Движение в механической картине мира рассматривается как. Становление современной физической картины мира. Темы докладов и рефератов

Становление механистической картины мира связывают с именем Галилео Галилея, который установил законы движения свободно падающих тел и сформулировал механический принцип относительности. Он впервые применил для исследования природы экспериментальный метод вместе с измерениями исследуемых величин и математической обработкой результатов измерений. Если эксперименты периодически ставились и раньше, то математический их анализ впервые систематически стал применять именно он.

Подход Галилея к изучению природы принципиально отличался от ранее существовавшего натурфилософского способа, при котором для объяснения явлений природы придумывались априорные, не связанные с опытом и наблюдениями, чисто умозрительные схемы.

Натурфилософия, представляет собой попытку использовать общие философские принципы для объяснения природы. Иногда при этом высказывались гениальные догадки, которые на многие столетия опережали результаты конкретных исследований. Например, атомистическая гипотеза строения вещества, выдвинутая древнегреческим философом Левкиппом (V до н.э.) и более детально обоснована его учеником Демокритом (ок. 460 до н.э. − год смерти не известен), а также об идее эволюции, высказанной Эмпедоклом (ок. 490 − ок. 430 до н.э.) и его последователями. Однако после того как постепенно возникали конкретные науки и они отделялись от нерасчленненого знания, натурфилософские объяснения стали тормозом для развития науки.

В этом можно убедиться, сравнив взгляды на движение Аристотеля и Галилея. Исходя из априорной натурфилософской идеи, Аристотель считал "совершенным" движение по кругу, а Галилей, опираясь на наблюдения и эксперимент, ввел понятие инерциального движения .

Эквивалентной является следующая формулировка, удобная для использования в теоретической механике: «Инерциальной называется система отсчёта, по отношению к которой пространство является однородным и изотропным, а время - однородным». Законы Ньютона, а также все остальные аксиомы динамики в классической механике формулируются по отношению к инерциальным системам отсчёта.

Термин «инерциальная система» (нем. Inertialsystem) был предложен в 1885 году Людвигом Ланге и означал систему координат, в которой справедливы законы Ньютона. По замыслу Ланге, этот термин должен был заменить понятие абсолютного пространства, подвергнутого в этот период уничтожающей критике. С появлением теории относительности понятие было обобщено до «инерциальной системы отсчёта».

Инерциа́льная систе́ма отсчёта (ИСО) - система отсчета, в которой все свободные тела движутся прямолинейно и равномерно или покоятся (рис. 2). Применение Земли в качестве ИСО, несмотря на приближённый его характер, широко распространено в навигации.

Рис. 2. Инерциональная система отсчета.

Инерциальная система координат, как часть ИСО строится по следующему алгоритму. В качестве точки O - начала координат выбирается центр земли в соответствии с принятой её моделью. Ось z совпадает с осью вращения земли. Оси x и y находятся в экваториальной плоскости. Следует заметить, что такая система не участвует во вращении Земли.

По мнению Галилея, тело, не подверженное воздействию каких-либо внешних сил, будет двигаться не по кругу, а равномерно по прямой траектории или оставаться в покое. Такое представление, конечно, − абстракция и идеализация, поскольку в действительности нельзя наблюдать такую ситуацию, чтобы на тело не действовали какие-либо силы. Однако эта абстракция мысленно продолжает эксперимент, который приближенно можно осуществить в действительности, когда, изолируясь от действия целого ряда внешних сил, можно установить, что тело будет продолжать свое движение по мере уменьшения воздействия на него посторонних сил.

Новое экспериментальное естествознание в отличие от натурфилософских догадок и умозрений прошлого стало развиваться в тесном взаимодействии теории и опыта, когда каждая гипотеза или теоретическое предположение систематически проверяются опытом и измерениями. Именно благодаря этому Галилею удалось опровергнуть прежнее предположение Аристотеля, что путь падающего тела пропорционален его скорости. Предприняв эксперименты с падением тяжелых тел (пушечных ядер), Галилей доказал, что этот путь пропорционален их ускорению (9,81 м/с 2). Галилей открыл спутники Юпитера, пятна на Солнце, горы на Луне, что подрывало веру в совершенство космоса.

Новый крупный шаг в развитии естествознания ознаменовался открытием законов движения планет. Если Галилей имел дело с изучением движения земных тел, то немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571-1630) исследовал движения небесных тел, вторгся в область, которая раньше считалась запретной для науки.

