Механическая картина мира

Развитие представлений о природе в истории естествознания

Донаучный, или натурфилософский, этап изучения природы охватывает период от античности до становления экспериментального естествознания в XVI – XVII вв. В этот период господствовала натурфилософия: наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов. Наиболее значимой для последующего развития естествознания стала концепция дискретного строения материи – атомизм.

Исходными началами в античном атомизме выступали атомы и пустота. Сущность протекания природных процессов объяснялась на основе механического взаимодействия атомов, их притяжения и отталкивания.

Формирование научного этапа в развитии взглядов на строение материи относится к XVI в. Г. Галилеем (1564-1642) была заложена основа первой в истории науки физической картины мира — механической. Он не просто обосновал гелиоцентрическую систему Н. Коперника и открыл закон инерции, а разработал методологию нового способа описания природы – научно-теоретического. Суть его заключалась в том, что выделялись только некоторые физические и геометрические характеристики, которые становились предметом научного исследования: «Никогда я не стану от внешних тел требовать чего-либо иного, чем величина, фигура, количество и более или менее быстрого движения для того, чтобы объяснить возникновение вкуса, запаха и звука»[5]. Выделение отдельных характеристик объекта позволяло строить теоретические модели и проверять их в условиях научного эксперимента. Естествознание становилось экспериментальным.

И. Ньютон (1643-1727) разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система. В рамках механической картины мира сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц – атомов или корпускул.

Ньютон выдвинул принцип исследования природы, который характеризуют как метод принципов или начал. Эти начала и представляют собой основные законы механики, которые Ньютон сформулировал в своем главном труде «Математические начала натуральной философии».

Первый закон, который называют законом инерции, постулирует: всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

Второй закон движения занимает в механике центральное место.Он показывает, что чем большая сила прилагается к телу, тем большее ускорение, а не просто скорость оно приобретает. Кратко этот закон формулируют как пропорциональность силы ускорению:

F = m*a

Третий закон Ньютона гласит: действию всегда есть равное и противоположно направленное противодействие, иначе взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны, и направлены в противоположные стороны: F₁=-F₂

По Ньютону, знание принципов, управляющих явлениями, не предполагает раскрытия их причин. Так, он всегда подчеркивал, что закон всемирного тяготения устанавливает лишь количественную зависимость силы тяготения от произведения величин тяготеющих масс и квадрата расстояния между ними:

F=g*m₁ *m₂/r²,

где F – сила тяготения, m₁ и m₂ – тяготеющие массы, r - расстояние между ними, а g –постоянная тяготения.

Что же касается причины тяготения, то он считал ее раскрытие делом дальнейших исследований. Открытие универсальной силы гравитации считается подлинным триумфом системы механики Ньютона. Эта сила действует между любыми телами во Вселенной, поэтому сам закон называют законом всемирного тяготения.

Существенной характеристикой ньютоновского мира было трехмерное пространство евклидовой геометрии, которое абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время представлялось как величина, не зависящая ни от пространства, ни от материи.

Движение рассматривалось как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. Считалось, что все физические процессы можно свести к перемещению материальных точек под действием силы тяготения, которая является дальнодействующей.

Итогом ньютоновской картины мира явился образ Вселенной как гигантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий. Отсюда и вера в то, что теоретически можно точно реконструировать любую прошлую ситуацию во Вселенной или предсказать будущее с абсолютной определенностью.

В рамках этой парадигмы были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других, в русле которых физика достигла огромных успехов. Однако были две области — оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рамках механистической картины мира.

И. Ньютон считал свет потоком материальных частиц – корпускул. Он утверждал, что светящиеся тела излучают мельчайшие частицы, которые движутся в согласии с законами механики и вызывают ощущение света, попадая в глаз. Корпускулярная теория объясняла законы отражения и преломления света.

Волновую теорию света сформулировал X. Гюйгенс (1629-95) на основе аналогии между распространением света и движением волн на поверхности воды. Распространение света рассматривалось как распространение колебаний эфира – упругой среды, заполняющей все пространство. Каждая отдельная точка эфира колеблется в вертикальном направлении, а колебания всех точек создают картину волны, которая перемещается в пространстве.X. Гюйгенс опирался на тот факт, что два луча света, пересекаясь, пронизывают друг друга без каких-либо помех подобно двум рядам волн на воде. Согласно же корпускулярной теории, между пучками излученных световых частиц возникали бы столкновения или, по крайней мере, какие-либо возмущения.

Волновая теория успешно объясняла отражение и преломление света.

Как известно, волны обтекают препятствия. А луч света, распространяясь по прямой, на первый взгляд обтекать препятствия не может. Однако при более тонком наблюдении с использованием увеличительных линз, как показал Ф. Гримальди (1618-63), на границах резких теней можно видеть слабые участки освещенности в форме перемежающихся светлых и темных полосок или ореолов. Это явление было названо дифракцией света и стало новым подтверждением волновой теории света. Однако авторитет И. Ньютона был настолько высок, что корпускулярная теория воспринималась безоговорочно.

Однако в начале XIX в. английский физик Т. Юнг (1773-1829) и французский физик О. Ж. Френель (1788-1827) дали объяснение явлению интерференции, т.е. появлению темных полосок при наложении света на свет. При наложении друг на друга цепочек волн в противоположных фазах, где гребень одной волны совмещается с впадиной другой, они уничтожают друг друга, в результате чего появляются темные полосы.

Явления интерференции и дифракции могли быть объяснены только в рамках волновой теории и не поддавались объяснению на основе механической корпускулярной теории света.

Дата добавления: 2015-06-04