Сокращение длины

Лекция 5. Неклассическая физика.

Лекция 4. Классическая физическая картина мира.

Концептуальные системы в естествознании. Родственным, но не идентичным понятию «парадигмы», является понятие концептуальная система науки. Подконцептуальнойсистемой науки(КСН)понимаетсяуровень знаний и методов решения основной задачи данной науки, обусловленные степенью развития самой науки и общества в целом.

Парадигма

Старая парадигма → нормальная наука → революция → новая

Главным критерием, посредством которого можно разграничить этапы развития науки, а также уровень практического использования знаний в данном обществе является анализ метода решения основной задачи науки. Например, основной задачей физики (ОЗФ) является изучение различных форм движения и взаимодействия материальных объектов. На разных этапах развития физики эта задача решалась по-разному, в зависимости от вида объектов и характера действующих сил. Так, движение макротел исчерпывающе описывалось законами механики – классической динамики (И.Ньютон) поэтому ее логично обозначить как первую КС физики. По мере расширения круга изучаемых объектов и перехода к континуумам – сплошным средам, содержащим огромное число частиц, - понадобились и новые методы анализа движения: гидродинамический, термодинамический, механико-статистический. В континуумах выявились особые эффекты и явления (диссипация энергии, рост энтропии и др.) Все это вывело решение ОЗФ на качественно новый уровень, который стал следующей КСФ – динамикой континуумов.

N.B! Аналогичную ситуацию можно наблюдать и в химии, основной задачей (ОЗХ) которой является получение материалов с необходимыми свойствами. На начальном этапе эволюции ОЗХ решалась простейшим образом, по схеме:

Состав → свойства,

т.е. набор исходных реагентов однозначно определял характеристики продукта реакции. По мере накопления знаний и развития химической промышленности выяснилось, что свойства продукта реакции зависят и от структуры реагентов. ОЗХ стала решаться по иной схеме:

структура функции

состав свойства

здесь же выяснилось, что структура реагентов определяет и реакционную способность веществ (функцию). Сформировался новый, более высокий концептуальный уровень решения ОЗХ – структурная химия.

Аналогичный подход можно осуществить и в биологических и технологических направлениях естественных наук, что свидетельствует об универсальности описанного метода систематизации естественнонаучных знаний.

Главные особенности формирования концептуальных систем:

1) Все новые КС возникают внутри существующих; они вбирают в себя в преобразованном виде научно-методический багаж предшественницы.

2) При формировании новых КС происходит процесс уплотнения информации на уровне более общих принципов и теорий.

3) Развитие науки в рамках определенной КС происходит, в основном, экстенсивно, путем накопления фактов. Но и внутри КС возможны качественные скачки в уровнях знаний: этот подъем обусловлен интенсивными факторами.

4) Развитие естествознания, как совокупности наук, осуществляется как горизонтально – на каждом из концептуальных уровней, так и путем подъема – от одной КС к другой, более высокой. Это позволяет в определенной степени прогнозировать развитие наук, а также выстроить их в определенную иерархию – по сложности форм движения материи, изучаемых данными науками.

Естественнонаучная картина мира. Как уже говорилось, важнейшей целью всего комплекса наук о природе является создание общенаучной картины мира (ОНКМ). Ядром ОНКМ является естественнонаучная картина мира. Естественнонаучная картина мира (ЕНКМ), есть целостный образ природы, формируемый всем комплексом естественных и технологических наук. Таким образом, ЕНКМ, есть важнейшая форма систематизации наук и научных знаний, и как главная цель развития естествознания, она представляет собой синтетическое целое, выполняющее методологические функции.

Современная модель ЕНКМ складывается из моделей природы, сформировавшихся в отдельных отраслях знаний. В этом смысле говорят о физической, химической, биологической, астрономической и др. картинах мира.

На каждом этапе развития и формирования ЕНКМ приоритетной была частная картина той отрасли науки, которая в тот момент занимала лидирующее положение в естествознании. Фундаментом современного естествознания является физика, поэтому физическая картина мира доминирует в нынешней ЕНКМ.

Многие естествоиспытатели полагают, что целостный образ мира – это синтез физической и биологической картин, поскольку взаимодействие живого и неживого в природе становится определяющим фактором эволюции всего бытия. В перспективе ЕНКМ должна представлять собой единую модель природы, основанную на физических законах, в которых учитывалась бы специфика живого. Базовыми принципами построения современной ЕНКМ являются системность, историчность и глобальный эволюционизм.

Ø Системность предполагает целостный охват изучаемых явлений с учетом свойствэлементов и целого, частных характеристик и системных качеств.

Ø Историчность указывает на принципиальную незавершенность любой научной картины мира – в силу неисчерпаемости процесса познания, безграничных преобразований и превращений материи.

Ø Глобальный эволюционизм указывает на принцип саморазвития всех форм материи как основополагающий, как принцип всего эволюционизирующего Космоса. В соответствии с ним эволюция Вселенной – от Большого взрыва до возникновения человека представляется как единый процесс, а глобальный эволюционизм рассматривается как важнейший объединяющий фактор современной научной картины мира.

Научная картина мира Античности. Исторически первой научной картиной мира была сущностная, предложенная античными мыслителями. Она включала в себя:

Ø Космологическую модель, объясняющую единую основу мироздания, множественность мира и богов, его единство. В этой модели одним из центральных вопросов рассмотрения является вопрос о происхождении или творении мира, его сущности и устройстве.

Ø В мире нет ничего случайного: все предопределено, т.е. свобода воли, или выбор, отсутствует (фатализм), а значит, все происходит по необходимости (по законам). Это подразумевает существование закономерностей как основы гармонии Космоса; Природа, понимаемая как совокупность вещей и энтелехии (причинное воздействие формы на материю) есть гармоничный космос.

Ø Геоцентрическую астрономическую систему, составленную К. Птолемеем на основании культурного наследия древних;

Ø Атомистику (теорию о дискретном строении материи);

Ø Метафизику (философское учение о сущности мира) с ее умозрительным конструированием модели бытии, с сомнениями относительно адекватности философского видения мира самому реальному миру;

Ø Единые и противоположные понятия, которые определяют материальное: теплое – холодное, земля – небо, возникновение – уничтожение, предел – беспредельность, пустота – атомы, анализ – синтез и др.;

Ø Концепцию структурного и семантического, т.е. смыслового единства в описаниях микрокосмоса (мира человека) и макрокосмоса;

Ø Материальный мир является несовершенной копией истинного, идеального мира, сущность которого может быть постигнута лишь умозрением. Такая форма познания называется спекулятивной.

Ø Наши чувства способны воспринимать только качественные состояния и различия, поэтому физическая истина о мире может быть постигнута только разумом.

Ø С точки зрения разума, любое качество суть не что иное, как определенная степень количества единой субстанции. Таким образом, все существующие состояния и процессы природы различаются лишь количественной мерой проявления в них исходной материальной субстанции, стало быть, описание Природы должно быть осуществлено количественным языком.

