Механическая картина мира: становление, развитие, кризис

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Механическая картина мира: становление, развитие, кризис

Становление механической картины мира

Научная революция 16-17 в.в.

Огромное значение в накоплении естественнонаучных знаний, а также в развитии материалистических взглядов имели географические открытия конца 15 - начала 16 века (открытия Колумба, путешествия Васко да Гама, Магеллана). Великие открытия создали широкую географическую базу промышленного и культурного развития, именно она могла обеспечить и создание новой науки. Но для этого требовалось еще и новое мировоззрение, освобожденное от оков схоластики. Поэтому начавшаяся в 16 веке научная революция охватила все стороны мировоззрения, переворот во взглядах на мир, на место человека в этом мире, на значение и методы научного познания.

В эту эпоху напряженных классовых битв в Италии начинается новая культурная полоса, в течение которой появились скульптуры Микеланджело, картины Рафаэля, вырастает гуманистическая культура Польши, давшая миру гений Н. Коперника, бросивший вызов церковному авторитету в вопросах природы.

Н. Коперник (1473 - 1543 г.г.) - учился в Кракове, Болонье и Падуе, получил докторскую степень в Ферраре и занял должность каноника в Фромборке. Изучал экономику, право и медицину, одновременно с интересом занимался астрономией и математикой. В 1530 году появился первый рукописный труд Н. Коперника «Комментарий» (был утерян и напечатан лишь в 1877 году, получив название «Малый Комментарий»). В этом сочинении Коперник рисует кинематическую схему планетных движений в солнечной системе. Самое великое творение ученого, которое начало свою бессмертную жизнь уже после его смерти - знаменитая книга «О вращениях небесных сфер». В этой книге содержится систематическое изложение и обоснование гелиоцентризма. Излагая в своей книге картину солнечной системы, Коперник исходит из следующих соображений, основываясь на результатах астрономических наблюдений: Меркурий и Венера всегда кажутся с Земли находящимися возле Солнца и никогда не оказываются на противоположной стороне неба. При этом Меркурий всегда ближе к Солнцу, он никогда не отходит от Солнца на такое расстояние как Венера. Отсюда следует, что Меркурий и Венера обращаются вокруг Солнца по орбитам, находящимся внутри орбиты Земли. Марс, Юпитер и Сатурн иногда противостоят Солнцу, т.е. Земля оказывается между Солнцем и этими планетами, во время противостояния эти планеты светят ярче всего и, значит, находятся ближе к Земле. Отсюда Коперник делает вывод, что орбиты указанных планет дальше от Солнца, чем орбита Земли. В их видимых движениях можно заметить некоторые неправильности, которые обладают периодичностью. Такая ситуация, как утверждает Коперник, может быть объяснена только движением Земли вокруг Солнца. Чем меньше неправильности, заключает ученый, тем дальше соответствующая планета. Таким образом, Земля не центр мироздания, а лишь одна из шести планет, обращающихся вокруг Солнца.

С точки зрения основ научной картины мира работа Коперника - это переход к концепции относительного движения Земли и относительного движения во всей Вселенной. Он показывает, что если Земля обращается вокруг Солнца, то видимое движение Солнца будет таким же, как если бы Солнце обращалось вокруг Земли. Отсюда следует, что видимое движение небесных тел может быть следствием не только их действительного движения, но и действительного движения Земли. При помощи принципа относительности движения Коперник борется против аргументов геоцентризма. Геоцентрическая картина мира обосновывалась картиной разрушительного урагана, который снес бы все с земной поверхности, если бы Земля вращалась. Коперник утверждает, что движение Земли, являясь естественным движением, не может нарушить естественного порядка на Земле, не может заставить тела отклониться от перпендикулярных земной поверхности направлений, не может рассеять тел, находящихся на поверхности Земли, не может унести на запад облака и птиц, отстающих от движущейся земной поверхности. Здесь налицо представление о некотором движении, которое не меняет внутренних соотношений в движущейся системе, а поэтому не может быть обнаружено в самой системе.

Сам Н. Коперник не следил за изданием своей книги. Рукопись была передана в 1953 году в Нюрнберг, где довести дело до печати было поручено протестантскому богослову Андрею Осиандеру. Чтобы примирить гелиоцентризм с библейской догмой, Осиандер составил предисловие к книге, которое долгое веря приписывали самому Н. Копернику. Главная мысль этого предисловия состоит в том, что описанное Коперником движение представляет собой лишь математическую гипотезу и «… лишь безумец может думать, будто в книге доказывается движение Земли».

Как бы там ни было, труд Коперника изначально не был признан опасным, и книга была напечатана. Более того, когда в 1582 году производилась реформа календаря, то были учтены расчеты, произведенные Коперником, из которых следовало, что юлианский календарь отставал на 10 дней от видимого движении Солнца среди звезд.

Сделав один революционный шаг, Коперник был вынужден сделать и второй. Так как движение Земли не отражается на видимой картине сферы неподвижных звезд, он принял, что эта сфера чрезвычайно велика по сравнению с размерами Земли. Коперник думает об измеримости этой бесконечности и сравнивает отношение размеров Земли и Вселенной с отношением размеров атома и тела, образованного из атомов. Большая часть книги Коперника содержит таблицы и расчеты, относящиеся к той видимой части Вселенной, которую с древних времен наблюдал человек.

Книга Н. Коперника поставила перед наукой ряд важных проблем. Его теория нуждалась в физическом обосновании кинематической схемы. Возникал естественный вопрос: что связывает в единое целое планеты с Солнцем, Землю с Луной. Астрономия нуждалась в механике, и не в той, которая была известна древним натурфилософам (статика), а в новой - механике движения. А для развития новой механики необходима была и совершенно новая математика. Так из великого открытия Коперника возникла научная программа, осуществление которой привело к возникновению экспериментального и математического естествознания. Но одновременно возникала необходимость и в смелых пропагандистах нового учения.

