Понимание природы механическая картина мира фатализм. Особенности механистической картины мира. История становления механистической картины мира

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.

Становление механической картины мира

Механическая картина мира является первой физической картиной мира. В период ее возникновения, а именно в 17 веке, наиболее изученным, разработанным разделом физики была механика. И именно она стала основой механической картины мира. Именно принципы и идеи механики являлись наиболее существенными знаниями о физических закономерностях, и именно они наиболее широко отражали физические процессы, происходящие в природе.

Механика, в общем смысле, рассматривает механическое движение материальных объектов (тел или частиц) в пространстве. Такими примерами механического движения являются колебания земной коры, движение небесных тел, воздушные течения и т.д. Взаимодействия, возникающие в момент механического движения, являются действиями тел друг на друга, в результате чего происходит изменение скоростей этих тел в пространстве, либо их деформация.

Механика является фундаментальной физической теорией, к важнейшим понятиям механики относятся:

• Материальная точка. Это тело, формы и размеры которого не являются существенными в данной конкретной задаче;
• Твердое тело. Это тело, расстояние между любыми точками которого является неизменным.
• И материальная точка, и твердое тело имеют следующие характеристики:
• Масса – мера количества вещества. Она всегда постоянна.
• Вес –сила воздействия тела на опору, он не является постоянным, то есть может меняться.
• Выражение массы и веса происходит через физические величины – координаты, импульсы, энергию, силу.

Замечание 1

В основе механической картины мира находится атом. Согласно теории атомизма, весь мир, в том числе и человек, состоит из атомов – мельчайших неделимых частиц, которые двигались в пространстве и времени, подчиняясь законам механики. Вещество, которое состоит из этих атомов называется материей, такое представление о материи называется корпускулярным.

Законы механики

Законы механики считались фундаментом мироздания, согласно механической картине мира. Они регулировали движение всех материальных тел и атомов, поэтому понятие механического перемещения – другими словами, движения –является ключевым. Механическое движение – это изменение положения тела в пространстве с течением времени, и оно является единственным видом движения. Абсолютно любое движение можно считать как сумму пространственных перемещений. Три закона Ньютона объясняли движение.

Все взаимодействия, согласно механической картине мира, сводятся к гравитационному взаимодействию – наличию силы притяжения между телами. Закон всемирного тяготения определяет величину этих сил. То есть, массу тела можно определить, зная массу другого тела и силу гравитации, которая является постоянным, действует всегда, между любыми телами и придает всем телам одинаковое ускорение.

Основные положения механической картины мира

Ньютоном был предложен принцип дальнодействия. Он означал, что взаимодействие между телами осуществляется без материальных посредников и мгновенно. Согласно этой концепции, пространство и время представляются как особые среды, которые вмещают в себя взаимодействующие тела.

Кроме этого, Ньютоном была предложена концепция абсолютного пространства и абсолютного времени, которые существуют вне зависимости от материи. Абсолютное пространство, в соответствии с этой концепцией, играет роль вместилища материальных тел в природе. Однако на существование абсолютного пространства эти тела повлиять не способны, то есть если предположить полное исчезновение материальных тел, пространство даже в этом случае останется неизменным. То есть, пространство, время и материя являются сущностями, независимыми друг от друга.

Таким образом, согласно механической картине мира, Вселенная есть четко отлаженный механизм, в котором все тела связаны между собой, существование Вселенной подчиняется строгим законам. Случайность в ней невозможна, она исключалась из механической картины мира полностью. Случайным могло бы считаться то, о чем нет знаний, но по причине того, что мир является рациональным, то получение знаний о неизвестном лишь вопрос времени. Такой принцип выражается в форме динамических законов.

В механической картине мира человек являлся лишь природным объектом, наряду с другими телами, жизнь и разум не носили никакой качественной специфики. Согласно механической картине мира, исчезновение человека никаким образом не могло бы изменить что-либо в мире, он бы продолжил свое существование согласно законам. Нематериальные качества, присущие только человеку, в данной концепции не рассматривались. На данном этапе не было задачи постичь человека, он рассматривался лишь как один из элементов хорошо отлаженной системы. Считалось, что мир природный, и его объективное описание в точности отражает реальность.

