Механическая картина мира

   Движение. В МКМ признавалось только механическое движение, т.е. изменение положения тела в пространстве с тече6нием времени. Считалось, что любое сложное движение можно представить как сумму пространственных перемещений (принцип суперпозиции). Движение любого тела объяснялось на основе трех законов Ньютона.

Следует заметить, что в механики вопрос о природе сил не имел принципиального  значения. Для ее законов и методологии  было достаточно, что сила – это  количественная характеристика механического  взаимодействия тел. Просто она стремилась свести все явления природы к  действию сил притяжения и отталкивания, встретив на этом пути непреодолимые  трудности.

     В 1987г исполнилось 300 лет со времени  выхода в свет выдающегося труда  профессора Кембриджского университета Исаака Ньютона «Математические  начала натуральной философии».

     В своем фундаментальном труде, содержащем в русском переводе 700 страниц, гениальный английский физик, астроном и математик  изложил систему законов механики, закон всемирного тяготения, дал  общий подход к исследованию различных  явлений на основе «метода принципов», т.е. работа имела не только большое  научное, но и большое методологическое значение. Для Ньютона было очень  важно наследие его предшественников: «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов.». Среди этих гигантов в первую очередь  следует назвать Галилея и  Кеплера. В 27 лет он стал профессором  Кембриджского университета.

     В своих работах по оптике Ньютон поставил очень важный и сложный вопрос: «Не являются ли лучи света очень  мелкими частицами, испускаемыми светящимися  телами?» И гипотеза истечения, а  затем и корпускулярная теория, признанная безоговорочно его последователями  и подкрепленная авторитетом  Ньютона, господствующей в оптике восемнадцатого века. С этой теорией многие не соглашались т.к. на ее основе невозможно было объяснить интерференцию и дифракцию света. В теории света Ньютон хотел объединить корпускулярные и волновые представления. По этому поводу у Ньютона было две интересные мысли:

     1. О возможном превращении тел  в свет и обратно. В 1933-1934гг. были впервые открыты факты  превращения электрона и позитрона  в гамма-кванты (фотоны) и рождение  электрона и позитрона при  взаимодействии фотона с заряженными  частицами. Это фундаментальное  открытие современной физики  элементарных частиц.

     2. О влиянии тел на распространение  света.

     Вершиной  научного творения Ньютона являются «Начала..». Примерно два с половиной  года напряженной работы стоило Ньютону  подготовка первого издания «Начал..». Книга состояла из трех частей: в  первых двух излагались законы движения тел, третья часть была посвящена  системе Мира. К первому изданию  Ньютон написал собственное предисловие, где он говорит о тенденции  современного ему естествознания «подчинить явления природы законам математики». Далее Ньютон формулирует назначение работы и задачи физики: «Сочинение это нами предлагается как математические основания физики. Вся трудность  физики состоит в том, чтобы по явлениям движения распознать силы природы, а затем, по этим силам объяснить  все остальные явления», с этой трудной задачей ему удалось  справиться. В качестве первого закона механики Ньютон взял открытый Галилеем закон инерции, сформулировав его более строго. Ядром механики является второй закон, который связывает изменение импульса тела с действующей на него силой т.е. изменение импульса тела в единицу времени равно действующей на него силе и происходит в направлении ее действия. В третьем законе механики было отражено, что действие тел всегда носит характер взаимодействия и что силы действия и противодействия равны по величине и противоположны по направлению. Четвертым законом был закон всемирного тяготения. Высказав положение о всеобщем характере сил тяготения и одинаковой их природе на всех планетах, показав, что «вес тела на всякой планете пропорционален массе этой планете», установив эксперимент пропорциональность массы тела и его веса (сила тяжести), Ньютон делает вывод, что сила тяготения между телами пропорциональна массам этих тел.

     О том, что сила тяготения обратно  пропорциональна квадрату расстояния, считали еще до Ньютона много  ученых, но только Ньютон сумел логически  обосновать и убедительно доказать с помощью законов динамики и  эксперимента этот всеобщий закон. Установление пропорциональности между массой и  весом означало, что масса является не только мерой инертности, но и  мерой гравитации.

     В третьей части книги ученый изложил  общую систему Мира и небесную механику, теорию сжатия Земли у  полюсов, теорию приливов и отливов, движение комет, возмущения в движении планет и т.д., основываясь на законе всемирного тяготения. Теория тяготения  вызывала философские дискуссии  и нуждалась в дальнейшем доказательстве. Первым стал вопрос о форме Земли. По теории Ньютона Земля была сжата  у полюсов, по теории Декарта –  вытянута. Споры были разрешены в  результате измерения дуги земного  меридиана в экваториальной зоне (Перу) и на севере (Лапландия) двумя  экспедициями Парижской Академией  наук. Верной оказалась теория Ньютона.

     В работах Ньютона раскрывается его  методология и мировоззрение  исследований. Ньютон был убежден  в существовании материи, пространства и времени, в существовании объективных  законов мира, доступных человеческому  познанию. Своим стремлением свести все к механики Ньютон поддерживал  механистический материализм (механицизм). Несмотря на свои огромные достижения в области естествознания, он глубоко  верил в Бога, очень серьезно относился  к религии. Он считал, что «мудрость  Господня открывается одинаково  в строении природы и в священных  книгах. Изучать то и другое –  дело благородное». Ньютон был автором  «Толкования на книгу пророка  Даниила», «Апокалипсиса», «Хронологии». Из этого можно сделать вывод, что для Ньютона не было конфликта  между наукой и религией, в его  мировоззрении уживалось и то и другое.

