Концепции современного естествознания. Шпаргалки

21. Методология и оптические теории Ньютона

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.

22. Понятие научной картины мира

Научной картиной мира называется особая форма систематизации знаний на основе их качественного обобщения и мировоззренческого синтеза различных научных теорий. Понятие научной картины мира появилось в XIX в., но наибольшее распространение и обоснование получило только во второй половине XX в. Само по себе это понятие носит размытые черты и понимается каждой научной отраслью либо с узкоспециальной точки зрения (физическая картина мира, химическая картина мира и т. д.), либо с методологической, синергетической, эволюционной и других точек зрения. Существует общефилософское понимание научной картины мира, которое частично основано на онтологической позиции, частично базируется на естественнонаучных знаниях, не исключая и гуманитарной составляющей.

В целом, в научную картину мира входит господствующее в обществе мировоззрение, понимание человеком его места в этом мире и важнейшие научные достижения. Для каждого времени существует своя картина мира, поскольку знания о мире углубляются и расширяются. И если до XVI–XVII вв. картина мира была натурфилософской, до второй половины XIX в. – механистической, далее – термодинамической, то в XX в. – релятивистской и квантово-механической. Но научная картина мира не включает всю совокупность имеющихся естественнонаучных знаний, она касается представлений общества об основных свойствах, сферах, уровнях и закономерностях природы. В научной картине мира присутствуют в равной степени как теоретические знания и образы с высокой долей абстракции, так и наглядные модели. Картины мира выражаются при помощи определенных стереотипов в понимании объективных процессов и способов их познания и интерпретации, которые принято называть в науке парадигмами. В основе научной картины мира всегда лежит физика как наука, определяющая в большей степени организацию человеческого мышления. Основными являются физические теории, объясняющие какие-то факты и постоянно углубляющие понимание природы с помощью новых теорий. Именно физическая компонента в научной картине мира позволяет этой картине развиваться и соответствовать духу времени.

23. Понятия и законы 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. В качестве метода натурфилософия использовала априорные умозрительные схемы, создававшие для объяснения непонятных явлений дополнительные конструкции, ничего не объясняющие, но кажущиеся весомыми. Именно эти дополнительные сущности и были изгнаны в механической картине мира согласно принципу Оккама (без необходимости не приумножать сущности).

Дополнительные сущности появлялись в натурфилософии по причине непонимания происходящих процессов: наука не знала еще причин реакций между теми или иными веществами и пыталась объяснить выделение тепла наличием в теле теплорода, а процессы окисления с горением – наличием флогистона (особой горючей субстанции). Механистический материализм с этим покончил.

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.

24. Принципы механической картины мира

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 вдребезги разбились, 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.

25. Материя и пространство в механической картине мира

В основе материалистической теории лежит учение о первичности материального мира. В основе идеалистической теории – первичность идеи. Родоначальниками материализма были греческие философы (Гераклит, Анаксимандр, Демокрит), которые рассматривали мир как состоящий из делимых единиц материи – атомов. Атом считался конечным этапом деления, его «разобрать» было уже невозможно. Механический материализм взял из греческой философии идею о материальности мира и его делимости до предельного порога – атомов.

Материя считалась в механистическом материализме 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) были отвергнуты, потому что тогда пришлось бы признать наличие единого плана строительства материального мира, а это было равносильно введению в естественные науки идеи Бога. Ньютон на вопрос о наличии в механике Бога и божественного промысла ответил, что в такой идее он не нуждается. Механика объясняла устройство мира с материалистической точки зрения, идея в этом контексте была производной.

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 воспринималось как прозрачное «ничто». Состав воздуха не был еще известен, пространство было аналогом воздуха, лишенного движения. Оно было абсолютным, то есть математически пустым. Оно существовало вне времени и было необходимо для перемещения тел или атомов.

26. Время и движение в механической картине мира

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. Для измерения времени существовал совершенный прибор – механические часы. Большего не требовалось.

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 – 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.

27. Понятие взаимодействий в механической картине мира

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 известна масса одного из тел и сила гравитации, можно определить и массу второго тела.

Закон считался универсальным, сам Ньютон указывал, что это всеобщий закон, применимый для всех планет; на его основе он создал теорию сжатия Земли у полюсов, теорию приливов и отливов, движения комет, возмущения в движении планет и т. п. И первую проверку закон всемирного тяготения прошел именно на космическом уровне. В 1682 г. друг Ньютона Галлей открыл комету, впоследствии названную его именем, и предсказал ее возвращение к Земле через 76 лет; предсказание он делал, исходя из законов Кеплера, но без учета ньютоновой гравитации.

Через 76 лет комета не появилась. Расчеты решил перепроверить француз Клеро, он провел свои вычисления с учетом возмущений Сатурна и Юпитера и дал точную дату появления кометы Галлея, сделав ошибку всего на три недели. Опираясь на закон всемирного тяготения, в XIX в. ученым удалось сначала рассчитать, а затем и увидеть планету Нептун.

Гравитационное взаимодействие является взаимодействием ввиду силы притяжения между двумя любыми телами. Из гравитационного закона Ньютон вывел тождественность гравитационной массы и массы инертности. Этот принцип был назван Эйнштейном фундаментальным законом природы и положен в основу общей теории относительности.