Механическая картина мира явилась основой для разработки земной, небесной и молекулярной механики. Развитие техники привело к тому, что механическая картина мира стала абсолютной. Представления Ньютона также были абсолютизированы, то есть все разнообразие природных явлений пытались свести к форме движения материи. Отсюда появился механистический материализм, который позже, с развитием физики, был признан несостоятельным, так как с помощью законов механики описать тепловые, электрические, магнитные явления не представлялось возможным. Стало понятно, что существенное изменение взглядов на мир стало неизбежным, физика нуждалась в новых знаниях.

Механическая картина мира явилась одним из этапов развития физической картины мира, с развитием науки ее основные положения сохранились, развитие науки лишь показало, что механическая картина мира носит относительный характер. Дальнейшее развитие физики показало, что несостоятельным является не вся механическая картина мира, а лишь ее начальная философская идея, механицизм. В 19 веке произошел скачок в развитии физической науки, на основе механической картины мира стали возникать элементы новой – электромагнитной картины мира.

Ещё в древности, во времена Платона, совершались неоднократные попытки осмысления и понимания процессов, происходящих вне человека и в нем самом. Из-за недостаточного знания и понимания многое причислялось к сверхъестественным проявлениям. Со временем накопленные знания привели к более полному пониманию существующих процессов и взаимосвязей в природе.

История становления механистической картины мира

Путь формирования знаний был тернист. Большую роль играло всеобщее понимание законов бытия и готовность человечества того времени принять или отвергнуть определённый взгляд на мир.

Немаловажную роль сыграла в средние века религия, пресекая любые попытки научного подхода к познанию окружающего мира. Всяческие действия, противоречившие догмам церкви, предавались анафеме и искоренялись. Огромное количество великих умов было сожжено на кострах Римской инквизиции. И только лишь в 17-18 веке, под давлением реальных доказательств, достаточно серьёзно начала популяризироваться механистическая картина мира. В этот период были проведены первые серьёзные попытки систематизации и обработки накопленных исследований и трудов прошлых эпох человечества. Благодаря новому пониманию организации мира стало возможным повсеместное использование и внедрение в производстве и быту полученных знаний на практическом уровне.

Общество и понимание природы

Формирование механистической картины мира способствовало быстрому технологическому развитию общества. Однако для её внедрения потребовалось продолжительное время.

В первую очередь это было связано с психологической готовностью общества принять новый способ понимания основ мироздания. Создание механистической картины мира и её полное формирование длилось порядка двухсот лет, до середины девятнадцатого века.

Под влиянием философов, мыслителей и естествоиспытателей предыдущих эпох, таких как Демокрит, Аристотель, Лукреций и Эпикур, постепенно пришло понимание и принятие материалистического подхода.

Накопленные знания в области математики, физики, химии показывали отличия и особенности механистической картины мира от существующего понимания законов Вселенной на тот период.

Труды Аристотеля и Птолемея в то время не являлись точными. Однако это были первые попытки осмысления и понимания того, что представляет собой механистическая картина мира.

Начало эпохи механистической картины мира

Несколько позже, в 16 веке, очередной всплеск научной мысли и резонанс в обществе вызвали труды «О Вращении небесных сфер» Николая Коперника. Его последователи видели рациональность и актуальность в научном подходе исследования окружающего мира. Впоследствии на основании трудов Коперника и Галилея родилась новая эпоха мировоззрения.

На процесс создания механистической картины мира и её становления оказал огромное влияние французский учёный Рене Декарт. Область его познаний была достаточно широка, он работал в сфере физики, математики, философии и биологии. Религиозное образование молодого Рене не стало помехой в освоении знаний, и он смог стать одним из создателей нового понимания устройства мира.

Около семи лет философ и учёный провёл в странствиях по Европе семнадцатого века, накапливая жизненные впечатления и размышляя над философскими и математическими проблемами той эпохи.

Значительных успехов Декарт добился в области математики. Его достижения отражены в известном труде «Геометрия», опубликованном в 1637 году. Именно этот научный труд заложил все основы современной геометрии. Рене также принадлежит введение символики в алгебру. Его труды оказали ключевое влияние на развитие математики в дальнейшем. В 1644 году французский учёный и философ дал своё определение зарождению и дальнейшему развитию мира и окружающей природы.