Ø Результаты исследований античной натурфилософии с эмпирико-чувственным и логико-формальным численным подходами к познанию, вершиной которого явилось энциклопедическое описание Аристотелем живой и неживой природы. Концепция Аристотеля стала вершиной античной натурфилософии. Он стал основоположником первой естественнонаучной революции, в результате которой появились на свет отдельные естественные науки.

Заданные Аристотелем нормы научных знаний, образцы объяснения пользовались в науке непререкаемым авторитетом более 1000 лет, а некоторые, например, законы формальной логики, действуют и в настоящее время.

Научная картина мира Нового Времени. Античные представления сменила механистическая картина мира ХVII – XVIII веков, картина мира эпохи Н.Времени. Вторая глобальная естественнонаучная революция, преобразовавшая все естествознание и проходящая под знаком ньютоновской, представляла собой переход от геоцентризма к гелиоцентризму (а от него – к полицентризму).

Ее основными достижениями можно считать:

Ø натурализм – идею самодостаточности природы, управляемой естественными, природными законами;

Ø причинно-следственный автоматизм – жесткая детерминация всех явлений и процессов в мире естественными причинами, описываемыми с помощью законов механики. Подобный детерминизм (философское учение о причинной определяемости всех происходящих процессов в мире) в первую очередь имел религиозную основу. Бог – создатель Вселенной, следовательно, в мире все определено и предопределено Создателем. Такая картина мира сводила представления о Вселенной к заводным часам, для которых бытие однозначно определяется начальными условиями, и эти условия можно задавать практически точно. В такой Вселенной возможно не только предсказать будущее, но и восстановить прошлое.

Ø механицизм – представление мира в качестве машины, состоящей из элементов разной степени важности и общности.Естественнонаучные достижения, особенно в механике, породили уверенность в том, что любые процессы в мире могут быть управляемы или рассчитаны так же просто, как рассчитываются траектории движения небесных тел.

Ø Противопоставление объекта и субъекта познания. Если Бог создал мир в своей основе рациональным, тогда человек, созданный по образу и подобию божьему, способен познать этот мир. Объекты познания моделируются закрытыми системами (системы без обмена веществом, энергией, информацией с другими системами);

Ø Отказ от абстрактных спекуляций, характерных для античности и средневековья. Главное в познании – факты, а не причины их появления. Методологической основой познания становится редукционизм (сведение сложного к простому), а основным методом познания – индукция (движение от частного к общему);

Ø квантитативизм – универсальный метод количественного сопоставления и оценки всех предметов и явлений мира. Измерения и любая количественная оценка имеют определяющий смысл в познании.

Ø Аналитизм. Примат аналитической деятельности над синтетической в мышлении ученых. Мир с помощью анализа может быть описан математически, как работа часов - механизм;

Ø геометризм – утверждение картины безграничного однородного, описываемого геометрией Евклида и управляемого едиными законами космического универсума;

Ø Гелиоцентрическая система мира. Пространственно-временные координаты имеют качественную однородность; выводятся за пределы системы.

Ø Еще одним важнейшим итогом научной революции нового времени стало соединение умозрительной натурфилософской традиции античности и средневековой науки с ремесленно-технической деятельностью, с производством; теория и практика становятся неразделимы, эксперимент реальный и мысленный – основа познания;

Ø Дифференциация наук. Гуманитарное знание выделяется из общего знания, естественнонаучное рассматривается отдельно.

На рубеже XIX - ХХ в.в. произошла третья научная революция, получившая название «эйнштейновской революции». Третья научная революция случилась в ХIХ - ХХ вв. В это время последовала целая серия блестящих открытий в физике. Их общим мировоззренческим итогом стал сокрушительный удар по базовой предпосылке механистической картины мира – убежденности в том, что с помощью простых сил, действующих между неизменными объектами, можно описать все явления природы. Наиболее значимыми теориями, составившими основу новой парадигмы научного знания, стали теория относительности и квантовая механика.

Ø Теория относительности, новая теория пространства, времени и тяготения, провозгласила, что любое представление, в т.ч. и вся научная картина мира в целом, релятивны, т.е. относительны.

Ø Следовательно, единственно верную, точную картину мира не удастся нарисовать никогда. Любая из таких картин может обладать лишь относительной истинностью. Это верно не только для деталей картины, но и для всей конструкции в целом.

Ø Переосмысление исходных понятий пространства, времени,

причинности, непрерывности и в значительной мере введение их в противоречие со здравым смыслом и интуитивными ожиданиями;

Ø Система мира – полицентрическая.

Ø Квантовая механика, обнаружила неустранимый корпускулярно-волновой дуализм в самом фундаменте материи, а также вероятностный (статистический) характер законов микромира, Понятие вероятности, фигурирующее при описании статистических закономерностей, выражает степень возможности явления или события в конкретной совокупности условий.

Ø Опора в познании на гипотезы, интуицию.

Ø Непринятие жесткого противопоставления субъекта и объекта познания;

Ø Бурный скачок не только в развитии науки, но и в развитии техники; у ученых появились новые, ранее невиданные рычаги познания окружающей действительности (мощные телескопы и микроскопы, компьютеры, космическая техника).

Современная картина мира. Научные революции в физике, химии, биологии позволили сформировать новую научную картину мира. Ее основу составляют концепции, более адекватные идее Единой Природы, поэтому предметом исследования современного естествознания является весь мир в его внутренней сложности, многообразии и единстве. В этой картине наша планета рассматривается как единая система, включающая биосферу и социосферу. Таким образом, предметом естествознания становятся не только сущие, но и эволюционные процессы в живой и неживой природе. Глобальный эволюционизм – это признание невозможности существования Вселенной и всех порождаемых ею менее масштабных систем вне развития, эволюции; эволюционирующий характер Вселенной свидетельствует о принципиальном единстве мира, каждая составная часть которого есть историческое следствие глобального эволюционного процесса, начатого Большим взрывом.

Концепция всеобщей эволюции включает и эволюцию фундаментальных наук в направлении поиска их общего основания.

Отсюда повышение роли дедукции (выведение частного из общего) как метода научного познания, представляющего собой движение от общих закономерностей Вселенной к частным законам Бытия.

Когда в основу познания была положена объективная универсальность Вселенной, стало ясно, что движение, присущее всему Универсуму (лат. - мир как целое), порождает все бесконечноемногообразие мира, исложность объектов в мире.

Наше мышление потому и способно познавать мир, что оно как часть универсума обладает точно такой же способностью к саморазвитию, к самодвижению мысли, какой обладает весь универсум. В итоге оказалось, что выделение гуманитарного знания из общего знания и рассмотрение отдельно взятого естественнонаучного знания противоречит логике устройства единого мира. Концепция стирания граней между естественнонаучными и гуманитарными знаниями, сближает и позиции религиозных и естественных наук.

В науке появились новые объекты - открытые сложные системы, детерминический хаос и др. Все это усилило интерес к античной философии, к вопросам понимания в научном познании.