Одним из выдающихся ученых-героев в этом плане был великий итальянский мыслитель Джордано Бруно (1548 - 1600 г.г.). Родился в небольшом итальянском городке Нола, биз Неаполя, был назван Филиппе. Получил образование в Неаполе, в 16 лет постригся в монахи под именем Джордано и с 24 лет работает священником в Кампанье. Здесь он познакомился с трудами Коперника и стал неутомимым проводником его идей. Бруно развивает величественное учение о множественности миров. Основная его идея - бесконечность и однородность Вселенной и неисчислимость миров - звезд, тождественных по своей природе Солнцу. У Бруно не только Земля, но и Солнце перестают быть центром Вселенной, последняя вообще не имеет центра. Священнослужители за такие смелые идеи неоднократно отправляли доносы на Бруно, более 7 лет он провел в тюрьме и по приговору суда инквизиции 17 февраля 1600 г. был сожжен в Риме на площади цветов. Ученый заслужил благодарное признание потомков: на месте сожжения воздвигнут памятник Дж. Бруно.

Горячим сторонником учения Коперника еще во время жизни Дж. Бруно был Иоганн Кеплер, обессмертивший свое имя открытием законов движения планет. И. Кеплер (1571 - 1630 г.г.) родился недалеко от Вейля, после окончания академии был преподавателем математики и философии в Граце. Как известно, в знаменитой книге Н. Коперника гелиоцентрическое мировоззрение еще не порвало с представлением об эпициклах, основанном на традиционной идее совершенства небесных тел и движений, из которой выводились круговые орбиты небесных тел. И. Кеплер отбросил традиционный критерий «совершенства» и с ним - равномерные круговые движения небесных тел. Вместе с тем, по сравнению с Коперником, он опирался на новые, гораздо более точные астрономические наблюдения, проведенные во второй половине 16 века Тихо Браге. В результате обработки громадного числа наблюдений Кеплер установил эллиптическую форму планетных орбит. Наряду с идеей круговых орбит, нужно было отбросить вторую традиционную идею - мысль о равномерном движении планет. Кеплер доказал, что скорость планет изменяется таким образом, что площади, описываемые радиусом-вектором планеты в равные промежутки времени, равны между собой. После установления формы орбит и скорости движения планет нужно было связать единой математической зависимостью расстояния планет от Солнца и скорости их движения. Кеплер сделал это, сформулировав третий закон: квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы средних расстояний этих планет от Солнца.

Кеплер представлял Вселенную все же ограниченной сферой. В центре мировой сферы находится Солнце - источник движущей силы, гармонии и света. Движущаяся сила Солнца распространяется на сравнительно небольшое пространство, в котором находятся планеты. Солнце вращается вокруг своей оси и увлекает благодаря этому планеты, распространяя вокруг себя движущие силовые «нити». Космос Кеплера наполнен эфирным веществом, которое сгущается и образует кометы и новые звезды. Свет - невесомая материя, которая с бесконечной скоростью распространяется во все стороны прямолинейно от светящихся тел, причем сила света убывает пропорционально квадрату расстояния. Кеплер отбросил теологические рассуждения о стремлении тел к общему источнику, где они остаются в покое. Соответственно, исчезает и специфичность силы тяготения к каждому небесному телу. Одна и та же сила заставляет у него тяготеть друг к другу и части Луны, и части Земли. Таким образом, тяготение становится универсальной характеристикой вещества. Отсюда вытекает, что элементы вещества связаны взаимным тяготением. Тяготение Кеплера вообще направлено не к месту, а к телу. Первая научная работа Кеплера «Космографическая тайна» сложна, запутана и противоречива. В основном, она посвящена геометрическому закону, управляющему расстояниями между орбитами планет. Продолжением «Космографической тайны» стала книга «Гармонии мира». Здесь впервые в истории науки поставлен вопрос: как могут быть выведены мировые константы? После «Гармонии мира» Кеплер выпустил систематический курс астрономии, где законы, найденные при наблюдении Марса, обобщаются на движение всех планет и их спутников. Здесь же рассматривается вопрос об абсолютном расстоянии между планетами и Солнцем. При этом основной является следующая мысль: Земля - местопребывание существ, способных измерять, следовательно, ее размеры должны быть естественной мерой космических расстояний и величины космических тел, поэтому объем Солнца во столько раз больше объема Земли, во сколько раз расстояние от Солнца превышает радиус Земли. Здесь мы опять встречаемся с тенденцией Кеплера найти какую-то связь между космическими константами. Но, конечно, элементы причинного исследования тонут в нагромождении средневековых фантазий. Кеплер так и не смог отыскать динамические принципы, которые дали бы рациональное объяснение планетных движений. Это, однако, не умаляет значения великих открытий Кеплера, которые вошли в содержание новой механики.

Следующий решительный шаг в борьбе за систему Коперника и новое мировоззрение был сделан Галилеем (1564 - 1642 г.г.). Бруно рассматривал и развивал учение Коперника с философских позиций, Кеплер привел эту систему в соответствие с последними данными астрономии. Галилею оставалось обосновать гелиоцентрическую систему физически, и его борьба за нее слилась с выработкой основ новой физики, пришедшей постепенно на смену аристотелевской. С именем Галилея связано начало нового принципиально важного этапа развития физического знания - восхождение на теоретический уровень познания.

Г. Галилей родился в семье небогатого пизанского дворянина. Научно-технические интересы Галилея были навеяны средой и появились у него с самой ранней юности. Учителем Галилея в Пизанском университете был успешный в свое время представитель прикладной механики и математики 16 века Остилио Риччи. Под его руководством Галилей изучал инженерное дело, наблюдал возведение крепостей и сооружение водопроводов. С идеями, навеянными земной прикладной математикой, Галилей подошел к проблемам космоса, применяя новый, навеянный техникой метод научного мышления и новый стиль научного исследования.

