Основные принципы механистической картины мира

Классическая механика Ньютона

В своей работе по созданию теоретической механики Ньютон опирался, прежде всего, на открытые Галилеем принцип инерции и закон свободного падения тел.

Однако закон свободного падения тел являлся лишь частным случаем прямолинейного равноускоренного движения тел под воздействием силы тяжести. Ньютон же поставил своей целью найти общий закон движения тел, на которые действуют любые силы, а траектории их могут быть самыми разными. Поскольку движение тела зависит от приложенной к нему силы, а сила - придает телу ускорение, постольку необходимо было найти количественный, математический метод для определения ускорения. Поэтому формирование классической механики и основанной на ней механистической картины мира происходило по двум направлениям:

1)обобщения полученных ранее результатов и, прежде всего, законов движения свободно падающих тел, открытых Галилеем, а также законов движения планет, сформулированных Кеплером;

2)создания методов для количественного, математического анализа механического движения в целом.

Известно, что Ньютон создал свой вариант дифференциального и интегрального исчислений непосредственно для решения основных проблем механики: определения мгновенной скорости как производной от пути по времени и ускорения как производной от скорости по времени, или второй производной, от пути по времени. Благодаря этому ему удалось точно сформулировать основные законы динамики и закон всемирного тяготения. Теперь количественный подход к описанию движения кажется чем - то само собой разумеющимся, но в XVII - XVIII вв. это было крупнейшим завоеванием научной мысли. Для сравнения достаточно отметить, что китайская наука, несмотря на ее несомненные достижения в эмпирических областях (изобретение пороха, бумаги, компаса и др.), так и не смогла подняться до установления количественных закономерностей движения.

Решающую же роль в становлении механики сыграл, как уже отмечалось, экспериментальный метод, который обеспечил возможность проверять все догадки, предположения и гипотезы с помощью тщательно продуманных опытов. Ньютон, как и его предшественники, придавал большое значение наблюдениям и эксперименту, видя в них важнейший критерий для отделения ложных гипотез от истинных. Опираясь на эксперимент, он выдвигает совершенно новый принцип исследования природы, который характеризуют как метод принципов или начал.

«Вывести два или три общих начала движения из явлений и после этого изложить, каким образом свойства и действия всех телесных вещей вытекают из этих явных начал, - было бы очень важным шагом в философии, хотя причины этих начал и не были еще открыты».

Эти начала движения и представляют собой основные законы механики, которые Ньютон точно формулирует 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.

Конечно, в реальных условиях движения полностью освободиться от воздействия внешних сил на тело никогда нельзя. Поэтому закон инерции представляет собой идеализацию, в которой отвлекаются от действительно сложной картины движения и представляют себе картину идеальную, которую можно составить в воображении путем предельного перехода, то есть мысленного уменьшения воздействия на тело внешних сил и перехода к такому состоянию, когда это воздействие станет равным нулю.

Раньше думали, что тело будет сразу же останавливаться после того, как прекратится действие на него силы. Так нам подсказывает интуиция, но она нас обманывает, так как после действия силы тело пройдет еще некоторый путь. Второй основной 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. Ведь в принципе тело, движущееся с постоянной скоростью и прямолинейно, не испытывает действия каких либо сил.

Изменение количества движения пропорционально приложенной действующей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует F=dmv/dt=m*a, где выражение dmv/dt обозначает производную от количества движения, m - массу, a - ускорение. Поскольку в механике масса считается величиной постоянной, то указанная производная характеризует ускорение движущегося тела. Поэтому более кратко этот закон формулируют как равенство, или точнее, пропорциональность силы ускорению: F=m*a

Если обозначить силу, с которой тело притягивается Землей, то есть его вес, через P, а ускорение силы тяжести через g, то получим формулу для выражения веса: P=m*g. Именно этот частный случай движения тел под действием силы тяжести изучал Галилей. Он установил закон, что путь, пройденный телом под действием силы тяжести пропорционален половине квадрата времении не зависит от скорости. Коэффициентом пропорциональности здесь служит ускорение силы тяжести. S=gt²/2

Опыт показывает также, что масса, которая фигурирует в инерциальном движении, или инертная масса, в точности равна массе тела, падающего под воздействием силы тяжести, или тяжелой массе. Однако этот результат в классической механике считался случайным совпадением, и только в общей теории относительности он нашел свое объяснение.

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 В исследовании принципов, или законов движения Ньютон опирался на наблюдения и точные эксперименты, а математические доказательства отличал от экспериментальных доказательств, поскольку последние имеют не строго достоверный, а лишь вероятностный характер. Важно также обратить внимание на то, что знание принципов или законов, управляющих явлениями, не предполагает раскрытия их причин. В этом можно убедиться из оценки Ньютоном закона всемирного тяготения. Он всегда подчеркивал, что этот закон устанавливает лишь количественную зависимость силы тяготения от произведения величин тяготеющих масс и квадрата расстояния между ними. F=g*m₁ *m₂/r², где F обозначает силу тяготения, m₁ и m₂ тяготеющие массы, r - расстояние между ними, а g -постоянную тяготения.