Кеплер для своего исследования не мог обратиться к эксперименту и поэтому вынужден был воспользоваться многолетними систематическим наблюдениями движения планеты Марс, сделанными датским астрономом Тихо Браге (1546-1601). Перепробовав множество вариантов, Кеплер остановился на гипотезе, что траекторией Марса, как и других планет, является не окружность, а эллипс. Результаты наблюдений Браге соответствовали гипотезе и подтверждали ее.

Траектория движения Марса представляет собой не круг, а эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце - положение, известное сегодня как первый закон Кеплера . Дальнейший анализ привёл ко второму закону : радиус-вектор, соединяющий планету и Солнце, в равное время описывает равные площади. Это означало, что чем дальше планета от Солнца, тем медленнее она движется. Третий закон Кеплера : отношение куба среднего удаления планеты от Солнца к квадрату периода обращения её вокруг Солнца есть величина постоянная для всех планет: a³/T² = const.

Открытие законов движения планет Кеплером свидетельствовало: между движениями земных и небесных тел не существует разницы, все они подчиняются естественным законам; сам путь открытия законов движения небесных тел в принципе не отличается от открытия законов земных тел. Правда, из-за невозможности осуществления экспериментов с небесными телами для исследования законов их движения пришлось обратиться к наблюдениям, т.е. в тесном взаимодействии теории и наблюдения, тщательной проверке выдвигаемых гипотез измерениями движений небесных тел.

Формирование классической механики и основанной на ней механистической картины мира происходило по двум направлениям: обобщение полученных ранее результатов (законов движения свободно падающих тел, открытых Галилеем) и законов движения планет, сформулированных Кеплером; создание методов для количественного анализа механического движения в целом.

Ньютон создал свой вариант дифференциального и интегрального исчисления непосредственно для решения основных проблем механики: определения мгновенной скорости как производной от пути по времени движения 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. В XVIII в. это было крупнейшим завоеванием научной мысли.

Ньютон, как и его предшественники, придавал большое значение наблюдениям и эксперименту, видя в них важнейший критерий для отделения ложных гипотез от истинных. Поэтому он резко выступал против допущения так называемых «скрытых качеств», с помощью которых последователи Аристотеля пытались объяснить многие явления и процессы природы. Сказать, что каждый род вещей наделен особым скрытым качеством, при помощи которого он действует и производит эффекты, − указывал Ньютон, − значит ничего не сказать.

В связи с этим он выдвигает совершенно новый принцип исследования природы, согласно которому 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", опубликованном в 1687 г.

Первый закон, который часто называют законом инерции, утверждает: всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние. Этот закон, был открыт еще Галилеем, он сумел показать, что по мере уменьшения воздействия внешних сил тело будет продолжать свое движение, так что при отсутствии всех внешних сил оно должно оставаться либо в покое, либо в равномерном и прямолинейном движении.

Конечно, в реальных движениях никогда нельзя полностью освободиться от воздействия сил трения, сопротивления воздуха и других внешних сил, и поэтому закон инерции представляет собой идеализацию, в которой отвлекаются от действительно сложной картины движения и воображают себе картину идеальную, которую можно получить путем предельного перехода, т.е. посредством непрерывного уменьшения действия на тело внешних сил и перехода к такому состоянию, когда это воздействие станет равным нулю.

Второй основной закон занимает в механике центральное место: изменение количества движения пропорционально приложенной действующей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

Третий закон Ньютона: действию всегда есть равное и противоположно направленное противодействие, иначе взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противопололожные стороны.

Ньютон считал, что принципы механики устанавливаются с помощью двух противоположных, но в то же время взаимосвязанных методов − анализа и синтеза. Подлинные гипотезы, допускающие экспериментальную проверку, составляют основу и исходный пункт всех исследований в естествознании. Благодаря этому изучение механических процессов было сведено к точному математическому их описанию. Для такого описания необходимо и достаточно было задать координаты тела и его скорость (или импульс mv), a также и уравнение его движения. Все последующие состояния движущегося тела точно и однозначно определялись его первоначальным состоянием.

Таким образом, задав это состояние, можно было определить любое другое его состояние как в будущем, так и в прошлом. Выходит, что время не оказывает никакого влияния на изменение движущихся тел, так что в уравнениях движения знак времени можно было менять на обратный. Следовательно, для классической механики и механистической картины мира в целом характерна симметрия процессов во времени, которая выражается в обратимости времени.