Основной задачей для Галилея никогда не переставало быть причинное объяснение природы. Сама наука, по его мнению, должна быть подчинена принципу причинности. Он ввел в научное сознание идею бесконечного приближения к объективной истине на основе механического объяснения природы. Бесконечность познания вытекает у Галилея из бесконечности природы. Объективной истинной причиной явлений природы служит у ученого единая, тождественная себе материя, лишенная качественных вторичных свойств. Подлинное объяснение явлений природы, говорил Галилей, должно показать в их основе перемещение частей единой материи. Он высказывает значительную с исторической точки зрения мысль, в которой соединяются корни таких важнейших научных идей 17 века, как неуничтожимость вещества, однородность материи и сведение качественных различий к конфигурации элементов материи. «… Я никогда не мог представить себе такого превращения веществ друг в друга, при котором одно тело признается уничтоженным, и из него получается другое тело, совершенно отличное от первого. Я считаю возможным, что превращение сводится просто к изменению взаимного расположения частей, причем ничто не уничтожается и ничего нового не нарождается.

Наибольший общественный резонанс вызвали астрономические открытия и сочинения Галилея. Известность Галилея в широких кругах Италии и всей Европы началась с открытия им спутников Юпитера, кратеров на Луне, звездной природы Млечного Пути, описания фаз Венеры и солнечных пятен. Все эти наблюдения были описаны в выпущенном Галилеем журнале «Звездный вестник». Все эти открытия и наблюдения Галилея способствовали распространению и физическому пониманию системы Коперника. Так, принципиальное значение для научного мировоззрения имела картина поверхности Луны. Традиционная концепция не допускала сходства между Землей и небесными телами. Система Коперника, напротив, сближала Землю с другими планетами, так как приписывала всем планетам одно и то же движение - вращение вокруг Солнца. Догадкой оставалась мысль о тождественности физической природы Земли и других небесных тел. Картина, которую показал Галилей в телескоп, была таким наглядным доказательством физического тождества Земли и небесных тел, какого никогда не существовало в догалилеевской астрономии. И речь не о каких-то математических выкладках, а о непосредственном наблюдении природы небесных тел.

По мере того, как открытия Галилея делали систему Коперника достоянием широких общественных кругов, с растущим подозрением за этим наблюдала и церковь. В марте 1616 года собрание кардиналов признает систему Коперника ложной и запрещает его книгу. Запрет пропаганды учения Коперника стал для Галилея началом долгого одиночества. 15 долгих лет он мечтает вновь выступить в защиту коперниканства. Наконец, надеясь на поддержку нового папы Урбана VIII он выпускает во Флоренции свой знаменитый труд «Диалог о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниковой». Главные возражения против Коперника были сняты установлением принципа относительности. Даже Эйнштейн, спустя 300 лет развивший теорию относительности, назвал систему отсчета, центр которой находится в центре солнечной системы, галилеевой. В «Диалоге» содержится попытка прямого доказательства движения Земли. Речь идет о теории приливов. Галилей придавал этой теории столь большое значение, что всю книгу хотел назвать трактатом о приливах. Галилей считает, что так как в силу относительности инерционного движения невозможно установить движение Земли при помощи твердых тел, то продемонстрировать его могут лишь жидкие массы, и он анализирует движение частиц воды на поверхности Земли. Согласно представленной схеме движения, вода повышает свой уровень при ускорении и замедлении в силу инерции. У Галилея в этих явлениях инерция выступает как сила. А превращение инерции в силу свидетельствует об абсолютном характере ускоренного развития.

Таким образом, теория приливов ограничивала принцип относительности равномерными движениями. Одновременно теория приливов и отливов доказывала абсолютный характер движения Земли и придавала учению Коперника объективный физический смысл. «Диалог…» Галилея имел важнейшее значение для распространения гелиоцентризма. Но для развития собственно механики большое значение имела другая его книга «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местным движениям», написанная после суда инквизиции, на котором состоялось отречение Г. Галилея от защиты коперниканства по заранее заготовленному тексту. Две новые отрасли науки, обсуждающиеся в «Беседах» - это динамика и сопротивление материалов. Галилей ставит вопрос о причинах и мере сил, связывающих воедино части тел. Строение вещества и особенно вопрос о его твердости, связанности отдельных частей - один из центральных вопросов появляющейся научной картины мира. Объясняя сцепление элементов тела, Галилей ссылается на боязнь пустоты и находит способ количественно определить это сопротивление образованию пустоты в различных природных материалах, утверждая, что совместно с видимыми силами макромира действуют силы другого, невидимого мира.

Входящий в состав «Бесед» «Трактат о местном движении» фактически явился малой энциклопедией новой механики. Так, в определение равномерного движения Галилей вносит существенную поправку, позволяющую относить скорость к бесконечно малым отрезкам пути, приближаясь, таким образом, к современному представлению о скорости как о пределе отношения между пройденным путем и временем. В отношении брошенных тел криволинейность их траектории была установлена и до Галилея, но лишь Галилей находит, что это движение происходит по параболе. Он считает возможным изучать падение тел устранив проблему физических причин тяготения: занимается математической разработкой вопроса не рассматривая физических причин падения. Равномерно-ускоренное движение определяется им как такое, при котором в равные промежутки времени прибавляются и равные моменты скорости. При таком движении пройденный путь оказывается пропорциональным квадрату времени. Галилей излагает законы падения тел и формулирует принцип инерции: «… Когда тело движется по горизонтальной плоскости, не встречая никакого сопротивления движению, то…. движение его является равномерным и продолжалось бы бесконечно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца…» Главные возражения против Коперника снимается установлением принципа относительности. Даже Эйнштейн, спустя 300 лет развивший теорию относительности, назвал систему отсчета, центр которой находится в центре солнечной системы, галилеевой.