По его мнению, Солнечная система и планеты сформировались из материальных вихрей, вращающихся вокруг Солнца. Он считал, что для отделения тела от среды необходимо наличие различных скоростей движения. А граница тела становится реальной, если тело движется, и это определяет его форму и размеры. Все формулы и определения он сводил к механическому перемещению тел. Странное определение, если учитывать доступные нам сейчас знания, не так ли? Но таковым был взгляд некоторых учёных того времени.

Мнение Ньютона о процессах в природе и Вселенной

Несколько иного мнения придерживался создатель механистической картины мира - Исаак Ньютон. Он был математиком, физиком, философом и астрономом. Все свои заключения сей ученый муж делал на основе проведённых экспериментов, тщательно их изучая. Основным кредо его была фраза «Гипотез не измышляю!» Важным научным достижением Ньютона стало создание теории движения планет и небесных сфер.

Связанное с этой работой открытие всемирного тяготения легло в основу полноценного обоснования Механистическая картина мира Ньютона оказалась более точной и результативной.

В 1688 году в Англии произошла Страна в этот период переживала мощные политические брожения от монархии до полного аналога коммунизма. Однако, несмотря на перипетии жизни, великий учёный и философ продолжал работать над философскими трудами об устройстве мира.

Философия и наука прошлого

Механистическая картина мира Ньютона прошла тернистый и сложный путь. В процессе написания последней части своего труда он заявил: «Третью часть я намерен теперь устранить, философия - это такая же наглая дама, иметь дело с которой равносильно вовлечению в судебную тяжбу». В конце концов в свет вышли его «Математические начала натуральной философии» (в 1687 году). Эта система получила всеобщее одобрение и стала прочной общепризнанной теорией.

В работе Ньютона даётся обоснование трудов Коперника о движении планет вокруг Солнца. Финальным трудом учёного стали три закона, завершающие работы Декарта, Галилея и Гюйгенса и других великих умов того времени, определив тем самым дальнейшее создание механистической картины мира и понимания процессов в природе.

В целом представления об окружающем мире в семнадцатом веке являли собой картину однажды созданного и неизменного мира Вселенной.

Ньютон считал пространство вместилищем всех объектов, а время - длительностью процессов в нем. Пространство считалось бесконечным и неизменным во времени.

Три в современном мире

Много экспериментов учёный провёл над физическими процессами между телами. В ходе работ он вывел три закона, которыми мы пользуемся и сейчас.
Первый гласит, что именно сила выступает в качестве причины ускорения тела. Все процессы в мире склонны к ускорению объектов и являются причиной взаимодействия тел.

Второй закон определяет, что действие силы на предмет в определённый момент и в данной точке меняет его скорость, которую можно вычислить.

Третий закон гласит, что действие тел друг на друга равнозначно по силе и противоположно по направлению.

Именно таковой была ньютоновская механистическая картина мира. Пространство, время не связывались между собой, существовали как обособленные явления. Однако определения И. Ньютона послужили толчком к смене мировоззрения и полному переходу к полноценной картине взаимосвязи пространство - время.

Верно ли понимание природы пространства и времени?

Спустя двести лет, в начале двадцатого столетия, Альберт Эйнштейн отметил, что ньютоновская механистическая картина мира о материи и пространстве может трактоваться лишь в пределах обычного, привычного нам мира.

В космических масштабах представленные законы не работают и требуют переосмысления. Впоследствии учёный разработал теорию относительности, которая объединила пространство и время в единую систему.

Впрочем, это не единственная область, где законы Ньютона не имеют своего применения. С наступлением эры изучения элементарных частиц и особенностей их поведения стало понятно, что в этой сфере действуют совершенно иные правила. Они предельно своеобразны, порой непредсказуемы и могут нарушать наше привычное понимание времени и пространства.

Бытующее в научных кругах выражение о том, что квантовую физику невозможно понять, в нее можно только верить, замечательно объясняют несоответствие представлений о мире со всеми происходящими в нем процессами на субатомном уровне.

Причина и следствие

В процессе становления материалистического понимания окружающей природы ньютоновская механистическая картина мира определила дальнейший ход истории развития человечества. Технологии и развитие цивилизации тесно связаны с предыдущим накопленным опытом и обязаны прошлому своим сильным настоящим и сформированной картиной восприятия мира.

