Научная революция Нового времени. Механистическая картина мира

Основополагающим событием, приведшим к кардинальному изменению научной картины мира, стало принятие гелиоцентрической модели Солнечной системы, пришедшей на смену геоцентрической. Этот принципиальный момент нового мировоззрения определил совокупность концептуальных отличий классического естествознания от античной натурфилософии, что и позволяет характеризовать этот переход как научную революцию Нового времени.

Закладку фундамента новой картины мира, впоследствии получившей название механистической, справедливо связывают с именем Галилео Галилея. Выдающая заслуга Галилея состоит не только и не столько в том, что он обосновал гелиоцентрическую систему Николая Коперника, установил законы движения свободно падающих тел и сформулировал принцип относительности механики, что само по себе было бы достаточным, чтобы обессмертить его имя. Главным в его научной деятельности является то, что он разработал методологию нового подхода к описанию природы – экспериментально-математического.

Галилей сознательно прибег к абстракции, уяснив, что следует выделять только некоторые физические и геометрические характеристики исследуемых объектов с тем, чтобы, во-первых, строить математическую модель и, во-вторых, проводить адекватный ей эксперимент, т. е. опытную проверку этой теоретической модели в условиях, когда наблюдение выделенных характеристик изолировано от влияния других.

Такая методологическая доктрина, сформулированная Галилеем в его сочинении «Пробирные весы», предопределила пути развития классического естествознания, сохранив свое значение и поныне.

Благодаря новому подходу естествознание от натурфилософских догадок и их умозрительного обоснования перешло к взаимодействию теории и эксперимента, когда любая гипотеза или теоретическое предположение подвергаются обстоятельной эмпирической проверке. Наиболее ярко, пожалуй, достоинства галилеева подхода проявились при установлении закономерностей падения материальных тел. Проведя серию экспериментов, Галилей достоверно установил, что, вопреки утверждениям Аристотеля, во-первых, путь, пройденный падающими телами, пропорционален их ускорению (которое, как показали измерения, равно 9,81 м/с²), а не скорости, и, во-вторых, это ускорение одинаково для всех тел. Галилей, располагая новой методологий, проводит мысленный эксперимент, а также пользуется логикой математического доказательства.

Глубокий пересмотр представлений о природе связан с введением понятия инерциального движения. Галилеем на основе экспериментальных данных был сформулирован закон инерции, гласящий, что тело, не подверженное действию внешних сил, будет двигаться равномерно по прямолинейной траектории или оставаться в состоянии покоя.

С точки зрения современных концепций естествознания, высшим достижением Галилея можно считать выдвинутый им принцип относительности механического движения. Дело в том, что совместимость принципа относительности с принципом постоянства скорости света составляет основу специальной теории относительности.

Для развития естествознания чрезвычайно важное значение имело открытие Иоганном Кеплером законов небесной механики. Стало ясно, что между движением земных и небесных тел не существует каких-либо принципиальных различий, т. е. оно подчиняется единым естественным законам.

Итак, отталкиваясь от представлений аристотелева учения, Галилей и Кеплер произвели кардинальную перестройку всей механики, подготовив тем самым возможность обобщения открытых ими кинематических законов в виде единой для земных и небесных тел механики Ньютона.

Формирование классического естествознания по своему значению в истории развития науки занимает особое место, поскольку именно с него началось достоверное изучение мира. Общепризнанными творцами этого учения являются Галилей и Ньютон. Развив бесспорно выдающиеся открытия своих предшественников, Ньютон завершил строительство здания механики, которую мы с уважением называем классической. Он строго сформулировал основные законы динамики, т. е. законы движения тел, учитывающие их массы и действующие на них силы, и закон всемирного тяготения. Это стало возможным благодаря обобщению кинематических законов Галилея и Кеплера на основе созданных Ньютоном методов количественного анализа механического движения в целом.

Изучение механических процессов оказалось возможным свести к их точному математическому описанию методом анализа бесконечно малых величин, разработанным Ньютоном и одновременно Готфридом Вильгельмом Лейбницем. Свой вариант дифференциального и интегрального исчисления Ньютон создал целевым образом для решения основных задач механики, а именно определения мгновенной скорости как производной от пути по времени (v = ds / dt) и ускорения как производной от скорости по времени (a = dv / dt), или второй производной от пути по времени. Благодаря этому были получены точные, или, как принято говорить, строгие, формулировки законов механики.

По существу, Ньютон выдвинул совершенно новый принцип естествознания, состоящий в выведении минимального количества общих начал движения, из которых вытекали бы все свойства и явления, связанные с механическим движением. Роль таких начал и играют основные законы механики. У Ньютона нет ничего общего с натурфилософским подходом, его метод по сути противопоставлен умозрительным построениям. Хорошо известно его утверждение о недопустимости рассмотрения гипотез в экспериментальном естествознании. На самом же деле «настоящие» гипотезы, допускающие эмпирическую проверку, представляют собой исходную позицию любого естественно-научного исследования. Разумеется, и сам Ньютон не обошелся без выдвижения гипотез, ибо принципы его механики нечто иное, как гипотезы, правда, весьма общего и глубокого характера.

