Концепции современного естествознания

                        Коренным отличием СТО являются  признания пространства и времени в качестве внутренних элементов движения материи, структура которых зависит от природы самого движения, являются его функцией. В ней пространству и времени придаются новые свойства: относительность длины и временного интервала, их равноправность. СТО вводит четырехмерную геометрию. Однородность пространства-времени означает отсутствие в нем выделенных точек, а значит отсутствие абсолютного начала четырехмерной системы отсчета.

                        В основе СТО  лежат постулаты  Эйнштейна:

• принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические) в инерциальной системе отсчета не могут обнаружить, покоится ли эта система или движется прямолинейно; все законы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой.
• принцип инвариантности скорости света, которая в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета, являясь фундаментальным свойством природы.

                          СТО  показала, что во Вселенной нет единообразного пространства и единого времени с точки зрения движущихся материальных систем. СТО  обосновала неразрывную связь пространства  и времени между собой и их обоих с движением материи, еще более глубоко подтвердив тезис единства мира.

                          Развивая принципы СТО  путем  расширения действия законов  природы на все, в том числе   неинерциальные системы, Эйнштейн  раскрыл новые стороны   зависимости  пространственно-временных структур  от материальных процессов в ОТО, ставшей таким образом, теоретическим обобщением СТО. ОТО  подвела физические основания под неевклидовые геометрии и связала кривизну пространства и отступления его метрики от евклидовой с действием гравитационных полей, создаваемых массами тел. ОТО  исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс, количественное равенство которых давно было установлено в классической физике: «Физически невозможно отличить действие однородного гравитационного поля и поля, порожденного равноускоренным движением». Если  СТО не затрагивало проблему воздействия материи на структуру пространства – времени, то ОТО непосредственно опиралось на органическую взаимосвязь материи, движения, пространства и времени, в чем и состоит ее мировоззренческое значение: показать единство материи и ее всех атрибутивных свойств – массы, энергии, пространства, времени, движения, их относительность (конкретность) и эквивалентность (Е = МС в квадрате, формула Минковского, тяжелые и инертные массы).    

                         Следствием теории относительности стала новая научная картина мира – релятивистская, в которой Вселенная  является целостной, но не жёсткой абсолютной системой,  которую можно подогнать под крышу одной универсальной теории.

3. Проблемы бесконечности материального мира.

                         Теоретически существует три фундаментальных понимания категории  «бесконечность»: актуальная, потенциальная и реальная. Если первое рассматривает бесконечность как данную всю целиком и сразу, как реализованную и завершенную, второе трактует ее как бесконечный развертывающийся во времени процесс эволюции (но не движение по замкнутому кругу), то последнее синтезирует оба предыдущих.

                        Бесконечное  в мире проявляется  в следующем: 

1. В структуре материи,  в существовании бесконечного многообразия типов материальных систем и соответствующих им структурных уровней.

2. В пространственных  свойствах и отношениях этих  материальных систем.

3. Во времени их  изменения и развития.

4. В бесконечном многообразии  свойств, связей и взаимодействий материи.

                          В теории, бесконечное выступает  как результат безмерного увеличения  или уменьшения определенных  свойств или множества объектов, неограниченной экстраполяции законов.  В математике бесконечными множествами  являются такие, в которых существует собственная часть – подмножество, равномощное или эквивалентное целому множеству, т.е. между каждым элементом целого множества и подмножества существует взаимнооднозначное соответствие. Но у бесконечных множеств не существует верхнего последнего элемента. Они являются открытыми в сторону неограниченного возрастания и выступают как единство актуальной и потенциальной бесконечности. Соответственно, бесконечно большая (или бесконечно малая) величина определяется не как некоторая завершенная или фиксированная величина, а как переменная, способная стать в процессе изменения больше или меньше любой заданной конечной величины. Математика изучает количественные аспекты бесконечного в идеализированных формах и сама не решает, к чему в материальном мире следует применять понятие бесконечного. В естествознании эта проблема была и остается философской и общетеоретической, так как она не решается на основе практики и экспериментов с конечными по своим параметрам объектами и процессами.