Динамика 17 века в лице Галилея объявила сопротивление среды несущественной стороной своих законов. Следует отметить, что кроме принципов динамики, Галилей высказывал мысли и о динамическом обосновании статики, приходя к принципу рычага: «…Если две силы действуют на различные по длине плечи рычага первого рода, то в случае нарушения равновесия плечи рычага известным образом переместятся…». Продолжая анализ условий равновесия, Галилей рассматривает отношение между силой и перемещением для равновесия на наклонной плоскости, что позволяет ему фактически установить консервативный характер поля тяготения.

Таким образом, картина мира, нарисованная Г. Галилеем, была единой, охватывающей все мироздание картиной инерционных движений. В своем дальнейшем развитии теперь наука должна была показать космические ускорения и найти их причины. «Беседы и математические доказательства…» содержали некоторые необходимые для этого понятия земной механики, но Галилей не перенес их в космос. Его естественнонаучные идеи были далеко еще не слившимися элементами нового, более точного и конкретного представления о мире. Ближайшие поступательные шаги науки должны были объединить их с теорией ускоренного движения, и прежде всего, с теорией падения тяжелых тел, которая частично была изложена в «Беседах…». Для этого требовалось более точное определение скорости, представление о сохранении не только абсолютной скорости, но и направления инерционного движения.

Г. Галилей заложил лишь первые камни в фундамент нового здания, над возведением которого предстояло трудиться ещё многим поколениям учёных. Такая ситуация в общем не является исключительной - при анализе последующих этапов развития физического знания мы вновь сможем убедиться в том, что научные теории рождаются как результат исторического процесса деятельности многих учёных, входящих в сменяющие друг друга научные сообщества.

Таким образом, можно сделать вывод, что именно на стыке двух направлений - физического эксперимента и математического описания физических явлений - родилась классическая механика, а вместе с ней и был заложен фундамент механической картины мира. Её становление и последующее развитие, естественно, зависело от активности действий в обоих указанных направлениях.

Математическое направление в дальнейшем начало активно развиваться выдающимся французским философом, математиком, физиком Р. Декартом (1596 - 1650 г.г.). Он заложил основы аналитической геометрии, применил её аппарат к описанию перемещений тел. Декарт разработал понятия переменной величины и функции; это позволило выдвинуть на передний план выявление законов движения и изменения, установление закономерных связей между элементами движущихся объектов. Именно на этом пути были впоследствии открыты уравнения движения. Р. Декарт поправил и дополнил Галилея, сформулировав два исходных закона движения:"… однажды пришедшие в движение тела продолжают двигаться, пока это движение не задержится какими-либо встречными телами…", при этом "… каждая частица материи в отдельности стремится продолжать дальнейшее движение не по кривой, а исключительно по прямой". Соединённые вместе эти два положения позже (у И. Ньютона) приняли форму первого закона механики. Таким образом, определилась задача теоретического исследования: объяснить причины изменения основного состояния движения (т.е. причины изменения направления или величины скорости движения).

В физике Декарта нет места силам, действующим на расстоянии, через пустоту. Все явления мира сводятся к движениям и взаимодействиям соприкасающихся частиц: «… в мире нет ничего, кроме движущейся материи различного вида. Материя состоит из элементарных частиц, локальное взаимодействие которых и производит все природные явления…». Такое физическое воззрение получило название картезианского. Взаимодействие материальных частиц подчиняется у Декарта основным законам и правилам:

«1. Первое начало заключается в следующем: каждая частица материи в отдельности продолжает находиться в одном и том же состоянии до тех пор, пока столкновение с другими частицами не вынуждает ее изменить это состояние.

2. В качестве второго правила я предполагаю следующее: если одно тело сталкивается с другим, оно не может сообщить ему никакого другого движения, кроме того, которое потеряет во время этого столкновения, как и не может отнять у него больше, чем одновременно приобрести.

3. В виде третьего правила я прибавлю, что хотя при движении тела его путь чаще всего представляется в форме кривой линии и что хотя невозможно произвести ни одного движения, которое не было бы в каком-либо виде круговым, тем не менее, каждая из частиц тела по отдельности всегда стремиться продолжать его по прямой линии.

Картезианское воззрение сыграло огромную роль в эволюции физики, оно сохранилось и до нашего времени, хотя и видоизменяясь. Попытки построить единую теорию поля и вещества, например, некоторым образом повторяют попытки Декарта построить физическую картину мира с непрерывной материей.

Следует отметить, что в это же время значительных успехов добивается и экспериментальная физика. Это и исследование законов статики голландским ученым, инженером и математиком С. Стевином (1548 - 1620 г.г.), это и открытие атмосферного давления учеником Г. Галилея Э. Торричелли (1608 - 1647 г.г.), это и измерение атмосферного давления на различных высотах, произведенное французским физиком, философом и математиком Б. Паскалем (1623 - 1662 г.г.), это и превосходные микроскопы голландца Антонии ванн Левенгука (1632 - 1723 г.г.).

Таким образом, можно говорить о происшедшей в 17 веке научной революции, в результате которой возникла классическая физика с общими формами и методами познания, которые составляют основу и современной классической науки.

Решающий вклад в становление механической картины мира внёс великий английский ученый И. Ньютон (1642 - 1727 г.г.). Именно в ньютоновской научной программе фундаментальная роль была отведена эксперименту. Он ввёл понятие силы как причины изменения состояния движения, т.е. причины, вызывающей изменение скорости движения по величине или по направлению (или одновременно по величине и направлению).

