Тема 1. 02. Естествознание и его роль в культуре

Тема 1.01. Научный метод

 

Научный метод познания – специфическая процедура, состоящая из последовательности определенных операций или действий, применение которых приводит к достижению поставленной цели, либо приближает к ней. На разных стадиях процесса познания метод может рассматриваться как алгоритмический, предполагающий определенную последовательность действий, так и как эвристический, т.е. метод поиска, опирающийся на интуицию, воображение, творчество.

Уровни научного познания: эмпирический, теоретический. Эмпирический уровень предполагает использование методов, опирающихся на чувственно-наглядные приемы и способы познания, которым относятся систематические наблюдения, эксперимент, измерения. Теоретический уровень предполагает обращение к абстрактным методам исследования, т.е. к образованию понятий, построению гипотез и теорий.

Гипотеза – пробное решение сформулированной проблемы.

Проверяемость научных гипотез. Эмпирическая проверка требует выведения следствий из гипотезы, которые затем сравниваются с данными опыта или наблюдений. На основании такой проверки гипотеза может быть отвергнута, но не может быть признана абсолютно истинной, поскольку истина относительна.

Научная теория – одна из форм отражения действительности, форма научного знания, дающая целостное представление о закономерностях и существенных связях действительности.

Теорема – теоретическое утверждение, истинность которого устанавливается при помощи доказательства, основанного на аксиомах или ранее доказанных положениях.

Критерии научного знания: объективность (существование независимо от наблюдателя), достоверность (эмпирическая воспроизводимость установленных фактов), точность (характеризуется количественной мерой доверия к полученным результатам), системность (объекты исследования рассматриваются как элементы некоторой целостной совокупности или системы, связанные между собой определенными отношениями).

Методы научного познания. Наблюдение – целенаправленное и организованное восприятие внешнего мира, дающее первичный материал для научного исследования. Основные требования к наблюдению – систематичность, тщательность, контролируемость. Эксперимент – исследование каких-либо явлений путем активного воздействия на них при помощи создания особых условий, соответствующих целям исследований или через изменение течения процесса в нужном направлении. Предполагает абстрагирование от внешних посторонних и несущественных факторов. Индукция – метод исследования, основанный на переходе от частных знаний к общим. Дедукция – метод исследования, основанный на переходе от общих знаний к более частным. Анализ и синтез – процессы мыслительного и фактического разложения целого на составляющие и воссоединения целого из частей. Моделирование – воспроизведение характеристик некоторого объекта на другом объекте, специально созданном для исследования. Абстрагирование – мысленное или фактическое выделение отдельных особо интересных в данный момент частей предмета путем рассмотрения их в изоляции или ограничении от действия несущественных факторов. Принцип верификации – подтверждение теоретических построений опытным путем.

Функции науки: объяснительная, описательная, прогностическая, мировоззренческая, систематизирующая, производственно-практическая.

Принцип соответствия – сформулирован Бором в 1923 г. В наиболее общей форме заключается в том, что любая новая теория, претендующая на более глубокое описание физической реальности и на более широкую область применимости, чем старая, должна включать последнюю как частный случай. Например, релятивистская механика при скоростях, значительно меньших скорости света, переходит в классическую.

Область применимости теории. Любая теория лишь отражает действительность и может считаться верной лишь при определенных допущениях, ограничивающих область ее применимости.

Соотношение абсолютной и относительной истин. Под абсолютной истиной понимается полное, исчерпывающее знание о действительности. Относительная истина характеризуется тем, что не дает такого знания и может уточняться и заменяться новыми знаниями. Любая научная истина относительна.

 

Тема 1.02. Естествознание и его роль в культуре

 

Естествознание. К естествознанию относятся науки, изучающие законы природы и способы ее освоения и преобразования, рассматривающие мир как объективно существующий, изучающие структуру этого мира, природу его элементов. Естествознание апеллирует к опыту как основе знания и критерию истины.

Естественные науки: физика, химия, биология, геология, астрономия, экология.

