Реферат
Модифицированная ньютоновская динамика
Введение
Социально-исторический контекст
Становление развитых индустриальных обществ во второй половине XX века сопровождалось постепенной интернационализацией экономики, появлением разветвленных транснациональных корпораций. Модернизационные социальные процессы, связанные с распространением демократии, построенной на универсалистской системе законов, повышением социальной мобильности, основанной на достижениях престижных личных статусов, появлением системы высокоспециализированных профессий, ростом уровня общего образования способствовали повышению статуса и престижа научной деятельности. В 40-х гг. исследования в области атомной энергии (а затем в освоении космоса) привели к созданию первых крупных государственных проектов в области соединения науки и промышленности, созданию масштабных научно-производственных комплексов и проектов. Это положило начало активному вниманию развитых индустриальных государств (как капиталистических, так и социалистических) к развитию науки. Осуществление крупных государственных инвестиций в науку, развитие государственного планирования в области науки, интеграция науки с производством, а затем и с образованием способствовали не только быстрому расширению сети научно-технических учреждений, но и резкому ускорению процесса внедрения научных достижений в техническую практику, увеличению числа прикладных научных разработок, росту числа высококвалифицированных специалистов, ориентированных на научную деятельность. Существ, влияние на общество оказало быстрое развитие электронных технологий, способствовавшее автоматизации хранения и обработки информации с помощью ЭВМ, а затем - комплексной автоматизации производственных процессов.
Научно-историческая ситуация в астрономии конца XX века
Современная космология построена на общей теории относительности (ОТО), опубликованной А. Эйнштейном в 1915-1916 гг. ОТО в настоящее время - самая успешная теория гравитации, хорошо подтверждённая наблюдениями. Предельным случаем ОТО для скоростей много меньших скорости света, т.е. является классическая теория тяготения Ньютона. Этот закон был открыт Ньютоном около 1666 года. Он гласит, что сила F гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1 и m2, разделёнными расстоянием R, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними-то есть:
здесь G - гравитационная постоянная, равная 6,67384Ч10-11 мі/(кг·сІ).
Для объяснения некоторых хорошо наблюдаемых и многократно подтвержденных фактов, в частности кривых вращения галактик, введен термин «темная материя», который сейчас общепринят. Тёмная материя - гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества делает невозможным её прямое наблюдение. Вывод о существовании тёмной материи сделан на основании многочисленных, согласующихся друг с другом, но косвенных признаков поведения астрофизических объектов и по создаваемым ими гравитационным эффектам. Данный термин впервые употребил Фриц Цвикки в 1933 г. в своей работе (Zwicky, 1933).
Без данного допущения ОТО не в состоянии объяснить многие факты в современной космологии.
Проблематизация
Использование механики Ньютона и закона всемирного тяготения на космологических масштабах приводит к необходимости введения дополнительных ad hoc постулатов (Степин, 2011) в виде никак ненаблюдаемой темной материи, которая проявляет себя только гравитацией. После получения кривых вращения галактик, в частности Туманности Андромеды (Хорес Бэбкок, 1939), ученый свет долгое время закрывал глаза на данную проблему, однако после работ Веры Рубин проблема стала общепризнанной. Кроме того, без данного ad hoc постулата невозможно объяснить и некоторые другие проблемы, связанные с использованием ОТО и ее предельного случая - классической динамики Ньютона в качестве полномасштабной теории гравитации:
- неубывание скорости вращения звёзд оказалось не аномалией, а типичной ситуацией в мире галактик;
- при исследовании движения спутников галактик и близко расположенных шаровых скоплений было подтверждено, что общая масса каждой галактики в несколько раз превышает массу её звёзд;
- было проведено изучение движения в системах двойных галактик и в галактических скоплениях. Оказалось, что в этих масштабах доля тёмной материи намного выше, чем внутри галактик;
- звёздная масса эллиптических галактик, согласно расчётам, недостаточна для удержания входящего в галактику горячего газа, если не учесть тёмную материю;
- оценка массы скоплений галактик, осуществляющих гравитационное линзирование, даёт результаты, включающие вклад тёмной материи и близкие к полученным другими методами.