В механике И. Ньютона источниками и точками приложения сил являются материальные точки. Представление о материальной точке также введено И. Ньютоном. Он сформулировал также понятие основного закона механики и систему из трёх основных законов, названных его именем (Галилей и Декарт лишь приблизились к их формулировке). Выдающейся заслугой И. Ньютона явилось установление конкретного вида закона, определяющего величину действующей силы для случая гравитационного взаимодействия - закона всемирного тяготения. Ньютону принадлежит также открытие, имеющее принципиальное методологическое значение - законы движения существенно связаны с законами сохранения. Фундаментальный труд И. Ньютона "Математические начала натуральной философии" является своеобразной энциклопедией физической (механической) картины мира. Кроме уже обсуждённых законов этот труд содержал и рассуждения об исчислении бесконечно малых величин, а вместе с Лейбницем Ньютон делит славу создателя интегрального и дифференциального исчисления.

Механика И. Ньютона - своеобразный узел, в котором сошлись нити из прошлых веков и из которого берут начало нити, протянувшиеся в будущие века. С одной стороны, он сделал решающий, можно сказать завершающий, шаг на пути становления классической механики. До Ньютона механика ещё только создавалась, после Ньютона - она уже существует. С другой стороны, Ньютон предопределил дальнейшее бурное развитие физической науки вообще и механики в частности. Особую стройность ньютоновская механика приобретает в трудах Эйлера и Лагранжа. Кроме этого, следует подчеркнуть, что И. Ньютон был последовательным сторонником атомизма, поэтому не случайно атомизм становится основным течением в вопросах строения вещества (Гюйгенс, Ломоносов, Бойль).

Формирование механической картины мира потребовало нескольких столетий, практически оно завершилось лишь к середине 19 века. Эту картину надо рассматривать как важную ступень в познании человеком окружающего мира. Каким же представлялся этот мир? Все тела - твёрдые, жидкие, газообразные - состоят из атомов и молекул, находящихся в никогда не прекращающемся тепловом движении. Взаимодействие тел происходит как при их непосредственном контакте (силы упругости, трения), так и на расстоянии (силы тяготения). Всё пространство заполняет всепроникающий эфир. Атомы воспринимаются как некие цельные, неделимые "кирпичики" вещества, сцепляясь друг с другом, они образуют молекулы и, в конечном счёте, все тела. Природа такого сцепления не исследуется, предполагается чисто механическое сцепление. Существуют разнообразные модели эфира: абсолютно несжимаемый, твёрдый, состоящий из "шестерёнок" и т.д.

Обычно историки выделяют 4 принципиальных момента в характеристике механической картины мира:

1. Мир в этой картине имеет прочный фундамент - это законы механики Ньютона. Все наблюдаемые в природе превращения, в том числе и тепловые явления, сводились к механике атомов и молекул - их перемещениям, столкновениям, сцеплениям, разъединениям. После открытия закона сохранения и превращения энергии, все виды энергии стали сводиться к энергии механического движения. Мир представлялся гигантской машиной, построенной и функционирующей по законам механики.

2. Механическая картина исходила из представления, что микромир аналогичен макромиру. Как движутся и сталкиваются микротела, точно также движутся и сталкиваются атомы. Считалось, что как живая, так и неживая материя сконструирована из одних и тех же деталей, различающихся размерами. Характерная для механического мировоззрения привычка видеть в малом то же, что имеется в большом, но лишь в меньших размерах, порождала представления о мире, похожем на вставленные одна в другую матрёшек.

3. В механической картине отсутствует развитие - мир в целом такой, каким он был всегда. Все наблюдаемые явления и превращения не более чем механические перемещения и столкновения атомов, то есть всё происходящее - исправное функционирование природного механизма. Таким образом, механическая картина мира фактически отвергала качественные изменения, сводя всё к изменениям чисто количественным. В этом виделся залог незыблемости природы.

4. В механической картине все причинно-следственные связи являлись однозначными (лапласовский детерминизм). Полагали, что возникновение вероятности того или иного хода процесса связана не с закономерностями материи, а с нашим незнанием такого сложного механизма как природа в целом в отдельных его деталях. Говоря об одинаковом характере движения молекул воздуха и тел на земной поверхности, Лаплас отмечал:"… между ними лишь та разница, что налагается нашим неведением…"

Таковы основные черты механической картины мира, господствовавшей в естествознании практически до середины 19 века. По самой своей сути эта картина являлась метафизической. В ней отсутствовали внутренние противоречия, то есть было невозможно качественное изменение, всё происходящее в мире представлялось жёстко предопределённым, всё многообразие процессов и явлений сводилось к механике.

Кризис механической картины мира

Первоначально основные представления классической механики, а вместе с ними исходные образы механической картины мира развивались, оттачивались и демонстрировали свои успехи прежде всего в области небесной механики. Вообще основное понятие механической картины мира - материальная точка, перемещающаяся в пространстве - возникло в силу ассоциации со зрительными образами небесных тел как ярких светящихся точек на фоне темноты космического пространства. В то же время важная мировоззренческая идея единства небесного и земного, которая неоднократно встречается в трудах Г. Галилея и И. Ньютона, все в большей мере побуждает применять фундаментальные образы механической картины мира ко всей совокупности явлений, окружающих человека.

В 19 веке новый, принципиально важный этап в развитии механической картины мира оказался связанным с применением ее основных представлений к созданию теории, объясняющей свойства газов, а затем жидкостей и твердых тел. Возникновению этой теории предшествовал довольно длительный период накопления эмпирических знаний о свойствах вещества, в частности газов. О закономерностях рождения нового знания, как результата коллективных усилий большого числа ученых разных поколений, как процесса последовательного приближения к истине, наглядно свидетельствуют основные этапы развития знаний о свойствах газов.

