Наука в 20-ом веке

Мне понравились лекции Стивена Голдмана о научных войнах и я решил послушать еще один курс лекций: Наука в 20-ом веке: Социально-интеллектуальный обзор. Ниже краткий конспект первой лекции.

Рассматривается эволюция всех наук, как естественных, так и гуманитарных. Эволюция понимается как появление нового посредством разрыва в непрерывном развитии. Рассматривается как развитие интеллектуальных идей, так и отношение между наукой и обществом.

Рассмотрение эволюции науки в двадцатом веке разбито на шесть тем:

• Материя и энергия;
• Математика;
• Вселенная;
• Земля;
• Жизнь;
• Гуманитарные науки.

Разбиение на темы можно назвать своеобразной классификацией наук. Должен сказать, что мне такое разделение понравилось. Ниже краткие результаты для первых четырех разделов.

Основные идеи 19-ого века, которые лежат в основании эволюции науки 20-ого века:

• Наличие фундаментальных строительных блоков в природе. Природа сделана из блоков Lego. Атомы, гены, клетки.
• Энергия как часть реальности (термодинамика).
• Поля энергии и сил. Поле как нематериальный феномен, подчиняющийся законам природы и способный воздействовать на материальные объекты.
• В химии показано, что структура влияет на свойства. Состава недостаточно для объяснения свойств.
• Неевклидовы геометрии. Возможны дедуктивные системы, несовместимые между собой.
• Математическая логика. Важность отношений. Ранее предполагалось, что объекты с предикатами составляют первичную реальность, а отношения вторичны. При развитии математической логики было показано, что отношения так же важны, как сами объекты.
• Корпускулярная теория света Ньютона заменена на волновую теорию света. Свет — это электромагнитные волны, описываемые уравнениями Максвелла.
• Математическая статистика. Намеки на то, что неопределенность принадлежит природе.
• Эволюция природы.

Научные инструменты 19-ого века, сыгравшие наиболее важную роль в эволюции науки 20-ого века:

• Микроскоп с корректировкой цвета (color-corrected microscope);
• Спектрометр;
• Интерферометр.

Социальные аспекты науки 19-ого века, важные для развития науки 20-ого века.

• Технологическая инновация как основная причина социального развития.
• Университет как центр научного исследования.
• Научные лаборатории в компаниях.
• Использование правительством научных результатов в военных, экономических и социальных целях.

Главные идеи, возникшие в 20-ом веке.

• Реальность описывается отношениями.
• Концепция системы и построения системы сверху вниз.
• Динамика. Движение и изменения представляют собой нормальное состояние (стационарное состояние — исключение).
• Информация является частью реальности, такой же как энергия и материя.
• Сложность может появиться путем самоорганизации.
• Различия между субъективным и объективным, сознанием и миром размываются.
• Научное исследование становится междисциплинарным и совместным.

10.11.2015 Наука в 20-ом веке: Материя и энергия

Основные моменты из лекций 2 — 11 курса.

Специальная теория относительности

Проблемы, которые решал Эйнштейн:

• Невозможность измерения движения Земли относительно эфира.
• Что означает утверждение, что события в двух удаленных местах произошли одновременно.

Время и пространство как отношения, абсолютное пространство и абсолютное время не существуют.

Связь между массой и энергией.

Общая теория относительности

Пространство, время, масса и энергия связаны между собой отношениями. Масса объекта зависит от общего распределения масс во вселенной. Пространство зависит от распределения масс. Пространство имеет форму.

Общая теория относительности предсказывала расширение вселенной. Это настолько противоречила существующим тогда представлениям о вселенной, что Эйнштейн решил ввести в уравнения космологическую константу, которая позволяла получить стационарное решение для вселенной.

Квантовая механика

Три периода развития квантовой механики:

• 1900-1929 — «героический» период: введение и радикальная интерпретация квантовой механики.
• 1930-1964 — «работающий» период: развитие квантовой электродинамики (QED)-
• С 1964 развитый уровень: квантовая хромодинамика и объединение известных сил природы.

