Предпосылки создания физической картины мира

 

Физическая картина мира создается благодаря фундаментальным экспериментальным исследованиям, на которых основываются теории, объясняющие факты и углубляющие наше понимание природы.

Коренная смена мировоззрения научного мышления и радикального изменения естественно-научной картины мира произошла в XX веке.

Вплоть до начала XXI столетия в науке господствовала возникшая в новое время система представлений о закономерностях окружающего мира, основанная на идеях Г. Галилея, И. Ньютона и Р. Декарта. Галилей разработал принципиально новую теорию движения, одним из основных законов которой стал принцип относительности: внутри равномерно и прямолинейно движущейся системы объектов все механические процессы происходят так, как если бы эта система находилась в покое. Принцип относительности Галилея задает группу преобразований координат, относительно которой законы механики инвариантны. Этот принцип составляет фундаментальную основу трех основных законов классической механики, сформулированных в полном виде Ньютоном. Законы Ньютона действуют в инерциальной системе отсчета и удовлетворяют условию Галилея.

Инерциальные системы отсчета в современном понимании жестко связаны с каким-либо свободно движущимся телом. По своим физическим свойствам инерциальные системы эквивалентны друг другу. Смысл инерциальных систем можно выразить постоянным значением соотношения скоростей, с которыми они двигаются относительно друг друга. Неинерциальные системы двигаются относительно друг друга или с замедлением, или с ускорением. Р. Декарт поправил и дополнил Г. Галилея, сформулировав два исходных закона движения, которые уточнил И. Ньютон. Эти два закона, соединенные Ньютоном, приняли форму первого закона механики, который формулируется так: всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние. Данный закон действует в декартовой системе координат – в инерциальной прямоугольной системе отсчета. Этот закон называют также законом инерции. Таким образом, первый закон Ньютона утверждает существование инерциальных систем отсчета. Следует отметить, что система отсчета, жестко связанная с Землей, в строгом смысле неинерциальна. Этот факт был установлен опытами Ж. Фуко. Объясняется это тем, что Земля вращается и вокруг своей оси, и вокруг Солнца. Система отсчета, жестко связанная с Солнцем, также неинерциальна, так как Солнце вращается и вокруг своей оси, и вокруг центра масс Солнце–Земля, и вокруг центра Галактики. Однако эффекты, обусловленные неинерциальностью, при решении многих задач пренебрежимо малы, и их можно не учитывать. Таким образом, первый закон Ньютона является идеализацией существующей физической картины мира. Первый закон Ньютона не учитывает гравитационное и электромагнитное взаимодействие тел.

Центральное место в системе трех законов механики занимает второй закон Ньютона – основной закон динамики поступательного движения. Обобщенная математическая формулировка второго закона Ньютона представляется выражением F = dp/dt, где F – сила, а dp/dt – скорость изменения импульса материальной точки. Импульс материальной точки является векторной величиной и равен p = mv, т.е. произведению массы материальной точки на ее скорость. По-другому импульс называют количеством движения. Таким образом, второй закон Ньютона связывает изменение состояния материальной точки с величиной и направлением действующей на нее силы. Третий закон Ньютона определяет взаимодействие между материальными телами: силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки, равны по модулю и противоположны по направлению и действуют вдоль прямой, соединяющей эти точки. Математическая формулировка третьего закона Ньютона выглядит так: F ₁₂ = – F ₂₁. Процесс становления фундаментальных понятий классической механики и ее принципов в значительной степени приобрел законченные формы с открытием Ньютоном закона всемирного тяготения: между любыми двумя материальными точками (m ₁ и m ₂) действует сила взаимного притяжения, прямо пропорциональная произведению масс этих точек и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними r ²: F = G m ₁ m ₂ /r ²(G – гравитационная постоянная, F – сила всемирного тяготения). Следует отметить, что открытию закона всемирного тяготения предшествовали и способствовали три закона И.Кеплера. Формулировкой трех законов движения и открытием закона всемирного тяготения Ньютон завершил создание механики как науки – классической механики.

Классическая механика, включающая в себя фундаментальные идеализации, основные законы и принципы, логические следствия из них, сыграла роль центрального ядра в последующем развитии естествознания, в создании теорий физических процессов и явлений и, наконец, в формировании физической картины мира.

