Понятие состояния физической системы. Основная задача классической механики

Понятие состояния физической системы является центральным элементом физической теории.

Состояние физической системы — это конкретная определенность системы, однозначно детерминирующая ее эволюцию во времени. Для задания состояния системы необходимо: 1) определить совокуп­ность физических величин, описывающих данное явление и характе­ризующих состояние системы, - параметры состояния системы; 2) выделить начальные условия рассматриваемой системы (зафиксиро­вать значения параметров состояния в начальный момент времени); 3) применить законы движения, описывающие эволюцию системы.

По словам великого математика Ю. Вигнера, «именно в четком разделении законов природы и начальных условий и состоит удиви­тельное открытие ньютоновского века».

Параметрами, характеризующими состояния механистической сис­темы, является совокупность всех координат и импульсов материаль­ных точек, составляющих эту систему. Задать состояние механичес­кой системы, значит, указать все координаты г. Ц, у., г) и импульсы Р. всех материальных точек. Основная задача динамики состоит в том, чтобы, зная начальное состояние системы и законы движения (законы Ньютона), однозначно определить состояние системы во все после, дующие моменты времени, то есть однозначно определить траектории движения частиц. Траектории движения получаются путем интег. рирования дифференциальных уравнений движения и дают полное описание поведения частиц в прошлом, настоящем и будущем, то есть характеризуются свойствами детерминированности и обратимости. Здесь полностью исключается элемент случайности, все заранее жес­тко причинно-следственно обусловлено. Считается, что задать на­чальные условия можно абсолютно точно. Точное знание начально­го состояния системы и законов движения ее предопределяет попа­дание системы в заранее выбранное, «нужное» состояние.

«Лапласовский» детерминизм с философской точки зрении взаимоотношения категорий необходимости и случайности

 

Понятие причинности в классической физике связывается со стро­гим детерминизмом в лапласовском духе. Здесь уместно привести фундаментальный принцип, провозглашенный Лапласом, и отметить вошедший в науку в связи с этим принципом образ, именуемый «демо­ном Лапласа»: «Мы должны рассматривать существующее состояние Вселенной как следствие предыдущего состояния и как причину пос­ледующего. Ум, который в данный момент знал бы все силы, действу­ющие в природе, и относительное положение всех составляющих ее сущностей, если бы он еще был столь обширен, чтобы ввести в расчет все эти данные, охватил бы одной и той же формулой движения круп­нейших тел Вселенной и легчайших атомов. Ничто не было бы для него недостоверным, и будущее, как и прошедшее, стояло бы перед его глазами». Тем самым, трансдисциплинарной концепцией естествоз­нания в классический период его развития становится представление о том, что только динамические законы полностью отражают причин­ность в природе. С философской точки зрения можно сказать, что в динамических теориях нет места взаимопревращению необходимости и случайности. Случайность понимается как некая досадная помеха в получении истинного результата, а не как необходимость, проявлен­ная в действительности.

 

Принцип дельнедействия и принцип близкодействия. Роль концепции эфира в формировании понятия поля

В механике Ньютона тела взаимодействуют на расстоянии, и взаи­модействие происходит мгновенно. Именно эта мгновенность переда­чи взаимодействий и обусловливает ненужность какой-либо среды и утверждает принцип дальнодействия. Известно, что Декартом раз­вивалась противоположная точка зрения на природу взаимодействий, согласно которой материя взаимодействует с материей лишь при не­посредственном соприкосновении. Таким агентом, передающим взаи­модействия от тела к телу, являются частички эфира. Известны два альтернативных взгляда на природу света - корпускулярная точка зрения, отстаиваемая Ньютоном, согласно которой свет — поток час­тиц, корпускул. И точка зрения Гюйгенса о волновой природе света, согласно которой свет — это волна, распространяющаяся в упругой механической среде, которая есть светоносный эфир. Как писал Кель­вин: «Многие труженики и мыслители помогли выработать в XIX в. понятие «пленума» — одного и того же эфира, служащего для пере­носа света, теплоты, электричества и магнетизма». Тем не менее идея абсолютного пустого пространства одерживает благодаря автори­тету Ньютона победу над концепцией эфира вплоть до начала XIX в. И лишь работы Т. Юнга и О. Френеля по изучению явлений интер­ференции и дифракции света (явления интерференции и дифракции сами по себе свидетельствуют именно о волновой природе света) приводят к возрождению концепции светоносного эфира.

Гипотеза упругих колебаний эфира на повестку дня выносила воп­рос: неподвижен ли сам эфир или же он движется? Если он движется, то увлекается ли движущимися телами? Все точки зрения, базирующи­еся на динамических теориях эфира, оказались несостоятельными и были опровергнуты специальной теорией относительности-Эйнштейна, подготовив, тем не менее, необходимую почву для ее возникновения.

Хотя гипотеза эфира была устранена наукой XX в., она оставила, несомненно, важный след в формировании физических понятий. Ведь принятие эфира — это, по существу, принятие точки зрения близко­действия — передачи взаимодействия от одной точки эфира к другой, что привело в исследованиях М. Фарадея и Дж. Максвелла к выра-отке понятия поля, которое последний рассматривает как возбуж­денное состояние эфира.

.

К началу XX в. физика изучает материю в двух ее проявлениях - веществе и поле. Обе эти модификации рассматриваются как рав­ноправные, обе обладают такими характеристиками, как энергия, масса, импульс. Частицам вещества приписываются такие свойства, как диск­ретность, конечность числа степеней свободы, в то время как поле характеризуется непрерывностью распространения в пространстве, бесконечным числом степеней свободы. Структура электромагнитного поля резюмируется в семи уравнениях Максвелла. Эти уравнения от­личаются от уравнений механики. Уравнения механики применимы к областям пустого пространства, в которых присутствуют частицы. Урав­нения же Максвелла применимы для всего пространства, независимо от того, присутствует ли там вещество (в том числе заряженные тела), иными словами, позволяют проследить изменения поля во времени а любой точке пространства, то есть получить уравнение электромаг­нитной волны. Уравнения Максвелла позволяют описывать все извес­тные электрические и магнитные явления. Исходя из своих уравнений, после ряда преобразований, Максвелл устанавливает, что электромаг­нитные волны распространяются с той же скоростью, что и свет, и приходит к выводу о том, что свет — это электромагнитная волна, что было позднее, уже после смерти Максвелла, экспериментально под­тверждено Г. Герцем.

Поле возникает как развитие идеи эфира, утверждая принцип близ­кодействия, отвергая представления о пустоте, о вакууме. Специаль­ная теория относительности лишит эфир его основного механичес­кого свойства — абсолютного покоя. Ибо, по словам Эйнштейна, «... введение «светоносного» эфира окажется измышлением, поскольку в специальной теории относительности не вводится «абсолютно по­коящееся пространство», наделенное особыми свойствами». И эфир, будучи изгнан из физической теории, унесет с собой концепцию даль­нодействия и концепции абсолютного пространства и абсолютного времени.