«Героический» период квантовой механики

1900. Макс Планк, статья об излучении черного тела. Квантование энергии. Следующие двенадцать лет Планк посвятил тому, чтобы закрыть квант энергии обратно.

1905, Эйнштейн, статья об фотоэлектрическом эффекте. Квант — это факт природы.

1911, Резерфорд, планетарная модель атома. Бор — квантовая теория атомного строения, чтобы объяснить устойчивость атома. Теория Бора также давала объяснения спектроскопическим данным.

1917–1918, Бор и Эйнтшейн показали, что орбитальные перехода электрона носят случайный характер. Принцип соответствия Бора — квантовая механика сосуществует с классической механикой.

1923, де Бройль, материя как и электромагнитная энергия обладает свойствами как волны, так и частицы.

1923-1925. Волновая механика Шрёдингера. Матричная формулировка Гейзенберга. Математическая эквивалентность двух формулировок.

1927. Было экспериментально показана дифракция электронов при прохождении их через кристалл.

1927. Принцип неопределенности Гейзенберга: умножение матриц не коммутативно.

1929. Бор и Гейзенберг — копенгагенская интерпретация квантовой механики. Введение наблюдателя размывает разницу между разумом и миром.

Цена квантовой механики: отказ от каузальности в квантовом мире и дискретность в природе.

«Работающий» период квантовой механики

1929-1930. Дирак. Объединение квантовой механики со специальной теорией относительности: квантовая электродинамика. Предсказание антиэлектрона.

Нулевая энергия электрона богата виртуальной энергией. Когда электрон спонтанно переходит с более высокого энергетического уровня на низкий, испускается фотон. Откуда он берется? Ответ Дирака: из нулевой энергии электрона, где фотон хранится, когда фотон используется для возбуждения электрона.

Развитие квантовой электродинамики продолжилось после второй мировой войны, поскольку  у Дирака оставались открытые места. Ренормализация.

Строение атомного ядра. Протон, нейтрон, нейтрино.

1937. Юкава. Слабое и сильное взаимодействие в ядре.  Предсказание мезона.

Использование квантовой электродинамики для расчета вероятностей поглощения или рассеивания ядром частицы. Использование теории для оценки массы урана-235, необходимой для создания атомной бомбы.

Гейзенберг отвечал за разработку атомной бомбы у Гитлера. Неверный расчет Гейзенберга предсказывал слишком большую массу урана, необходимую для создания атомной бомбы.

1938. Ханс Бете. Теория звезд на принципе термоядерных реакций.

Ускорители для сталкивания частиц

1930. John Cockcroft, Ernest Walton. Электростатический ускоритель протонов. 400000 eV.

1930е годы. Ernest O. Lawrence. Циклотрон. До 1 MeV.

1939. Циклотрон достиг 10 MeV.

1946. Синхроциклотрон в Беркли. 195 MeV.

1952. Brookhaven National Laboratory. Cosmotron. 3 GeV.

1954. Bevatron в Беркли. 6.2 GeV.

Гонка ускорителей в 60-х, 70-х годах.

В 1993 году США отказались от строительства Суперколлайдера.

Ускоритель в Церне достигает 7 TeV.

Полезные приложения квантовой механики

• Полупроводники.
• Лазеры.
• Сверхпроводимость.
• Квантовая химия — теория химической связи.
• Квантовая криптография.

Квантовая хромодинамика

1953, обзор Abraham Pais и Murray Gell-Mann. Четыре силы отвечают за все физические взаимодействия. Объединения этих сил в одну теорию начинается с конца пятидесятых годов.

Квантовая электродинамика объясняла электромагнитные и слабые взаимодействия. Объяснения сильным взаимодействиям отсутствовало.

1962 — 1964, Gell-Mann (Caltech) и независимо George Zweig (CERN) предложили новую теорию сильных взаимодействии, когда протоны и нейтроны были признаны как  неэлементарные частицы.

