Описание природных явлений на основе механистического подхода

Лекция 2

Успехи механистического подхода для описания явлений природы. Электричество. Давно известный экспериментальный факт электризации тел путём трения можно было объяснить, введя представление о существовании электрических жидкостей двух типов – «положительной» и «отрицательной». Они обычно в телах находятся в равных количествах и компенсируют друг друга, так что тела являются электрически нейтральными.

Развивая это представление, французский учёный Шарль Огюстен де Кулон (1736–1806) вывел закон, описывающий взаимодействие двух заряженных тел и который носит сейчас его имя: F=k×Q×q / R ². Видно, что математическая запись этого закона имеет вид аналогичный закону всемирного тяготения. Это прямо указывает на то, что электрические и астрономические законы имеют одну фундаментальную основу, и подтверждает тезис о единстве мира.

Вывод: механистический подход позволяет корректно описывать электрические явления. Хотя потребовалось ввести две новые субстанции – «положительную» и «отрицательную» электрические жидкости.

Магнетизм. Для описания магнитных явлений была выдвинута аналогичная гипотеза: существует две магнитные жидкости – «северная» и «южная», которые в магнитах разделены и находятся у соответствующих полюсов. Однако экспериментально разделить эти жидкости путём разрезания магнита посередине не удалось. Магниты можно разрезать так на мельчайшие кусочки и всё равно один их край поворачивается на север, а другой – на юг. Приходится делать вывод, что существует только одна магнитная жидкость, но её атомы биполярные?! Это очень странно, поскольку механицизм считает атомы мельчайшими частицами вещества и, следовательно, они не могут иметь структуру.

В своих работах датский учёный Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851), обнаружил, что электрически заряженные и намагниченные тела воздействуют друг на друга, т.е. электрические и магнитные явления связаны между собой. Однако выяснилось, что сила их взаимодействия не описывается законом, подобным закону всемирного тяготения. Сила действует не вдоль прямой, соединяющей тела, а перпендикулярно ей?! Кроме того, сила взаимодействия зависит от скорости перемещения электрических зарядов (силы тока) сложным образом. Зависимости силы от скорости движения тела ранее в механике не наблюдалось.

Близкодействие и дальнодействие. Давно было известно, что для приведения в движение или изменение характера движения тела на него следует подействовать силой. Причём это действие осуществлялось путём соприкосновения, толчка и т.п. Открытие законов Всемирного тяготения и Кулона показало, что сила может воздействовать на тело и без непосредственного контакта с ним. Такое взаимодействие тел описывалось в науке Нового времени с помощью термина «дальнодействие» в противоположность взаимодействию в результате соударения, которое называлось «близкодействие».

Корпускулярная и волновая теории света. Для описания световых явлений И. Ньютон предложил считать свет потоком частиц разных сортов, соответствующих цветам. Образование тени (прямолинейное распространение света), отражение и преломление света хорошо объясняются, если предположить, что свет – поток корпускул (световых атомов), которые испускаются светящимся телом. Механистическое описание света, как потока корпускул вполне удовлетворительное. Но поскольку существует много цветов, следовательно, надо вводить много сортов корпускул – новых субстанций. Можно ли предложить другую теорию?

Открытые в XVII в. явления дифракции (1665, Гримальди), интерференции (1665, Гук), двойного лучепреломления (1670, Эразм Бартолин) не объяснялись корпускулярной теорией света. Поэтому голландский учёный Христиан Гюйгенс (1629–1695) предложил волновую теорию света. Волна – это состояние вещества. Волновое движение создают колеблющиеся атомы, а световые волны распространяются в особой среде – эфире.

Волновое движение подчиняется законам механики и полностью описывается на основе механистического подхода. Волновая теория света стала общепринятой в XIX в., благодаря прежде всего, работам Томаса Юнга (1773–1829) по дифракции и интерференции света и Огюстена Френеля (1788–1827), давшего строгое математическое описание световых явлений в рамках волновой теории.

Энтропия. Понятие об энтропии развивалось в XIX веке и связано, прежде всего, с именем немецкого учёного Людвига Эдуарда Больцмана (1844–1906). Энтропия – это мера вероятности реализовать определенное состояние системы. Чем более упорядочена, организована система, тем ниже вероятность самопроизвольно реализоваться такому её состоянию и, следовательно, тем ниже её энтропия. Наоборот, для разупорядоченных, хаотичных состояний энтропия системы высока.

Принцип возрастания энтропии. Этот принцип, который ещё называют II начало термодинамики, формулируется следующим образом: энтропия замкнутой системы не может уменьшаться (или: в замкнутой системе физические процессы ведут к возрастанию энтропии). Примерами, демонстрирующими действие этого принципа, являются затухание волнения в водоёме, остановка маятника, разрушение со временем построек.

Статистическая закономерность. Законы механики позволяют со сколь угодно высокой точностью определить место положения тела, если известны силы, которые на него действуют, определить другие параметры системы. То есть можно точно узнать, где окажется тело, через какое-то время, или наоборот, где оно было в предыдущие моменты. Естественно ожидать, что механистический подход должен давать такое же точное знание и в других областях науки.

Это представление выражено в следующей фразе французского учёного Пьера Симона де Лапласа (1749–1827): «Состояние Вселенной в данный момент можно рассматривать как результат ее прошлого и как причину ее будущего. Разумное существо, которое в любой момент знало бы все движущие силы природы и взаимное расположение образующих ее существ, могло бы – если бы его разум был достаточно обширен для того, чтобы проанализировать все эти данные, – выразить одним уравнением движение и самых больших тел во Вселенной, и мельчайших атомов. Ничто не осталось бы скрытым от него – оно могло охватить единым взглядом, как прошлое, так и будущее.»

Однако человек не способен сделать этого и современные средства вычислений также не могут ему помочь. По этой причине возникает необходимость в статистическом описании явлений природы. Такое описание используется в молекулярно-кинетической теории газов, при диффузии в газах, жидкостях, твердых телах, при испарении жидкостей. Наука не может назвать скорость и координаты конкретного атома (молекулы) газа, но дает точный ответ о поведении их совокупности (объём, температура, давление газа, скорость диффузии, время испарения жидкости, необходимая для этого теплота и т.д.).

Статистическая закономерность – это форма проявления повторяемости, последовательности или порядка изменений в массовых явлениях под воздействием определенных причин.

Дата добавления: 2014-12-07