Становление механистической картины мира справедливо связывают с именем Галилео Галилея, который установил законы движения свободно падающих тел и сформулировал механический принцип относительности. Но главная заслуга Галилея в том, что он впервые применил для исследования природы экспериментальный метод вместе с измерениями исследуемых величин и математической обработкой результатов измерений. Если эксперименты спорадически 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, что следует из ее названия, представляет собой попытку использовать общие философские принципы для объяснения природы. Такие попытки предпринимались еще с античной эпохи, когда недостаток конкретных данных философы стремились компенсировать общими философскими рассуждениями. Иногда при этом высказывались гениальные догадки, которые на многие столетия опережали результаты конкретных исследований. Достаточно напомнить хотя бы об атомистической гипотезе строения вещества, которая была выдвинута древнегреческим философом Левкиппом (V до н.э.) и более детально обоснована его учеником Демокритом (ок. 460 до н.э. -- г. смерти неизв.), 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 философского 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. По его мнению, 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 является плодотворной, ибо она мысленно продолжает тот 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.

Переход к экспериментальному изучению природы и математическая обработка результатов экспериментов позволили Галилею открыть законы движения свободно падающих тел. Принципиальное отличие нового метода исследования природы от натурфилософского состояло, следовательно, в том, что в нем гипотезы систематически проверялись опытом. Эксперимент можно рассматривать как вопрос, обращенный к природе. Чтобы получить на него определенный ответ, необходимо так сформулировать вопрос, чтобы получить на него вполне однозначный и определенный ответ. Для этого следует так построить эксперимент, чтобы по возможности максимально изолироваться от воздействия посторонних факторов, которые мешают наблюдению изучаемого явления в "чистом виде". В свою очередь гипотеза, представляющая собой вопрос к природе, должна допускать эмпирическую проверку выводимых из нее некоторых следствий. В этих целях, начиная с Галилея, стали широко использовать математику для количественной оценки результатов экспериментов.

Таким образом, 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, высказанное еще Аристотелем, что путь падающего тела пропорционален его скорости. Предприняв эксперименты с падением тяжелых тел (пушечных ядер), Галилей убедился, что этот путь пропорционален их ускорению, равному 9,81 м/с 2 . Из астрономических достижений Галилея следует отметить открытие спутников Юпитера, а также обнаружение пятен на Солнце и гор на Луне, что подрывало прежнюю веру в совершенство небесного 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) осмелился исследовать движения небесных тел, вторгся в область, которая раньше считалась запретной для науки. Кроме того, для своего исследования он 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 Тихо Браге соответствовали этой гипотезе и тем самым подтверждали ее.

Открытие законов движения планет Кеплером имело неоценимое значение для развития естествознания. Оно свидетельствовало, во-первых, о том, что между движениями земных и небесных тел не существует непреодолимой пропасти, поскольку все они подчиняются определенным естественным законам, во-вторых, 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. Тем не менее и здесь исследование осуществлялось 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:

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

2) создание методов для количественного анализа механического движения в целом.

Известно, что 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. Теперь количественный подход к описанию движения кажется чем-то само собой разумеющимся, но в XVIII в. это было крупнейшим завоеванием научной мысли. Для сравнения достаточно отметить, что китайская наука, несмотря на ее несомненные достижения в эмпирических областях (изобретение пороха, бумаги, компаса и другие открытия), так и не смогла подняться до установления количественных закономерностей движения. Решающую же роль в становлении механики сыграл, как уже отмечалось, экспериментальный метод, который обеспечил возможность проверять все догадки, предположения и гипотезы с помощью тщательно продуманных опытов.

Ньютон, как и его предшественники, придавал большое значение наблюдениям и эксперименту, видя в них важнейший критерий для отделения ложных гипотез от истинных. 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, как отмечалось выше, был открыт еще Галилеем, который отказался от прежних наивных представлений, что движение существует лишь тогда, когда на тело действуют силы. Путем мысленных экспериментов 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.

Возникает вопрос: каким способом были открыты эти основные законы или принципы механики? Нередко говорят, что они получаются путем обобщения ранее установленных частных или даже специальных законов, какими являются, например, законы Галилея и Кеплера. Если рассуждать по законам логики, такой взгляд нельзя признать правильным, ибо не существует никаких индуктивных правил получения общих утверждений из частных. Ньютон считал, что принципы механики устанавливаются с помощью двух противоположных, но в то же время взаимосвязанных методов -- анализа и синтеза.