                       Есть мнение, что признание бесконечности мира либо конечности его не вытекает ни из каких более общих, теоретических законов и имеет аксиоматический - постулативный характер. Но оно оспаривается многими учеными. Так, утверждается, что хотя в релятивистской космологии возможны как замкнутые, так и открытые пространственные модели Вселенной, все ее модели с конечным и замкнутым временем оказываются внутренне противоречивыми. Например, модель осциллирующей Вселенной с бесконечным повторением циклов сжатия и расширения, где время как бы идет по кругу, ввиду превращения вещества в излучение и роста общей энтропии системы  будет бесконечно расширяться в радиусе, в силу чего замкнутое время принципиально невозможно. Оно исключается также объективными законами развития материи. Не будет никакого завершения времени в силу неуничтожимости  материи и энергии.

                       Вместе с тем бесконечность  времени нельзя понимать как  не ограниченную монотонную длительность  бытия материи в одних и  тех же состояниях и циклах изменения. Каждая конкретная форма материи является исторически возникшей и приходящей, хотя периоды существования некоторых из них могут быть невообразимо велики. Материя переходит в качественно иные состояния, но время ее бытия не останавливается. Бесконечное изменение и развитие материи во времени связано с постоянными ее переходами из одних качественных состояний в другие и неизбежным бесконечным многообразием структурных форм материи. Но структурная бесконечность материи заключает в себе пространственную бесконечность, так как пространство выражает протяженность и структурность материальных систем. При этом  структурная и пространственная бесконечность будет , как количественной  так и качественной. В количественном отношении она проявляется в существовании в мире бесконечного множества различных  конечных материальных систем с их пространственными и другими свойствами. В качественном отношении она выражается в качественных различиях свойств и законов материи на разных структурных уровнях и ступенях развития, в многообразии пространственно-временных структур и различных метрических свойств и других конкретных признаках.

                         Реальная бесконечность это бесконечность взаимопереходов, взаимопревращений одних конечных материальных систем и структур в другие конечные системы и структуры, бесконечность их свойств и закономерностей. Наша Вселенная огромна, но конечна в пространстве и времени, по массе, формам движения и взаимодействия. Но она -  открытая система, и значит, способна к самоорганизации, взаимодействию с другими Вселенными Мироздания   и в этом смысле она составная часть бесконечности материи. 

 Космологические модели Вселенной.

                         Основной наукой, создающей теоретические модели Вселенной, выступает космология как астрофизическая теория структуры и динамики метагалактики, экстрополирующая  свое познание на всю Вселенную. Она основывается на астрономических наблюдениях звездных систем ОТО, физики микромира, релятивистской термодинамики и др. В ней больше чем в другой естественной науке исходные философские концепции мира определяют содержание физических моделей Вселенной. Отсюда и проистекает большое разнообразие последних.  В прошлом, не раз выдвигались модели Вселенной, основанные на некоторых решениях уравнений тяготения ОТО и ряде дополнительных постулатов и эти модели считались достаточными для характеристики всей Вселенной, которая представлялась то статичной, то расширяющейся в неограниченный вакуум, то пульсирующей с последовательной сменой циклов расширения и сжатия и т.д. Но уравнение тяготения ОТО позволяют в принципе вывести из них сколь угодно большое количество моделей, но все они будут идеализациями,  отнюдь не тождественными реальной, неизмеримо более сложной Вселенной. Для ее познания недостаточно одной только ОТО, - необходимы раскрытия природы гравитации, разработка единой теории материи, синтез космологии и физики микромира и многое другое. Существующая   стандартная модель расширяющейся Вселенной наиболее общепринята в современной науке, но в ней много белых пятен и противоречий: не ясна причина Большого Взрыва, природа сингулярности, выделяющаяся чудовищная кинетическая энергия, сопоставимая с энергией массы покоя галактик не может быть объяснена никакими законами физики и т.д. и т.п.

                       Существуют альтернативные модели  инфляционной Вселенной: Алана  Гута, шведского астрофизика, лауреата  Нобелевской премии за 1970 год,  Х.Альфена, считающего, что электромагнитные  силы, порождаемые плазмой, играли  более существенную роль в формировании Вселенной, чем гравитация, стационарная Вселенная американского астронома Х.Арпа, опирающегося на гипотезу Дирака о старении фотона и ложности красного смещения, теория российского академика А.А.Логунова и др. Выбор между разными моделями и сценариями развития Вселенной, лежит уже не в теоретической, а в экспериментальной плоскости: требуется лишь несколько млрд.долларов для организации соответствующего эксперимента. Но истиной остается тезис о том, что сложность материального мира всегда превосходила,  и будет превосходить степень сложности любых будущих теоретических представлений о нем, в том числе и космологических теорий.   