Отсюда легко возникает впечатление, что никаких реальных изменений при механическом перемещении тел не происходит. Задав уравнение движения тела, его координаты и скорость в некоторый момент времени, который часто называют начальным его состоянием, мы можем точно и однозначно определить его состояние в любой другой момент времени в будущем или прошлом. Сформулируем характерные особенности механистической картины мира.

1. Все состояния механического движения тел по отношению ко времени оказываются в принципе одинаковыми, поскольку время считается обратимым.

2. Все механические процессы подчиняются принципу жесткого детерминизма, суть - признание возможности точного и однозначного определения состояния механической системы ее предыдущим состоянием.

Согласно этому принципу, случайность исключается из природы. Все в мире строго детерминировано (или определено) предшествующими состояниями, событиями и явлениями. При распространении указанного принципа на действия и поведение людей неизбежно приходят к фатализму .

Сам окружающий нас мир при 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 французский ученый. XVIII века Пьер Симон Лаплас (1749-1827):

3. Пространство и время никак не связаны с движениями тел, они имеют абсолютный характер.

В связи с этим Ньютон и вводит понятия абсолютного, или математического, пространства и времени.

Абсолютное пространство - в классической механике - трёхмерное евклидово пространство, в котором выполняется принцип относительности и преобразования Галилея. Термин введён Ньютоном (вместе с концепцией абсолютного времени) в «Математических началах философии». Пространство и время у него выступают в качестве универсального вместилища, обладающего отношениями порядка и существующие независимо как друг от друга, так и материальных тел.

Такая картина напоминает представления о мире древних атомистов, которые считали, что атомы движутся в пустом пространстве. Подобно этому в ньютоновской механике пространство оказывается простым вместилищем движущихся в нем тел, которые не оказывают на него никакого влияния.

4. Тенденция свести закономерности более высоких форм движения материи к законам простейшей его формы − механическому движению.

Механицизм, пытался подходить ко всем без исключения процессам с точки зрения принципов и масштабов механики, явился одной из предпосылок возникновения метафизического метода мышления.

5. Связь механицизма с принципом дальнодействия, согласно которому действия и сигналы могут передаваться в пустом пространстве с какой угодно скоростью. В частности, предполагалось, что гравитационные силы, или силы притяжения, действуют без какой-либо промежуточной среды, но сила их убывает с квадратом расстояния между телами. Ньютон, вопрос о природе этих сил оставил решать будущим поколениям. Все перечисленные и некоторые другие особенности предопределили ограниченность механистической картины мира, которые преодолевались в ходе последующего развития естествознания.

Становление механической картины мира происходило под влиянием метафизических материалистических представлений о материи и формах ее существования. Основу этой картины составили идеи и законы механики, которые в XVII в. сформировали самый разработанный раздел физики. По сути дела, именно механика явилась первой фундаментальной физической теорией. Идеи, принципы и теории механики представляли собой совокупность наиболее существенных знаний о физических закономерностях, наиболее полно отражали физические процессы в природе.

В широком смысле механика изучает механическое движение материи, тел и происходящее при этом взаимодействие между ними. Под механическим движением понимают изменение с течением времени взаимного положения тел или частиц в пространстве. Примерами механического движения в природе являются движение небесных тел, колебания земной коры, воздушные и морские течения и т.п. Происходящие в процессе механического движения взаимодействия представляют собой такие действия тел друг на друга, результатом которых становится изменение скоростей перемещения этих тел в пространстве или их деформация.

Основу механической картины мира составила теория атомов, согласно которой материя имеет дискретную (прерывистую) структуру. Весь мир, включая человека, механическая картина рассматривала как совокупность огромного числа неделимых материальных частиц - атомов. Они перемещаются в пространстве и времени в соответствии с немногими законами механики. Материя есть вещество, состоящее из мельчайших, неделимых, абсолютно твердых движущихся корпускул (атомов); в этом суть корпускулярных представлений о материи.

Законы механики, которые регулируют движение атомов и любых материальных тел, считались фундаментальными законами мироздания. Поэтому ключевым понятием механической картины мира было понятие движения, которое понималось как механическое перемещение в пространстве. Тела обладают внутренним «врожденным» свойством двигаться равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения связаны с действием на тело внешней силы (инерции). Единственной формой движения является механическое движение, т.е. изменение положения тела в пространстве с течением времени; любое движение можно представить как сумму пространственных перемещений. Движение объяснялось на основе трех законов Ньютона. Все состояния механического движения тел по отношению ко времени оказываются в принципе одинаковыми, поскольку время считается обратимым. Закономерности более высоких форм движения материи должны сводиться к законам простейшей ее формы - механическому движению.