Как в математике, так и в натуральной философии, -- писал он, -- исследование трудных предметов методом анализа всегда должно предшествовать методу соединения. Такой анализ состоит в производстве опытов и наблюдений, извлечении общих заключений из них посредством индукции и недопущении иных возражений против заключений, кроме полученных из опыта или других достоверных истин. Ибо гипотезы не должны рассматриваться в экспериментальной философии. И хотя аргументация на основании опытов не является доказательством общих заключений, однако это лучший путь аргументации, допускаемый природой вещей, и может считаться тем более сильным, чем общее индукция... Путем такого анализа мы можем переходить от соединений к ингридиентам, от движений -- к силам, их производящим, и вообще от действий -- к их причинам, от частных причин -- к более общим, пока аргумент не закончится наиболее общей причиной.

Таков метод анализа, синтез же предполагает причины открытыми и установленными в качестве принципов; он состоит в объяснении при помощи принципов явлений, происходящих от них, и доказательстве объяснений.

Чтобы ясно оценить революционный переворот, осуществленный Ньютоном в механике и точном естествознании в целом, необходимо прежде всего противопоставить его метод принципов чисто умозрительным построениям прежней натурфилософии и широко распространенным в его время гипотезам о "скрытых" качествах. О натурфилософском подходе к изучению природы мы уже говорили, отметив, что в подавляющем большинстве такие взгляды были ничем не подкрепленными умозрениями и спекуляциями. И хотя в заголовке книги Ньютона тоже встречается термин "натуральная философия", в XVII и XVIII вв. он обозначал изучение природы, т. е. естествознание. Утверждение Ньютона, что гипотезы не должны рассматриваться в экспериментальной философии, было направлено против гипотез о "скрытых" качествах, подлинные же гипотезы, допускающие экспериментальную проверку, составляют основу и исходный пункт всех исследований в естествознании. Как нетрудно догадаться, сами принципы тоже являются гипотезами глубокого и весьма общего характера.

При разработке своего метода принципов Ньютон ориентировался на аксиоматический метод, блестяще примененный Евклидом при построении элементарной геометрии. Однако вместо аксиом он опирался на принципы, а математические доказательства отличал от экспериментальных, поскольку последние имеют не строго достоверный, а лишь вероятностный характер. Важно также обратить внимание на то, что знание принципов или законов, управляющих явлениями, не предполагает раскрытия их причин. В этом можно убедиться из оценки Ньютоном закона всемирного тяготения. Он всегда подчеркивал, что этот закон устанавливает лишь количественную зависимость силы тяготения от тяготеющих масс и квадрата расстояния между ними.

Что же касается причины тяготения, то он считал ее раскрытие делом дальнейших исследований.

Довольно того, что тяготение на самом деле существует и действует согласно изложенным нами законам и вполне достаточно для объяснения всех движений небесных тел и моря, -- писал Ньютон.

Открытие принципов механики действительно означает подлинно революционный переворот, который связан с переходом от натурфилософских догадок и гипотез о "скрытых" качествах и т. п. спекулятивных измышлений к точному экспериментальному естествознанию, в котором все предположения, гипотезы и теоретические построения проверялись наблюдениями и опытом. Поскольку в механике отвлекаются от качественных изменений тел, постольку "для ее анализа можно было широко пользоваться математическими абстракциями и созданным самим Ньютоном и одновременно Лейбницем (1646--1716) анализом бесконечно малых. 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. Очевидно, что подобное представление было идеализацией реальных процессов, поскольку оно абстрагируется от фактических изменений, происходящих с течением времени.

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

Согласно этому принципу, случайность целиком исключается из природы. Все в мире строго детерминировано (или определено) 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 выдающийся французский ученый XVTII в. Пьер Симон Лаплас (1749--2827):

Ум, которому были бы известны для какого-либо данного момента все силы, одушевляющие природу, если бы вдобавок он оказался достаточно обширным, чтобы подчинить все данные анализу, обнял бы в одной формуле движения величайших тел Вселенной наравне с движениями легчайших атомов; не осталось бы ничего, что было бы для него недостоверно, и будущее, так же как и прошедшее предстало бы перед его взором.

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. 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. Как мы покажем далее, такие представления были подвергнуты резкой критике в теории относительности.

