Лекция 4. Формирование и развитие классической физической картины мира.

1. Натурфилософский этап в формировании физической картины мира.

2. Классический этап.

3. Термодинамика.

4. Электродинамика

5. Оптика.

В развитии физической картины мира можно выделить четыре этапа: 1) натурфилософский 2) классический 3) неклассический 4) постнеклассический, современный.

Натурфилософский этап в формировании физической картины мира.Натурфилософский этап в развитии физической картины мира начинается в эпоху Античности. В Древней Греции физика рассматривалась как часть философии и понималась как учение о природе, как натурфилософия.

Представители ионийской школы (Фалес, Анаксагор, Анаксимен, Гераклит) считали основой мира одну из наблюдаемых материальных субстанций (воду, воздух, огонь и др.); представители атомистической школы (Левкипп, Демокрит) считали, что основу мира составляют не одна, а две субстанции: атомы и пустота; представители же идеалистической школы видели основу мира в числах, идеях, формах (Пифагор, Платон, Аристотель).

Концепция Аристотеля стала вершиной античной натурфилософии: он систематизировал и подытожил научные достижения античного периода, поэтому первую парадигму науки называют аристотелевской.

Натурфилософская физическая картина мира базировалась на космоцентрической модели мира, и вкупе с геоцентризмом Клавдия Птолемея и теорией атомистики Демокрита представляла собой статическую модель мира. Согласно утверждениям Аристотеля, рождение мира произошло в результате Первотолчка, сила которого проявляется постоянно для поддержания движения. Аристотелевская картина мира оставалась основой на протяжении почти двух тысяч лет, до XVI в. Лишь в эпоху Возрождения началась ее систематическая критика.

Натурфилософское видение мира базировалось на утверждениях:

Ø Наши чувства способны воспринимать только качественные состояния и различия, поэтому физическая истина о мире может быть постигнута только разумом.

Ø С точки зрения разума, любое качество суть не что иное, как определенная степень количества единой субстанции. Т.о., все существующие состояния и процессы природы различаются лишь количественной меройпроявления в них исходной материальной субстанции, стало быть, описание Природы должно быть осуществлено количественным языком.

Ø В мире нет ничего случайного: все предопределено, т.е. свобода воли, или выбор, отсутствует (фатализм).

Ø Материальный мир является несовершенной копией истинного, идеального мира, сущность которого может быть постигнута лишь умозрением. Такая форма познания называется спекулятивной.

Ø Природа, понимаемая как совокупность вещей и энтелехии (причинное воздействие формы на материю - гилеоморфизм) есть гармоничный космос.

Классическая механика.Классический этап в развитии физической картины мира характеризуется складыванием механистической картины мира, которая возникла в области макродинамики. Ее теоретическим фундаментом является классическая физика Галилея-Ньютона.

Первый серьезный вызов Аристотелевой физике был сделан в области астрономии. Он начался с критики птолемеевской геоцентрической модели Вселенной и разработкой гелиоцентрической системы мира Николаем Коперником. Сформулированные Коперником постулаты о движении небесных светил вокруг солнца потребовали внести изменения в физику Аристотеля, где признавалась потенциальная бесконечность (бесконечная делимость), но была приемлема актуальная бесконечность (бесконечность большого тела).

В мировоззренческом смысле система Коперника знаменовала собой освобождение науки от теологии. Этому способствовала концепция двойственности истины (признание права на существование «естественного разума» наряду с верой, основанной на откровении), которая устранила противоречия между теологией и наукой.

Развитие идей о бесконечности Вселенной продолжил Николай Кузанский: по его мнению, у Вселенной нет центра, она потенциально бесконечна.

Неаполитанский монахДжордано Бруно делает следующий шаг в развитии представлений о Вселенной, заявив, что она бесконечна актуально, а мир и Бог – одно и то же. Но прославила его концепция множественности обитаемых миров.

Стремясь опровергнуть Коперника, Тихо Браге строит свои звездные таблицы, более точные, чем у Птолемея. А Иоганн Кеплер, используя их, открывает свои знаменитые законы движения планет вокруг Солнца. Кеплер математически уточнил положения гелиоцентрической системы, уточнив закономерности движения планет. Интересно, что в основе научных исследований Кеплера лежала религиозная идея поиска числовой гармонии Вселенной, в которой, по мнению великого немецкого ученого, должен был выразиться замысел Творца. Результаты своего поиска Кеплер изложил в работах «Новая, изыскивающая причины астрономия, или физика неба» и «Гармония мира».

Галилео Галилей,первый ученый, посмотревший на небо через телескоп (perspicillium). сделал много открытий, обогативших астрономию (спутники Юпитера, горы на Луне, пятна на Солнце, кольца Сатурна, вспышка сверхновой).