В 1643 году ученик Галилея Э. Торричелли обнаружил, что ртуть в запаянной сверху стеклянной трубке, опущенной открытым концом в сосуд со ртутью, устанавливается на высоте примерно 76 сантиметров. Он смог дать правильное истолкование этому явлению - давление воздуха уравновешивается весом столбика ртути. В результате этого открытия наука получила в свое распоряжение прибор для измерения давления газа. Почти через 20 лет Р. Бойль установил, что при уменьшении объема газа в замкнутом сосуде давление возрастает, при увеличении объема - соответственно уменьшается, так что произведение давления на объем остается величиной постоянной для данной массы газа. Через 14 лет Э. Мариотт повторил и подтвердил результаты этих опытов. В 1787 году Ж, Шарль экспериментально доказал, что в замкнутом сосуде с изменением температуры на один градус давление газа изменяется по линейному закону. Через 14 лет Ж. Гей-Люссак определил также опытным путем, что объем данной массы газа меняется линейно с изменением температуры при постоянном давлении. Через 5 лет он убедился и в наличии обратной зависимости.

Таким образом, усилиями нескольких поколений ученых более чем за полтора столетия была установлена целая серия эмпирических законов, отражающих зависимости между параметрами, характеризующими состояние газа в замкнутом сосуде. В ходе этих экспериментальных исследований перед учеными вырисовалась целая область своеобразных явлений, в которой центральную роль играли такие понятия, как «температура», «давление», «объем». К ним добавилось важное понятие «работа» (например, нагревание газа в сосуде с подвижным поршнем давало возможность перемещать грузы). Чтобы перейти от экспериментальных фактов к теории, описывающей поведение газов, необходимо было использовать либо теоретические представления механики, либо найти какие-то другие фундаментальные образы. Но это уже означало бы поиски и новой картины мира, в отличие от механической.

Непосредственной предпосылкой перехода к теоретическим обобщениям явилось техническое применение свойств газов. Появились первые тепловые и паровые машины. Для описания перехода тепла во всех тепловых процессах использовалась так называемая вещественная теория, или теория «теплорода». Согласно этой теории, тепло переходит от одного тел к другому, сохраняя свое общее количество, подобно жидкости, перетекающей из одного сосуда в другой. В 1824 году, примерно через 40 лет после появления усовершенствованной тепловой машины Уатта, французский инженер С. Карно анализирует связь между термодинамическими параметрами и производимой газом работой. В результате этих исследований возникает образ идеальной тепловой машины и возникает новая теоретическая наука - термодинамика.

Если в начале 19 века только что родившаяся термодинамика выступала как механическая теория теплоты, то на склоне века она представляла собой весьма общую теорию, выходящую за рамки собственно тепловых явлений, приложимую ко всем физическим и химическим процессам, происходящим в веществе, в различных системах. Важным достижением на пути этого процесса интеграции знаний стало открытие фундаментального закона природы - закона сохранения и превращения энергии.

Открытие закона сохранения и превращения энергии обычно связывают с именами Р. Майера, Д. Джоуля, Г. Гельмгольца. Причем, интересно, что никто из них не был профессиональным физиком. Майер и Гельмгольц - по образованию врачи; Джоуль - инженер, в прошлом пивовар. Поэтому к открытию они шли совершенно разными путями. Вообще термин «энергия» был введен Т. Юнгом еще в 1807 году, но прижился не сразу: под энергией Юнг понимал произведение массы тела на квадрат его скорости. Уже в конце 18 века, можно сказать, был вынесен приговор «теплороду», когда Б. Румфорд продемонстрировал закипание воды в сосуде, где производилось сверление канала в металлическом цилиндре. В этом опыте наблюдалось нагревание вследствие трения: работа превращалась в теплоту. Однако, идея теплорода смогла просуществовать еще несколько десятилетий. Даже один из основателей термодинамики С. Карно пользовался представлением о теплороде, а вместо энергии использовал термин «движущая сила». Им высказано положение об этой движущей силе: «…движущая сила существует в природе в неизменном количестве, она никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, то вызывает то один род движения, то другой…»

Р. Майер исходил из медицинских наблюдений и рассматривал различные виды энергий. Он установил, что взятая из плечевой вены кровь на о. Ява имеет поразительно яркую окраску, тогда как обычно венозная кровь очень темная. Для поддержания температуры человеческого тела образование теплоты в нем в результате процессов окисления должно находиться в некотором количественном соотношении к потере им теплоты, а значит также к температуре среды. Поэтому получается, что разность окраски обоих видов крови должна быть в жарком поясе слабее, чем в более холодных странах. Физиологические процессы обусловлены, по Майеру, не таинственной жизненной силой, а физико-химическими процессами, подчиняющимися закону сохранения и превращения энергии. Майер рассматривает следующие виды энергии: кинетическую (живая сила движения); потенциальную (сила падения); механическую (механический эффект); тепловую, электрическую, химическую (силы). Он считал, что все эти виды могут взаимопревращаться при условии неизменности общего количества энергии. Он полагал также, что жизнь на Земле, круговорот воды, движение воздушных масс - все это обеспечивается, в конечном счет, энергией солнечных лучей. «…. Природа поставила перед собой задачу поймать на лету льющийся на Землю свет и накопить самую подвижную силу, приведя ее в неподвижное состояние. Для достижения этой цели она покрыла земную кору организмами, которые, живя, поглощают солнечный свет и при использовании этой силы порождают непрерывно возобновляющуюся сумму химических различий. Этими организмами являются растения…».

