Концепции современного естествознания

Учебное пособие

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2011

ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА.

 

История науки свидетельствует, что естествознание, возникшее в ходе научной революции XVI - XVII вв., было связано долгое время с развитием физики. Именно физика была и сегодня наиболее развитой и систематизированной естественной наукой. Поэтому, когда возникло мировоззрение европейской цивилизации Нового времени, складывалась классическая картина мира, естественным было обращение к физике, ее концепциям и аргументам, во многом определившим эту картину. Степень разработанности физики была настолько велика, что она могла создать собственную физическую картину мира, в отличие от других естественных наук, которые лишь в XX веке смогли поставить перед собой эту задачу (создание химической и биологической картин мира).

Понятие «физическая картина мира» употребляется давно, но лишь в последнее время оно стало рассматриваться не только как итог развития физического знания, но и как особый самостоятельный вид знания - самое общее теоретическое знание в физике (система понятий, принципов и гипотез), служащее исходной основой для построения теорий. Физическая картина мира, с одной стороны, обобщает все ранее полученные знания о природе, а с другой - вводит в физику новые философские идеи и обусловленные ими понятия, принципы и гипотезы, которых до этого не было и которые коренным образом меняют основы физического теоретического знания: старые физические понятия и принципы ломаются, новые возникают, картина мира меняется.

Развитие самой физики непосредственно связано с физической картиной мира. При постоянном возрастании количества опытных данных картина мира весьма длительное время остается относительно неизменной. С изменением физической картины мира начинается новый этап в развитии физики с иной системой исходных понятий, принципов, гипотез и стиля мышления. Переход от одного этапа к другому знаменует качественный скачок, революцию в физике, состоящую в крушении старой картины мира и в появлении новой. В пределах данного этапа развитие физики идет эволюционным путем, без изменения основ картины мира. Оно состоит в реализации возможностей построения новых теорий, заложенных в данной картине мира. При этом она может эволюционировать, достраиваться, оставаясь в рамках определенных конкретно-физических представлений о мире.

Ключевым в физической картине мира служит понятие «материя», на которое выходят важнейшие проблемы физической науки. Поэтому смена физической картины мира связана со сменой представлений о материи. В истории физики это происходило два раза. Сначала был совершен переход от атомистических, корпускулярных представлений о материи к полевым - континуальным. Затем, в XX веке, континуальные представления были заменены современными квантовыми. Поэтому можно говорить о трех последовательно сменявших друг друга физических картинах мира.

 

МЕХАНИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА.

Она складывается в результате научной революции XVI -XVII вв. на основе работ Г. Галилея и П. Гассенди, восстановивших атомизм древних философов, исследований Декарта и Ньютона, завершивших построение новой картины мира, сформулировавших основные идеи, понятия и принципы, составившие механическую картину мира.

Основу механической картины мира составили:

во-первых, атомизм, согласно которому весь мир, включая и человека, представляет собой совокупность огромного числа неделимых частиц - атомов, перемещающихся в пространстве и времени;

во-вторых, три закона динамики, сформулированные Ньютоном в 1687 году.

Ключевым понятием механической картины мира было понятие движения.

Механическое движение – простейшее форма движения материи, которое состоит в перемещении тел или их частей друг относительно друга.

Совокупность неподвижных друг относительно друга тел, по отношению к которым рассматривается движение, и отсчитывающих время часов образует систему отсчета.

Движение одного и того же тела относительно различных систем отсчета может иметь разный характер. Для примера представим себе набирающий скорость поезд. Пусть по коридору одного из вагонов этого поезда идет с постоянной скоростью пассажир. Тогда движение пассажира относительно вагона будет равномерным, а относительно поверхности земли ускоренным.

Типичная задача механики заключается в том, чтобы, зная состояние системы в некоторый начальный (или конечный) момент времени, а также законы, управляющие движением, определить состояние системы во все последующие (или предыдущие) моменты времени.

Тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь, называется материальной точкой, а некоторая линия, которую при своем движение она описывает, называется траекторией.

 

 

Пусть материальная точка переместилась вдоль некоторой траектории из точки 1 в точку 2. Расстояние между точками 1 и 2, отсчитанное вдоль траектории, называется путем (s), пройденным частицей. Прямолинейный отрезок, проведенный из точки 1 в точку 2, называется перемещением (r₁₂) частицы.

 

Вспомним уравнение равномерного прямолинейного движения (v=const):

 

x(t) = x_o + v_xt,

где x(t) – координата тела в момент времени t;

  x_o – начальная координата тела при t = 0

   v_x – проекция вектора скорости  на ось OX, совмещенную с траекторией прямолинейного движения тела.