Опровергая аргументы Птолемея, направленные против утверждения о вращении Земли, Галилей приходит к открытию закона инерции и механического принципа относительности. Открытием закона инерции было опровергнуто многовековое заблуждение Аристотеля о необходимости постоянной силы для поддержания равномерного движения. Оказалось, что прямолинейное и равномерное движение, равно как и покой, может существовать при отсутствии всяких сил. Это имело огромное, не только чисто научное, но и мировоззренческое значение. Как известно, к инерциальным системам отсчета относятся покоящиеся (неподвижные) системы и системы, которые движутся относительно неподвижных равномерно и прямолинейно. Равноправность таких систем Галилей доказывал различными опытами и логическими рассуждениями, доказывая необходимость применения теории вкупе с практикой.

Таким образом, Галилеем были заложены основы классической физики в виде формулировки ряда фундаментальных принципов классической механики:

Ø принцип инерции, согласно которому, когда тело двигается по горизонтальной плоскости, не встречая никаких сопротивлений движению, движение его является равномерным и продолжалось бы постоянно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца;

Ø принцип сохранения скоростей и сохранения временных и пространственных интервалов при переходе от одной инерциальной системы к другой, так называемое Галилеево преобразование.

Ø принцип относительности, согласно которому в инерциальных системах отсчета все законы механики одинаковы и нет возможности, находясь внутри, определить, движется она прямолинейно и равномерно или покоится;

Согласно принципу относительности законы механики, справедливые в одной системе координат, справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой, т.е. во всех инерциальных системах отсчета физические явления происходят одинаково, они инвариантны при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Инерциальной была названа система отсчета, которая находится либо в состоянии покоя, либо в состоянии прямолинейного равномерного движения; система отсчета называется неинерциальной, если она движется с ускорением относительно выбранной ИСО)

Французский философ Р.Декарт построил универсальную картину мира, в основе которой лежала идея природы как совокупности взаимодействующих вещественных частиц.

Эксперименты Галилея и философско-методологические принципы Декарта стали основой механистического мировоззрения. А окончательное формирование новой, классической механистической картины мира произошло благодаря работам великого физика Нового Времени Исаака Ньютона, поэтому вторую парадигму науки называют ньютоновской. Ньютоновская система описания Вселенной покоится на трех китах:

Ø исчисление бесконечно малых (на современном языке — математический анализ);

Ø законы динамики;

Ø закон всемирного тяготения.

Три закона Ньютона: первый закон, гласящий, что тело, на которое не действуют другие тела, движется прямолинейно и равномерно. Способность тела сопротивляться воздействию на него сил называют инертностью, поэтому первый закон называют законом инерции; второй закон, согласно которому, если на тело действуют другие тела с силой F, то оно приобретает ускорение, пропорциональное F и обратно пропорциональное своей массе; и третий закон — всякое действие тел друг на друга носит характер взаимодействия; силы, с которыми тела действуют друг на друга, равны по модулю, противоположны по направлению и действуют вдоль прямой, соединяющей эти тела («действие равно противодействию»);

Сформулированные им три основных закона движения, имели фундаментальное значение. Законы динамики (главным образом, второй закон a = F/m) позволяют поставить математическую задачу о вычислении траектории тела.

Первый и второй законы Ньютона окончательно опровергли учение Аристотеля о силе и движении. Ньютон предельно ясно объяснил, что для поддержания движения сила не нужна, поскольку мир развивается по инерции. Вершиной научного творчества Ньютона стала теория тяготения.

Основу космологии Ньютона составил закон всемирного тяготения,

F=G

(где F - сила тяготения, G - гравитационная постоянная, M₁m₂ – массы взаимодействующих тел, R – расстояние между ними).

Заслуга Ньютона была в том, что он соединил механистическую философию Р.Декарта, законы Кеплера о движении планет и законы Галилея о земном движении, сведя их в единую всеобъемлющую теорию. Используя математический аппарат созданной им новой физической теории, Ньютон впервые создал единую механику всех земных и небесных тел, с общими для всех законами инерции, динамики, действия и противодействия, а также взаимного тяготения. Предположив, что закон тяготения справедлив в масштабах всей Вселенной, Ньютон пришел к выводу, что лишь в бесконечной Вселенной материя может существовать в виде множества небесных тел. В конечной же Вселенной все они рано или поздно слились бы в единое тело в центре мира. Так он заложил основу научной космологии.

Классическая механика Ньютона стала основой новой физической картины мира – картины мира классической науки. Окончательное оформление эта картина мира получила к концу XVIII в. в результате трудов блестящей плеяды французских и немецких ученых А.Клеро, М.Эйлера, Ж.Лагранжа, П.Лапласа, И.Канта,которые внесли существенные усовершенствования в классическую картину мира, создав динамическую модель мироздания. В результате работ Ньютона и целого ряда блестящих математиков и физиков XVIII века механика выделяется в отдельную развитую науку, обладающую беспрецедентной до тех пор предсказательной силой. На ее основе возникает первая научная механическая картина мира. Перечислим ее основные элементы.