В квантовой хромодинамике были использованы причудливые имена, у которых не было аналогов в классическом мире. Это исключало вопросы типа, что такое спин в квантовой механики и как он соотносится с вращением классических частиц.

Можно сказать, что квантовая хромодинамика получила завершение в 1995 году экспериментальным подтверждением существования top quark (всего в теории шесть кварков).

После экспериментов до объявления существования t-кварка прошло два года. Столько времени потребовалось для обработки результатов. В статье 440 авторов из 35 научных учреждений.

Объединение взаимодействий в теорию всего

Идея заключается в том, что в самом начале было только одно взаимодействие, которое потом разложилось на несколько взаимодействий. Аналогия — фазовый переход.

1950е годы. Попытка объединить электромагнитные и слабые взаимодействия. Abdus Salam и John Ward.

1961. Sheldon Glashow. Использование предыдущей результатов в новом объединении электромагнитных и слабых взаимодействий. Объедение было завершено в течение следующих десяти лет: Glashow, Steven Weinberg, Salam, Peter Higgs, Gerardus t’Hooft.

Использованные подходы:

• Калибровочная инвариантность.
• Использование теории групп.
• Спонтанное нарушение симметрии.

В дальнейшем было осуществлено объединение с квантовой хромодинамикой. Стандартная модель.

Попытки объединения стандартной модели и гравитации.

• Теория суперструн.
• Петлевая квантовая гравитация.

14.11.2015 Наука в 20-ом веке: Математика

Краткий конспект лекций 12 — 13.

В 20-ом веке наука становится все более математизированной. Это придает науке эзотеричность, поскольку знание математики становится необходимой предпосылкой для понимания научных теорий. В этом отношении можно выделать несколько вопросов:

• Математика как язык науки.
• Как соотносится математика с реальностью. В чем состоит работа математика. Математик изобретает математические объекты, или математик открывает математические объекты.
• Математика как язык правильного мышления.

Следует отметить, что развитие математики в двадцатом веке поменяло значение рациональности. Понятия рациональности в начале и конце двадцатого века не совпадают между собой.

Открытие неевклидовых геометрий в 19-ом веке было интеллектуальным шоком. После этого было уже невозможно утверждать, что дедуктивное построение однозначно связано с истиной. Математика не может например ответить на вопрос о связи между геометрией и миром. Дедуктивные теории сами по себе, мир сам по себе.

Три направления, которые пытались объяснить, на чем основана математическая истина.

• Логицизм. Фреге, Рассел, Уайтхед. Математику можно свести к логике.
• Формализм. Гильберт. Математика как логические игры. Математики строят формализм, соотношение которого с природой математиков не интересует.
• Интуиционизм. Брауэр. Математика — это пример внесения разумом порядка в восприятия. Необходимая связь между математикой и реальностью отсутствует. Закон исключения третьего является эмпирическом законом и поэтому он должен быть исключен из математики.

Фреге хотел свести арифметику к логике. Рассел указал на противоречие в построениях Фреге. Рассел и Уайтхед далее хотели свести всю математику к логике. Эта попытка также не удалась.

Проблемы Гильберта 1900 года. Среди них была задача показать, что математическое построение является согласованным и полным. Также задача о том, что существует эффективная процедура для решения любой проблемы в рамках заданного формализма. Гёдель доказал, что обе задачи невозможно решить. Тьюринг и машина Тьюринга. Интерпретация математики в духе формализма невозможна.

Если сказать, то программы логицизма и формализма провалились, то остается только интуиционизм. Последний однако не поддерживают большинство математиков.

Нерешенность описанных проблем ничуть не помешала развитию математики в двадцатом веке. Ниже перечислены несколько новых активно развивающихся областей математики.

Математическое моделирование. Компьютерное моделирование является в настоящий момент неотъемлемой частью науки и инженерии.

Компьютерное доказательство теорем (теорема о четырех красках). Несмотря на неоднозначность, математическое сообщество похоже согласилось с такими доказательствами.

Теория игр. Выбор рациональной стратегии.  См. также нобелевские премии по экономике, которые показывают, что люди в в своем поведении не следует правилам теории игр. Как назвать такое поведение человека, рациональным или иррациональным?

