Р. Декарт поправил и дополнил Галилея, сформулировавший два исходных понятия: «…однажды пришедшее в движение тело продолжает двигаться, пока это движение не задержится каким-либо встречным телом.», при этом «каждая частица материи в отдельности стремится продолжать дальнейшее движение не по кривой, а исключительно по прямой…». Соединённые вмести эти два положения у И. Ньютона приняли форму первого закона механики.
Для построения теоретических моделей механического движения существенно система пространственно – временного описания. Введение системы координат и разработка математики переменных величин вооружили учёных универсальным средством теоретического изображения механического движения, сочетающего в себе высокую степень абстрактности (изображение движения тела математической функцией) с высокой степенью наглядности (графики функций в заданной системе координат мог непосредственно изображать траекторию перемещения тела в пространстве с течением времени).
Теоретическое знание может выполнить свои основные функции лишь в том случае, если в нём отражена конкретная форма детерминации исследуемых явлений, прежде всего фундаментальные законы изменения состояния, взаимодействия. И. Ньютон ввёл понятие силы как причины изменения состояния движения по величине и по направлению (или одновременно по величине и по направлению). В механике Ньютона источниками и точкой приложения сил являются материальные точки.
Центральное место в системе трёх законов механики занимает второй закон Ньютона– основной закон движения. Он связан с изменением состояния материальной точки с величиной и направлением действующей на него сил: ускорение, с которым движется тело прямо пропорционально силе действующей на это тело и обратно пропорционально массе этого тела. Данный закон позволяет объяснить и прогнозировать изменение механического движения тела в зависимости от величины и направления силы и от предшествующего состояния движения.
Выдающейся заслугой Ньютона явилось установление конкретного закона, определяющего величину действующей силы для случая гравитационного взаимодействия, - закон Всемирного тяготения.
Несмотря на ограниченность механической картины мира по её содержанию, основные особенности методологии физического познания, проявившиеся в ходе создания и развития классической механики, воспроизводятся и в процессе построения последующих физических теорий, как бы ни отличалось их конкретное содержание и даже содержание фундаментального представление картины мира от концептуального содержания классической механики. В этом отношении классическая механика до сегодняшнего дня остаётся и классическим примером построения естественно – научной теории.
IV. Максвелл: развитие и кризис механической картины мира.
- Молекулярно-кинетическая концепция.
Важная мировоззренческая идея единства небесного и земного, которую мы встречаем уже в работах Галилея и Ньютона, всё в большей мере побуждала применять фундаментальные образы механической картины мира к самым различным явлениям, непосредственно окружавшие человека. В XIX веке новый принципиально важный этап в развитии механической картины мира оказался связан с применением её основных представлений к созданию теории, объясняющей свойства газов, а затем жидкости и твёрдых тел.
Основные этапы развития знаний о свойстве газов:
В 1643 году Э. Торричелли обнаружил, что ртуть в запаянной сверху стеклянной трубке, опущенной другим концом в сосуд с ртутью, устанавливается на высоте 46 см; он дал правильное толкование этого явления: давление воздуха уравновешивается весом столбика ртуть. В результате этого открытия наука получила прибор для измерения давления.
Почти через 20 лет Р. Бойль установил, что при уменьшении объёма газа в замкнутом сосуде давление соответственно возрастает, при увеличении – уменьшается. Это означало, что произведение давления газа на его объём есть величина постоянная (для данной массы газа при постоянно температуре).
В 1787 году Ж. Шарль экспериментально доказал, что в замкнутом сосуде с изменением температуры на один градус давление газа изменяется на 1/ 273 первоначального, т.е. изменяется по линейному закону.
Через 14 лет Ж. Гей-Люссак определил опытным путём, что объём данной массы газа меняется линейно с изменением температуры (при постоянном давление).