Все многообразие взаимодействий в природе механическая картина мира сводила только к гравитационному, которое означало наличие сил притяжения между любыми телами; величина этих сил определялась законом всемирного тяготения. Поэтому, зная массу одного тела и силу гравитации, можно определить и массу другого тела. Гравитационные силы являются универсальными, т.е. они действуют всегда и между любыми телами, сообщают любым телам одинаковое ускорение.

Таким образом, механическая картина представляла мир наподобие гигантской заводной игрушки. Все тела взаимодействуют только механически через столкновение или мгновенное действие гравитационной силы. Поскольку каждое тело определяется параметрами положения и состояния, а действующие на них силы складываются, возможно точное прогнозирование событий на основании расчета характеристик движения и взаимодействия.

В соответствии с механической картиной мира Вселенная представляла собой хорошо отлаженный механизм, действующий по законам строгой необходимости, в котором все предметы и явления связаны между собой жесткими причинно-следственными отношениями. В таком мире нет случайностей, они полностью исключались. Случайным было только то, причины чего оставались неизвестными. Но поскольку мир рационален, а человек наделен разумом, то в конце концов он сможет получить полное и исчерпывающее знание о бытии. Такой жесткий детерминизм находил свое выражение в форме динамических законов.

Жизнь и разум в механической картине мира не обладали никакой качественной спецификой. Человек в этой картине мира рассматривался как природное тело в ряду других тел и поэтому оставался необъяснимым в своих «невещественных» качествах. Таким образом, присутствие человека в мире не меняло ничего. Если бы человек однажды исчез с лица земли, мир продолжал бы существовать как ни в чем не бывало. По сути дела, классическое естествознание не стремилось постичь человека. Подразумевалось, что природный мир, в котором нет ничего «человеческого», можно описать объективно, и такое описание будет точной копией реальности. Рассмотрение человека как одного из винтиков хорошо отлаженной машины автоматически устраняло его из данной картины мира.

На основе механической картины мира в XVIII - начале XIX в. была разработана земная, небесная и молекулярная механика. Быстрыми темпами шло развитие техники. Это привело к абсолютизации механической картины мира, и она стала рассматриваться в качестве универсальной.

Развитие механической картины мира было обусловлено в основном развитием механики. Успех механики Ньютона в значительной мере способствовал абсолютизации ньютоновских представлений, что выразилось в попытках свести все многообразие явлений природы к механической форме движения материи. Такая точка зрения получила название «механистический материализм» (механицизм). Однако развитие физики показало несостоятельность такой методологии. Это стало ясно при тщетных попытках описать с помощью законов механики тепловые, электрические и магнитные явления (движение атомов и молекул). В результате в XIX в. в физике наступил кризис, который свидетельствовал, что физика нуждается в существенном изменении своих взглядов на мир.

Оценивая механическую картину мира как один из этапов развития физической картины мира, необходимо иметь в виду, что с развитием науки основные положения механической картины мира не были просто отброшены. Развитие науки лишь раскрыло относительный характер механической картины мира. Несостоятельной оказалась не сама механическая картина мира, а ее исходная философская идея - механицизм. В недрах механической картины мира стали складываться элементы новой - континуальной (электромагнитной) картины мира.

Научное творчество И. Ньютона принадлежит XVII и XVIII вв.

Эпоха Просвещения - время, когда капитализм качественно преобразовывал характер деятельности и тип общения людей.

На смену индивидуальной ценности личности производителя приходит ценность произведенных им вещей. В числе достижений буржуазной эпохи - создание единого мирового рынка, универсальных общественных связей. История становится всемирной, индивидуальный опыт личности обогащается социально-историческим опытом не только своей страны, но и всего человечества; человек становится носителем всемирно-исторического опыта.

Потребности развития промышленного производства и связанного с ним технического прогресса формируют потребность в накоплении объективного знания о мире. Тем самым завершается формирование объективных предпосылок новой научной революции. Дело оставалось лишь за гением , который смог бы на основе этих предпосылок сформировать принципиально новую физическую картину мира. Эту задачу выполнил один из величайших ученых в истории человечества - Исаак Ньютон

Его научное наследие многогранно: создание дифференциального и интегрального исчисления; астрономические открытия (благодаря телескопам, построенным им самим); многочисленные исследования в области оптики.