Фракталы. Мандельброт.

Теория хаоса, теория сложности.

Теория графов. Случайные графы. Пол Эрдёш, Альфред Реньи. Отношения определяют граф.

15.11.2015 Наука в 20-ом веке: Вселенная

Краткий конспект лекций 14 — 16.

Представление о Вселенной в 20-ом веке претерпело кардинальные изменения.

Начало двадцатого века. Вселенная существовала вечно. Вселенная состоит из одной галактики Млечный путь.

Конец двадцатого века. Вселенная образовалась в результате Большого взрыва 13.7 миллиардов лет назад. Существует много галактик, которые вращаются. Существуют кластеры галактик. Мы наблюдаем только небольшую часть всей Вселенной.

Время после Большого взрыва — состояние Вселенной

10^–43 cекунды:  суперструны или петли квантовой гравитации в исходной состоянии.

10^–36 cекунды: спонтанное нарушение симметрии, разделение на гравитацию и поле Хиггса.

10^–35 cекунды: начало инфляции, удвоение размера сто раз подряд.

10^–20 cекунды: образование первых фотонов.

10^–10 cекунды: образование первых кварков и лептонов.

10^–4 cекунды: образование протонов и нейтронов.

100 секунд: образование первых элементов, водород, гелий, немного лития.

400 тыс. лет: разделение фотонов и материи.

900 тыс. лет: образование первых звезд, первый свет.

История идей

В начале двадцатого века в США астрономические наблюдения проводились на деньги богатых семей, которые хотели увековечить свои имена. Вот чему обязано появление теории Большого взрыва.

1900. George Ellery Hale получил пожертвование на построение 60-дюймового телескопа в южной Калифорнии. Harlow Shapley — директор обсерватории.

Henrietta Leavitt работала с Shapley. Использование пульсирующих звезд (Цефеиды) для калибровки расстояний.

1920. Публичные дебаты, где Shapley отстаивал точку зрения, что Вселенная состоит только из одной галактики, а туманности являются скоплением газов.

1919. 100-дюймовый телескоп. Директор обсерватории — Хаббл.

1924. Хаббл показал, что туманность Андромеды является галактикой. Более того многие другие туманности также являются галактиками.

Середина двадцатых годов. Хаббл вернулся к наблюдениям 1914 года Vesto Slipher, которые в свое время были проигнорированы. Смещение спектров. Согласно эффекту Допплера это говорит о том, что галактики удаляются.

1929. Хаббл заявил, что Вселенная расширяется и что Вселенная произошла 2.5 миллиарда лет назад.

Начало сороковых годов. Георгий Гамов — создание теории Большого взрыва. Важные статьи в 1946 и 1948 году. Проблемы с объяснением происхождения тяжелых элементов.

То же время. Фред Хойл, Герман Бонди (Hermann Bondi), Томас Голд (Thomas Gold). Теория стационарной  вселенной. Вселенная вечна.

1949. 200-дюймовый телескоп в Калифорнии. Alan Sandage унаследовал теорию Хаббла и оценил возраст Вселенной в 18-20 миллиардов лет. Спор с молодым поколением астрономов, которые говорили, что техника Хаббла для изменения галактических расстояний неправильна.

Пятидесятые годы. Хойл, Уильям Фаулер (William Fowler), Маргерит Бербидж (Margaret Burbridge) разработали теорию происхождения тяжелых элементов в рамках теории стационарной вселенной. Теория Большого взрыва находится в интеллектуальной коме, поскольку большинство ученых выбирают теория стационарной вселенной в том числе из теологических соображений.

1958. Открытие квазаров. Противоречия с теорией стационарной вселенной.

Микроволновое фоновое излучение. 1949. Предсказание Гамова: 5 К. Начало шестидесятых. Robert Dicke, Jim Peebles, Dave Wilkinson: 10 К.

Arno Penzias, Robert Wilson. Экспериментальное открытие микроволнового фонового излучения (3 К). Теория стационарной вселенной похоронена.

