Природна і наукова картина світу (ПНКС) – це сукупність загальних наукових уявлень про навколишній світ, що інтегрованих в єдину систему. Вона об’єднує в собі не тільки фактологічну, наукову сторону, а й філософське осмислення загальності.

Наша доповідь на тему “природна наукова картина світу” дозволить не тільки ознайомитися з чинними концепціями, але також передумовами їх створення та історією розвитку природничо-наукової думки.

Головне в створенні ПНКС – це встановлення міцних комунікативних зв’язків між конкретними природними науками. В іншому випадку будуть створені локальні або фрагментарні картини, обмежені однією областю пізнання.

Загальна картина формується синтетичним методом з їх досягнень, що, крім усього іншого, накладає специфічні обмеження на всі одержувані результати. Для наукової картини характерне використання наступних лімітуючих критеріїв:

• зв’язок з практикою – це спосіб перевірки життєздатності будь-якої гіпотези та її істинності;

• емпірична і теоретична відтворюваність – дослідження можна вважати істинними, якщо їх можливо повторити з отриманням такого ж результату;

• системність – тобто впорядкованість знань, визначеність їх місця;

• об’єктивність – відсутність впливу суб’єктивної оцінки на одержувані результати.

Системність знань також проявляється в чіткій структуризації матеріального світу.

Виділяють:

• мегасвіт (космос та космічні тіла);

• макросвіт (розміри тіл порівнянні з людиною);

• мікросвіт (атоми, елементарні частинки і кварки).

Астрономія виникла в далеку давнину. Ще первісні люди спостерігали зоряне небо й потім на стінах печер малювали те, що бачили. З розвитком людського суспільства, з виникненням землеробства з’явилася потреба в лічбі часу, у створенні календаря. Помічені закономірності в русі небесних світил, зміні вигляду Місяця дали змогу давній людині знайти й визначити одиниці рахунку часу (доба, місяць, рік) і вирахувати настання певних сезонів року, щоб вчасно провести посівні роботи та зібрати врожай.

Спостереження зоряного неба з найдавніших часів формувало людину як мислячу істоту. І якщо орієнтація в просторі й часі за Сонцем, іншими зорями та Місяцем доступна тваринам на рівні рефлексів, то тільки людині властиво пророкувати земні явища за небесними спостереженнями. Здавна люди замислювалися над таємницею походження життя і Всесвіту. Кожна цивілізація створювала свої міфи про виникнення світу і людини. А тепер людство сподівається, що життя існує ще де-небудь окрім Землі. Тому сьогодні проблема існування та пошуку життя у Всесвіті стала ще більш актуальною і хвилюючою.

Як і будь-яка інша наука, астрономія включає ряд розділів, тісно пов’язаних між собою. Вони відрізняються один від одного предметом дослідження, а також методами й засобами пізнання. Розглянемо виникнення й розвиток розділів астрономії в історичному аспекті.

Правильні, наукові дані про Землю як небесне тіло з’явилися в Давній Греції. Александрійський астроном Ератосфен у 240 р. до н. е. досить точно визначив за спостереженнями Сонця розміри земної кулі. З розвитком торгівлі й мореплавства виникла потреба в розробці методів орієнтації, визначенні географічного положення спостерігача, точному вимірюванні часу, виходячи з астрономічних спостережень. Вирішенням цих завдань стала займатися практична астрономія.

Геліоцентрична система світу Міколая Коперника, викладена в праці «Про обіг небесних сфер» (1543 р.), дала ключ до пізнання Всесвіту. Однак століттями вкорінена думка про нерухому Землю як центр Всесвіту довго не поступалася місцем новим прогресивним науковим даним. Остаточно утвердив теорію Коперника, одержавши безперечні докази її істинності, італійський фізик, механік й астроном Галілео Галілей. Астрономічні відкриття Галілей зробив за допомогою найпростішого телескопа. На Місяці вчений побачив гори й кратери, відкрив 4 супутники Юпітера. Виявив зміну фаз Венери, що свідчило про те, що ця планета обертається навколо Сонця, а не навколо Землі.

Сучасник Галілея Йоганн Кеплер (будучи асистентом великого астронома Тихо Браге) одержав доступ до результатів високоточних спостережень планет, що проводилися майже 20 років. Особливо Кеплера зацікавив Марс, у русі якого виявилися значні відступи від усіх колишніх теорій. Після тривалих обчислень ученому вдалося знайти закони руху планет. Ці 3 закони зіграли важливу роль у розвитку знань про будову Сонячної системи. Розділ астрономії, що вивчає рух небесних тіл, одержав назву небесної механіки. Вона дала змогу пояснити й попередньо обчислити з дуже високою точністю майже всі рухи, спостережувані як у Сонячній системі, так і в Галактиці.