Однако обессмертило Ньютона создание им классической механики и формирование целостной и системной механистической картины мира. В итоге большинство характеристик аристотелевской картины мира утратило значение, а научное обоснование получили принципиально иные качества природных объектов.

Информация к размышлению

Эпоха Просвещения провозглашает господство «века Разума» и формирует убеждение, что предметом естественнонаучного познания являются природные явления, которые целиком и полностью подчиняются механическим закономерностям, обусловленным причинно-следственными связями. Именно в это время формируются идеалы рационализма.

Задачей естествознания становится определение количественно измеримых параметров природных явлений и установление между ними функциональных зависимостей, выражаемых посредством строгого математического языка. В этих условиях механика выходит на первое место среди естественных наук.

Ньютоновскую систему знаний о природе называют классической физической картиной мира. Вот ее основные положения.

1. В противоположность аристотелевской умозрительности, это - экспериментальная картина мира. Свою научную программу Ньютон прямо назвал «экспериментальной философией», подчеркивая решающее значение научного эксперимента в изучении природы. Его главный упрек в адрес декартовой гипотезы «вихрей» сводился к тому, что Декарт не обращался к опыту, а конструировал «обманчивые предположения» для объяснения природы. «Гипотез не измышляю», - заявлял Ньютон, но не в том смысле, что гипотезы для науки не нужны. Гипотезы надо не «измышлять» (выдумывать), а тщательно обосновывать.

Мнение эксперта

В 1687 г. вышел в свет главный труд И. Ньютона «Математические начала натуральной философии », заложивший основы современной теоретической физики. Оценивая это событие, видный физик XX в. С. И. Вавилов писал:

«В истории естествознания не было события более крупного, чем появление "Начал" Ньютона. Причина была в том, что эта книга подводила итоги всему сделанному за предшествующие тысячелетия в учении о простейших формах движения материи. Сложные перипетии развития механики, физики и астрономии, выраженные в именах Аристотеля, Птолемея, Коперника, Галилея, Кеплера, Декарта, поглощались и заменялись гениальной ясностью и стройностью "Начал"»К

В великом труде «Математические начала натуральной философии»

он обосновал метод «начал», или «принципов»: «Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы, рассуждая подобным же образом, ибо многое заставляет меня предполагать, что все эти явления обусловливаются некоторыми силами, с которыми частицы тел, вследствие причин, покуда неизвестных, или стремятся друг к другу и сцепляются в правильные фигуры, или же взаимно отталкиваются и удаляются друг от друга. Так как эти силы неизвестны, то до сих пор попытки философов объяснить явления природы оставались бесплодными. Я надеюсь, однако, что или этому способу рассуждений, или другому, более правильному, изложенные здесь основания доставят некоторое освещение» .

• 2. Монистическая картина мира, которая описывала и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами.
• 3. Корпускулярная картина мира, поскольку материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных корпускул - «твердых, весомых, непроницаемых, подвижных частиц».
• 4. Механистическая картина мира, базирующаяся на законах движения, сформулированных Ньютоном. Изначально их было пять, затем количество законов сократилось до трех. Природа рассматривалась как сложная механическая система.

Первый закон механики Ньютона - открытый Галилеем принцип инерции : любое тело находится в состоянии покоя или равномерного и прямоли нейного движения до тех пор , пока приложенные к нему силы не заставляют изменить это состояние. Однако этот закон нельзя считать «новой формулировкой» принципа Галилея, ибо Галилей развивал земную механику, а Ньютон возвел свои законы в ранг универсальных законов Космоса.

Второй закон - центральный закон механики - фиксирует тот факт, что ускорение , приобретаемое телом под действием некоторой силы , оказывается прямо пропорциональным этой действующей силе и обратно пропорциональным массе движущегося тела.

Первый закон Ньютона можно получить из второго, поскольку при отсутствии воздействия на тело со стороны других тел его ускорение равно нулю.

Согласно третьему закону действию всегда есть равное и противоположно направленное противодействие , иначе говоря , взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены противоположно друг другу.

Эти силы приложены к разным материальным точкам (телам), всегда действуют парами и являются силами одной природы.

С созданием ньютоновского «метода флюксий» (основ дифференциального и интегрального исчислений) законы механики позволили математически описывать любые виды движений - как равномерных, так и неравномерных, как прямолинейных, так и непрямолинейных.