По словам И.Г.Пригожина «Наш мир – это не молчаливый и однообразный мир часового механизма, покинутый старыми домовыми…. Мы живем в открытом технологическом и творческом мире…, который вновь обретает имевшееся в эпоху античности очарование: тайны автономии, разнообразия, необратимость…Теперь мы открываем, что Природа обладает внутренней сложностью. Поэтому мы должны исследовать предсказуемости как для коротких, так и для продолжительных пространственно-временных промежутков».

Повышение роли системного подхода и рассмотрение объектов познания как открытых термодинамических систем обеспечило возникновение синергетики – науки об организации и самоорганизации диссипативных систем (открытых термодинамических систем, находящихся в неравновесном соотношении со средой).

За последние полвека объем знаний, накопленных человечеством с античного времени, умножился. Современное естествознание характеризуется лавинообразным накоплением нового фактического материала и возникновением множества новых дисциплин на стыках традиционных. В данный момент происходит самоинтеграция любых научных знаний. При этом возрастает роль теоретических исследований, направляющих работу экспериментаторов в области, где обнаружение новых явлений более вероятно. Этому способствует концепция развития различных моделей объектов познания, в том числе кибернетических – с управлением и стабилизацией параметров по принципу отрицательной обратной связи (воздействие результатов функционирования на характер этого функционирования).

Средой для взаимодействия стала виртуальная реальность (кажущийся, умозрительно созданный, материально не существующий мир). Повышение роли концепции виртуальной реальности в обществе обеспечивает создание информационной среды, не только для хранения и для циркуляции информации, но и для коммуникации в ней;

Итак, историческое развитие человечества постоянно сопровождалось развитием науки. Ученые, внесшие свой вклад в развитие науки, были яркими личностями - они сочетали в себе профессиональные качества в своей области с высокой культурой духа. Новые теории строились на основе не только строгого разума, но и высокой степени интуиции. С тех пор прошло уже много времени. Современная наука быстро прогрессирует и научные открытия совершаются на наших глазах. Естествознание сегодня переживает этап нового становления, новой научной революции. «Мы переживаем тот период научной революции, когда конкретной переоценке подвергается место и само существо научного подхода, - период, несколько напоминающий возникновение научного подхода в Древней Греции или его возрождение во времена Галилея» (И.Г.Пригожин).

1.Формирование физической картины мира. Понятие фундаментального закона.

2. Классическая физическая картина мира. Формирование понятия «сила».

3. Термодинамика.

4. Электродинамика.

5. Оптика.

Формирование физической картины мира. В развитии физической картины мира можно выделить четыре этапа: 1) натурфилософский (доклассический) 2) классический 3) неклассический 4) постнеклассический, современный.

Развитие физической картины мира начинается в эпоху Античности. В Древней Греции физика рассматривалась как часть философии и понималась как учение о природе, как натурфилософия. Главным вопросом физики на начальном этапе стал вопрос о первоначале мира. Представители ионийской школы философии (Фалес, Анаксагор, Анаксимен, Гераклит) считали основой мира одну из наблюдаемых материальных субстанций (воду, воздух, огонь и др.). А вот представители атомистической школы (Левкипп, Демокрит) считали, что основу мира составляют не одна, а две субстанции: атомы и пустота. Представители идеалистической школы философии видели основу мира в числах, идеях, формах (Пифагор, Платон, Аристотель).

Для античного периода характерно возникновение и становление геоцентрической системы мира. На обоснование этой системы особенно много сил потратил Клавдий Птолемей и она просуществовала после его смерти чрезвычайно долго – целых 1375 лет, вплоть до опубликования знаменитого труда Н.Коперника, заменившего эту систему на гелиоцентрическую.

Натурфилософское видение мира базировалось на утверждениях:

Натурфилософская физическая картина мира, базировавшаяся на космоцентрической модели мира, представляла собой статическую модель мироздания. Согласно утверждениям Аристотеля, рождение мира произошло в результате Первотолчка, сила которого проявляется постоянно для поддержания движения.

Понятие фундаментального закона природы. Не зная законов природы, древние люди вынуждены были придумывать богов, управляющих различными сторонами человеческой жизни. Были боги любви и войны, солнца, земли и неба, океанов и рек, дождя и грома, землетрясений и вулканов. Считалось, что когда боги были в хорошем настроении, они посылали людям благоприятную погоду, мир, оберегали от стихийных бедствий и болезней. Когда же боги гневались, начинались засухи, мор и эпидемии. Поскольку связь причины и следствия в природе оставалась невидимой для людских глаз, то боги казались им недостижимыми, и люди уповали на их милосердие.

Согласно Аристотелю, Фалес впервые выдвинул идею о том, что мир можно понять, что сложные события вокруг нас можно свести к простым принципам и объяснить, не прибегая к мифологическим или теологическим толкованиям. Принято считать, что Фалес первым предсказал солнечное затмение в 585 г. до н.э., хотя его предсказание получилось точным, вероятно, лишь по счастливой случайности.

Начиная с Фалеса Милетского (ок 625 – 546 до н.э.), т.е. примерно 2600 лет назад, этот взгляд на мир стал меняться. Появилась мысль, что природа подчиняется незыблемым принципам, которые можно расшифровать. Так начался долгий процесс замены понятия о власти богов на концепцию вселенной, управляемой законами природы и созданной по замыслу, который мы когда-нибудь сумеем разгадать.

Ионийская наука с ее попыткой объяснить природные явления, открыть фундаментальные законы – гигантская веха в истории человеческой мысли. Ученые Ионии пытались рационально объяснить те или иные законы природы и во многих случаях пришли к заключениям, удивительно похожим на наши сегодняшние, полученные с помощью иных, усложненных методов.

Считается, что первая математическая формулировка того, что мы могли бы назвать законом природы, принадлежит ионийцу Пифагору (ок. 580 – 490 до н.э.), прославившемуся теоремой, получившей его имя. Считается, что Пифагор открыл численную зависимость между длиной струн музыкального инструмента и гармоническим рядом звуков. С практической точки зрения это объясняет, почему более короткие гитарные струны дают более высокий тон, чем те, которые длиннее.

Вполне вероятно, что это открытие вовсе не принадлежало Пифагору. Тем не менее, эту простую математическую формулу можно считать первым этапом того, что мы сегодня называем теоретической физикой.

Кроме закона Пифагора о струнах в правильном виде древним были известны лишь три закона, установленные Архимедом (ок. 287 – 212 до н.э.), который, несомненно, являлся самым выдающимся физиком Античности: закон рычага, закон плавучести, закон отражения.

В сегодняшней терминологии закон рычага гласит: малая сила может поднять больший вес потому, что рычаг увеличивает силу пропорционально отношению расстояний до точки опоры. Закон плавучести утверждает, что на любой предмет, погруженный в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости. А закон отражения устанавливает, что угол между падающим лучом света и зеркалом равен углу между зеркалом и отраженным лучом. Но Архимед не называл это законами. Как не обосновывал их ссылками на наблюдения и измерения. Вместо этого он относился к ним так, будто это были вполне очевидные математические теоремы типа аксиом, являющиеся частью системы, не требующей доказательств – весьма похожей на ту, что создал Евклид для геометрии.