Переход исследований на теоретический уровень создал предпосылки для объединения найденных ранее разрозненных законов поведения газа - появляется уравнение Б Клапейрона. Сам Клапейрон в то же время придерживался вещественной теории теплоты. Следующий шаг - превращение термодинамики в относительно завершенную физическую теорию - связан с такими именами, как У. Томсон (Кельвин), Р. Клаузиус, К. Крениг, Дж. Максвелл. Исходные принципы и понятия термодинамики необходимо было объяснить, исходя из господствующей механической картины мира. Так, Крениг впервые рассмотрел модель газа как совокупность хаотически движущихся молекул, уподобленных упругим шарикам. Чтобы облегчить математическое описание таких систем, Крениг вводил упрощающее предположение: приписывает всем молекулам одно и то же значение скорости, равное среднестатистическому в предположении, что каждая треть молекул движется параллельно каждой из осей координат. Таким образом, картина хаотического движения молекул заменялась картиной вполне упорядоченного движения, представлявшего усредненные характеристики реального движения молекул. На самом деле такая замена искажала важные специфические особенности молекулярного движения. Тем не менее, Кренигом были получены ценные результаты, в частности, был выведен объединенный газовый закон Клапейрона. Но в уравнении, полученном Кренигом, место абсолютной температуры занимала кинетическая энергия. Этот важный в теоретическом смысле результат свидетельствовал о том, что понятия давления и температуры не могут считаться первичными, исходными и что с позиций механической картины мира, примененной к объяснению свойств газов, они получают свое истолкование: давление как суммарный результат ударов движущихся молекул о стенки сосуда, а температура - как проявление кинетической энергии этих же молекул.

Свои взгляды на теорию газов изложил и Р. Клаузиус. Используемые им представления получили в истории физики название молекулярно-кинетических. Это общий метод построения теоретических моделей для газов, жидкостей и твердых тел, основанный на изображении их в виде системы большого числа движущихся и взаимодействующих материальных точек, отождествляемых с атомами и молекулами. Теория Клаузиуса, таким образом, отвергала существование теплорода.

Значительный вклад в развитие кинетической теории тепла и кинетической теории газов внес и русский ученый М. Ломоносов (1711 - 1765 г.г.). Связывая теплоту с вращательным движением молекул, он для объяснения свойств газов вводит силы отталкивания, возникающие по его представлению, при взаимодействии вращающихся «волчков». Однако эти идеи не были восприняты научными сообществами тех времен, и на протяжении почти целого столетия господствовали представления о вещественной природе теплоты.

Клаузиус был по-своему прав, указывая, что молекулярно-кинетические представления не соответствовали даже к середине 19 века господствовавшим взглядам. К тому же распространение этих представлений и после 50-х годов 19 века происходило отнюдь не гладко и вызывало весьма значительные разногласия.

Именно Клаузиус вводит более сложные представления о формах движения молекул: кроме поступательного движения они обладают вращением, могут испытывать колебания относительно положения равновесия в твердом теле, каждая молекула обладает и внутренними движениями. В газе все направления движения считались равновероятными, и Клаузиус не пытается найти закон распределения молекул по скоростям. В своих расчетах он, как и Крениг, условно приписывает всем молекулам одинаковые значения скорости, соответствующее среднему статистическому.

Вопросы о характере движения молекул были глубоко разработаны Дж. Максвеллом (1831 - 1879 г.г.) «… Легко увидеть, - писал он, - что, если столкновения имеют место для очень большого числа молекул, то их скорости станут различными, даже если они первоначально равны…». При этом Максвелл опирался на следующее важное утверждение: хотя скорость каждой молекулы будет существенно меняться при каждом ее столкновении с другой, число молекул, входящих в ту или иную группу, будет стабильным. А это и означало, что прослеживать судьбу каждой отдельной молекулы нет необходимости, даже если бы это было технически возможно. Если задать определенное направление скорости, то разброс количественных значений скоростей молекул будет подчинен такому же закону, что и рассеяние пуль при стрельбе в цель или разброс ошибок при измерении некоторой величины, то есть закону случайных событий.

Успехи молекулярно-кинетической концепции были не только значительны, но и поучительны. Но не все в ее истории было легко и гладко. Введение в физику молекулярно-кинетической концепции вызвало в 19 веке острые споры и разногласия, в ходе которых были поставлены под вопрос как сам метод, так и положенные в его основу исходные физические допущения. Острые и полные драматизма споры наложили отпечаток на судьбы физики и физиков. Не без влияния острых разногласий и раскола среди физиков Л. Больцман, страстный защитник и приверженец молекулярно-кинетической концепции, многие годы не чувствуя поддержки и понимания своих взглядов, в 1906 г. покончил жизнь самоубийством.

Молекулярно-кинетическая концепция с самого начала имела принципиально иную методологическую основу, она раскрывала реальную структуру вещества и внутренний механизм процессов, происходящих в газах, жидкостях, твердых телах. Тем не менее, гипотеза о существовании атомов и молекул имела весьма влиятельных противников вплоть до начала 20 века. С молекулярно-кинетической концепцией конкурировала так называемая аксиоматическая термодинамика. Теоретические и практические успехи аксиоматической термодинамики были весьма велики. На ее основе любые процессы получали теоретическое обоснование с опорой на закон сохранения энергии. Возникала перспектива построения всей физики на базе термодинамики, т.е. перехода от механической картины мира к термодинамической. Многие физики стали в связи с этим говорить, что начинается новый этап развития физики - на смену физике механической приходит будто бы физика энергетическая. Сложившуюся ситуацию использовали представители махизма, утверждавшие, что из физики надо выбросить всякие упоминания об атомах и молекулах, как вообще о материи. Таким образом, на фоне широкого спектра принципиальных разногласий в научном сообществе того времени физика атомистическая (основывающаяся на методе структурных теоретических моделей) столкнулась с физикой энергетической (на основе общих принципов). Это была одновременно и борьба двух альтернативных линий в выборе направления дальнейшего развития физической картины мира.