На малых масштабах и соответственно довольно больших ускорениях >> 10-10 м/с2 закон Всемирного тяготения хорошо согласуется с экспериментальными данными, однако на больших масштабах и при ускорениях порядка 10-10 м/с2 он может не работать. А ограниченность теории всегда указывает на ее неправоту. Подобные темной материи ad hoc гипотезы использовал Планк после открытия преобразований Лоренца для спасения старой картины мира на заре третьей научной революции. Так же, как и теория Ньютона ограничена и является лишь предельным следствием ОТО, сама ОТО, возможно, также ограничена. Так возможно ли найти альтернативную теорию гравитации и раз и навсегда избавиться от призрака темной материи, который наряду с темной энергией является наибольшей проблемой в современной космологии?
Вера Рубин из Института Карнеги - была первой, кто провел точные и надёжные вычисления, указывающие на наличие тёмной материи, на данный момент является сторонником Модифицированной ньютоновской динамики (MOND). Данная теория способна многое объяснить без привлечения темной материи. Вера Рубин однажды заметила: «Если бы я выбирала, то я бы хотела открыть, что это именно ньютоновские законы должны быть изменены для правильного описания гравитационных взаимодействий на больших расстояниях. Это более привлекательно, чем Вселенная наполненная новым типом суб-ядерных частиц» (Brooks, 2013).
Попытаемся рассмотреть MOND как альтернативную ОТО теорию гравитации.
1. Словарь концепции курса
Гипотеза - особого рода знание, а также особый процесс развития знания. Гипотеза в первом смысле слова - это обоснованное (не полностью) предположение о причинах явления, о ненаблюдаемых связях между явлениями и т.д. Гипотеза во втором смысле - это сложный процесс познания, заключающийся в выдвижении предположения, его обосновании (неполном) и доказательстве или опровержении.
Гипотеза ad hoc (лат. ad hoc - к этому, для данного случая) - гипотеза, выдвинутая с целью решения стоящих перед испытываемой теорией проблем и оказавшаяся в конечном итоге ошибочным вариантом ее развития. Объяснение и предсказание новых фактов, а также адаптация к полученным экспериментальным данным, являются наиболее важными проблемами, с которыми сталкивается любая научная теория. Решение этих проблем, в принципе, невозможно без развития исходной структуры теории путем введения дополнительных гипотез, построения частных теорий и специальных моделей. Но не все предсказания теории и попытки адаптировать ее к полученным экспериментальным данным отвечают общепризнанным метатеоретическим критериям научности и оказываются успешными. Так как возможности «легитимной» адаптации теорий ограничены, ученые в кризисных ситуациях иногда намеренно идут на нарушения этих критериев, прибегая к помощи гипотез ad hoc.
Метод математической гипотезы - метод поиска теоретических знаний в современной физике при котором для отыскания законов новой области берут математические выражения законов из близлежащей области, которые затем трансформируют и обобщают так, чтобы получить новые соотношения между физическими величинами. Полученные выражения рассматривают в качестве гипотетических уравнений, описывающих новые физические процессы. Указанные уравнения после соответствующей опытной проверки либо приобретают статус теоретических законов, либо отвергаются, как несоответствующие опыту.
Система онтологических знаний (теория) представляется структурой, формируемая в научно-историческом процессе в форме выращивания элементов.
Теоретическая схема - модель объекта исследований, представляющая собой концепт из пространственно-временного образа и набора понятий, которая служит для представления состава объекта и его структуры. Структура отражается на пространственно-образной схеме. Элементы: абстрактные и / или идеальные конструктивы, вводятся через понятия.
Теория - в широком смысле - комплекс взглядов, представлений, идей, направленных на истолкование и объяснение какого-либо явления; в более узком и специальном смысле - высшая, самая развитая форма организации научного знания, дающая целостное представление о закономерностях и существенных связях определенной области действительности - объекта данной теории. По своему строению теории представляет внутренне дифференцированную, но целостную систему знания, которую характеризуют логическая зависимость одних элементов от других, выводимость ее содержания из некоторой совокупности утверждений и понятий - исходного базиса теории.