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

Такое стремление встретило критику со стороны биологов, медиков и некоторых химиков уже в XVIII в. Против него выступили также выдающиеся философы-материалисты Дени Дидро (1713--1784) и Поль Гольбах (1723--1789), не говоря уже о виталистах, которые приписывали живым организмам особую "жизненную силу", наличием которой они отличаются якобы от неживых тел. Из курса философии вы уже знаете, что механицизм, пытавшийся 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. Сам Ньютон, как мы видели, 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.

1. Понятие научной картины мира

Само понятие «научная картина мира появилось в естествознании и философии в конце 19 в., однако специальный, углубленный анализ его содержания стал проводиться с 60-х годов 20 века. И, тем не менее, до сих пор однозначное толкование этого понятия не достигнуто. Дело в том, что само это понятие несколько размыто, занимает промежуточное положение между философским и естественнонаучным отражением тенденций развития научного познания. Так существуют общенаучные картины мира и картины мира с точки зрения отдельных наук, например, физическая, биологическая…, или с точки зрения каких-либо господствующих методов, стилей мышления - вероятностно-статистическая, эволюционистская, системная, информационно-кибернетическая, синергетическая и т.п. картины мира. В то же время, можно дать следующие объяснение понятия научной картины мира. (НКМ).

Научная картина мира включает в себя важнейшие достижения науки, создающие определенное понимание мира и места человека в нем. В нее не входят более частные сведения о свойствах различных природных систем, о деталях самого познавательного процесса. При этом НКМ не является совокупностью общих знаний, а представляет собой целостную систему представлений об общих свойствах, сферах, уровнях и закономерностях природы, формируя, таким образом, мировоззрение человека.

В отличие от строгих теорий НКМ обладает необходимой наглядностью, характеризуется сочетанием абстрактно-теоретических знаний и образов, создаваемых с помощью моделей.

Особенности различных картин мира выражаются в присущих им парадигмах.

Парадигма (<греч. – пример, образец) – совокупность определенных стереотипов в понимании объективных процессов, а также способов их познания и интерпретации.

Таким образом, можно дать следующее определение НКМ.

НКМ – это особая форма систематизации знаний, преимущественно качественное их обобщение, мировоззренческий синтез различных научных теорий.

К началу документа

2. Формирование механической картины мира (МКМ)

В истории науки научные картины мира не оставались неизменными, а сменяли друг друга, таким образом, можно говорить об эволюции научных картин мира. Наиболее наглядной представляется эволюция физических картин мира : натурфилософской – до 16-17 вв., механистической – до второй половины 19 в., термодинамической (в рамках механистической теории) в 19 в, релятивистской и квантово-механической в 20-м веке. На рис.1 схематично представлено развитие и смена научных картин мира в физике.

Рис.1. Физические картины Мира

Физическая картина мира создается благодаря фундаментальным экспериментальным измерениям и наблюдениям, на которых основываются теории, объясняющие факты и углубляющие понимание природы. Физика – это экспериментальная наука, поэтому она не может достичь абсолютных истин (как и само познание в целом), поскольку эксперименты сами по себе несовершенны. Этим обусловлено постоянное развитие научных представлений.

К началу документа

3. Основные понятия и законы МКМ

МКМ складывалась под влиянием материалистических представлений о материи и формах ее существования. Основополагающими идеями этой картины Мира являются классических атомизм, восходящий к Демокриту и т.н. механицизм . Само становление механической картины справедливо связывают с именем Галилео Галилея, впервые применившего для исследования природы экспериментальный метод вместе с с измерениями исследуемых величин и последующей математической обработкой результатов. Этот метод принципиально отличался от ранее существовавшего натурфилософского способа, при котором для объяснения явлений природы придумывались априорные (<лат. a priori – букв. до опыта), т.е. не связанные с опытом и наблюдением, умозрительные схемы, для объяснения непонятных явлений вводились дополнительные сущности, например мифическая “жидкость” теплород, определявшая нагретость тела или флогистон – субстанция, обеспечивающая горючесть вещества (чем больше флогистона в веществе, том лучше оно горит).

Законы движения планет, открытые Иоганном Кеплером, в свою очередь, свидетельствовали о том, что между движениями земных и небесных тел не существует принципиальной разницы (как полагал Аристотель), поскольку все они подчиняются определенным естественным законам.

