История системного подхода в науке и технике (стр. 5 из 20)
3.4 Классическая механика и механистическая картина мира
Вскоре после открытия Кеплером его законов ряд физиков высказали предположение, что в основе этих законов лежит действие силы, притягивающей планеты к Солнцу и убывающей пропорционально квадрату их расстояния до Солнца. Однако только в 1687 г. это предположение было строго доказано английским физиком и математиком И. Ньютоном (1643-1727), опиравшимся при этом на многочисленные эмпирические измерения, а также на сформулированные им общие законы механики (см.2.2.4) и на открытое им (и одновременно Г.В. Лейбницем в Германии) дифференциальное и интегральное исчисление. Сущность Ньютонова закона всемирного тяготения заключается в том, что любые два тела с массами m1 и m2 притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной этим массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния rмежду этими телами:
где Y - коэффициент пропорциональности (“гравитационная постоянная”).
С помощью закона тяготения Ньютону и его преемникам удалось с большой точностью объяснить все наблюдаемые движения небесных тел, а также такие явления, как приливы и отливы, сплюснутость Земли у полюсов и т.д. Впоследствии предположения о всеобщем и абсолютном характере ньютоновской формулировки данного закона столкнулось с трудностями, прежде всего в плане объяснения движения небесных тел вблизи огромных тяготеющих масс (например, движение Меркурия вблизи Солнца), и эти трудности были преодолены лишь в XXв. благодаря созданию А. Эйнштейном общей теории относительности.
Сила, согласно механике Ньютона, есть количественная характеристика взаимодействия тел. Это взаимодействие мыслилось как осуществляемое непосредственно и мгновенно (через пустое пространство, заполненное какой-либо средой пространство могло замедлить взаимодействие). Такое представление основывалось на “концепции дальнодействия”. После открытия электромагнитного поля и изучения его свойств это представление было заменено идеей взаимодействия тел через посредство полей, со скоростью распространения света в пустоте, т.е. около 300 тыс. км/сек
Долгое время (приблизительно с конца XVIIв. по конец XIXв.) в естествознании господствовало механистическое воззрение на природу, основанное на вере в правомерность экстраполяции на все явления картины мира, впервые в целостном виде сформулированной Ньютоном в 1687 г. в его труде “Математические начала натуральной философии”. Такая экстраполяция основывалась на двух допущениях: на абсолютной верности ньютоновской механики и на возможности сведения к ней закономерностей всех форм движения материи. Оба допущения были в конечном счете неверны, однако с определенной степенью приближения эффективно работали долгое время и подтверждались важными открытиями. Так, на основании расхождений между реально наблюдаемыми и вытекающими из ньютоновской небесной механики данными в течение XVIII - первой трети XXв. были открыты три последние из больших планет Солнечной системы: Уран (1781), Нептун (1846) и Плутон (1930). Открытие Нептуна произвело особенно сильное впечатление в связи с тем, что за год до визуального обнаружения планеты ее наличия было предвычислено (впервые примененными для такой цели математическими приемами) на основании неправильностей в движении Урана. Это был яркий пример предсказательной силы науки, руководствовавшейся классическими принципами “Математических начал”.
Естествознание XVIII-XIXвв. в целом вслед за механикой Ньютона исходило из принципа тождества законов явлений на Земле и в космосе. XVIIIстолетие ознаменовалось быстрым, но в основном экстенсивным прогрессом физических и химических наук на основе ньютоновской механики и других достижений XVIIIстолетия. Объяснение той или иной формы движения приравнивалось к ее редукции к механическому перемещению. Ньютон интерпретировал таким образом свет, создав корпускулярную теорию света (в XIXв. она уступила место волновой теории). В XIXв. классическое естествознание обогатилось новой областью, связанной с изучением электромагнитных явлений, что однако не разрушило механистической картины мира, а лишь внесло в нее некоторые дополнения.
Неотъемлемой чертой механистической картины мира было также признание абсолютной детерминированности механистического типа для всех явлений. Такие крупные мыслители, как Г.В. Лейбниц или П.С. Лаплас столетием спустя, отстаивали возможность полного описания и даже предсказания всех явлений, включая биологические и социальные, если бы в достаточной мере были известны начальные условия - координаты и скорости всех материальных частиц для определенного момента времени. Мир, таким образом, мыслился как гигантский механизм, полное описание которого в терминах ньютоновской механики не сталкивается ни с какими сложностями, кроме чисто технических (наличие большого числа переменных).