По мере распространения ионийского влияния появлялись и другие ученые, понимавшие, что во Вселенной есть внутренний порядок, который можно распознать путем наблюдений и умозаключений. Анаксимандр (ок. 610 – ок. 546 до н.э.), друг и, возможно, ученик Фалеса, говорил: поскольку новорожденный человек беспомощен, то если бы первый человек каким-то образом появился на Земле младенцем, он бы не выжил. Своим первым в истории намеком на эволюцию Анаксимандр аргументировал, что люди должны были развиться из других животных, чьи детеныши более приспособлены к жизни.

На Сицилии Эмпедокл (ок. 483/ 84 – между 430 и 420 до н. э.) наблюдал, как используется клепсидра – устройство, иногда применявшееся в качестве черпака. Клепсидра представляет собой сферический сосуд с открытым горлышком и маленькими дырочками в днище. Когда ее погружали в воду, она наполнялась, а если горлышко затем закрывали, то клепсидру можно было вынуть из воды, и при этом вода из дырочек не вытекала. Эмпедокл заметил: если горлышко закрыть перед погружением, то клепсидра не наполняется. Из этого он заключил, что проникновению воды в сферу сквозь дырочки должно препятствовать нечто невидимое. Так он открыл материальную субстанцию, которую мы называем воздухом.

Примерно в это же время Демокрит (ок. 460 – между 380 и 370 до н.э.) из ионийской колонии в Северной Греции обдумывал, что же происходит, когда предмет разбивают или разрезают на части. Он утверждал, что этот процесс невозможно продолжать бесконечно. Демокрит высказал мысль о том, что все, включая живые существа, состоит из простейших частиц, которые более невозможно разрезать или разбить. Эти конечные частицы он назвал атомами – от греческого прилагательного, означающего «неделимый». Демокрит полагал, что любое материальное явление представляет собой результат столкновения атомов. По его теории, названной атомизмом, все атомы перемещаются в пространстве и, если их не трогать, могут двигаться по прямой бесконечно. Сегодня этот закон называют законом инерции.

Эти поразительные упущения вызывали у многих греческих мыслителей столь же глубокое беспокойство, как у многих людей сегодня. Философ Эпикур (371 – 270 до н.э.), например, выступал против атомизма на том основании, что «лучше следовать мифам о богах, чем стать «рабом удела натурфилософов». Аристотель тоже отвергал концепцию атомов, так как не мог допустить, что люди состоят из мертвых, неодушевленных объектов. К тому же Аристотель не допускал существование пустоты.

Революционную мысль, что мы лишь обычные обитатели вселенной, а не особые существа, удостоенные чести находиться в ее центре, первым высказал Аристарх Самосский (ок. 310 – ок. 230 до н.э.), один из последних ученых Ионии. Из его расчетов уцелел лишь сложный геометрический анализ тщательно выполненных им наблюдений за величиной земной тени на Луне во время лунных затмений. Из этих данных Аристарх сделал вывод, что Солнце должно быть намного больше Земли. Возможно, вдохновленный идеей о том, что мелкие объекты должны вращаться вокруг огромных, а не наоборот, он стал первым, кто заявил, что Земля не представляет собой центра нашей планетной системы, а скорее она и прочие планеты вращаются вокруг гораздо более крупного Солнца. От понимания того, что Земля всего лишь одна из планет, оставался только шаг до мысли, что наше Солнце тоже не представляет собой ничего исключительного. Аристарх подозревал, что это именно так, и полагал, что звезды, которые мы видим на ночном небе, в действительности не что иное, как удаленные солнца.

Ученые Ионии были представителями одной из многих философских школ Древней Греции, имевших свои собственные традиции, зачастую противоречившие другим школам. К сожалению, подход ионийской школы к природным явлениям, состоявший в том, что их можно объяснить общими законами и свести к простому набору принципов, имел сильное влияние на протяжении всего лишь нескольких столетий. Одной из причин этого было то, что в ионийских теориях зачастую не находилось места для таких понятий, как «свобода воли» или «предназначение», либо для концепции об участии богов в делах мира. Предположение ионийских ученых, что человек не является центром Вселенной – это веха в нашем понимании космоса, но оно было отброшено и не подхвачено снова еще почти двадцать столетий, вплоть до Галилео Галилея.

Хотя большинство идей древних греков было столь же проницательно, как и некоторые их догадки о природе, в наши дни они не получили бы статуса действительно научных. Поскольку греки не разработали научного метода, их теории строились без расчета на проверку. Поэтому если один ученый утверждал, что атом движется по прямой, пока не столкнется с другим атомом, а другой ученый утверждал, что атом движется по прямой, пока не ударится в циклопа, то не было объективного пути уладить их спор. Не было также и четкого различия между физическими законами и законами человеческого существования. В V в. до н.э., например, Анаксимандр писал, что все сущее происходит из первовещества и возвращается в него так же, чтобы «заплатить «штраф и понести наказание за свои злодеяния». А ионийский философ Гераклит (ок. 540 – ок. 480 до н.э.) считал, что Солнце ведет себя так, а не иначе, потому что оно боится наказания богини справедливости. Несколько столетий спустя стоики (приверженцы греческой философской школы, возникшей примерно в III в. до н.э.) наконец провели границу между законами природы и нормами поведения людей, но к законам природы они отнесли и те нормы поведения людей, которые считали универсальными, например, поклонение богам и послушание родителям. И наоборот, они часто описывали физические процессы юридическими терминами и полагали, что к исполнению физических законов следует принуждать, даже если объекты, которые должны подчиняться законам, являются неодушевленными. Если людей трудно заставить соблюдать правила дорожного движения, то представьте себе, каково это – убедить астероид двигаться по эллипсу.

Понимание, что законам природы нужно осознанно повиноваться, отражает сосредоточенность древних мыслителей на том, почему природа ведет себя именно таким образом, как это имеет место быть, а не на том, как она себя ведет. Аристотель, отвергавший идею о науке, основанной преимущественно на наблюдении, был одним из главных сторонников такого подхода. В любом случае выполнение точных измерений и математических расчетов в древности было затруднительным. Позиционная десятичная система счисления, которую мы полагаем весьма удобной для арифметических вычислений, появилась только около 700 года, когда индийцы сделали первые значительные шаги в превращении этого способа в мощный инструмент. До ХV века не было математических знаков плюс и минус. А знака равенства и часов, способных измерять время с точностью до секунды, не существовало вплоть до ХVI века.

Однако Аристотель в измерениях и расчетах не видел препятствий для развития физики, которая могла бы давать количественные прогнозы. Скорее, он не считал нужным производить их. Вместо этого Аристотель построил свою физику на принципах, привлекавших его интеллектуально. Он отбрасывал те факты, которые считал маловажными, и сосредотачивал свои усилия на причинах, в силу которых что-либо происходит, не уделяя достаточного внимания детальному выяснению того, что же именно происходит. Аристотель уточнял свои умозаключения только тогда, когда их вопиющее несоответствие наблюдениям уже нельзя было игнорировать. Но эти уточнения зачастую были объяснениями для какого-либо конкретного случая, позволявшими лишь сгладить противоречие. Таким образом, как бы сильно его теория ни отклонялась от реальности, в каждом отдельном случае он мог изменит ее настолько, чтобы создать видимость отсутствия конфликта.

