а так же, как менялись взгляды на Вселенную и ее историю, от Большого Взрыва до открытия реликтового излучения. Как появлялись и опровергались различные теории

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.