Концепции современного естествознания

Физические законы для механической картины мира сформулировал Исаак Ньютон.

I закон, или закон инерции, открытый еще Галилеем: всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил.

II закон: изменение импульса тела в единицу времени равно действующей на него силе и происходит в направлении ее действия. F = m

·a, где F – вынуждающая сила, a – ускорение, m

– инерциальная масса.

Второй закон Ньютона связывает изменение импульса тела (количества движения) с действующей на него силой и является ядром механики. Закон был революционным для своего времени, но неприменим в современной физике, так как Ньютон считал, что масса не зависит от скорости. Ньютон рассматривал массу как меру инертности, а ускорение и инерцию как равные по величине противодействия, направленные в противоположные стороны, то есть чем массивнее тело, тем меньшее ускорение можно ему придать.

III закон: силы действия и противодействия равны по величине и противоположны по направлению.

IV закон, сформулированный Ньютоном, – это закон всемирного тяготения: сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния:

F

= ? · m

· M

/r

, где ? – гравитационная постоянная.

Закон он вывел из допущения, что на Луну, движущуюся по земной орбите, и на камень, падающий на Землю, действует одна и та же сила: Луна тяготеет к Земле и силой тяготения постоянно отклоняется от прямолинейного движения и удерживается на своей орбите. Из этого допущения он рассчитал постоянную величину силы тяготения или гравитационную постоянную. Согласно современным расчетам, гравитационная постоянная:

G = (6,673 ± 0,003) ·10

нм

кг

.

Ньютон придерживался воззрений механистического материализма (то есть стремился объяснить законы физики, исходя из объективного существования материи, пространства и времени), хотя был человеком религиозным в духе своей эпохи и даже на склоне лет написал теологическое сочинение. Пытаясь определить точнее методы своего подхода к научным исследованиям, Ньютон вывел четыре основополагающих принципа:

1. Не должно принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений (повторив знаменитый принцип бритвы Оккама).

2. Одинаковым явлениям следует приписывать одинаковые причины.

3. Независимые и неизменные при экспериментах свойства тел, подвергнутых исследованию, надо принимать за общие свойства материальных тел.

4. Законы, индуктивно выведенные из опыта, нужно считать верными, пока им не противоречат другие наблюдения.

Этот метод называется сегодня гипотетико-дедукционным и используется в современной физике.

Неизгладимый след оставил Ньютон не только в механике. Большое значение имели его исследования в области оптики, которые сразу же получили мировое признание и стали основополагающими на несколько столетий. Ньютон считал, что свет состоит из мельчайших частиц, которые он назвал корпускулами, так возникла корпускулярная теория света. Теория не объясняла некоторых явлений – например, интерференции и дифракции света, поскольку это волновые процессы.

Ньютон понимал неполноту корпускулярной теории и собирался объединить ее с волновой, что, собственно, произошло только в XX в., когда пришедшая на смену корпускулярной волновая теория тоже не смогла объяснить всех явлений.

Ньютон также сделал заявку на теорию возможности превращения тел в свет и света в тела, что было открыто учеными для сверхмалых частиц только в XX в., и теорию влияния тел на распространение света, что было экспериментально доказано Эйнштейном и легло в основу общей теории относительности. Большой заслугой последователей Ньютона было введение в физику методов интегрально-дифференциального исчисления и создание механической картины мира.

В основе механической картины мира лежала материалистическая теория, основывавшаяся на классическом атомизме, родоначальником которого был Демокрит. Для своего времени это, несомненно, была передовая и научная картина мира. В ее основу легли труды Галилея и Ньютона. Царившая прежде натурфилософская картина мира опиралась на наблюдение как на единственный метод изучения мира.

Механическая картина мира выдвинула на первый план эксперимент. Эксперименты стали сопровождаться математическим аппаратом, точными расчетами, а изобретение телескопа и микроскопа позволило заглянуть в миры, не соразмерные окружающему. Ньютон разработал законы классической механики для физики окружающего мира, Кеплер – законы небесной механики для Вселенной, Левенгук увел биологию к микроскопическим формам и т. п.

Развитие классической механики шло в двух направлениях:

1) как обобщение законов Галилея и исследований Кеплера;

2) как переход к новым методам количественного анализа механического движения. Материя в этой системе представлялась делимой только до уровня атома, пространство – пустым (очевидно, для возможности перемещения неделимых атомов), время – пустым и однонаправленным (от настоящего к будущему), движение – механическим (изменение положения тела в пространстве с течением времени); все взаимодействия сводились к трем законам механики и закону всемирного тяготения, к действию сил притяжения и отталкивания.

К принципам механической картины мира относятся принципы относительности, дальнодействия, причинности.

Принцип относительности был впервые сформулирован Галилеем и гласил, что все инерциальные системы отсчета являются равноправными и переход от одной системы к другой происходит с помощью специальных преобразований, разработанных Галилеем. В инерциальных системах Галилея время течет везде одинаково, а масса тела неизменна. Неизменное время с неизменной массой соответствует неизменной скорости, а если все указанные параметры неизменны, то силы в обеих системах одинаковы и все механические явления протекают одинаково. Вывод, который на основе рассуждений и вычислений делал Галилей, следующий: покой от равномерного прямолинейного движения невозможно отличить никакими опытами (соответствующими, естественно, механической картине мира).