С современной точки зрения недостатком классического естествознания было отсутствие посредствующих звеньев для объяснения взаимодействий, в силу чего воздействие одного тела на другое могло пониматься как влияние, минующее пространство: тело могло действовать там, где его нет. Ярким примером может служить ньютоновская трактовка действия одного тела на другое на любом расстоянии при явлениях тяготения.
Ньютон дедуцировал закон всемирного тяготения, рассматривая последнее в плане концепции дальнодействия, т.е. передачи силы или влияния без какой-либо посредствующей среды мгновенно на сколь угодно большие расстояния. Эта концепция в течение XVIII-XIXвв. не раз подвергалась критике, в отличие от трех основных законов, сформированных Ньютоном в “Математических началах натуральной философии" (законы инерции, связи силы с ускорением F=maи равенства действия противодействию) и получивших всеобщее признание как основа классической физики, а в значительной мере и как образец для естествознания в целом. Современное естествознание отказалось от концепции дальнодействия, заменив ее представлением о действии полей, в свою очередь опосредованном воздействием частиц (квантов поля). Однако как раз применительно к гравитационным воздействиям механизм “близкодействия" остается еще не вполне проясненными экспериментально.
Опять можно отметить, что выбираются основные (для ученого) элементы окружающей действительности. Остальное, как опять же, первопричина всего сущего и причины возникновения силы притяжения, не принимаются в рассмотрение.
3.5 Универсальный закон сохранения количества вещества, открытий М.В. Ломоносовым
Законы механики Ньютона касались тяготения, движения и равновесия тел и оставляли в здании классического естествознания важный пробел, связанный с закономерностями сохранения в природе в целом и в замкнутых системах постоянного количества вещества. Этот пробел в 1756 г. восполнил пробел русский ученый-энциклопедист М.В. Ломоносов (1711-1765). Исходя из своих представлений о всеобщей взаимосвязи в природе, Ломоносов сделал вывод о том, что изменения массы вещества в одном месте обязательно влекут за собой изменения в другом, причем ничто не возникает из ничего. Этот вывод он подтвердил экспериментально, прокалывая металл в сосуде без доступа воздуха и измеряя вес сосуда до и после нагревания (вес оказался неизменным).
3.6 Феномен электричества и его истолкование в классическом естествознании
Одной из заслуг Ломоносова является, помимо всего перечисленного, разработка теории образования атмосферного электричества под действием восходящих и нисходящих токов воздуха. Исследования русского ученого по этой проблематике лежали в русле одной из важнейших тенденций науки эпохи Просвещения, стремившейся вписать обширный круг уже известных тогда феноменов статического электричества в механистическую картину мира. Отдельные сведения об электричестве накоплялись уже в древнем мире; у римского ученого Плиния Старшего (Iв. н.э.) имеется даже сближение по свойствам янтаря и магнита, т.е. зачаток представления об общности электрических и магнитных явлений. К XVIIIв. накопилось уже немало сведений об электростатических явлениях: о наличии положительных и отрицательных зарядов, о конденсаторах (“лейденская банка”), о возникновении электричества при трении и о его участии в физиологических процессах. Ломоносов совместно с Г.В. Рихманом количественно исследовали электричество, используя изобретенный Рихманом первый электрический измерительный прибор (“электрический указатель”). Рихман открыл явления электростатической индукции, затем проводил опыты по усовершенствованию молнеотвода, изобретенного незадолго перед тем в США Б. Франклином. Во время этих опытов Рихман трагически погиб от удара молнии (6 августа 1753 г.). В конце XVIIIв.Ш. Кулон заложил основы электро- и магнитостатики.
Все эти исследования вряд ли были бы возможны без радикального прорыва в области учения об электричестве и магнетизме, осуществленного на рубеже XVIIи XVIIIвв. английским физиком У. Гилбертом (1544-1603 гг.).
Свое сочинение “О магните, магнитных телах и большом магните - Земле”, где описаны результаты более 600 опытов, Гилберт опубликовал в 1600 г. Здесь он впервые подробно описал поведение магнитной стрелки, установил нераздельность северного и южного полюсов магнита и невозможность получить магнит с одним лишь полюсом. Путем изучения с помощью магнитной стрелки свойств намагниченного шара, Гилберт открыл их соответствие магнитным свойствам Земли, установив таким образом, что последнюю можно рассматривать как “большой магнит”. Он открыл также несоответствие магнитных полюсов Земли географическим северному и южному полюсов.