Как не раз случалось в истории физики, был предложен и формальный, постулативный путь: не вдаваясь в конкретный механизм причинных связей, указать те постулаты, которые необходимы, чтобы обосновать возникновение статистических закономерностей в системах, отдельные элементы которых подчинены динамическим законам механики. Эти постулаты известны в истории как постулаты Крылова. Их содержание приводит к выводу, что независимо от начального состояния (или любого другого) каждая система приходит с наибольшей вероятностью к равновесному состоянию. Это означает, что существуют общие закономерности поведения систем из многих частиц, не зависящие от конкретного начального состояния отдельных молекул. В связи с этим становится понятным, что в детальном знании движения каждой отдельной молекулы просто нет необходимости, поскольку общее интегральное поведение системы не определяется начальными условиями, присущими отдельным молекулам. Сказанное означает также, что данные постулаты не могут быть выведены из законов классической механики, применяемых к движению отдельных молекул.

Вскоре было установлено, что сложные динамические системы обладают самодетерминацией - их поведение полностью определяется внутренними связями и взаимодействиями. Благодаря самодетерминации такая система находится в состоянии подвижного, динамического равновесия. В системах с самодетерминацией устойчивость возникает благодаря эффекту обратных связей: при отклонении от устойчивого состояния возникают процессы, возвращающие систему в это состояние. Такого рода процессы обусловлены тем, что в системах с самодетерминацией и динамичным равновесием существенны не только элементарные взаимодействия, но и совокупность системных связей в целом. Применяя это общее свойство систем с динамичной устойчивостью к случаю поведения газа в замкнутом объеме, можно сказать: возникновение малых (микроскопических) флуктуаций есть необходимое следствие хаотического движения молекул, но каждая такая наметившаяся флуктуация создает локальный процесс обратного действия (обратную связь), ведущий к рассасыванию этой флуктуации. Другими словами - флуктуации - это не только отклонения от равновесного состояния в локальных областях, но и тот механизм, действие которого возвращает систему к состоянию, близкому к равновесному (это состояние разрушается новыми флуктуациями). И именно по этой причине макроскопические флуктуации принципиально невозможны, тогда как микроскопические возникают с необходимостью.

Таким образом, применить механическую картину мира для создания объясняющей теории газов удалось лишь ценой существенного изменения представлений о детерминизме. Введение статистических законов, хотя оно оказалось первоначально лишь условным приемом, в конечном счете обернулось рождением нового взгляда на содержание физической картины мира: перед взором физиков стал открываться мир вероятностных процессов. На первых порах это был еще мир материальных точек, движущихся в пространстве с течением времени. Но характер связи между ними уже требовал иного представления, чем ранее. Произошел принципиальный сдвиг в физической картине мира. Ее теперь правильнее было бы называть вероятностно-механической. Создание физической теории, опирающейся на измененную в некоторых принципиальных моментах физическую картину мира, правомерно, видимо, считать частной революцией в физике. При этом подтвердилось и конкретизировалось предвосхищенное в общих чертах Галилеем представление о сложности структуры отношения субъекта к познаваемому объекту: внешние проявления процессов необходимо выводить из представлений об их внутренней сущности, непосредственно не наблюдаемой. Таким образом, сущность данного уровня познания природы предстала как молекулярная структура движущейся материи со статистическим типом детерминизма. История развития представлений о тепловых процессах в газах достаточно убедительно показывает, что процесс рождения новых научных знаний включает в себя, по меньшей мере, три основных этапа: 1) установление серии разрозненных эмпирических обобщений и законов; 2) формальное объединение частных законов в обобщенный; 3) разработка образов новой физической картины мира.

Электромагнитная картина мира

Картина непрерывного распределения средних величин, о котором говорила молекулярная теория и классическая электродинамика, была необходимой исторической подготовкой картины непрерывного распределения переменных реального поля - представления, фигурировавшего в электродинамике Фарадея-Максвелла.

До Фарадея (Майкл Фарадей 1791 - 1867 г.г.) и Максвелла понятия реального поля, можно сказать, вообще не существовало. Упругий эфир полем не являлся, а силовые поля, фигурировавшие в теории тяготения, в электростатике и магнитостатике, не рассматривались как реальная среда. В физике 18-19 в.в. подготовка понятия реального поля происходила двумя путями. Во-первых, механические концепции эфира сталкивались с противоречиями, и это расчищало путь немеханическому представлению о среде, как реальном силовом поле. Во-вторых, к такому представлению вело развитие формальной концепции поля. Эти две линии пересекались в работах Максвелла.

В кинетических моделях эфира рисовали смещения его частиц. Эфир подобно любому другому веществу был чем-то движущимся: его элементам можно было приписать вектор скорости. У Фарадея смещения эфира были заменены динамическими деформациями. Но он пошел и дальше, отождествляя среду, передающую взаимодействие зарядов с силами, придав тем самым силам новый смысл. Более того, Фарадей низвел заряды до ранга вторичных образований. Эта идея не вытекала однозначно из опытов, но она была связана с ними - отчасти обобщала имевшиеся данные, выходя за их рамки, отчасти предвосхищала новые опыты.

Исходным явлением была электростатическая индукция. Рядом опытов Фарадей доказал, что электростатическая индукция зависит от среды. Он заменил проводящую жидкость в электролитической ванне на непроводящую. Металлические пластинки, опущенные в нее, образуют конденсатор с определенной емкостью. Оказалось, что емкость этого конденсатора меняется в зависимости от того, какая именно непроводящая жидкость находится в ванне. Здесь нет перемещения заряженных частиц жидкости. Заряды действуют друг на друга через непроводящую среду, причем не только расстояние, но и характер среды определяет взаимодействие зарядов. Следовательно, с емкостью конденсатора связана какая-то определенная деформация. Понятие деформации среды Фарадей положил в основу учения об электричестве. Дискретные заряды оказались связанными между собой упругими деформациями непрерывной среды. Заряды не проникают вглубь проводника, так как на его поверхности оканчивается диэлектрическая среда - носительница действительных электрических процессов.