Ядром МКМ является механика Ньютона (классическая механика) .

Формирование классической механики и основанной на ней механической картины мира происходило по 2-м направлениям (см. рис.2):

1) обощения полученных ранее результатов и, прежде всего, законов свободного падения тел, открытых Галилеем, а также законов движения планет, сформулированных Кеплером;

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

Рис. 2

В первой половине 19 в. наряду с теоретической механикой выделяется и прикладная (техническая) механика, добившаяся больших успехов в решении прикладных задач. Все это приводило к мысли о всесилии механики и к стремлению создать теорию теплоты и электричества так же на основе механических представлений. Наиболее четко эта мысль была выражена в 1847 г. физиком Германом Гельмгольцем в его докладе “О сохранении силы”: “Окончательная задача физических наук заключается в том, чтобы явления природы свести к неизменным притягательным и отталкивающим силам, величина которых зависит от расстояния”

В любой физической теории присутствует довольно много понятий, но среди них есть основные, в которых проявляется специфика этой теории, ее базис, мировоззренческая сущность. К таким понятиям относят т.н. фундаментальные понятия, а именно:

материя,
движение,
пространство,
время,
взаимодействие.

Каждое из этих понятий не может существовать без четырех остальных. Вмести они отражают единство Мира. Как же раскрывались эти фундаментальные понятия в рамках МКМ?

МАТЕРИЯ. Материя, согласно МКМ – это вещество, состоящее из мельчайших, далее неделимых, абсолютно твердых движущихся частиц – атомов, т.е. в МКМ были приняты дискретные (дискретный – “прерывный”), или, другими словами, корпускулярные представления о материи. Вот почему важнейшими понятиями в механике были понятия материальной точки и абсолютно твердого тела (Материальная точка – тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь, абсолютно твердое тело – система материальных точек, расстояние между которыми всегда остается неизменным).

ПРОСТРАНСТВО . Вспомним, что Аристотель отрицал существование пустого пространства, связывая пространство, время и движение. Атомисты 18-19 вв. наоборот, признавали атомы и пустое пространство, в котором атомы движутся. Ньютон, впрочем, рассматривал два вида пространства:

· относительное , с которым люди знакомятся путем измерения пространственных отношения между телами;

· абсолютное , которое по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было и внешнему и остается всегда одинаковым и неподвижным; т.е. абсолютное пространство – это пустое вместилище тел , оно не связано со временем, и его свойства не зависят от наличия или отсутствия в нем материальных объектов. Пространство в Ньютоновской механике является

Впоследствии А. Эйнштейн, анализируя понятия абсолютного пространства и абсолютного времени, писал: “Если бы материя исчезла, то осталось бы только пространство и время (своего рода сцена, на которой разыгрываются физические явления)”. В этом случае пространство и время не содержат никаких особых “меток”, от которых можно было бы вести отсчет и ответить на вопросы “Где?” и “Когда?” Поэтому для изучения в них материальных объектов необходимо вводить систему отсчета (систему координат и часы). Система отсчета, жестко связанная с абсолютным пространством, называется инерциальной .

трехмерным (положение любой точки можно описать тремя координатами),
непрерывным,
бесконечным,
однородным (свойства пространства одинаковы в любой точке),
изотропным (свойства пространства не зависят от направления).

Пространственные отношения в МКМ описываются геометрией Евклида.

ВРЕМЯ . Ньютон рассматривал два вида времени, аналогично пространству: относительное и абсолютное. Относительное время люди познают в процессе измерений, а абсолютное (истинное, математическое время) само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Таким образом, и время у Ньютона, аналогично пространству – пустое вместилище событий, не зависящее ни от чего. Время течет в одном направлении – от прошлого к будущему.