Полагая |x-x₀| = s, получим формулу пути, пройденного телом со скоростью v в случае прямолинейного равномерного движения без изменения направления скорости:

s = v·t

Подобным образом были предложены уравнения для других видов поступательного и вращательного движений, которые и в настоящее время рассматриваются в разделе физики «Кинематика механического движения». Кинематика дает описание движения тел, не затрагивая вопроса о том, почему тело движется именно так (например, равномерно по окружности, или равномерно-ускоренно по прямой), а не иначе.

Динамика изучает движение тел в связи с теми причинами (взаимодействия между телами), которые обусловливают тот или иной характер движения. Вспомним три основных закона динамики и закон всемирного тяготения, сформулированные Исааком Ньютоном.

Первый закон Ньютона:

Всякое тело сохраняет состояние покоя или прямолинейного и равномерного движения до тех пор, пока в результате воздействия других тел это состояние не изменится.

Второй закон Ньютона (основной закон динамики материальной точки):

Ускорение, приобретаемое телом в инерциальной системе отсчета, прямо пропорционально силе, действующей на тело и обратно пропорционально его массе:

Третий закон Ньютона:

Силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению:

.

 

Первый закон Ньютона утверждает, что состояние покоя или равномерного прямолинейного движения не требует для своего поддержания каких-либо внешних воздействий. В этом проявляется особое динамическое свойство тел, называемое инертностью. Соответственно первый закон Ньютона называют также законом инерции, а движение тела, свободного от внешних воздействий – движением по инерции. Системы отсчета, по отношению к которым выполняется закон инерции, называются инерциальными системами отсчета, а мерой инертности тела является масса тела. Чем больше инертность тела, а следовательно, и его масса, тем меньшее ускорение оно должно приобретать под действием одной и той же силы.

Учитывая, что в ньютоновской механике масса материальной точки не зависит от времени, а ускорение a = , где v – скорость точки, то уравнение основного закона динамики материальной точки можно переписать:

 

или

 

Величина p, равная произведению массы материальной точки на ее скорость, называется импульсом материальной точки. В теоретической механике вектор mv называется количеством движения. Импульс материальной точки – одна из важнейших ее динамических характеристик.

Основной закон динамики материальной точки утверждает, что скорость изменения импульса материальной точки равна действующей на нее силе.

В этом утверждении и состоит, согласно современной терминологии, содержание второго закона Ньютона. Основной закон динамики материальной точки выражает принцип причинности в классической механике, так как устанавливает однозначную связь между изменением с течением времени состояния движения и положения в пространстве материальной точки и действующей на нее силой.

Универсальным свойством тел является тяготение.

Закон всемирного тяготения:

Сила взаимного притяжения двух тел прямо пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

G – гравитационная постоянная,

 

Решая проблемы взаимодействия тел, Ньютон предложил принцип дальнодействия. Согласно этому принципу взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных посредников.

Концепция дальнодействия тесно связана с пониманием пространства и времени как особых сред, вмещающих взаимодействующие тела. Ньютон предложил концепцию абсолютного пространства и времени. Пространство представлялось большим «черным ящиком», вмещающим все тела в мире, но если бы эти тела вдруг исчезли, пространство все равно бы осталось. Аналогично, в образе текущей реки, представлялось и время, также существующее абсолютно независимо от материи.

На основе механической картины мира в XVIII - начале XIX вв. была разработана земная, небесная и молекулярная механика. Быстрыми темпами шло развитие техники. Это привело к абсолютизации механической картины мира, к тому, что она стала рассматриваться в качестве универсальной.

В это же время в физике начали накапливаться эмпирические данные, противоречащие механической картине мира. Так, наряду с рассмотрением системы материальных точек, полностью соответствовавшей корпускулярным представлениям о материи, пришлось ввести понятие сплошной среды, связанное по сути дела, уже не с корпускулярными, а с континуальными представлениями о материи. Так, для объяснения световых явлений вводилось понятие эфира - особой тонкой и абсолютно непрерывной световой материи.

В XIX в. методы механики были распространены на область тепловых явлений, электричества и магнетизма. Казалось бы, это свидетельствовало о больших успехах механического понимания мира в качестве общей исходной основы науки. Но при попытке выйти за пределы механики материальных точек приходилось вводить все новые искусственные допущения, которые постепенно готовили крушение механической картины мира. Аналогично световым явлениям, для объяснения теплоты, электричества и магнетизма вводились понятия теплорода, электрической и магнитной жидкости как особых разновидностей сплошной материи.

Хотя механический подход к этим явлениям оказался неприемлемым, опытные факты искусственно подгонялись под механическую картину мира. Попытки построить атомистическую модель эфира продолжались еще и в XX веке.

Эти факты, не укладывающиеся в русло механической картины мира, свидетельствовали о том, что противоречия между установившейся системой взглядов и данными опыта оказались непримиримыми. Физика нуждалась в существенном изменении представлений о материи, в смене физической картины мира.