5. Гравитационная система мира. Открытый Ньютоном закон всемирного тяготения утверждал, что все тела, поскольку они обладают массой, испытывают взаимное притяжение. Сила такого притяжения прямо пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Этот универсальный закон природы послужил основой для формирования небесной механики, изучающей движение тел Солнечной системы. Естествознание впервые достигло такого масштаба обобщения. Тем самым завершился тот этап преобразования аристотелевской картины мира, который был начат Коперником. До этого господствовало представление о Вселенной, как совокупности сфер, управляемых перводвигателем или ангелами но приказу Бога. Теперь утвердилась концепция Ньютона о механизме взаимосвязи тяготеющих масс, действующем на основании простого естественного закона.

Однако Ныотои всегда подчеркивал, что закон всемирного тяготения устанавливает лишь количественную зависимость силы тяготения от величин тяготеющих масс и расстояний между ними; установление причины тяготения он считал делом дальнейших исследований .

6. Картина абсолютного пространства и времени. В ньютоновском мире господствует трехмерное пространство евклидовой геометрии (абсолютное, постоянное, всегда пребывающее в покое), в котором находятся все материальные тела. Время - величина абсолютная, не зависящая ни от пространства, ни от материи. Оно течет однообразно и синхронно во всей Вселенной, выступая процессом длительности независимо от событий.

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

7. Абсолютно детерминистская картина мира. Ее итог - образ Вселенной как гигантского и полностью детерминированного механизма (подобного сложному часовому механизму), в котором события и процессы являют собой цепь необходимых взаимозависимых причин и следствий, исключающих любую случайность. Поскольку любой часовой механизм требует завода, Ньютон вынужден был решать вопрос о «мировом часовщике». Это единственная функция в его механике, которая была возложена на Бога: именно божественный «первотолчок» выступил источником механического движения - Бог завел «всемирные часы».

Из таких представлений вытекала вера в то, что теоретически можно точно реконструировать любую прошлую ситуацию во Вселенной или предсказать будущее с абсолютной определенностью. Наиболее ярко такая идея была выражена французским ученым П. С. Лапласом (1749-1827). Лапласовский детерминизм выражает идею абсолютного детерминизма - уверенность в том, что все происходящее имеет строго определенную причину (см. задание 6 в Практикуме).

Далеко не сразу и далеко не всеми учеными идеи Ньютона были приняты. Об этом говорит переписка двух великих физиков - Лейбница и Гюйгенса. «Лейбниц". Я не понимаю, как Ньютон представляет себе тяжесть или притяжение. Видимо, по его мнению, это не что иное, как некое необъяснимое нематериальное качество.

Гюйгенс : Что касается причины приливов, которую дает Ньютон, то она меня не удовлетворяет, как и все другие его теории, построенные на принципе притяжения, который кажется мне смешным и нелепым» .

Классическая механика Ньютона объясняет множество физических явлений и процессов в земных и внеземных условиях, составляет основу для многих технических достижений. На ее фундаменте сформировались многие методы научных исследований в различных отраслях естествознания. Вплоть до начала XX в. в науке господствовало механистическое мировоззрение, согласно которому, все явления природы можно объяснить движениями частиц и тел.

Авторитет Ньютона был столь силен, что ученые, работавшие в других областях - астрономии, химии и др., - старались объяснить, исходя из начал механики, самые различные явления природы. Так, П. С. Лаплас считал, что любые явления, известные к тому времени, могли быть объяснены с помощью закона всемирного тяготения. Он стремился создать молекулярную механику

Страница 39 из 42

Механическая картина мира

Механическая картина мира сложилась в результате научной революции XVI–XVII вв. Свой вклад в ее формирование внесли Г. Галилей, И. Кеплер, Р. Декарт, П. Лаплас, И. Ньютон и многие другие ученые.

В основу новых представлений науки о мире легли идеи и законы механики, которая стала самым разработанным разделом физики. По сути дела, именно механика является первой фундаментальной физической теорией. Основу механической картины мира составил атомизм, который весь мир, включая человека, понимал как совокупность огромного числа неделимых частиц – атомов, перемещающихся в пространстве и времени в соответствии с немногими законами механики. Это корпускулярное представление о материи.

Законы механики, которые регулировали как движение атомов, так и движение любых материальных тел, считались фундаментальными законами мироздания. Поэтому ключевым понятием механической картины мира было понятие движения. Тела обладают внутренним врожденным свойством двигаться равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения связаны с действием на тело внешней силы (инерции). Мерой инертности является масса. Универсальным свойством тел является тяготение.