Например, его теория движения утверждала, что тяжелые тела падают с постоянной скоростью, пропорциональной их весу. Чтобы объяснить этот факт, что тела по мере падения явно набирают скорость, он придумал новый принцип, согласно которому тела, по мере того как они приближаются к своему естественному месту покоя, движутся более радостно и потому ускоряются. Сегодня подобный принцип выглядит более подходящим для описания людей, чем неодушевленных объектов.

Хотя теории Аристотеля зачастую имели малую ценность для предсказаний, его подход к науке господствовал в западном мышлении почти две тысячи лет.

Христианские преемники греков отвергли мысль о том, что Вселенная управляется бездушными законами природы, а также то, что люди не занимают привилегированного места во Вселенной. И хотя в Средние века не было единой стройной философской системы, считалось, что Вселенная – это игрушечный домик Бога, а религия гораздо более достойна изучения, чем природные явления. И в самом деле, в 1277 г. епископ Парижский Темпье, действуя по указанию папы Римского Иоанна ХХI, обнародовал список 219 заблуждений, или ересей, которые подлежали осуждению. Среди них была мысль и о том, что природа подчиняется своим законам. В список она попала за то, что противоречила суждению о всемогуществе Бога. Любопытно, что несколько месяцев спустя Иоанн ХХI погиб из-за действия закона тяготения – на него обрушилась крыша его дворца.

Но эта традиция на протяжении еще многих столетий продолжала оказывать влияние на мыслителей, пришедших на смену грекам. В ХIII в. христианский философ Фома Аквинский (ок. 1225 – 1274) принял такую же точку зрения и использовал ее для доказательства бытия Бога. Он писал: «Все в природе движется к своей конечной цели не случайно, а по какому-то намерению… и стало быть, имеется разумное существо, которое направляет все, что есть в природе, к конечной цели…». Даже уже в ХVI в. великий немецкий астроном Иоганн Кеплер все еще полагал, что планеты способны воспринимать смысл и осознанно следуют законам движения, которые были усвоены их «умом». Кеплер был, пожалуй, первым ученым, понимавшим этот термин «закон природы» в его современном значении, хотя он придерживался анимистического взгляда на физические объекты, т.е. верил в их одушевленность.

Галилео Галилей (1564 – 1642) в большинстве своих научных работ не использовал термин «закон» (хотя он появляется в некоторых переводах его трудов), но независимо от этого он открыл множество законов и отстаивал важные принципы, считая, что наблюдения составляют основу науки и что ее цель – исследование количественных отношений, существующих между физическими явлениями.

Рене Декарт (1596 — 1650) был первым, кто четко и строго сформулировал понятие законов природы в нашем нынешнем представлении. Декарт полагал, что все физические явления следует объяснять в терминах столкновения движущихся масс, управляемых тремя законами – предтечами знаменитых ньютоновских законов движения. Он утверждал, что эти законы природы действуют всегда и везде, и категорично заявлял, что подчинение им не предполагает наличие разума у этих движущихся масс.

Декарт также понял важность того, что мы сегодня называем начальными условиями. Они описывают состояние системы в начале какого-то интервала времени, на который намереваются сделать прогноз. При данном наборе начальных условий законы природы определяют, как система будет развиваться во времени, а вот без определенного набора начальных условий развитие предсказать невозможно. Чтобы применять физические законы, нужно знать, с чего система стартовала, или, по крайней мере, ее состояние в определенное время (законы могут быть использованы и для прослеживания системы обратно во времени).

Если, например, в нулевой момент времени голубь прямо у вас над головой кое-что роняет, путь этого падающего объекта определяется законами Ньютона. Но результат будет совершенно разным в зависимости от того, сидел ли голубь в нулевой момент времени на телефонном проводе, или летел со скоростью 20 км в час.

С возобновленной верой в существование законов природы появились и новые попытки примирить эти попытки с понятием о Боге. Согласно Декарту, Бог может по своей воле изменить истинность или ложность этических суждений или математических теорем, но не природу. Декарт полагал, что Бог установил законы природы, но не имел возможности их выбирать. Он взял их потому, что законы, которые мы ощущаем, являются единственно возможными. Такой подход мог показаться ущемлением могущества бога, но Декарт обошел и это, заявив, что законы нельзя изменить, потому что они – отражение внутренней природы Бога. Если это так, то можно было бы подумать, что Бог все-таки имел возможность сотворить множество различных миров, каждому из которых соответствовал бы собственный набор начальных условий. Но Декарт отверг и это. Независимо от того, каким было состояние материи при зарождении Вселенной, утверждал он, с течением времени образовался бы мир, идентичный нашему. Более того, Декарт понимал, что как только Бог привел мир в движение, то сразу же предоставил его самому себе.

Подобную позицию разделял и английский физик и математик Исаак Ньютон (1643 – 1727), хотя и с некоторыми оговорками. В противовес мнению Декарта Ньютон верил, что Бог должен быть способен приостановить действие законов, чтобы совершать чудеса. Он считал, что орбиты планет должны быть нестабильны, поскольку гравитационное притяжение одной планеты к другой влечет за собой искажение орбит, которое со временем будет увеличиваться и приведет к тому, что планеты либо упадут на Солнце, либо улетят из Солнечной системы. Он полагал, что Бог должен поправлять орбиты – «заводить небесные часы, чтобы они шли без остановки». Однако французский математик и астроном Пьер Симон маркиз де Лаплас (1749 – 1827), более известный как просто Лаплас, утверждал, что подобные деформации орбит должны быть периодическими, т.е. проходить в виде повторяющихся циклов, а не накапливаться. Таким образом, солнечная система способна сама перезапускаться и нет нужды в божественном вмешательстве для объяснения, почему она сохранилась по сей день.

Современное представление о законах природы появилось лишь в ХVII веке, когда сформировалась классическая физика.

Считается, что именно Лаплас первым четко сформулировал принцип научного детерминизма; учитывая состояние Вселенной в некое время, полный набор законов определяет как будущее, так и прошлое. Это исключало возможность чудес и активную роль бога. Принцип научного детерминизма, сформулированный Лапласом, служит основанием всей современной науки. Научный закон не является таковым, если он выполняется только до тех пор, пока решит вмешаться какое-нибудь сверхъестественное существо. Однако многие, признавая, что физические процессы подчиняются принципу научного детерминизма, делают исключение для человеческого поведения, поскольку верят, что мы обладаем свободой воли.