Дифференциация наук – необходимый этап в развитии наук, заключающийся в выделении в каких-либо областях знания самостоятельных научных дисциплин со своими предметами и специфическими методами познания.

Интеграция наук – процесс формирования в науке междисциплинарных направлений (биофизика, геохимия и др.), способствующий познанию более глубоких и общих закономерностей природы.

Математика как язык естествознания. Уровень развития любой науки может быть установлен по степени применения в ней математики. Математика не относится к числу естественных наук, она играет важнейшую роль языка естествознания. Можно выделить три уровня математизации знания: 1) использование математики в обработке результатов опытов; 2) разработка теоретико-математических моделей; 3) создание математических теорий изучения объектов.

Гуманитарные науки – изучают мир, сотворенный человеком, а также явления духовной, социальной и экономической жизни общества.

Историчность знания – заключается в реализации принципа историзма, т.е. подхода к действительности как изменяющейся во времени, развивающейся.

Естественнонаучная и гуманитарная культуры, связь между ними. Под культурой в самом широком смысле понимают все, что создано деятельностью человека. Различают культуру материальную и духовную. Наука – одна из форм духовной культуры, это – система знаний о природе и обществе. В науке различают культуру естественнонаучную и гуманитарную. Специфика естественнонаучной и гуманитарной культур определяется спецификой объектов исследования. В природе действуют стихийные, независимые от человека силы, а в обществе значительную роль играет сознание людей. В настоящее время наблюдается процесс интеграции и сближения естественных и гуманитарных наук. Основой служит широкое использование в гуманитарных науках методов естествознания – системного подхода, теории информации, кибернетики и синергетики. С другой стороны, происходит гуманитаризация естествознания в связи с постановкой все более социально ориентированных задач и т.п.

 

Тема 1.03. Этика научных исследований. Псевдонаука.

 

Этические принципы научных исследований: самоценность истины, исходный критицизм, свобода научного творчества, новизна научного знания, равенство ученых перед лицом истины, общедоступность истины.

Псевдонаука

К псевдонаукам с точки зрения требований, предъявляемых к научному знанию, следует отнести астрологию, парапсихологию, уфологию, биоэнергетику, девиантную науку.

Отличительные признаки псевдонауки: фрагментарность, некритический подход к исходным данным, невосприимчивость к критике, несоответствие фактам, отсутствие законов, нарушение этических норм.

Биоэтика – естественное обоснование человеческой морали. Рождение нравственности – важнейший этап антропогенеза, т.е. становления человека. Нравственность следует рассматривать как составляющую социального эволюционного процесса и как средство самосохранения человеческого рода. Так, например, у человека развились искусственные механизмы, запрещающие убийство представителей своего вида, поскольку у человека нет естественных механизмов убийства и поэтому, в отличие, например, от волков, человек лишен инстинкта, запрещающего убийство себе подобных. В дальнейшем человеческая нравственность должна подняться на новый уровень, распространяясь на всю природу, стать экологической этикой, запрещая уничтожение природы, что может привести к гибели самого человека.

 

Тема 1.04. Формирование научных программ (математическая,
атомистическая, континуальная)

 

Научная исследовательская программа и научная картина мира. Под научной картиной мира подразумевают систему важнейших понятий, принципов и законов, лежащих в основе понимания окружающей нас природы. Концепции естествознания служат основой представлений об общей картине природы. Разработка методологии науки потребовала создания структурно-понятийной научной формации, выявляющей механизмы, приводящие к революциям в науке, обосновывающей смену стилей мышления, научных картин мира. Наиболее известными из таких формаций являются научная парадигма Т.Куна и исследовательская программа М.Д.Ахундова и С.В.Илларионова.

Парадигма – признанные всеми научные достижения, которые в течение определенного времени дают модель постановки проблем и их решений научному сообществу. Процесс развития науки разделяется на два этапа – период нормальной науки (развитие в рамках существующей парадигмы) и аномальный период, т.е. период научной революции.