Решая проблему взаимодействия тел, Ньютон предложил принцип дальнодействия. Согласно этому принципу, взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных посредников.

Концепция дальнодействия основана на понимании пространства и времени как особых сред, вмещающих взаимодействующие тела. Ньютон предложил концепцию абсолютного пространства и абсолютного времени. Абсолютное пространство представлялось большим «черным ящиком», универсальным вместилищем всех материальных тел в природе. Но даже если бы все эти тела вдруг исчезли, абсолютное пространство все равно бы осталось. Аналогично, в образе текущей реки, представлялось и абсолютное время. Оно становилось универсальной длительностью всех процессов во Вселенной. И абсолютное пространство, и абсолютное время существуют совершенно независимо от материи.

В механической картине мира любые события жестко предопределялись законами механики. Случайность в принципе исключалась из картины мира.

Жизнь и разум в механической картине мира не обладали никакой качественной спецификой. Поэтому присутствие или отсутствие человека в мире не меняло ничего. Если бы человек однажды исчез с лица Земли, мир продолжал бы существовать, как ни в чем не бывало.

На основе механической картины мира в XVIII – начале XIX в. была разработана земная, небесная и молекулярная механика. Быстрыми темпами шло развитие техники. Это привело к абсолютизации механической картины мира, и она стала рассматриваться в качестве универсальной.

В то же время в физике начали накапливаться эмпирические данные, противоречащие механической картине мира. Так, наряду с рассмотрением природы как системы материальных точек, что полностью соответствовало корпускулярным представлениям о материи, пришлось ввести понятие сплошной среды. Оно понадобилось для объяснения световых явлений. Так в физике появилось понятие эфира – особо тонкой и абсолютно непрерывной световой материи. Это уже были не корпускулярные, а континуальные представления о материи.

В XVIII веке появилось учение о невесомых веществах. В его рамках были введены понятия электрической и магнитной жидкостей, теплорода, флогистона. Они также были особыми разновидностями сплошной материи. Этого требовала механистичность классической науки, распространявшая принципы и подходы механики на другие разделы науки.

Таким образом, хотя механический подход к этим явлениям оправдывал себя не в полной мере, опытные факты искусственно подгонялись под механическую картину мира.

В XIX веке в физике наступил кризис, который был вызван исследованиями и открытиями в области электричества и магнетизма. Тогда стало ясно, что противоречия между опытными данными и механической картиной мира стали слишком острыми. Физика нуждалась в существенном изменении своих взглядов на мир.

Формирование механической картины мира (МКМ) происходило в течение нескольких столетий до середины девятнадцатого века под сильным влиянием взглядов выдающихся мыслителей древности: Демокрита, Эпикура, Аристотеля, Лукреция и др. Она явилась необходимым и очень важным шагом на пути познания природы.

Имена учёных, внесших основной вклад в создание МКМ: Н.Коперник, Г.Галилей, Р.Декарт, И.Ньютон, П.Лаплас и др.

Рис. 2. Гелиоцентрическая система

Николай Коперник был первым человеком, сумевшим нанести сокрушительный удар по геоцентрическим системам мира. В мае 1543 года увидела свет его книга «О вращениях небесных сфер». Учение Коперника противоречило церковным воззрениям на устройство мира и сыграло огромную роль в истории мировой науки.

Основоположником механической картины мира по праву считается Галилео Галилей (Galilei) (1564-1642), итальянский ученый, один из основателей точного естествознания. Всеми своими силами он боролся против схоластики, считая единственно верной основой познания опыт. Деятельность Галилея не нравилась церкви, он был подвергнут суду инквизиции (1633), вынудившей его отречься от своего учения. До конца жизни Галилей был принужден жить под домашним арестом на своей вилле Арчетри близ Флоренции. И только в 1992 году папа Иоанн Павел II реабилитировал Галилея и объявил решение суда инквизиции ошибочным. В годы детства и юности Галилея в науке господствовали представления об окружающем мире, сохранившиеся со времён античности. И Галилей был одним из первых, кто отважился выступить против них. Механическая картина мира возникла, когда главным критерием истины был признан опыт, а для описания явлений природы стали активно применять математику. Многие ставшие догмой утверждения Аристотеля не выдерживали проверки опытом. Аристотель, например, утверждал, что скорость падения тел пропорциональна их весу. Галилей в присутствии многочисленных свидетелей проводил наблюдения за падением с Пизанской башни тел различной массы (например, мушкетной пули и пушечного ядра). Оказалось, что скорость падения тел не зависит от их массы. Важнейшим достижением Галилея было открытие принципа относительности. Галилей сконструировал первый в мире термоскоп, который явился прообразом термометра. Направив подзорную трубу в небо, он сделал несколько выдающихся астрономических открытий: спутники Юпитера, фазы Венеры, строение Млечного Пути, солнечные пятна, кратеры и горы на Луне. Наблюдения за движением небесных тел сделали его убеждённым сторонником гелиоцентрической системы (рис.5.28.1). Открытия Галилея подрывали доверие к официальным взглядам на строение мира, пропитанным религиозными догмами.