В астрономічних спостереженнях використовувалися дедалі удосконаленіші телескопи. Зорову трубу Галілея вдосконалив Кеплер, а потім Крістіан Гюйгенс. Ісаак Ньютон винайшов новий вид телескопа — телескоп-рефлектор. За допомогою модернізованих оптичних приладів було зроблено нові відкриття слабких і далеких зір.

У 1655 р. Гюйгенс розглянув кільця Сатурна й відкрив його супутник Титан. У 1761 р. Ломоносов відкрив атмосферу Венери й провів дослідження комет. Приймаючи за еталон Землю, учені порівнювали її з іншими планетами й супутниками. Так зароджувалася наука планетологія.

Вивчення фізичної природи й хімічного складу зір дало відкриття спектрального аналізу (1859-1862). Детальні дослідження темних ліній у спектрі Сонця, які провів німецький учений Фраунгофер, стали першим кроком до одержання спектральної інформації про небесні тіла. Швидкий розвиток лабораторної спектроскопії та теорії спектрів атомів і йонів на основі квантової механіки привів до розвитку на цій основі фізики зір і, в першу чергу, фізики зоряних атмосфер. У 60-ті рр. XIX ст. спектральний аналіз стає основним методом у вивченні фізичної природи небесних тіл. Розділ астрономії, що вивчає фізичні явища й хімічні процеси, що відбуваються в небесних тілах, їхніх системах у космічному просторі, називають астрофізикою.

Подальший розвиток астрономії пов’язаний з удосконаленням техніки для спостережень. Великих успіхів досягнуто в створенні нових типів приймачів випромінювання різних діапазонів частот. Фотоелектронні примножувачі, електронно-оптичні перетворювачі, методи електронної фотографії та телебачення підвищили точність і чутливість фотометричних спостережень, і це ще більше розширило спектральний діапазон досліджуваних випромінювань. Став доступним для спостережень світ далеких галактик, що перебувають на відстані мільярдів світлових років. Виникли нові напрямки астрономії: зоряна астрономія, космологія й космогонія. Зародженням зоряної астрономії прийнято вважати 1837-1839 рр., коли було отримано перші результати у визначенні відстаней до зір.

Зоряна астрономія вивчає закономірності в просторовому розподілі й русі зір у нашій зоряній системі — Галактиці, досліджує властивості й розподіл інших зоряних систем. Космологія — розділ астрономії, що вивчає походження, будову та еволюцію Всесвіту як єдиного цілого. Висновки космології ґрунтуються на законах фізики й даних спостережливої астрономії, а також на всій системі знань певної епохи. Інтенсивно цей розділ астрономії став розвиватися в першій половині XX ст., після того як Ейнштейн розробив загальну теорію відносності. Космогонія — розділ астрономії, що вивчає походження й розвиток небесних тіл та їхніх систем. Оскільки всі небесні тіла виникають і розвиваються, ідеї про їхні еволюції тісно пов’язані з даними про природу цих тіл. Під час дослідження зір і галактик використовують результати спостережень багатьох подібних об’єктів, що виникають у різний час і перебувають на різних стадіях розвитку. У сучасній космогонії широко застосовуються закони фізики й хімії.

Нагромаджують та обробляють значну кількість інформації про певні об’єкти Всесвіту такі розділи астрономії, як фізика Сонця, фізика планет, фізика зір і туманностей, кометна астрономія, метеорна астрономія, метеоритика. Земля може розглядатися як одна з планет Сонячної системи — у цьому виражається зв’язок астрономії з географією та геофізикою. Рельєф земної кулі, кліматичні та сезонні зміни погоди, магнітні бурі, потепління, льодовикові періоди — для вивчення всіх цих та ще багатьох явищ географи використовують астрономічні знання.

Астрономія перебуває в тісному зв’язку з іншими науками. Знання, які астрономи набули протягом тисячоліть, часто ставали в пригоді представникам інших наук, і, навпаки, досягнення фізики, математики, хімії, космонавтики суттєво вплинули на розвиток астрономії.

Астрономічні дослідження, що проводились у ХХ ст., допомогли астрономам збагнути розлітання галактик, яке свідчить про те, що сам Всесвіт не залишається сталим у часі — він змінює свої параметри. Якщо відстань між галактиками зараз збільшується, то раніше вони розташовувались ближче одна до одної. За допомогою сталої Габбла можна підрахувати, коли всі галактики до початку розширення могли перебувати в одній точці. Моментом початку розширення Всесвіту є Великий Вибух, який пов'язаний із віком T Всесвіту: T = 1/H.