Концепция научно-исследовательских программ возникла как попытка установления таких механизмов и структур, которые описывали бы и период нормальной науки, и механизмы смены парадигм. Структура программы:

1. «Жесткое ядро» программы – система знаний, не подлежащих обсуждению и критике.
2. «Защитный пояс» вспомогательных гипотез, критика и пересмотр которых не затрагивают «жесткого ядра».
3. «Негативная эвристика» - призвана сохранять «жесткое ядро» от опровержения, в том числе, экспериментального.
4. «Позитивная эвристика» - определяет направление научных разработок.
   Идеи Милетской школа (Фалес): проблема поиска первоначала. Родоначальники греческой науки Фалес Милетский, Анаксимандр и Анаксимен (7 – 6 в.в. до н.э.) выдвигали идею о материальной первооснове всех вещей и их развитии из этой первоосновы. У Фалеса эта первооснова – вода, у Анаксимандра – нечто бесконечное и неопределенное – апейрон, у Анаксимена – воздух.
   Идея безостановочной изменчивости вещей. Гераклит (6 -5 в.в. до н.э.) создал представление о мире как о вечно движущимся, вспыхивающем и угасающем огне («Все течет!», «Нельзя дважды войти в одну и ту же реку»). Идеи Гераклита противоречат религиозным представлениям о сотворении Мира.

Идеи мыслителей Элейской школы (Ксенофан, Парменид, Зенон): дуализм познания. Элеаты
(название школа получила по месту возникновения – городу Элея) отводили главную роль в познании мышлению, противопоставляя его чувственному восприятию как текучему и неустойчивому. Элеаты впервые выдвинули идею единого бытия, понимая его как непрерывное, неизменное, присутствующее в любом мельчайшем элементе действительности, исключая множественность вещей и их движение. Ксенофан (6-5 в.в. до н.э.) - основатель элейской школы, проповедовал учение о единстве, вечности и неизменяемости всего сущего, выступал с критикой антропоморфизма (наделения человеческими качествами животных, неодушевленных предметов, богов) и многообразия. Парменид (6-5 в.в. до н.э.) – основатель элейской школы, обосновал идею тождества мышления и бытия: «мыслить и быть суть одно и то же». Зенон (5 в. до н.э.) ввел в употребление представление о постижении истины посредством спора или истолкования противоположных мнений.

 

Апории Зенона: постановка вопроса о движении и о природе континуума. Зенон – автор знаменитых парадоксов движения, наиболее известные из которых –«Ахиллес и черепаха» и «Стрела». Для разрешения парадоксов Зенон предлагал считать пространство дискретным, т.е. лишенным континуальности (непрерывного единства).

Идеи Пифагорейский школы: мир, гармония, число. Пифагор (6 в. до н. э.) считал число сущностью вещей, а Вселенную – гармонической системой чисел и их отношений, верил в число как основу всего сущего. Структуру Космоса пифагорейцы представляли как физико-арифметическо-акустическое единство. Задолго до Коперника Пифагор считал Землю шаром, движущимся вокруг Солнца.

Пифагорейско-платоновская исследовательская программа. Платон (5-4 в.в. до н.э.) – философ-идеалист, ученик Сократа, последователь пифагорейцев и элиотов. По Платону идеи – высшая причина и цель бытия, на вершине системы – идея блага. Вещи – подобие и отражение идей. Познание есть анамнесис, т.е. воспоминания души об идеях, которые она созерцала до соединения с телом.

Появление принципа причинности. Этот принцип – один из принципов научного познания наряду с принципами объективности, рациональности и системности. Принцип причинности содержится в учении Демокрита ((5-4 в.в. до н. э.) и, строго говоря, сводится к принципу детерминизма, т.е. утверждению о том, что все события в мире связаны между собой причинной связью. Беспричинных явлений не бывает, как не бывает и событий, не влекущих за собой каких-либо последствий.