В своем развитии физика прошла длинный путь: от первых шагов, которые начинались в лоне древнегреческой философии две с половиной тысячи лет назад, до современных представлений о мире. Однако основные открытия были сделаны в последние 300 лет. Здесь следует отметить создание молекулярно-кинетической теории строения веществ Д. Максвеллом, Л. Больцманом, Р. Клаузисом, электромагнитной теории K. Гауссом, Д. Максвеллом, М. Фарадеем, А. Ампером, Г. Герцем, Д. Джоулем, Э.Х. Ленцем, Г. Омом, которые расширили представление о законах природы и Вселенной. Именно в это время были сформулированы представления об окружающем мире, которые теперь называют механической (механистической) и электромагнитной картинами мира.

Механическая картина мира

Становление механической картины мира связывают, как уже отмечалось выше, с именами Г. Галилея, Р. Декарта и И. Ньютона. Формирование механической картины мира потребовало нескольких столетий; практически оно завершилось лишь в середине XIX в. Механическая картина мира возникла на основе классической механики, обобщения законов движения свободно падающих тел и движения планет, а также создания методов количественного анализа механического движения в целом. Эту картину следует рассматривать как важную ступень в познании человеком окружающего мира.

Основу механической картины мира составляет идеяатомизма,т.е. все тела (твердые, жидкие, газообразные) состоят из атомов и молекул, находящихся в непрекращающемся тепловом движении. Взаимодействие тел происходит как при их непосредственном контакте (трение, силы упругости), так и на расстоянии (силы тяготения). Все пространство заполняет всепроникающий эфир – среда, в которой распространяется свет. Атомы рассматриваются как некие цельные, неделимые «кирпичики»; сцепляясь друг с другом, они образуют молекулы и в конечном счете все тела. Природа этого сцепления не исследовалась, сущность эфира не рассматривалась.

Эта картина мира основана на четырех принципиальных представлениях.

1. Мир в этой картине построен на едином фундаменте – на законах механики Ньютона. Все наблюдаемые превращения в природе, а также тепловые явления сводились на уровне микроявлений к механике атомов и молекул.

2. Механическая картина мира исходила из представлений, что микромир аналогичен макромиру.

3. В механической картине мира отсутствует развитие, т.е. мир считался в целом таким, каким он был всегда.

4. В механической картине мира все причинно-следственные связи – однозначные, здесь господствует детерминизм, согласно которому по известным начальным данным системы можно точно предсказать ее будущее.

Данное мировоззрение господствовало в естествознании до середины второй половины XIX в. По своей сути эта картина мира является метафизической, поскольку в ней отсутствуют внутренние противоречия и качественное развитие, все происходящее в мире жестко предопределено, а все разнообразие мира сведено к механике. В механической картине мира пониманиесводится к построению механической модели, изучение которой приводит к выводу о ее соответствии или несоответствии реальному объекту, процессу, явлению. В механической картине мира причинно все обусловлено (принцип детерминизма). Однако развитие термодинамики трудами С. Карно, Р. Клаузиуса, Дж. Максвелла, Л. Больцмана и других существенно изменило представление о причинной обусловленности в материальном мире. Введение статистических законов на основе молекулярно-кинетической теории привело к иному рассмотрению физической картины мира – вероятностно-механической. Вероятностный подход отвергает необходимость детального знания движения каждой молекулы, так как общее поведение системы не определяется начальными условиями, присущими отдельным молекулам. Н.М. Крылов сформулировал основные постулаты, выполнение которых в системе взаимодействующих молекул ведет к использованию статистических законов на фоне индивидуальных взаимодействий по законам классической механики. Первый постулат выражает одинаковое статистическое значение результата измерения параметров одной системы в течение продолжительного времени и статистического результата одновременного измерения идентичных систем (принцип эргодичности, заключающийся в приравнивании математического ожидания результата измерения по временным рядам математическому ожиданию по пространственным рядам). Этот результат чрезвычайно важен для стабильности результатов измерений, т.е. для повторяемости и воспроизводимости результатов измерений. Второй постулат устанавливает существование равновесного состояния, к которому с течением времени приходят идентичные статистические системы и в котором они будут находиться в последующем. Для такого состояния выполняется закон распределения молекул по скоростям, открытый Максвеллом. Третий постулат устанавливает для равновесного состояния максимальное значение энтропии. Случайные отклонения от этого состояния (флуктуации) тем менее вероятны, чем больше их величина.