     Свой  метод познания сам Ньютон характеризует  следующим образом: «Вывести два  или три общих принципа движения из явлений и после этого изложить, каким образом свойства и действия всех телесных вещей вытекают из этих явных принципов, было бы очень важным шагом в философии, хотя бы причины этих принципов и не были еще открыты». Под принципами Ньютон подразумевает наиболее общие законы, лежащие в основе физики. Этот метод после был назван методом принципов, требования к исследованию Ньютон изложил в виде 4-х правил:

1. Не должно принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений.
2. Одинаковым явлениям необходимо приписывать одинаковые причины.
3. Независимые и неизменные при экспериментах свойства тел, подвергнутых исследованию, надо принимать за общие свойства материальных тел.
4. Законы, индуктивно найденные из опыта, нужно считать верными, пока им не противоречат другие наблюдения.

     Поскольку принципы устанавливаются путем  исследования явлений природы, то вначале  они представляют собой гипотезы, из которых путем логической дедукции получают следствия, проверяемые на практике. Поэтому метод принципов  Ньютона является гипотетико-дедуктивный  метод, который в современной  физике является одним из основных для построения физических теорий. Метод Ньютона получил высокую  оценку в методологических высказываниях  многих ученых, в том числе А. Эйнштейна  и С.И. Вавилова, но многие ученые также  считали, что принципы и гипотезы выводятся прямо из опыта. Следовательно, прямо из опыта путем формальной логики выводится теория, которая  имеет только цель связать одни опытные  данные с другими.

     Очень много вопросов и споров в истории  физики вызвали взгляды Ньютона  на пространство и время. Ньютон исходит  из того, что в практике люди познают  пространство и время путем измерения  пространственных отношений между  телами и временных отношений  между процессами. Выработанные таким  путем понятия пространства и  времени Ньютон называет относительными. Он допускает, что в природе существуют не зависящие от этих отношений абсолютные пространство и время, как пустые вместилища тел и событий. Пространство и время по Ньютону, не зависят  от материи и материальных процессов, что не согласуется с представлениями  физики xx века. Поскольку материя у Ньютона является инертной и неспособной к самодвижению, а пустое абсолютное пространство безразлично к материи, то в качестве первоисточника движения он признает «первый толчок», то есть Бога.

     Важнейшими  принципами МКМ являются принцип  относительности Галилея, принцип  дальнодействия и принцип причинности. Принцип относительности Галилея  утверждает, что все инерциальные системы отсчета (ИСО) с точки  зрения механики совершенно равноправны (эквивалентны). Переход от одной  инерциальной системы к другой осуществляется на основе преобразований Галилея.

     В МКМ было принято, что взаимодействие передается мгновенно и промежуточная  среда в передаче взаимодействия участия не принимает. Это положение  и носит принцип дальнодействия.

     Как известно, беспричинных явлений нет, всегда можно выделить причину и  следствие, причина и следствие  взаимосвязаны, и влияют друг на друга. Следствие может быть причиной другого  явления. «Всякое имеющее место  явление связано с предшествующим на основании того очевидного принципа, что оно не может возникнуть без  производящей причины». В природе  могут быть и более сложные  связи:

     1.У  одного и того же следствия  могут быть разные причины,  например, превращение насыщенного  пара в жидкость за счет  повышения давления или за  счет понижения температуры.

     2.В  тепловом движении, например, скорость, кинетическая энергия, импульс  отдельной частицы изменяются  без изменения макропараметров  (температуры, давления, объема), характеризующих  систему в целом. В результате  развития термодинамики и статистической  физики был открыт ряд важных  законов, в том числе сохранения  и превращения энергии для  тепловых процессов (первое начало  термодинамики) и закон возрастания  энтропии в изолированных системах (второе начало термодинамики).

     Термодинамика – это раздел физики, который изучает закономерности перехода энергии из одного вида в другой. Первый закон термодинамики гласит: Тепло, сообщенной системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы против внешних сил. С точки зрения первого начала термодинамики в системе могут протекать любые процессы, лишь бы не нарушался закон сохранения и превращения энергии.

     Все реальные процессы являются необратимыми, поскольку наличие сил трения обязательно приводит к переходу упорядоченного движения в неупорядоченное. Для характеристики состояния системы  и направленности протекания процессов  и была введена в физике особая функция состояния – энтропия. Оказалось, что энтропия замкнутой  системы не может убывать. Замкнутость  системы означает, что в ней  процессы протекают самопроизвольно, без внешнего влияния. В случае обратимых  процессов (а их в реальности нет) энтропия замкнутой системы остается неизменной, в случае необратимых  процессов – она возрастает. Таким  образом, реально энтропия замкнутой  системы может только возрастать, это и есть закон возрастания  энтропии (одна из формулировок второго  начала термодинамики). Этот закон имеет  большое значение для анализа  процессов в замкнутых макроскопических системах. Статистический характер этого  закона означает его большую фундаментальность  по сравнению с динамическими  законами.

     В современной физике вероятностно-статистические идеи получили широчайшее распространение (статистическая физика, квантовая  механика, теория эволюции, генетика, теория информации, теория планирования и  т.д.). Несомненно, и их практическая ценность: контроль качества продукции, проверка работы того или иного объекта, оценка надежности агрегата, организация массового обслуживания. Но ни термодинамика, ни статистическая физика не сумели коренным образом изменить представления МКМ, разрушить ее: МКМ видоизменилась и расширила свои границы. Развитие физики до середины девятнадцатого века шло в основном в рамках ньютоновских воззрений, но все больше новых открытий, особенно в области электрических и магнитных явлений, не вписывались в рамки механических представлений, т.е. МКМ становилась тормозом для новых теорий, и назревала необходимость перехода к новым воззрениям на материю и движение. Несостоятельной оказалась не сама МКМ, а ее исходная философская идея – механицизм. В недрах МКМ стали складываться элементы новой – электромагнитной – картины Мира.