Пустота и атомы (Левкипп, Демокрит). Основные принципы атомистического учения Демокрита:

1. Вся Вселенная состоит из мельчайших материальных частиц – атомов, которые перемещаются в незаполненном (пустом) пространстве.
2. Атомы неуничтожимы, а, следовательно, и сама Вселенная вечна.
3. Атомы – мельчайшие и неделимые частицы.
4. Атомы находятся в постоянном движении, изменяя свое положение в пространстве.
5. Все атомы различаются по величине и форме.
6. Все предметы материального мира образуются из различных сочетаний атомов.

Аристотелевская научная программа: единая первостихия, отсутствие пустоты в природе, континуальная программа. Учение Аристотеля образует полную энциклопедию научных знаний своего времени. К основным положениям этого учения можно отнести следующие положения.

Материя – первичный субстрат каждой вещи. Например, материя статуи – мрамор, материя дуба – желудь, из которого он развился. «Текучесть» материи видна из того, что можно поставить вопрос о первичной субстанции, т.е. первоматерии всех вещей и предметов.

Движение понимается как общее изменение, как активное превращение возможного в действительное. Простейшее механическое движение – равномерное движение по окружности.

Время – своеобразная мера движения.

Континуальная программа Аристотеля. Ядро программы – утверждение о невозможности пустоты, из чего следует отрицание атомистических идей и противопоставления этим идеям представления о непрерывности, т.е. континуальности материи. Аргументы Аристотеля в пользу своих взглядов: в пустоте в отсутствие сопротивления среды скорость движения была бы бесконечной, что невозможно; в пустоте скорости падения тел были бы одинаковы для всех тел, чего не наблюдается (Аристотель ошибочно полагал, что чем тяжелее тело, тем быстрее оно падает).

Космологические представления Аристотеля: разделение мира на подлунный и небесный. По Аристотелю земной мир построен из изменчивых и превратимых друг в друга элементов, в нем происходит непрерывное изменение, разрушение и уничтожение. В основе – четыре противоположности: сухость и влажность, тепло и холод, дающие начало четырем основным элементам мира: холодная и сухая земля, холодная и влажная вода, теплый и влажный воздух, теплый и сухой огонь. В земном мире действуют также начала тяжести и легкости, в соответствии с чем все тела стремятся либо вверх, либо вниз, каковые движения рассматриваются как естественные. Все остальные движения – насильственные. Космос – идеален и неизменен. В центре мироздания – Земля (геоцентризм). Вселенная ограничена и разделена на сферы.

Геоцентрическая система мира Птолемея («Альмагест»). Птолемей (2-1 в.в. до н. э.) разработал теорию движения планет, Луны и Солнца вокруг неподвижной Земли, позволяющую предвычислять их положения на небе. Главный труд - «Альмагест» («Великое математическое построение астрономии в 13 книгах»), имевшее большое практическое значение для мореплавания и определения координат.
Развитие континуальной исследовательской программы: принцип близкодействия и понятие физического поля (Фарадей, Максвелл, Герц). Принцип близкодействия предполагает существование определенной субстанции, служащей для передачи взаимодействия от одной точки пространства к другой с конечной скоростью. Этот принцип противостоит принципу дальнодействия, согласно которому взаимодействия могут передаваться в пустом пространстве с какой угодно скоростью. Фарадей Майкл (1791 -1867 г.г.), английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле. Одно из главных открытий – явление электромагнитной индукции, т.е. возникновения электрического тока в проводящем контуре во внешнем переменном магнитном поле. Фарадей предвидел существование электромагнитных волн, а также то, что свет и электромагнетизм имеют общую природу.

Максвелл Джеймс Клерк (1831 – 1879 г.г.) – английский физик, создатель теории электромагнитного поля, ее математической модели. Система уравнений Максвелла обобщила все законы электромагнетизма, установив фундаментальные соотношения между характеристиками электрического и магнитного полей.

Герц Генрих (1857 – 1894 г.г.) На основе уравнений Максвелла Герц теоретически решил задачу о распространении электромагнитных волн, получив соответствующее волновое уравнение, в котором скорость света совпала с экспериментально определенной ранее, что подтвердило представление о свете как электромагнитной волне. В последствие Герц впервые в истории науки осуществил передачу и прием электромагнитных волн.