На перший погляд здається, що для побудови теорії еволюції Всесвіту велике значення має визначення місця Великого Вибуху. Якби Великий Вибух був процесом, який нагадує вибух бомби, то можна було б визначити місце цієї події. Насправді розширення Всесвіту включає не тільки розлітання самих галактик відносно космічного простору, а й зміну параметрів самого Всесвіту. Іншими словами, галактики не летять відносно решти Всесвіту, тому що сам Всесвіт теж розширюється. Таким чином, конкретного місця, де стався Великий Вибух, у Всесвіті не існує, так само, як немає центру, від якого віддаляються галактики.

На початку існування кванти мали велику енергію, тому випромінювання відбувалося у високочастотній частині спектра електромагнітних хвиль у гамма-діапазоні. Із часом гамма-кванти втрачали енергію, тому довжина електромагнітних хвиль збільшувалася, і через 10⁵ років після Великого Вибуху максимум випромінювання припадав уже на видиму частину спектра — тоді молодий Всесвіт справді мав вигляд яскравої вогняної кулі та був подібний до вибуху ядерної бомби. Через 10 млн років максимум випромінювання вже розташовувався в інфрачервоній частині спектра, а через 14 млрд років середня температура Всесвіту зменшилася до 2,7 K, тому зараз максимум випромінювання перебуває в радіодіапазоні на хвилі завдовжки 1 мм. Інтенсивність і частота такого випромінювання не залежать від напрямку, і це свідчить про те, що середня температура Всесвіту повсюди однакова. Цікаво, що передбачив існування гарячого раннього Всесвіту ще 60 р. тому уродженець міста Одеси Г. Гамов (США), але зареєстрували ці реліктові електромагнітні хвилі тільки в 1965 р.

Загальна теорія відносності (ЗТВ) — теорія гравітації, опублікована Альбертом Ейнштейном в 1916 році. На відміну від нерелятивістської теорії гравітації Ньютона загальна теорія відносності придатна для опису гравітаційної взаємодії тіл, що рухаються зі швидкостями близькими до швидкості світла. Її також можна застосовувати у випадку сильних гравітаційних полів, що виникають, наприклад, поблизу нейтронних зір та чорних дір. У Сонячній системі ефекти загальної теорії відносності проявляють себе незначними відхиленнями фактичних траєкторій руху планет та інших космічних тіл (у першу чергу Меркурія) від орбіт, розрахованих у межах теорії Ньютона.

Попри існування альтернативних теорій гравітації, загальна теорія відносності є загальноприйнятою в сучасній фізиці. Вона знайшла застосування в фізичній космології, яка пояснює еволюцію Всесвіту. Висновки теорії підтверджені низкою експериментальних спостережень. Однак, на відміну від спеціальної теорії відносності, спроби об'єднання загальної теорії відносності з квантовою механікою з побудовою теорії квантової гравітації досі (станом на квітень 2015) не мали успіху.

До цього дня вчені роблять нові відкриття, які служать черговими доказами загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна. Останнім з таких відкриттів стали спостереження вчених-астрономів з інституту Макса Планка, які вивчали те, як гравітація надмасивної чорної діри, що знаходиться в центрі Чумацького Шляху, спотворює і переломлює світло від зірок, що знаходяться поруч і за чорною дірою щодо Землі. У своїх спостереженнях вчені задіяли інфрачервоні інструменти Gravity, Sinfoni і Naco, які є складовими частинами телескопа Very Large Telescope Європейської південної обсерваторії. Цей телескоп був наведений на центр нашої галактики, туди, де "живе" надмасивна чорна діра Sagittarius A*, оточена групою зірок, що рухаються навколо неї на великій швидкості. Одна із зірок-супутників чорної діри, S2, робить один оборот на 15 земних років, а її найближчий до дірі прохід стався 19 травня 2018 року. В цей час зірка була схильна до максимального впливу гравітаційних сил чорної діри, що дало вченим можливість провести перевірку відразу декількох різних і суперечливих теорій, що мають відношення до гравітації. Інструменти Gravity і Sinfoni використовувалися для вимірювання швидкості і поточного місцезнаходження зірки S2. Ці дані, об'єднані з даними, зібраними в момент попереднього максимального зближення зірки і чорної діри, були зрівняні з прогнозами, розрахованими з точки зору класичної ньютонівської гравітаційної фізики, загальної теорії відносності та інших теорій. І найточніший прогноз, який практично зійшовся з результатами спостережень, забезпечила саме Загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна.

Експериментальна перевірка. Перше підтвердження теорії отримав 1915 року Ейнштейн, пояснивши ефект прецесії перигелію Меркурія без застосування будь-яких інших припущень.