Что же касается причины тяготения, то он считал ее раскрытие делом дальнейших исследований. «Довольно того, что тяготение на самом деле существует и действует согласно изложенным нами законам и вполне достаточно для объяснения всех движений небесных тел и моря», - писал Ньютон.

Открытие универсальной силы гравитации считается подлинным триумфом системы механики Ньютона. Эта сила действует между любыми телами во Вселенной, как бы велики или малы они ни были. Не случайно, поэтому сам закон называют законом всемирного тяготения.

Открытие принципов механики действительно означает подлинно революционный переворот, который связан с переходом от натурфилософских догадок и гипотез о «скрытых» качествах и т.п. спекулятивных измышлениях к точному экспериментальному естествознанию, в котором предположения, гипотезы и теоретические построения проверялись наблюдениями и экспериментами. Поэтому механику как науку не следует отождествлять с механицизмом, то есть со стремлением распространить её понятия и законы на другие процессы и формы движения материи, а тем более, на весь мир в целом. Но именно такое стремление характерно для механистического мировоззрения, сторонники которого рассматривали природу как механизм и поэтому переносили на неё понятия и принципы механики.

Принцип обратимости, или симметрии, времени: поскольку при заданных первоначальных условиях состояние движения механической системы, как в будущем, так и в прошлом зависит только от этих условий, то в уравнениях движения механики знак времени можно менять на обратный. Следовательно, при механическом истолковании этот параметр не отображает процесс реального изменения состояния движущихся тел с течением времени, так что время в механике имеет обратимый характер. Это означает, что направление времени никак не учитывается в механике. Очевидно, что подобное представление является схематизацией и упрощением реальных процессов, поскольку оно абстрагируется от фактических изменений, происходящих с телами с течением времени.

Итак, все состояния механического движения тел по отношению ко времени оказываются в принципе одинаковыми, поскольку время считается обратимым. Как это не покажется удивительным, но такое представление о времени, как простом геометрическом параметре движения, впервые было подвергнуто критике только после того, когда физики стали изучать тепловые процессы в термодинамике, которые имеют ясно выраженный необратимый характер. Ведь тепло передается от нагретого тела к холодному, а не наоборот. Но и впоследствии проблема пересмотра понятия времени в физике не была по-настоящему поставлена, и ученые в своих уравнениях не учитывали направления времени и продолжали считать настоящее одинаковым с прошлым и будущим. В качестве иллюстрации такого подхода можно использовать киноленту, на которой заснято падение камня в воду. Если начать демонстрировать её с конца, то зритель увидит, как камень выскакивает из воды и затем начинает двигаться в воздухе, пока не попадет в руку бросившего его человека. Несмотря на такую парадоксальную картину, представление об обратимости времени прочно укоренилось в физике. Даже в современных физических учениях – теории относительности и квантовой механике - время продолжают рассматривать как простой параметр, знак которого можно менять на обратный. Только в новейших научных исследованиях по неравновесной термодинамике и, особенно в синергетике, такие представления начали подвергаться серьезной критике. Между тем принцип обратимости времени противоречат не только нашим интуитивным представлениям и жизненному опыту, но и результатам исследований биологических и социальных наук систем, которые ясно свидетельствуют об изменении и развитии живых и общественных систем с течением времени.

Принцип механического детерминизма: если точно задать начальное состояние механической системы, то по уравнениям её движения можно точно и однозначно определить все её будущие и прошлые состояния. Этот принцип составляет основу механистического детерминизма.

Все механические процессы подчиняются принципу строгого, или жесткого детерминизма, суть которого состоит в признании возможности точного и однозначного определения состояния механической системы ее предыдущим состоянием.

Согласно этому принципу, случайность целиком исключается из природы. Все в мире строго детерминировано, или определено и задано предшествующими состояниями, событиями и явлениями. При распространении указанного принципа на действия и поведение людей неизбежно приходят к фатализму, то есть вере в фатум, рок, предопределенность судьбы человека.

Сам окружающий нас мир в механистической картине превращается в грандиозную машину, все последующие состояния которой точно и однозначно определяются ее предшествующими состояниями. Такую точку зрения на природу наиболее ясно и образно выразил выдающийся французский ученый XVIII в. Пьер Симон Лаплас (1749 - 1827): «Ум, которому были бы известны для какого-либо данного момента все силы, одушевляющие природу, если бы вдобавок он оказался достаточно обширным, чтобы подчинить все данные анализу, обнял бы в одной формуле движения величайших тел Вселенной наравне с движениями легчайших атомов; не осталось бы ничего, что было бы для него недостоверно, и будущее, так же как и прошедшее предстало бы перед его взором».