Тема 3. Актуальные и методологические проблемы термодинамики, кибернетики  и  синергетики.

1. Развитие представлений о природе тепловых процессов и свойств макросистем. Термодинамическое и статистическое описание свойств макросистем.

                          Вокруг нас происходят явления внешне, весьма косвенно, связанные с механическим движением.  Эти явления  наблюдаются при изменении  температуры макротел или  при переходе их из одного состояния (например, жидкого) в другое (твердое либо газообразное). Такие явления называются тепловыми. Тепловые явления играют огромную роль в жизни людей, растений и животных. Изменение температуры на 20 – 30 С. при смене времени года преображают всю природу. От температуры окружающей среды зависит сама возможность жизни на Земле. Люди добились относительной независимости от окружающей среды, лишь после того, как научились добывать и поддерживать огонь – источник тепла.

                        История развития представлений  о природе тепловых явлений  – яркий пример того, каким  сложным и противоречивым путем  постигают научную истину. Многие  философы древности рассматривали огонь и связанную с ним теплоту как одну из стихий, которая наряду с землей, водой и воздухом образуют все тела. Одновременно предпринимались попытки связать теплоту с движением, так как было замечено, что при соударении тел или  трении их друг о друга они нагреваются.

                       Первые успехи на пути построения  научной теории теплоты относятся  к началу 17 века, когда был изобретен  термометр, и появилась возможность  количественного исследования тепловых  процессов и свойств макротел. Вновь был поставлен вопрос, что же такое теплота? Наметились две противоположные точки зрения. Согласно одной из них – вещественной теории тепла – теплота рассматривалась как особого рода невесомая «жидкость», способная перетекать от одного тела к другому. Эта жидкость была названа теплородом. Чем больше теплорода в теле, тем выше температура в теле.

                        Согласно другой точки зрения, теплота – это вид внутреннего  движения частиц тела. Чем быстрее  движутся частицы тела, тем выше  его температура. Так, представление о тепловых явлениях и свойствах связывалось с атомистическим учением древних философов о строении вещества. В рамках таких представлений теорию тепла первоначально называли корпускулярной. Ее придерживались ученые: Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли.

                        Большой вклад в развитие корпускулярной  теории тепла сделал великий  русский ученый М.В.Ломоносов.  Он рассматривал теплоту как  вращательное движение частиц  вещества. С помощью своей теории, он объяснил, в общем, процессы плавления, испарения и теплопроводности, а также пришел к выводу о существовании  «наибольшей или послей степени холода», когда движение частичек вещества прекращается. Благодаря работам Ломоносова среди русских ученых было очень мало сторонников вещественной теории теплоты. И все же, несмотря на многие преимущества корпускулярной теории теплоты, в середине 18 века временную победу одержала теория теплорода. Это произошло после того, как экспериментально было доказано сохранение теплоты при теплообмене. Отсюда был сделан вывод о сохранении (неуничтожении) тепловой жидкости – теплорода. В вещественной теории было введено понятие теплоемкости тел и построена количественная теория теплопроводности. Многие термины, введенные в то время, сохранились и поныне. Так, единица количества теплоты – калория – была определена, как количество теплоты, необходимое для увеличения температуры одного грамма воды на один градус Цельсия. Связав это значение с массой тела, получили удельную теплоемкость вещества.

                         В середине 19 века была доказана связь между механической работой и количеством теплоты. Подобно работе, количество теплоты оказалось мерой изменения энергии. Нагревание тела связано не с увеличением в нем количества теплорода, а с увеличением его энергии. Принцип теплорода был заменен гораздо более глубоким законом сохранения энергии. Было установлено, что теплота представляет собой особую форму энергии. Значительный вклад в развитие теорий тепловых явлений и свойств макросистем внесли немецкий физик Р.Клазиус, английский физик Дж.Максвелл, австрийский физик Л.Больцман и др.ученые.

                          Открытие закона сохранения энергии обусловило развитие двух качественно различных, но взаимно дополняющих методов исследования тепловых явлений и свойств макросистем: термодинамического и статистического (молекулярно-кинетического). Первый из них лежит в основе термодинамики, второй – молекулярной физики.