Нетрудно убедиться, что, разрабатывая свои принципы естествознания, Ньютон опирался на аксиоматический метод, столь убедительно примененный Евклидом при создании геометрии. Если у Евклида в качестве начал выступает ограниченный набор аксиом, то у Ньютона начала – это его принципы. Ассоциация с Евклидом будет неполной, если не подчеркнуть, что ньютоновская картина мира закономерным образом погружена в адекватное ей трехмерное пространство евклидовой геометрии. Это не просто совпадение или условная символика. Когда физика вышла за рамки классического подхода и появилась общая теория относительности, то ей потребовалось уже другое пространство, описываемое другой геометрией.

Итак, в новой механике для точного описания процессов движения оказалось необходимым и достаточным задать координаты тела и его скорость (или импульс mv – произведение массы на скорость), а также, конечно, уравнение движения тела. Все же последующие
(и предыдущие) состояния движущегося тела однозначно определяются его исходным состоянием. Задав это первоначальное состояние, нетрудно чисто математически, решая уравнение движения, определить любое другое состояние этого тела в любой момент времени как в прошлом, так и в будущем. Таким образом, время выступает в качестве параметра, знак которого в уравнениях движения можно менять на обратный. Такая симметрия процессов движения во времени является характерной и принципиальной особенностью классической механики. Из нее вытекает принцип строгого детерминизма, провозглашающий возможность точного и однозначного определения любого состояния механической системы ее начальным состоянием.

Принцип детерминизма определил направление развития естествознания на многие десятилетия вперед. Он получил авторитетное философское обоснование в трудах одного из крупнейших ученых того времени французского философа, физика и математика Рене Декарта (Картезия). Из декартовой концепции абсолютной независимости сознания и материи следует возможность объективного описания природы без учета участия в этом процессе наблюдателя. Это убеждение, во многом совпадавшее с позицией Ньютона, подкреплялось успешным развитием классического естествознания, плодотворность принципов которого обеспечила блестящие результаты.

Вскоре вслед за классической механикой и во многом на ее эвристической базе были развиты механическая теория тепловых процессов, гидродинамика, теория упругости, молекулярно-кинетическая теория и ряд других направлений, составивших классическую физику. Обратим внимание на то, что в названиях этих направлений уже совершенно естественным образом фигурирует термин «теория». Научно-торетический метод, разработанный Галилеем и Ньютоном, необратимо вошел в науку.

Убедительные успехи ньютоновской механистической концепции в описании процессов, происходящих в мире макрообъектов (хотя сами эти объекты в уравнениях движения фигурируют как предельно идеализированные и абстрагированные материальная точка и абсолютно твердое тело), предопределили возникновение механистической картины мира. Приведем ее наиболее характерные особенности:

1. Пространство и время имеют абсолютный характер и никоим образом не связаны с движением материальных тел.

2. Время является обратимым, т. е. все состояния движения тел по отношению ко времени одинаковы.

3. Все процессы движения подчиняются принципу строгого детерминизма, т. е. любое состояние движения тела однозначно определяется его предыдущим состоянием.

4. Взаимодействие тел определяется принципом дальнодействия, согласно которому оно происходит в пустом пространстве мгновенно, т. е.
с бесконечной скоростью.

5. Все формы движения материи могут быть сведены к механическому движению.

Механистическая картина изображает окружающий мир в виде грандиозного механизма, все элементы которого соединены причинно-следственными связями и каждое его состояние однозначно определено предшествующими состояниями.

Дальнейшее развитие физики и других естественных наук выявило природные процессы, которые не имеют однозначных причин. Выяснилось, что целый ряд процессов происходит случайно по объективным причинам, а совсем не потому, что эти причины неизвестны
из-за недостатка знаний. В результате наука обогатилась новыми концепциями, свидетельствующими об ограниченности принципа механистического детерминизма.

Согласно современным концепциям естествознания, классическая механика имеет свою вполне определенную область применения: она является вполне достаточной для описания движения макрообъектов со скоростями много меньше скорости света. Ее абстрактные понятия: пространство, время, масса, сила – не потеряли своего значения в современном естествознании.

Наиболее важное значение классической физики состоит в том, что, являясь по сути физикой макромира, она связывает человека, как существо того же макромира, со всеми уровнями микро- и мегамира, куда проникает процесс познания. Эксперимент составляет неотъемлемую часть научного метода познания, а экспериментальные установки, создаваемые человеком, всегда будут иметь макромасштаб, да и результаты экспериментов не могут быть измерены в другом масштабе. Поэтому все опытные данные человек-наблюдатель будет описывать на языке классических понятий.