Рене Декарт (Descartes, или Cartesius, 1596-1650), французский философ, математик, физик и физиолог, заложивший основы аналитической геометрии, определивший понятия переменной величины и функции, предположил существование закона сохранения количества движения, положил в основу своих построений принцип несотворимости и неуничтожимости движения. При этом все формы движения он сводил к механическому перемещению тел.

Исаак Ньютон (Newton) (1643-1727), английский математик, механик, астроном и физик, разработал (независимо от Г. Лейбница) дифференциальное и интегральное исчисления. Он построил первый в мире зеркальный телескоп, чётко сформулировал основные законы классической механики, открыл закон всемирного тяготения, сформулировал теорию движения небесных тел, создав основы небесной механики. Пространство и время в механике Ньютона являются абсолютными. Следует сказать, что работы Ньютона в механике, оптике и математике намного опередили его время, а многие его работы актуальны и сейчас. На языке Ньютона говорит вся современная наука.

Лаплас (Laplace) Пьер Симон (1749-1827), французский астроном, математик, физик был автором классических трудов по теории вероятностей и небесной механике. Лапласом и Кантом была предложена гипотеза происхождения Солнечной системы из газопылевого облака, развитая современными астрономами.

Коротко перечислим основные черты механической картины мира.

Все материальные тела состоят из молекул, находящихся в непрерывном и хаотическом механическом движении. Материя - вещество, состоящее из неделимых частиц.

Взаимодействие тел осуществляется согласно принципа дальнодействия, мгновенно на любые расстояния (закон всемирного тяготения, закон Кулона), или при непосредственном контакте (силы упругости, силы трения).

Пространство - пустое вместилище тел. Всё пространство заполняет невидимая невесомая «жидкость» - эфир. Время - простая длительность процессов. Время абсолютно.

Всё движение происходит на основе законов механики Ньютона, все наблюдаемые явления и превращения сводятся к механическим перемещениям и столкновениям атомов и молекул. Мир выглядит как колоссальная машина с множеством деталей, рычагов, колёсиков.

Точно так же представляются и процессы, протекающие в живой природе.

Механика описывает все процессы, происходящие в микромире и макромире. В механической картине мира господствует лапласовский детерминизм - учение о всеобщей закономерной связи и причинной обусловленности всех явлений в природе.

Механика и оптика составляли основное содержание физики до начала XIX века. Картина мира строилась на достаточно очевидных и простых механических аналогиях. И в повседневной практической деятельности людей основные выводы классической механики не приводили к противоречиям с опытными данными.

Однако позже, с развитием средств измерения, стало известно, что при изучении многих явлений, например, небесной механики необходимо учитывать сложные эффекты, связанные с движением частиц со скоростями, близкими к световым.

Появились уравнения специальной теории относительности, с трудом вмещающиеся в рамки механических представлений. Изучая свойства микрочастиц, ученые выяснили, что в явлениях микромира частицы могут обладать свойствами волны.

Возникли трудности при описании электромагнитных явлений (испускание, распространение и поглощение света, электромагнитной волны), которые не могли быть разрешены классической ньютоновской механикой.

Однако с развитием науки механическая картина мира не была отброшена, а лишь был вскрыт её относительный характер. Механическая картина мира используется и сейчас во многих случаях, когда, например, в рассматриваемых нами явлениях материальные объекты движутся с небольшими скоростями, и мы имеем дело с небольшими энергиями взаимодействия. Механический взгляд на мир по-прежнему остается актуальным, когда мы сооружаем здания, строим дороги и мосты, проектируем плотины и прокладываем каналы, рассчитываем крыло самолета или решаем другие многочисленные задачи, возникающие в нашей повседневной человеческой жизни. (гелиоцентрическая система это представление о том, что Солнце является центральным небесным телом, вокруг которого обращается Земля и другие планеты.)