В ходе этих эмпирических исследований перед учёными вырисовывалась целая область своеобразных явлений, в которых центральную роль играли свойства и отношения, выражаемые понятия «давление», «температура», «объём». Чтобы перейти от суммы частных эмпирических законов к общей теории поведения газа, необходимо было либо найти возможность ввести теоретические представления механики с их центральными понятиями движущихся материальных точек, либо найти другие, специфичные для данных фундаментальные образы. Последние означало, что для теоретического объяснения свойств газов необходима физическая картина мира, отличающаяся от механической.
Исследования на теоретическом уровне создали предпосылки для объединения найденных ранее разрозненных эмпирических законов поведение газов. Опираясь на идеи и метод С. Карно, Б. Клайперон, в 1834 году объединил законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля: произведение объёма газа на давление пропорционально абсолютной температуре. Найденные ранее эмпирические законы можно было вывести из объединенного закона как его частные случаи и, кроме того, он отражал тот существенный для практики случай, когда одновременно применяются все три параметра – давление, объём и температура. Это был важный, но пока ещё формальный шаг, так как Б. Клайперон не имел адекватных представлений о природе теплоты, придерживался теории теплорода и не пользовался ни какими представлениями о природе газа, с помощью которого можно было бы объяснить законы его поведения.
Следующий шаг – превращение термодинамики в относительно завершённую физическую теорию - во многом связан с именем В.Томсона и Р. Клаузиуса. В серии работ 50-х годов они чётко сформулировали два фундаментальных принципа термодинамики, уточним и развили систему основных её понятий. В связи со вторым принципом термодинамики было введено понятие энтропии[3], важнейшей наряду с энергией характеристикой термодинамической процессов.
Принципы термодинамики понимались её творцами как неограниченно всеобщие, пригодные для понимания всех процессов в мире. Однако отождествление термодинамической картины с общей физической картиной мира рождало парадоксальный вывод о так называемой тепловой смерти Вселенной. Парадокс состоял в том, что из второго принципа термодинамики, который подтверждался всеми исследованиями термодинамических процессов, с неизбежностью, казалось бы, следовал вывод, что с течением времени разность температур между телами во Вселенной должна исчезнуть и тогда наступит состояние теплового равновесия, равносильное смерти, так как динамические процессы, порождающие и поддерживающие сложноорганизованные системы, основаны на разности температур, возможности производить работу.
Представление так называемой аксиоматической (то есть формально построенной на основе двух основных постулатов) термодинамики не могут претендовать на роль первичных базисных даже в своей области, а тем более в теоретическом осмысление всех процессов Вселенной.
Основополагающие работы в области молекулярно-кинетической теории теплоты принадлежат Клаузиусу. Это общий метод построения объясняющих теоретических моделей для газов, жидкостей твёрдых тел, на изображении в виде системы большого числа движущихся и взаимодействующих материальных точек, отождествленных с атомами и молекулами. Он вводил более сложные представления о формах движения молекул: кроме поступательного движения они обладают вращением, могут испытывать колебание относительно положение равновесия в твёрдом теле, каждая молекула обладает и внутренними движениями. В газе все направления движения равновероятны, однако Клаузиус, как отмечал позже Дж. К. Максвелл, «не определить, равны ли скорости всех молекул одного и того же газа или, если они не равны, то имеет ли какой-нибудь закон их распределения». Как и Крёнинг, Клаузиус в своих расчётах условно приписывал всем молекулам одинаковое значение скорости, соответствующее среднему статистическому.
Вопросы о характере движения молекул, а вместе с тем о специфике детерминизма в области молекулярного движения были глубоко разработаны Дж. К. Максвеллом. «…распределяя молекулы по группам согласно их скорости, мы можем заменить невыполнимую задачу наблюдения всех столкновений отдельной молекулы регистрацией увеличения или уменьшения числа молекул в различных группах. Следуя этому методу, - единственно возможному с точки зрения экспериментальной, так и математической мы переходим от строго динамических методов к методам статистики и теории вероятности». При этом Дж. К. Масксвелл опирался на следующее важное утверждение: хотя скорость каждой молекулы будет существенно меняться при каждом её 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.
Только переход к более последовательной системно согласованной трактовке статистического характера законов движения молекул газа позволили получить результаты, согласующиеся со всеми экспериментами.