Физическое поле – форма существования материи, которая в отличие от другой известной формы, вещества, является континуальной и утверждает принцип близкодействия на том основании, что электрические и магнитные поля могут существовать в пространстве отдельно от создающих их зарядов и токов, распространяться в пространстве и переносить энергию.
Развитие атомистической исследовательской программы (Бойль, Ньютон, Резерфорд, Бор).

Бойль Роберт (1627 -1691 г.г.) – английский физик и химик, изучал законы поведения газов, а также одним из первых ввел в химическую науку атомистические представления.

Ньютон Исаак (1642 – 1727 г.г.) великий английский ученый-физик, автор корпускулярной теории света. Корпускулы Ньютона могут рассматриваться как атомы света.

Резерфорд Эрнест (1871 – 1937 г.г.) – создатель планетарной модели атома, в соответствии с которой практически вся масса атома сосредоточена в его положительном ядре, причем размеры ядра на пять порядков меньше размеров атома. Основанием для создания этой модели послужили результаты опытов по рассеянию альфа-частиц тонкими металлическими мишенями. Планетарная модель атома не могла быть принята классической физикой, поскольку не объясняла устойчивости атома: в соответствии с теорией Максвелла электрон, двигаясь по криволинейной орбите вокруг ядра, должен излучать, т.е. терять энергию, в результате чего атом должен прекратить свое существование.

Бор Нильс (1885 – 1962 г.г.) – великий датский физик, создатель модели атома водорода (простейшего из атомов). В основе модели атома Бора – два постулата, один из которых состоит в утверждении о существовании в атоме стационарных орбит, двигаясь по которым электрон не излучает и не поглощает энергию; второй постулат вводит условие квантования энергии излучения и поглощения при переходе электронов с одних орбит на другие.

Развитие космологических представлений пифагорейцев. Рассматривая числовые соотношения как источник гармонии космоса, пифагорейцы представляли себе его строение как систему сфер с диаметрами определенных соотношений. Вращение этих сфер являлось источником гармоничного звучания – «музыка сфер».

Гелиоцентрическая система мира Коперника. Коперник Николай (1473 -1543 г.г.) – польский астроном. Объяснил взаимное движение светил на небе вращением Земли вокруг оси и ее движением вокруг Солнца, т.е. создал математическое обоснование гелиоцентрической системы мира.

Развитие математической программы (Ньютон, Максвелл, Эйнштейн, Шредингер). Созданный Ньютоном математический аппарат дифференциального и интегрального исчисления стал основой новой методологии естествознания, отводящей математике более значительную и фундаментальную роль, чем до Ньютона. Очень часто чисто математические рассуждения приводят к предсказанию нового ряда явлений. Концепция математического обоснования явлений природы становится трансдисциплинарной концепцией естествознания. С помощью разработанного Ньютоном математического аппарата ему удалось объяснить результаты опытов Галилея по изучению свободного падения тел, обосновать идею искусственного спутника Земли.

Максвелл создал систему дифференциальных уравнений для описания электромагнитного поля, что дало возможность предсказать существование электромагнитных волн.

Математические представления геометрических свойств пространства Лобачевского и Римана позволили Эйнштейну создать общую теорию относительности.

Принцип дальнодействия и корпускулы Ньютона. В механике Ньютона тела взаимодействуют на расстоянии и взаимодействие передается мгновенно. Именно эта мгновенность передачи взаимодействий и обусловливает ненужность какой-либо среды и утверждает принцип дальнодействия. С такой позицией Ньютона согласуется его представление о том, что свет – поток частиц, корпускул. Другой, альтернативный взгляд на природу света отстаивал Гюйгенс: свет имеет волновую природу, световые волны распространяются в упругой механической среде – светоносном эфире.

Фотоны – кванты света. Идея квантования электромагнитного излучения впервые высказана Максом Планком для объяснения закономерностей теплового излучения. Фотоны – кванты электромагнитного излучения. Электромагнитные кванты, фотоны, отличаются от других элементарных частиц тем, что движутся только со скоростью света и имеют нулевую массу покоя.