Декарт, например, чтобы сохранить идею о свободе воли, заявил, что человеческий разум – это нечто отличное от физического мира и не подчиняется его законам. Тело – это не что иное, как механизм, а вот душа не является предметом, имеющим отношение к научным законам. Декарт очень интересовался анатомией и психологией и считал вместилищем души крошечный орган в мозге – эпифиз, или шишковидную железу. Он полагал, что именно в нем формируются наши мысли, а значит, он и есть источник свободы воли.

Хотя мы думаем, что способны делать осознанный выбор, наши познания в области молекулярных основ биологии свидетельствуют, что биологические процессы подчиняются законам физики и химии, а потому столь же детерминированы, как и орбиты планет. Недавние эксперименты в области неврологии подтверждают мнение о том, что наши поступки определяются нашим мозгом, который подчиняется известным научным законам, а не какой-то силе, существующей вне этих законов. Например, наблюдения за пациентами с поражением головного мозга показали, что путем электростимуляции соответствующих участков мозга можно вызвать у больного желание сделать движение кистью руки, плечом, ступней или открыть рот и что-то сказать. Трудно представить себе, как может проявляться сила воли, если наше поведение определяется физическими законами. Поэтому, похоже, мы представляем собой нечто иное, как биологические машины, а свобода воли просто иллюзия.

Если считать, будто поведение людей действительно подчиняется законам природы, то кажется разумным следующий вывод: результат определяется столь сложно и со столь многими вариациями, что делать какие-либо прогнозы практически невозможно. Для этого нужно знать начальное состояние каждой из тысячи триллионов триллионов молекул человеческого тела и решить такое же количество уравнений для каждой из них. Это займет не один миллиард лет, и мы несколько запоздаем уклониться от удара, который намеревается нанести рядом стоящий человек.

Поскольку крайне непрактично использовать для предсказания человеческого поведения основополагающие физические законы, мы придерживаемся так называемой эффективной теории. Эффективная теория в физике – это каркас, созданный, чтобы моделировать определенные наблюдаемые явления, не описывая в деталях лежащие в их основе процессы. Например, мы не можем точно решить уравнения, управляющие гравитационными взаимодействиями каждого атома в человеческом теле с каждым атомом Земли. Но для всех практических целей гравитационное взаимодействие человека с Землей можно описать всего лишь несколькими числами – например, числом, определяющим массу человека.

Мы также не можем решить уравнения, определяющие поведение сложных атомов и молекул, но мы разработали эффективную теорию под названием химия, которая дает нам достаточно полное объяснение того, как атомы и молекулы ведут себя в химических реакциях, без рассмотрения всех подробностей взаимодействия.

Поскольку мы не можем решить уравнения, определяющие наше поведение, то применительно к человеку мы пользуемся эффективной теорией о том, что люди обладают свободой воли. Изучением нашей воли и зависящего от нее поведения занимается наука психология.

Экономика – это тоже эффективная теория, основанная на понятии «свобода воли» и предположения о том, что люди оценивают возможные альтернативные способы действия и выбирают наилучший. Эта эффективная теория не всегда может предсказать поведение системы, потому что, как известно, решения зачастую нерациональны или основаны на ошибочном анализе последствий нашего выбора. Вот почему в мире такой хаос.

Классическая физическая картина мира. Сущностная картина мира Античности оставалась основой для естествознания на протяжении почти двух тысяч лет, до XVI в. Лишь в эпоху Возрождения началась ее систематическая критика, подготовившая вторую естественнонаучную революцию. Последнюю же относят к периоду становления классического естествознания. Ее исходным пунктом считается переход от геоцентрической модели мира к гелиоцентрической.

Первый серьезный вызов Аристотелевой физике был сделан в области астрономии. Он начался с критики птолемеевской модели Вселенной. Польский философ и ученый Николай Коперник (1473 – 1543)высказал первые идеи гелиоцентризма еще в 1507 году в работе «Малый комментарий». Полностью свою систему он изложил в 1543 г. в работе «Об обращениях небесных сфер». Согласно его взгляду, в центре мира находится неподвижное солнце, вокруг солнца по круговым орбитам равномерно движутся планеты. На огромном расстоянии от планетной системы располагается сфера звезд. Наблюдаемые движения небесных тел являются следствием, как их собственного движения, так и перемещения Земли, осуществляющей годовое вращение вокруг солнца и суточное вращение вокруг своей оси. По мнению Коперника, вселенная конечна и ограничивается планетарной системой.

Коперник работал над созданием своей концепции 30 лет, и книга вышла незадолго до его смерти. Эта система позволила объяснить смену времен года, с высокой точностью определить расстояния от планет до Солнца, объяснить все видимые перемещения Солнца и планет по небосводу и т.п. на ее основе была проведена реформа календаря, и в 1582 году на смену юлианскому календарю пришел григорианский.

Однако скоро гелиоцентрическая система была объявлена противоречащей христианскому мировоззрению, а фундаментальный труд Коперника попал в реестр запрещенных книг. Тем не менее, несмотря на запреты, создание гелиоцентрической системы дало значительный импульс к началу научной революции.

В мировоззренческом смысле система Коперника знаменовала собой освобождение науки от теологии. Этому способствовала и концепция двойственности истины (признание права на существование «естественного разума» наряду с верой, основанной на откровении), которая устранила противоречия между теологией и наукой.

Сформулированные Коперником постулаты о движении небесных светил вокруг солнца потребовали внести изменения в физику Аристотеля, где признавалась потенциальная бесконечность (бесконечная делимость), но была приемлема актуальная бесконечность (бесконечность большого тела).

Развитие идей о бесконечности Вселенной продолжил Николай Кузанский (1601 – 1604), первым предложивший отказаться от идеи конечной вселенной, и рассматривать каждую звезду как отдельный мир, населенный собственными жителями. По его мнению, у Вселенной нет центра, она потенциально бесконечна.

Неаполитанский монах Джордано Бруно (1548 – 1600) делает следующий шаг в развитии представлений о Вселенной. Для нас представляет интерес сочинение Бруно “О бесконечности вселенной и мирах”, где часто цитируется Николай Кузанский. Но прославила Бруно концепция множественности обитаемых миров. Именно идея “инопланетян” привела Николая Кузанского и Джордано Бруно к неизвестной даже античным атомистам - Демокриту, Эпикуру и Лукрецию - идее, что каждая звезда является тем отдельным миром, о бесчисленном множестве которых говорили атомисты.

У Демокрита идея множества миров сводилась к идее множества вселенных, так или иначе напоминавших нашу; при этом у Демокрита не было никаких сомнений в том, что все звезды расположены на одной сфере. Взвесив все это, можно утверждать, что Николай Кузанский и Джордано Бруно были первыми мыслителями, предложившими отказаться от античных представлений о сфере звезд как едином космическом теле. Разница между Николаем Кузанским и Джордано Бруно состоит в том, что Николай Кузанский не решался открыто критиковать Аристотеля, в то время как Бруно не стеснялся в выражениях. Кроме того, Николай Кузанский ничего не знал о гелиоцентризме, а Бруно был протагонистом системы Коперника.