Принцип дальнодействия был выработан в рамках механистического материализма с неделимыми атомами и пустым пространством: взаимодействие передается мгновенно, и промежуточная среда в передаче взаимодействия участия не принимает. Пустая среда, естественно, никакого участия в передаче взаимодействия принимать не могла, а тела рассматривались как материальные точки, которые под воздействием приложенной силы мгновенно перемещались в пустоте.

Принцип причинности был разработан математиком Лапласом и гласил: всякое имеющее место явление связано с предшествующим на основании того очевидного принципа, что оно не может возникнуть без производящей причины. Противоположное мнение есть иллюзия ума.

Принцип Лапласа был назван лапласовым детерминизмом и предполагал существование связей между явлениями на основе однозначных законов; он закрепился в механистической физике как принцип, что любую основополагающую связь между явлениями можно выразить физическим законом, существование сложных связей эта картина мира не понимала. Есть материя, есть механическое движение, есть для него причина, есть следствие. Осталось вывести закон.

Эти принципы превратились в ничто, когда стало ясно, что пространство между телами не пустое, что сами тела совсем не материальные точки, а обладают массой, что явления бывают сложные, несводимые к одной причине и одному следствию.

Механический материализм взял из греческой философии идею о материальности мира и его делимости до предельного порога – атомов. Материя считалась дискретной, и на первое место выступили понятия материальной точки и абсолютно твердого тела. По определению, материальная точка была математически абстрактным телом, размерами которого можно пренебречь, а абсолютно твердое тело, соответственно, системой материальных точек, расстояние между которыми всегда остается неизменным. Грубо говоря, материальное тело – это реальное тело, разделенное до предела, то есть атом, а абсолютно твердое тело – предмет, лишенный всех своих качеств и свойств.

В то же время существование идеального образца всех вещей (идеи Платона) было отвергнуто, потому что тогда пришлось бы признать наличие единого плана строительства материального мира, а это было равносильно введению в естественные науки идеи бога.

Пространство в механистическом материализме рассматривалось только как протяженность, которую можно измерить. В отличие от мира предметов, где наличие материи было очевидным, пространство считалось вместилищем пустоты, в которой могут перемещаться материальные объекты.

Пространство отличалось тем, что было лишено атомарного строения. Оно было абсолютным, то есть математически пустым. Оно существовало вне времени и было необходимо для перемещения тел или атомов.

Время и движение в механической картине мира представляют собой абсолютные понятия. Хотя Ньютон рассматривал два вида времени – относительное, которое воспринимается людьми в процессе измерения, и абсолютное – то есть математическое, которое существует независимо от внешних причин, ни на что не влияет, равномерно по своей природе и отличается только длительностью, механическая картина мира усвоила лишь абсолютное математическое время.

Если пространство считалось абсолютно пустым вместилищем для перемещающихся тел и атомов, то время было таким же пустым вместилищем происходящих событий. Движение времени шло в одну сторону – от прошлого к будущему.

Движение в механическом мире было механическим перемещением материальных точек или абсолютно твердых тел. Сложные движения в механике описывались как сумма простых перемещений из одной точки пространства в другую. Для описания этих движений применялись открытые Ньютоном законы. Механика ввела в науку понятие массы и силы, причем масса считалась для конкретного тела постоянной и выражала его инертность, а сила понималась как причина изменения механического движения и причина деформации. Любое движение согласно законам Ньютона можно было описать с точки зрения применения данной силы к некой массе.

Позднее Декарт ввел понятие количества движения (произведения массы на скорость). Декарт воспринимал окружающий мир как математическую данность: материю он рассматривал как простую протяженность с геометрическими характеристиками, которая существует, поскольку существует движение. Декарту принадлежит формулировка физического понятия импульса силы и закона, который гласит, что импульс силы, равный произведению приложенной силы на время ее действия F · dt, дает постоянство количества движения m · V, то есть m · V = F · dt.

В этом определении единственная, способная изменяться, величина – это длительность (при неизменной массе, равномерных скорости и силе). Воспринимая материальный мир как математическую модель, Декарт разработал известную всем систему координат (X, Y, Z), которая получила его имя.

В классической механике понятие взаимодействий (современная наука разделяет слабое, сильное, электромагнитное и гравитационное) опиралось на известные законы механики Ньютона и закон всемирного тяготения, оперирующий понятиями сил притяжения и отталкивания, то есть, по сути, вопрос взаимодействия классической механикой не рассматривался.

В механической картине мира он был не нужен: все виды движений можно было свести к простому изменению положения тела в пространстве. Под взаимодействиями понималось приложение сил одного тела к другому для изменения траектории движения или выведения этого тела из состояния покоя. Никакого вида движения кроме механического (поступательного) и вращательного (как движение по окружности) механика не знала, а единственное взаимодействие, которое рассматривалось глубже, было открытой Ньютоном силой гравитации.

Гравитация описывалась как механическое движение, но выводилась из движения мегамира. Согласно закону всемирного тяготения, если известны масса одного из тел и сила гравитации, можно определить и массу второго тела. Из гравитационного закона Ньютон вывел тождественность гравитационной массы и массы инертности. Эйнштейн назвал этот принцип фундаментальным законом природы и положил в основу общей теории относительности.