Конечно, сам Лаплас, придумавший демона, обладающего указанными способностями, который впоследствии стали называть «демоном Лапласа», хотел показать противоречие между возможностями теоретических предсказаний классической механики и практической их реализацией в действительности. Такие предсказания в механике опираются только на признание детерминистических законов, заключения из которых имеют достоверный, или необходимый характер. Так как в классической механике рассматриваются лишь необходимые связи или отношения между явлениями или событиями, то и законы, управляющие ими, имеют такой же строго необходимый характер. Следствия, или предсказания, полученные из них, считаются вполне однозначными и достоверными. Поэтому в механистической картине мира совершенно исключаются случайные явления. По мнению Лапласа, случайными мы называем такие явления, причины возникновения которых, остаются пока неизвестными. Как только мы познаем их, они станут достоверными и необходимыми. Таким образом, механистическая концепция детерминизма основана на отрицании существования случайных явлений и событий в мире. Конечно, в абстракции можно вообразить мир, в котором действуют только детерминистические законы, но такой мир мало похож на реальный мир, в котором наряду с необходимостью действует также случайность. Чем сложнее и запутаннее явления и процессы, изучаемые такими отраслями естествознания, как биология, физиология и психология, не говоря уже о социальных и гуманитарных науках, тем большую роль играет в них случайность. Поэтому для предсказания случайных массовых явлений необходимо было располагать специфическими приемами и методами их исследования.

Статистические приемы изучения случайных явлений, и вероятностные методы их предсказаний, хотя издавна использовались в страховом деле, демографии и других областях практической деятельности, но в естествознании стали применяться лишь в конце XIX в.

В связи с различием методов предсказания явлений и событий в научном познании стали выделять универсальные законы, подобные законам Ньютона, которые стали называть детерминистическими, а предсказания, основанные на них, достоверными. В отличие от них, предсказания, опирающиеся на законы случая, называют стохастическими (от лат. stochastic – случайный), а предсказания, основанные на них - вероятностными. Термин «индетерминистические законы», который используется в зарубежной литературе для обозначения вероятностно-статистических законов может вызывать возражения с философской точки зрения, ибо он часто ассоциируется с отрицанием порядка и закономерности в природе. На самом же деле он используется для обозначения законов случая, точнее закономерностей случайных массовых явлений или событий. Принцип предсказания, перенесенный из механики в другие науки, нередко называют принципом строгого, «жесткого» или лапласовского, детерминизма, который совершенно игнорирует существование случайных событий. Ясно поэтому, что он не может быть применен вне рамок самой механики.

Отрыв материи от форм её существования: в механике Ньютона пространство и время, как основные формы её существования, совершенно не связаны с движущейся материей, хотя и признается, что она движется в пространстве с течением времени. Грубо говоря, пространство в этой механике рассматривается как простое вместилище движущихся в нем тел, которые не оказывают на них никакого влияния.

В связи с этим Ньютон и вводит понятия абсолютного, или математического, пространства и времени. Такая картина напоминает представления о мире древних атомистов, которые считали, что атомы движутся в пустом пространстве.

Пространство и время в механистической картине мира никак не связаны с движениями тел, поэтому они имеют абсолютный характер. Как мы покажем в дальнейшем, такие представления были подвергнуты резкой критике в теории относительности, которая выявила относительный характер пространства и времени и связь их структуры с движущейся материей, а именно гравитационными полями, образуемыми массами движущихся тел.

Принцип дальнодействия: в механистической картине мира гравитационные силы передаются мгновенно от одного тела к другому, а не от одной точки пространства к последующей, близлежащей точке, как в современной теории поля.

Согласно принципу дальнодействия, гравитационные силы могут передаваться в пустом пространстве с какой угодно скоростью. Такой вывод вытекает из основных понятий и принципов классической механики, которая допускает возможность передачи гравитационных сил в пустом пространстве на любые расстояния. Таким образом, классическая теория гравитации допускает принцип дальнодействия и отрицает существование определенной среды, или гравитационного поля, служащего для передачи гравитационных сил от одной точки к другой, то есть отвергает принцип близкодействия. Но именно этот принцип лежит в основе общей теории относительности, которая вместо пустого пространства классической теории вводит понятия полей тяготения.

Придание законам механики универсального характера. Тот факт, что с помощью экспериментального изучения отдельных явлений ученым, начиная с Галилея, удалось открыть отдельные общие законы, способствовал распространению взгляда, что вся природа устроена просто, а её сложность является лишь кажущейся. Стоит лишь открыть её простейшие законы, как картина природы станет ясной и понятной. Такое представление является исходной посылкой принципа механического редукционизма. «Простейшие явления, изучаемые наукой, - справедливо замечают Пригожин и Стенгерс, - при таких взглядах становятся ключом к пониманию природы в целом». Не удивительно поэтому, что сложность природы при подобном подходе объявляется кажущейся, а существующее разнообразие явлений - сводимой к некоторым универсальным законам, выраженным на точном и едином математическом языке. Галилей, например, заявлял, что природа записана на математическом языке, и понять её способен только тот, кто может расшифровать его с помощью экспериментов. Триумф механистической картины мира, когда умение раскрывать порядок и закономерность в мире, сравнивалось с божественным даром, а создатель механики Ньютон стал национальным героем, во многом способствовали распространению взглядов о простоте мира и сведении сложного к простому.

Дата добавления: 2015-06-28