ДВИЖЕНИЕ . В МКМ признавалось только механическое движение, т.е.изменение положения тела в пространстве с течением времени. Считалось, что любое сложное движение можно представить как сумму пространственных перемещений (принцип суперпозиции ). Движение любого тела объяснялось на основе трех законов Ньютона, при этом использовались такие важные понятия как сила и масса . Под силой в МКМ понимается причина изменения механического движения и причина деформации. Кроме того, было замечено, что силы удобно сравнивать по вызываемым ими ускорениям одного и того же тела (m = const ). Дейсвительно, из 2-го закона следует, что F 1 /F 2 = a1/а2 , величина же m = F/a для данного тела было величиной постоянной и характеризовала инертность тела. Таким образом, количественная мера инертности тела есть его инертная масса.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ. Здесь следует вернуться в наше время и посмотреть, как решается вопрос о взаимодействиях (первопричине, природе сил) в рамках современной научной картины Мира. Современная физика все многообразие взаимодействий сводит к 4-м фундаментальным взаимодействиям: сильному, слабому, электромагнитному и гравитационному. В дальнейшем они будут рассмотрены более подробно. Здесь же остановимся на гравитационном.

Гравитационное взаимодействие означает наличие сил притяжения между любыми телами. Величина этих сил может быть определена из закона всемирного тяготения. Если же известна масса одного из тел (эталона) и сила гравитации, можно определить и массу второго тела. Масса, найденная из закона всемирного тяготения, получила название гравитационной . Ранее уже говорилось о равенстве этих масс, поэтому масса является одновременно и мерой инертности и мерой гравитации. Гравитационные силы являются универсальными. Ньютон ничего не говорил о природе гравитационных сил. Интересно, что и в настоящее время их природа все еще остается проблематичной.

Следует сказать, что в классической механике вопрос о природе сил, собственно, и не стоял, вернее, не имел принципиального значения. Просто все явления природы сводились к трем законам механики и закону всемирного тяготения, к действию сил притяжения и отталкивания.

К началу документа

4. Основные принципы МКМ

Важнейшими принципами МКМ являются:

принцип относительности ,
принцип дальнодействия ,
принцип причинности .

Принцип относительности Галилея . Принцип относительности Галилея утверждает, что все инерциальные системы отсчета (ИСО) с точки зрения механики совершенно равноправны (эквивалентны). Переход от одной ИСО к другой осуществляется на основе преобразований Галилея (см. рис.2).

Пусть имеется ИСО XYZ, относительно ее вдоль оси движется равномерно со скоростью V 0 система X’Y’Z’. Пусть в момент t = 0 начала координат О и О’ совпадают. Тогда координаты т. М в этих двух системах в некоторый момент времени t будут связаны соотношениями:

x = x"+Vоt;
y = y";
z = z".

Время везде течет одинаково, т.е. t = t", масса тел остается неизменной, т.е. m = m".

Для скоростей: V x = Vо + V" x ; V y = V" y ; V z = V" z ;

Если время и скорости одинаковы и V 0 - величина поcтоянная (из условия), то a x = a" x , и, следовательно, силы в обеих системах одинаковы (ma x = ma’ x ), значит, что все механические явления в ИСО протекают одинаково . Поэтому никакими механическими опытами нельзя отличить покой от равномерного прямолинейного движения.

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

Принцип причинности. Как уже было сказано, в МКМ все многообразие явлений природы к механической форме движения материи (механистический материализм, механицизм). С другой стороны известно, что беспричинных явлений нет, что всегда можно (принципиально) выделить причину и следствие. Причина и следствие взаимосвязаны, влияют друг на друга. Следствие одной причины может стать причиной другого следствия. Эту мысль развивал математик Лаплас, утверждая следующее: “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.” Т.е. Лаплас полагал, что все связи между явлениями осуществляется на основе однозначных законов. Это учение обусловленности одного явления другим, об их однозначной закономерной связи вошло в физику как так называемый лапласовский детерминизм (детерминизм – предопределенность). Существенные однозначные связи между явлениями выражаются физическими законами.

К началу документа

Контрольные вопросы

1. Как могут быть классифицированы научные картины мира?
2. Дайте определение НКМ
3. Что такое парадигма?
4. Назовите основные физические картины мира и укажите приблизительное время, когда они формировались и развивались.
5. На каких основных идеях основана МКМ?

6. Что такое априорное суждение?
7. На каких принципах основана механическая картина мира?
8. Поясните, что такое принцип дальнодействия.
9. Объясните принцип относительности Галилея.
10. Что такое принцип причинности?

Литература

1. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. – М.: Изд. ИМПЭ, 1998.
2. Дубнищева Т.Я.. Концепции современного естествознания. Новосибирск: Изд-во ЮКЭА, 1997.

К началу документа

Права на распространение и использование курса принадлежат
Уфимскому Государственному Авиационному Техническому Университету