Эксперимент решающий - эксперимент, результат которого разрешает спор между двумя (или более) гипотезами, выдвинутыми для решения некоторой научной проблемы. Структура решающего эксперимента основана на схеме разделительно-категорического силлогизма и логическом законе контрапозиции. Рассуждение по схеме Э. р. предполагает выполнение двух условий: 1) сравниваемые гипотезы должны быть логически несовместимыми, следовательно, иметь один и тот же эмпирический «базис»; 2) экспериментально установленный факт принимается за подтверждение или опровержение гипотезы. Понятие Э. р. теряет методологическое значение в «парадигмальной» теории науки Т. Куна. Для последовательного приверженца фундаментальной теории свидетельствующий против нее экспериментальный факт выступает как аномалия, которую он стремится представить очередной трудной, но, в принципе, разрешимой, задачей («головоломкой»). Если соперничают различные «парадигмы», выбор из них совершается по психологическим мотивам, но не под давлением логических аргументов.
Эмпирический базис в науке - элемент структуры научного знания, обеспечивающий связь концептуально-теоретического аппарата науки с данным в наблюдении и эксперименте объектом.
2. Эмпирические обобщения и базовые теории
астрономия ньютоновский космологический
Рассмотрим те научные теории и эмпирические данные, которые имелись у автора MOND Мордехая Милгрома (англ. Mordehai Milgrom) в распоряжении, когда он начал создавать свою альтернативную теорию гравитации.
В качестве базовых теорий Милгром безусловно опирался на ОТО и механику Ньютона. А именно на закон всемирного тяготения, отклонения от которого в рамках Солнечной системы не обнаружено. Однако на гораздо больших расстояниях наблюдаемые факты свидетельствовали о другой зависимости скорости вращения и центростримительного ускорения от расстояния до центра вращения (центра масс). В теории Ньютона ускорение, приобретаемое телом в поле тяготения прямо пропорционально его массе. Забегая вперед скажем, что именно этот постулат поставил под сомнение Милгром.
В качестве экспериментальных данных у Милгрома были в распоряжении множество распределений скорости вращения спиральных галактик, полученных астрономами начиная с 30-х годов XX века. Приведем для примера такой график.
Кривые орбитальных скоростей звезд в спектральной галактике
Красным показана кривая, рассчитанная по теории Ньютона. Белым - наблюдаемая.
Если обобщить эмпирические данные, то можно сделать вывод, что сила притяжения звезд к центру галактики не падает пропорционально квадрату расстояния между массами. Причем данный эффект сильнее всего наблюдается вдалеке от цента галактики, а значит там, где центростремительное ускорение много меньше g.
На основании этих данных Милгром решил создать свою теорию гравитации, которая, во-первых объясняла бы кривую вращения галактик, во-вторых бы обходилась без дополнительных ad hoc гипотез в виде «темной материи», а в третьих не противоречила всем наблюдаемым данным по динамике Солнечной системы.
3. Методология
Знания современной теоретической физики могут быть рассмотрены как математический аппарат, получающий интерпретацию на объектах реальности. Классическая физика вначале создавала первую часть физической теории (интерпретацию), а только затем - математический аппарат. Поэтому смысл физических величин был ясен с самого начала, основные усилия исследователей в этом случае направлялись на то, чтобы отыскать математические формы, связывающие эти величины.
В современной физике применяется другой путь, когда исследователь вначале стремится отыскать математический аппарат, оперирует с величинами, о смысле которых заранее ничего не знает, подмечает в исследуемых явлениях некоторые сходные с другими явлениями черты, для которых уравнения уже построены, стремится перебросить эти уравнения на новую область изучаемой действительности. Затем исследователь ищет интерпретацию уравнений, устанавливая связи между объектами новой области. В этом и состоит суть метода математической гипотезы. Именно данный метод использовался Милгремом для создания своей теории.