Бруно тоже не согласился с выводом о конечности и универсальности нашей Вселенной, заявив, что она бесконечна актуально, а мир и Бог – одно и то же. Впоследствии то, что у Николая Кузанского и Джордано Бруно было лишь гениальной догадкой, обрело четкость математического доказательства у Рене Декарта.

Итальянский естествоиспытатель Галилео Галилей, сравнивая в своем труде достоинства и недостатки геоцентрической и гелиоцентрической систем, подводит к выводу о правоте Коперника. Опровергая аргументы Птолемея, направленные против утверждения о вращении Земли, Галилей приходит к открытию закона инерции и механического принципа относительности. Открытием закона инерции было опровергнуто многовековое заблуждение Аристотеляо необходимости постоянной силы для поддержания равномерного движения.

К инерциальным системам отсчета относятся покоящиеся (неподвижные) системы и системы, которые движутся относительно неподвижных равномерно и прямолинейно. (Система отсчета называется неинерциальной, если она движется с ускорением относительно выбранной ИСО.)

Согласно принципу инерции, когда тело двигается по горизонтальной плоскости, не встречая никаких сопротивлений движению, движение его является равномерным и продолжалось бы постоянно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца. Оказалось, что прямолинейное и равномерное движение, равно как и покой, может существовать при отсутствии всяких сил. Это имело огромное, не только чисто научное, но и мировоззренческое значение.

Принцип относительности гласил, что в инерциальных системах отсчета все законы механики одинаковы и нет возможности, находясь внутри, определить, движется она прямолинейно и равномерно или покоится. Согласно принципу относительности законы механики, справедливые в одной системе координат, справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой. Равноправность таких систем Галилей доказывал различными опытами и логическими рассуждениями.

Это означает, что во всех инерциальных системах отсчета физические явления происходят одинаково, они инвариантны. Поэтому при переходе от одной инерциальной системы к другойсохраняется или п ринцип сохранения скоростей, и временных и пространственных интервалов, так называемое Галилеево преобразование. Формулировкой ряда фундаментальных принципов классической механики Галилеем были заложены основы классической физики.

Галилей одновременно первый ученый, посмотревший на небо через телескоп (perspicillium). Он сделал много открытий, обогативших астрономию (спутники Юпитера, горы на Луне, пятна на Солнце, кольца Сатурна, вспышка сверхновой), доказывая необходимость применения теории вкупе с практикой, что стало основой научного метода. По его мнению, эксперимент – мысленный и реальный – основа исследовательской деятельности.

Стремясь опровергнуть Коперника, датский астроном Тихо Браге (1546 – 1601) строит свои звездные таблицы, более точные, чем у Птолемея. А немецкий астроном и математик Иоганн Кеплер (1571 – 1630), используя их, открывает свои знаменитые законы движения планет вокруг Солнца. Им было осуществлено математическое уточнение положений гелиоцентрической системы. Результаты своего поиска Кеплер изложил в работах «Новая, изыскивающая причины астрономия, или физика неба» и «Гармония мира». Интересно, что в основе научных исследований Кеплера лежала религиозная идея поиска числовой гармонии Вселенной, в которой, по мнению великого немецкого ученого, должен был выразиться замысел Творца. Законы Кеплера указывали на то, что движение планет определяется Солнцем, при этом действует единая сила, которая может быть выражена точным математическим законом. Сила, влияющая на движение планет, обратно пропорциональна расстоянию от Солнца.

Закономерности движения планет Кеплер сформулировал в виде трех законов. Согласно первому закону формы орбит, по которым движутся планеты, являются эллиптическими, а не круговыми. Второй закон утверждал неравномерность движения планет по орбитам: чем дальше планета от Солнца, тем меньше ее скорость. Третий закон говорил о том, что квадраты времен движения планет вокруг Солнца относятся друг к другу как кубы средних расстояний этих планет от Солнца. Уточнив закономерности движения планет, Кеплер математически подтвердил положения гелиоцентрической системы.

Французский философ и математик Рене Декарт — родоначальник оригинального направления в физике и философии, наиболее популярный ученый XVII в. развил принципиально новые представления о движении. Огромной заслугой Декарта стало создание рационалистической методологии научного познания, основы которой он изложил в «Рассуждении о методе» (1637). Он построил универсальную картину мира, в основе которой лежала идея природы как совокупности взаимодействующих вещественных частиц. Согласно Декарту, Вселенная заполнена движущейся материей. Все явления природы обусловлены различными формами движения материи.

Эксперименты Галилея и философско-методологические принципы Декарта стали базисом классического естествознания, основы которого были изложены Ньютоном в классической механике. Ньютон соединил механистическую философию Р.Декарта, законы Кеплера о движении планет и законы Галилея о земном движении, сведя их в единую всеобъемлющую теорию, став великим систематизатором второй естественнонаучной революции.

Используя математический аппарат созданной им новой физической теории, Ньютон впервые создал единую механику всех земных и небесных тел, с общими для всех законами. Ньютоновская система описания Вселенной покоится на трех китах:

1. исчисление бесконечно малых (на современном языке — математический анализ);

2. законы динамики;

3. закон всемирного тяготения.

Первый закон динамики гласит, что тело, на которое не действуют другие тела, движется прямолинейно и равномерно. Движение, по Ньютону, можно описывать лишь относительно инерциальной системы отсчета,в которой тело при отсутствии внешних воздействий движется равномерно и прямолинейно. Однако любая реальнаясистема отсчета не является инерциальной, что проявляется в возникновении сил инерции, для которых невозможно указать порождающий их источник. Способность тела сопротивляться воздействию на него сил называют инертностью, поэтому первый закон динамики называют законом инерции.

Согласно второму закону динамики, если на тело действуют другие тела с силой F, то оно приобретает ускорение, пропорциональное F и обратно пропорциональное своей массе;

Третий закон динамики гласит, что силы, с которыми тела действуют друг на друга, равны по модулю, противоположны по направлению и действуют вдоль прямой, соединяющей эти тела («действие равно противодействию»). Таким образом, Ньютон приходит к выводу, что всякое действие тел друг на друга носит характер взаимодействия.

Система законов движения была дополнена открытым Ньютоном законом всемирного тяготения:

M₁m₂

F = G

R²

где F - сила тяготения, G - гравитационная постоянная, M₁m₂ – массы взаимодействующих тел, а R – расстояние между ними).

Предположив, что закон тяготения справедлив в масштабах всей Вселенной, Ньютон пришел к выводу, что лишь в бесконечной Вселенной материя может существовать в виде множества небесных тел. В конечной же Вселенной все они рано или поздно слились бы в единое тело в центре мира.

Сформулированные Ньютоном законы имели фундаментальное значение, поскольку первый и второй законы динамики окончательно опровергли учение Аристотеля о силе и движении. Благодаря своим трем законам движения и закону тяготения с помощью специально созданного им метода – математического анализа – Ньютон предельно ясно объяснил, что для поддержания движения сила не нужна, поскольку мир развивается по инерции.