1919 року експерименти Артура Еддінгтона, які засвідчили зсув позиції зірки в процесі сонячного затемнення (Сонце, маючи велику масу, викривило промені світла від зорі, візуально зсунувши її зі звичного місця на небосхилі), підтвердили справедливість теорії.

10 квітня 2019 року команда з 200 вчених з допомогою телескопа Event Horizon сфотографувала ореол чорної діри в центрі галактики М87.

Щоб краще зрозуміти ЗТВ нам потрібно об’єднати 2 факти:

Ейнштейн роздумував над ситуацією з ліфтами і дійшов висновку, що якщо ці два випадки неможливо відрізнити, значить падіння під дією гравітації і є рівномірним рухом. Але як так, адже коли тіла падають, вони набирають швидкість?

Ейнштейн пояснив це так, рівномірним рух є саме в чотирьохвимірному просторі, але при наявності масивних тіл простір-час викривлюється і рівномірний рух проектується в звичний для нас трьохмірний простір у вигляді руху з прискоренням.

Не варто забувати, що в дійсності викривлюється 4 простори, в тому числі і час. Згідно теорії відносності чим сильніша гравітація, тим повільніше протікає час. Цей факт обов’язково враховується при роботі GPS, адже на їх супутниках встановлені найточніші атомні годинники, які йдуть трохи швидше, ніж на Землі. Якщо цей факт не враховувати, то вже через добу похибка координат складе 10 км.

Таким чином, в ЗТВ гравітація – це навіть не сила, а наслідок викривлення просторово-часового континууму.

Космологія (космос і грец. λογos — вчення) — розділ астрономії, в якому вивчають Всесвіт як ціле

Космологічні парадокси — суперечності, які виникають у вічному та безмежному Всесвіті

Існують три найбільш відомі космологічні парадокси: фотометричний, гравітаційний та «теплової смерті» Всесвіту.

Фотометричний парадокс був сформульований 1744 р. швейцарським астрономом Ж. Шезо та доповнений німецьким астрономом І. Ольберсом 1826 р. Коротко суть цього парадокса можна виразити в такому запитанні: «Якщо Всесвіт нескінченний, то чому вночі темно?». Здається, що на це запитання відповісти дуже просто, адже зміну дня і ночі вивчають у початковій школі. Але треба пам'ятати: над нічною поверхнею Землі світить безліч зір безмежного Всесвіту, які випромінюють нескінченну кількість енергії, тому освітлення від зір і галактик має бути не меншим за освітлення, яке створює Сонце. Проте з власного досвіду ми бачимо, що вночі небо набагато темніше, ніж удень. Математики запропонували таку модель Всесвіту, в якій можна спростувати фотометричний парадокс. Всесвіт може бути безмежним, але скінченним.

Ми живемо у тривимірному просторі, і важко уявити собі такий замкнутий Всесвіт, який не має межі, але має скінченний об'єм і, отже, обмежену кількість зір і галактик. У такому Всесвіті немає центру, всі точки в ньому рівноправні й у всіх напрямках простір однорідний. На практиці важко перевірити, у якому просторі мешкають якісь істоти, і дізнатися, чи є простір скінченним. Якщо простір замкнутий, то мандрівник, подорожуючи в одному напрямку, може здійснити навколосвітню подорож і повернутися в точку старту. В історії земної цивілізації першу таку подорож здійснив Маґеллан, який довів, що поверхня Землі є замкнутим двовимірним простором. У тривимірному Всесвіті космонавти ніколи не зможуть завершити таку навколосвітню подорож, тому перевірку можна зробити тільки за допомогою теоретичних міркувань.

Гравітаційний парадокс — космологічна проблема, яка виникає із класичної теорії тяжіння і яку можна сформулювати таким чином: «У нескінченному Всесвіті з евклідовою геометрією і ненульовою середньою густиною речовини гравітаційний потенціал усюди набуває нескінченних значень».

Висновок про теплову смерть Всесвіту був сформульований Р. Клаузіусом 1865 р. на основі другого закону термодинаміки. За цим законом, будь-яка фізична система, що не обмінюється енергією з іншими системами (для Всесвіту в цілому такий обмін, очевидно, виключений), прагне до найбільш вірогідного рівноважного стану — до так званого стану з максимумом ентропії. Такий стан відповідав би тепловій смерті Всесвіту.

Ще до створення сучасної космології були зроблені численні спроби спростувати висновок про теплову смерть Всесвіту. Найбільш відома з них флуктуаційна гіпотеза Л. Больцмана (1872), відповідно до якої Всесвіт одвічно перебуває в рівноважному ізотермічному стані, але за законом випадку то в одному, то в іншому його місці інколи відбуваються відхилення від цього стану; вони відбуваються тим рідше, чим більшу область захоплюють і чим значнішим є ступінь відхилення.