Понятие квантового поля. Суть теории квантового поля заключается в том, что поле более не рассматривается как континуальная, непрерывная среда. Дирак, введя в науку представление об античастицах, применил к теории электромагнитного поля правила квантования, получил дискретные значения энергии поля. Ранее считалось, что в некоторой области пространства электромагнитного поля нет, если нет квантов этого поля, но тогда в этой области пространства должна быть пустота, т.е. вакуум. В связи с открытием античастиц возник вопрос – пуст ли вакуум. Сейчас хорошо известны эффекты, доказывающие, что вакуум пуст только в среднем. В нем постоянно рождаются и исчезают в огромных количествах виртуальные частицы и античастицы. Квантовая теория поля является ядром всей современной физики, представляет собой общий подход ко всем известным типам взаимодействий.

 

ЧТО ТАКОЕ ЧЕРНАЯ ДЫРА?

Еще в 1795 г. великий французский математик Пьер-Симон Лаплас, исследуя распространение света в поле тяготения, пришел к выводу, что в природе могут встречаться тела, абсолютно черные для внешнего наблюдателя. Поле тяготения таких тел настолько велико, что не вы пускает наружу лучей света. На языке космонавтики это означает, что вторая космическая скорость была бы больше скорости света с. Вывод Лапласа основывался на следующем рассуждении. Для того чтобы преодолеть гравитационное притяжение, создаваемое телом с массой М, и улететь на бесконечность, пробное тело на поверхности этого тела радиуса R должно обладать скоростью v, такой, что v ² /2>=GM/R. Считая, что это соотношение применимо для света, мы вместе с Лапласом приходим к заключению, что если масса объекта сосредоточена в области с радиусом, меньшим так называемого гравитационного радиуса тела? R_g:R_g= =2GМ/с²~=~1,5-10^{-28 М} (масса М измеряется в граммах, R _g — в сантиметрах), то даже свет не выйдет за пределы этой области. Для Солнца гравитационный радиус — около 3 км, для Земли — порядка 1 см.

Теория Эйнштейна — ключ к проблеме черных дыр. Вывод Лапласа, строго говоря, является ошибочным, поскольку он основан на классической механике и 'теории тяготения Ньютона. В действительности, однако, нельзя пользоваться ни той, ни другой: распространение света подчиняется законам релятивистской механики, а сильное поле тяготения, описывается общей теорией относительности. Тем не менее, как это иногда случается в истории науки, обе “ошибки” Лапласа точно скомпенсировали друг друга и вывод о невозможности выхода световых сигналов из-под гравитационного радиуса оказался совершенно правильным. Подобное тело, сжатое до размера своего гравитационного радиуса, получило название черной дыры, а границу черной дыры, т. е. поверхность, ограничивающую область, откуда невозможен выход сигналов, стали называть горизонтом событий.

 

Литература:

1. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция (физики - М., ГИТТЛ, 1956 г.

2. Кузнецов Б. Эйнштейн (жизнь, смерть, бессмертие) -М., Наука,

1972 г.

3. Брагинский В. и др. Удивительная гравитация -m., Наука, б-ка «Квант», вып. 39.

4. Новиков Н. Черные дыры и Вселенная - М., Мо­лодая гвардия,

1995 г.

5 Розман Г. Специальная теория относительности - Псков, ПОИПКРО, 1995 г.

6 Розман Г. Введение в общую теорию относительности А.Эйнштейна- Псков, ПОИПКРО, 1998г.

 

 

Эволюционное естествознание

 

Тема 5.01. Космология

 

Космология (от космос и...логия), учение о Вселенной как едином целом и о всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной как части целого; раздел астрономии.