Теория Гамова предсказывала, что фоновое микроволновое изучение должно быть гомогенным. Однако в этом случае не должно образовывать галактики. Для объяснения образования галактик фоновое микроволновое излучение должно быть негомогенно.

Негомогенность в 10^-5 K в дальнейшем была обнаружена.

Использование квантовой механики для Большого взрыва. Коррекция теории Гамова.

1980. Alan Guth. Инфляционная теория Большого взрыва. Мы наблюдаем только часть всей вселенной.

Темная материя для объяснения стабильности галактик при вращении. Темная энергия для объяснения ускорения расширения вселенной.

Инструменты

Оптические телескоп. 200-дюймовый телескоп — граница возможности телескопа из одной линзы. Современной решение: управляемый компьютерами оптический телескоп, состоящий из нескольких линз. Адаптивная оптика.

Радиотелескоп

1935. Случайное открытие инженерами AT&T радиосигналов из космоса.

После второй мировой войны бум радиотелескопов. Открытие молекул в космическом пространстве.

Использование принципа интерферометрии в радиотелескопе.

Рентгеновский телескоп. Подтверждение существования черных дыр.

Инфракрасный телескоп

Нейтринная астрономия

Детекторы гравитационных волн

http://evgeniirudnyi.livejournal.com/108424.html

18.11.2015 Наука в 20-ом веке: Земля

Некоторые моменты из лекций 17 — 19 курса Стивена Голдмана Наука в 20-ом веке: Социально-интеллектуальный обзор.

Научные представления о Земле претерпели в 20-ом веке не менее кардинальные изменения, чем представления о Вселенной. В начале 20-ого века ученые жили на планете, которая остывая стремилась к равновесию. Континенты и океаны все время находились на одном и том же месте. Возникновения гор объяснялось возникновением напряжений в континентах при постепенным охлаждением Земли. В заключение следует отметить, что возраст Земли оценивался в 100 миллионов лет. Эта оценка была дана лордом Кельвина из предположения, что энергия Солнца обеспечивается сгоранием высокоэнергетического материала, сравнимого по эффективности с углем и нефтью.

В конце 20-ого века ученые жили на планете, которая уже находилась в состоянии крайне далеком от равновесия. Тектонические платы находятся в постоянном движении. В центре Земли находится горячее железное ядро, температура которого сравнима с температурой поверхности Солнца. Магнитное поле Земли постоянно меняется, причем эпизодически оно меняет даже свое направление. Скорость обращения Земли вокруг оси постоянно замедляется. Огромные океанские течения влияют на биосферу и атмосферу.

История теории дрейфа материков

1913, Arthur Holmes. Оценка возраста некоторых горных пород на основании радиоактивного анализа в 1.5 миллиарда лет.

Было обнаружено, что регионы Скандинавии медленно поднимаются. Объяснение таянием ледника.

1915, Альфред Вегенер. Теория континентального дрейфа. Основания:

• Похожесть формы континентов.
• Похожесть горных слоев в разных континентах.
• Похожие остатки животных и растений в горных породах.

Реакция. В Европе молчание. В США ожесточенная критика.

1928. Arthur Holmes. Объяснение дрейфа материков конвекцией под материками.

Сейсмическая данные были против — они показывали, что Земля твердая. Постепенное понимание того, что жидкое состояние может быть очень вязким. В этом случае сейсмические данные будут такими же как в случае твердых тел.

Измерения остаточного магнитного поля на дне океана. Свидетельство в пользу движения дна океана.

1968. Hess. Количественная теория дрейфа континентов. Дрейф континентов стал ортодоксальных взглядом среди всех геологов.

К смене научной парадигмы. Если в первой половине 20-ого ведущие американские геологические журналы отказывались печать статьи о дрейфе континентов, то в дальнейшем те же самые журналы отказываются печатать статьи с критикой теории дрейфа континентов.

Информация

Steven L. Goldman, Science in the 20th Century: A Social-Intellectual Survey.