Во-вторых, законы динамики (главным образом, второй закон) позволяли поставить математическую задачу о вычислении траектории тела. Таким образом, Ньютон обеспечил современному понятию научного закона повсеместное восприятие.

В-третьих, они легли в основу механики как науки. Создав с помощью закона гравитации динамическую модель мироздания, Ньютон заложил основу научной космологии.

Те немногие уравнения, которые он разработал, и детально развитая нами впоследствии на их основе математическая структура до сих пор преподаются и широко используются – неважно, проектирует ли здание архитектор, конструирует ли автомобиль инженер или выполняет расчеты полета ракеты на Марс физик. Его законы используется для расчета орбит Земли, Луны и планет и объясняют такие явления, как приливы.

Формирование понятия «сила». Начало физики мы ведем с Древней Греции, здесь и первые истоки понятия силы. У древних силы природы — это то, что обусловливает явления природы и управляет ими. Сила трактовалась как склонность тела к определенным действиям, присущее ему естественное свойство. Природа наделила этим свойством все тела. Поскольку всякое тело Вселенной наделено силой, то всегда предопределен характер его действия, его поведения.

Здесь уместна аналогия: тело — телега, сила — лошадь. Куда пойдет лошадь, туда будет двигаться и телега. Это весьма общий взгляд, не имеющий физической конкретизации. Он сохранялся до эпохи Возрождения.

Галилей конкретизировал понятие силы: в механическом движении сила есть причина ускорения тела. Он понимал, что всякое тело, не взаимодействующее с другими телами, должно двигаться равномерно и прямолинейно. Сила — действие на данное тело какой-то причины, вызывающей изменение скорости тела. Пример — ускорение тела при свободном падении. Галилей пишет: «Тяжесть есть постоянно действующая сила и, следовательно, вызывает в каждый равный элемент времени равное приращение скорости, и движение становится равномерно ускоренным».

В «Математических началах натуральной философии» Ньютон развивает и уточняет мысль Галилея. По мнению Рене Декарта, не существует никаких сил, кроме силы удара. Тогда сила возникает при соприкосновении тел, механическим путем, таким образом, все изменения в Универсуме сводятся к простому перемещению вещества.

Сила, по Ньютону,— причина изменения количества движения тела. Второй закон динамики в формулировке Ньютона дает строгую механическую трактовку понятия силы: сила есть действие на тело какой-то причины, вызывающей изменение количества движения тела; при этом увеличение или уменьшение количества движения пропорционально силе. Причиной изменения количества движения тела может быть толчок, удар.

Второй закон динамики Ньютона раскрывает еще одну грань понятия силы: сила может быть не только причиной, но и следствием изменения количества движения тела. У Ньютона понятие силы впервые получает количественную определенность: силу можно измерить по изменению количества движения тела. В частном случае, если масса тела остается неизменной, сила измеряется по ускорению, которое приобретает тело.

В противовес мнению Декарта, Ньютон утверждал, что сила может возникнуть и в том случае, когда тела удалены друг от друга. Так действуют сила тяготения, электрическая сила, магнитная сила.

Например, в случае падения электромагнитного излучения на препятствие, последнее испытывает действие силы давления. Давление электромагнитного излучения является следствием изменения импульса (количества движения) фотонов. Аналогично давление газа на стенки сосуда есть следствие изменения импульсов молекул газа при столкновении со стенками. Но это стало ясно лишь в настоящее время.

Механистическая картина мира. Идеи И.Ньютона, опиравшиеся на математику, физику и эксперимент, определили направление развития естествознания на многие десятилетия вперед, поэтому эта научная революция получила название «ньютоновской». В результате в XVIII веке механика выделяется в отдельную развитую науку, обладающую беспрецедентной до тех пор предсказательной силой. Механика Ньютона становится основой новой физической картины мира – механистической – картины мира классической науки, возникшей в области макродинамики. К рубежу XVIII и XIX вв. ученое сообщество считало, что механика Ньютона практически полностью сняла все проблемы научной картины мира, поскольку «систему мира можно создать один раз».

Перечислим ее основные элементы:

Представления о материи. Материей считалось вещество (материальные тела). Вещество состоит из дискретных неделимых частиц — атомов, — вечных и неизменных. Из неизменности атомов следует неизменность таких свойств тел, как, например, масса.

Представления о движении. Мир — это движущаяся материя. Предшественник Ньютона Р. Декарт говорил: дайте мне материю и движение, и я построю мир. Однако движение понималось лишь в смысле механического перемещения тел и частиц. Все другие виды движения сводились к механическому, их специфика не признавалась. Допускалась возможность перемещения со сколь угодно большой скоростью.

Представления о пространстве и времени. В поисках идеальной системы отсчета Ньютон выдвигает идею Абсолютного пространства – бесконечной однородной протяженности – и Абсолютного времени – бесконечной однородной длительности, – которые находятся вне тел и не зависят от них. По Ньютону, Абсолютные пространство и время — это то, что останется в мире, если удалить из него материю, то есть пустота, вместилище материи, и чистая длительность, не связанная ни с какими материальными процессами и телами.

Представления о причинности и закономерности (детерминизм). Согласно принципу причинности, каждое явление имеет предшествующую ему причину. Пример — второй закон Ньютона: причиной изменения движения является сила. Кроме того, уравнения механики говорили, что следствие из причины вытекает однозначно.

Космологические представления. Ньютон полагал, что Вселенная бесконечна в пространстве и во времени и заполнена бесконечным числом звезд, вокруг которых вечно кружатся планеты. Позднее появилась гипотеза Канта-Лапласа о происхожденииСолнечной системы из газопылевого облака. Однако идея эволюции, движущая сила которой заключена в самой материи, еще не была принята. Господствовало ньютоновское представление, что первый толчок Вселенной сообщил бог, предоставивший затем телам двигаться в соответствии с законами механики.

Окончательное оформление исторически первая естественнонаучная картина мира получила к концу XVIII в., когда в результате трудов блестящей плеяды французских и немецких ученых А.Клеро, М.Эйлера, Ж.Лагранжа, П.Лапласа, И.Кантабыли внесены существенные усовершенствования в классическую картину мира.

Парадигма механического мира оказала чрезвычайно большое влияние на развитие не только естествознания, но и всей человеческой культуры. Во многом под ее влиянием даже историю стали представлять себе как линейный процесс, траекторию которого можно вычислить, подобно траектории кометы, а, вычислив — твердо управлять ею. Но забегая вперед, следует сказать, что система понятий в механистической картине мира была неподвижной, негибкой и любое открытие в естествознании, например, в термо- и электродинамике, в физике, теории эволюции Ж.Ламарка и Ч.Дарвина в биологии, Ч.Лайеля в геологии, разрушало ее, не находя в ней своего места. Потребовался целый ряд научных революций, прежде чем сформировалась современная естественнонаучная парадигма — эволюционная.

Термодинамика. Второй составляющей классической физики является термодинамика, которая описывает тепловые явления в макромире. Первоначально тепловые явления изучали вне связи с другими физическими явлениями, не затрагивая процессы прев

Дата добавления: 2013-12-13