Однородность и изотропность. В больших масштабах Вселенная однородна и изотропна, т. е. галактики и их скопления распределены в пространстве равномерно (однородно), а их движение хаотично и не имеет явно выделенного направления (изотропно). Принцип Коперника, «сдвинувшего Землю из центра мира», был обобщен астрономами на Солнечную систему и нашу Галактику, которые также оказались вполне рядовыми. Поэтому, исключая мелкие неоднородности в распределении галактик и их скоплений, астрономы считают Вселенную такой же однородной везде, как и вблизи нас.

Химический состав вселенной получен на основе изучения спектров звезд и коэффициента поглощения звёздного вещества. Химический состав внешних слоев атмосферы звезд определяют по ширине и положению линий спектра поглощения. Наиболее распространённые элементы — водород и гелий; за ними — углерод, азот, кислород. Число атомов всех металлов составляет примерно одну десятитысячную числа атомов водорода. У 90% исследованных звезд содержания химических элементов в пределах ошибок определения совпадают с солнечными.

Стационарная космологическая модель вселенной предполагает непрерывное рождение вещества. Основное положение этой теории, известное как Идеальный космологический принцип, утверждает, что Вселенная всегда была и останется такой, как сейчас. Наблюдения опровергают это.

Искривление пространства. Согласно общей теории относительности, гравитация не является реальной силой, а есть искривление пространства-времени: чем больше плотность материи, тем сильнее искривление. В момент начальной сингулярности искривление тоже было бесконечным. Можно выразить бесконечную кривизну пространства-времени другими словами, сказав, что в начальный момент материя и пространство одновременно взорвались везде во Вселенной. По мере увеличения объема пространства расширяющейся Вселенной плотность материи в ней падает.

Чёрная дыра -космический объект, возникающий в результате катастрофически быстрого сжатия звезды (коллапс) под действием сил тяготения, масса которых к моменту сжатия превышает некоторую критическую величину. Значение критической массы точно не определено и в зависимости от принятого уравнения состояния вещества меняется от 1,5 до 3 массы Солнц.

Кривизна пространства-времени, в общей теории относительности (теории тяготения) величина, характеризующая меру отклонения свойств пространства-времени от свойств так называемого плоского пространства-времени специальной теории относительности. Понятие кривизны пространства-времени возникло по аналогии с понятием полной кривизны в геометрии поверхностей.

Гравитационные волны, поперечные волны, излучаемые ускоренно движущимися массами и распространяющиеся со скоростью света. Существование гравитационных волн следует из общей теории относительности А. Эйнштейна, сформулированной им в 1916. Уравнения для гравитационного поля математически очень сложны и решены лишь для слабого поля. Решение соответствует поперечным волнам, распространяющимся со скоростью света в вакууме. Однако гравитационные волны до сих пор надёжно не обнаружены из-за их чрезвычайно малой интенсивности и крайне слабого взаимодействия с веществом. Хотя подавляющее большинство физиков убеждено в их существовании, окончательно вопрос о реальности гравитационных волн должен решить эксперимент.

Гравитационный радиус или радиус сферы Шварцшильда. При любом уравнении состояния вещества общая теория относительности предсказывает отсутствие устойчивого равновесия для холодных звёзд в нескольких солнечных масс. Если после потери устойчивости в звезде не происходит освобождения энергии, достаточной для остановки сжатия или для частичного взрыва, при котором оставшаяся после взрыва масса стала бы меньше критической, то центральные части звезды коллапсируют и за короткое время достигают гравитационного радиуса r_g. Никакие силы не могут воспрепятствовать дальнейшему сжатию звезды, если её радиус уменьшится до r_g (до радиуса т. н. сферы Шварцшильда). Основное свойство сферы Шварцшильда состоит в том, что никакие сигналы, испускаемые с поверхности звезды, достигшей этой сферы, не могут выйти наружу. Таким образом, в результате гравитационного сжатия массивных звёзд появляется область пространства-времени, из которой не может выйти никакая информация о физических процессах, происходящих внутри неё.

Динамическая модель Вселенной. В 20 в. ученые отметили, что расстояния между звездными системами, не связанными друг с другом силами тяготения, постоянно увеличиваются. Т.е. сама Вселенная постоянно расширяется. В основе теоретических обоснований данной идеи лежат вычисления Эйнштейна, Фридмана и Хаббла. Еще во втором десятилетии 20 в. американский астроном В.Слайфер, исследовав спектры нескольких галактик, заметил, что у большинства из них спектральные линии смещены в красную сторону. Это означало, что галактики, находящиеся друг от друга на расстоянии в десять миллионов парсек, удаляются друг от друга со скоростями около 600 км/сек. Это расширение в соответствии с принципом Доплера вызывает наблюдаемое красное смещение спектральных линий в спектрах галактик. Любая космологическая модель Вселенной опирается на определенную теорию гравитации. Таких теорий много, но лишь некоторые из них удовлетворяют наблюдаемым явлениям. Теория тяготения Ньютона не удовлетворяет им даже в пределах Солнечной системы. Лучше всех согласуется с наблюдениями общая теория относительности Эйнштейна, на основе которой русский метеоролог А.Фридман в 1922 и бельгийский аббат и математик Ж.Леметр в 1927 математически описали расширение Вселенной. Из космологического принципа, постулирующего пространственную однородность и изотропность мира, они получили модель Большого взрыва. Их вывод подтвердился, когда Хаббл обнаружил связь между расстоянием и скоростью разбегания галактик. Второе важное предсказание этой модели, сделанное Г.Гамовым, касалось реликтового излучения, наблюдаемого сейчас как остаток эпохи Большого взрыва. Другие космологические модели не могут так же естественно объяснить это изотропное фоновое излучение.

Горячий Большой взрыв. Согласно космологической модели Фридмана — Леметра, Вселенная возникла в момент Большого взрыва - ок. 20 млрд. лет назад, и ее расширение продолжается до сих пор, постепенно замедляясь. В первое мгновение взрыва материя Вселенной имела бесконечные плотность и температуру; такое состояние называют сингулярностью.

Реликтовое излучение, электромагнитное излучение, заполняющее наблюдаемую часть Вселенной. Реликтовое излучение существовало уже на ранних стадиях расширения Вселенной и играло важную роль в её эволюции; является уникальным источником информации о её прошлом. Интенсивность и спектр реликтового излучения соответствуют излучению абсолютно чёрного тела с температурой 2,7 К. Реликтовое излучение было обнаружено в 1965 в радиодиапазоне электромагнитного излучения на длине волны 7,35 см. Существование реликтового излучения было предсказано теоретически в рамках теории Большого взрыва. Хотя в настоящее время многие аспекты первоначальной теории Большого взрыва пересмотрены, основы, позволившие предсказать температуру реликтового излучения, остались неизменны. Считается, что реликтовое излучение сохранилось с начальных этапов существования Вселенной и равномерно её заполняет. Наряду с космологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва.

Происхождения химических элементов решается совместными усилиями специалистов по ядерной физике, космологии, теории звездной эволюции и звездной спектроскопии. Согласно признанной в настоящее время модели нестационарной Вселенной, которую в литературе часто называют Большим Взрывом, самые легкие элементы с зарядом ядра Z 5 образовались примерно через минуту после начала расширения, когда температура упала до 1-2 млрд градусов, в следующих цепочках термоядерного синтеза:

n + p D + , D + p ³He + , 2³He ⁴He + ²H + , ³He + ⁴He ⁷Be + , ⁷Be + e^{- 7}Li + .

Здесь использованы общепринятые обозначения: n для нейтрона, p для протона, D для дейтерия, для фотона, для нейтрино и т.д. Согласно расчетам, на гелий приходится около 25% общей массы нуклонов, а на литий, бериллий и бор - исчезающе малая доля порядка 10^-8 %. Элементы тяжелее Не не синтезируются в сколько-нибудь заметных количествах из-за того, что в природе не существует стабильных ядер с массовыми числами 5 и 8. На этом процесс нуклеосинтеза останавливается на миллионы лет, до тех пор пока не образуются первые галактики и звезды в них. Именно звезды являются той кухней, где "вып