Представления о материи. Материей считалось вещество (материальные тела). Вещество состоит из дискретных неделимых частиц — атомов, — вечных и неизменных. Из неизменности атомов следует неизменность таких свойств тел, как, например, масса.

Представления о движении. Мир — это движущаяся материя. Предшественник Ньютона Р. Декарт говорил: дайте мне материю и движение, и я построю мир. Однако движение понималось лишь в смысле механического перемещения тел и частиц. Все другие виды движения сводились к механическому, их специфика не признавалась. Допускалась возможность перемещения со сколь угодно большой скоростью.

Представления о пространстве и времени.Движение, по Ньютону, можно описывать лишь относительно инерциальной системы отсчета (в которой при отсутствии внешних воздействий тело движется равномерно и прямолинейно). Однако любая реальная система отсчета не является инерциальной, что проявляется в возникновении сил инерции, для которых невозможно указать порождающий их источник.

В поисках идеальной системы отсчета Ньютон выдвигает идею Абсолютного пространства — бесконечной однородной протяженности — и Абсолютного времени — бесконечной однородной длительности, — которые находятся вне тел и не зависят от них. По Ньютону, Абсолютные пространство и время — то, что останется в мире, если удалить из него материю, то есть пустота, вместилище материи, и чистая длительность, не связанная ни с какими материальными процессами и телами.

Представления о причинности и закономерности. Согласно принципу причинности, каждое явление имеет предшествующую ему причину. Пример — второй закон Ньютона: причиной изменения движения является сила. Кроме того, уравнения механики говорили, что следствие из причины вытекает однозначно.

Космологические представления. Ньютон полагал, что Вселенная бесконечна в пространстве и во времени и заполнена бесконечным числом звезд, вокруг которых вечно кружатся планеты. Позднее появилась гипотеза Канта-Лапласа о происхождении Солнечной системы из газопылевого облака. Однако идея эволюции, движущая сила которой заключена в самой материи, еще не была принята. Господствовало ньютоновское представление, что первый толчок Вселенной сообщил бог, предоставивший затем телам двигаться в соответствии с законами механики.

Парадигма механического мира оказала чрезвычайно большое влияние на развитие не только естествознания, но и всей человеческой культуры. Во многом под ее влиянием даже историю стали представлять себе как линейный процесс, траекторию которого можно вычислить, подобно траектории кометы, а, вычислив — твердо управлять ею. Потребовался целый ряд научных революций, прежде чем сформировалась современная естественнонаучная парадигма — эволюционная.

Термодинамика. Система понятий в механистической картине мира была неподвижной, негибкой и любое открытие в естествознании, например, в термо- и электродинамике, в физике, теории эволюции Ж.Ламарка и Ч.Дарвина в биологии, Ч.Лайеля в геологии, разрушало ее, не находя в ней своего места.

К рубежу XVIII и XIX вв. ученое сообщество считало, что механика Ньютона практически полностью сняла все проблемы научной картины мира, поскольку «систему мира можно создать один раз». В частности, явления переноса теплоты объяснили с помощью механической субстанции – теплорода.

Теория теплорода. Нагревание тела связывали с присутствием некой жидкости, частицам которой также присущи определенные силы. Например, между частицами теплорода действуют отталкивающие силы, а между частицами теплорода и частицами материальных тел — силы притяжения.

Тепловые явления изучали вне связи с другими физическими явлениями, не затрагивая процессы превращения теплоты в работу. Физики имели дело главным образом с явлениями перераспределения теплоты и ее передачей, когда общее количество теплоты остается неизменным. Они полагали, что теплота переходит от одного тела к другому подобно жидкости, переливаемой из одного сосуда в другой. Они также считали, что теплота «перетекает» по телу, например стержню, без потерь, подобно воде по трубам. Это хорошо укладывалось в представление о теплоте как о веществе. С помощью вещественной теории теплоты объяснялось наличие теплового баланса при калориметрических измерениях, явление теплопроводности и т.п.

Были придуманы и другие такие субстанции, подобные теплороду, но только электрические и магнитные.

Однако положение стало меняться в связи с развитием термодинамики. Исследования процесса превращения теплоты в работу и обратно, осуществленные в середине XIX в. Р.Майером, Дж.Джоулем, У.Томсоном Р.Клаузиусом и Г.Гельмгольцем, привели к выводам о которых Р.Майер писал: «Движение, теплота, электричество представляют собой явления, которые измеряются друг другом и переходят друг в друга по определенным условиям». Г.Гельмгольц это обобщает это утверждение в вывод: «Сумма существующих в природе напряженных и живых сил постоянна». У.Томсон уточняет понятия «напряженные и живые силы» до понятий потенциальной и кинетической энергии, определив при этом энергию как способность совершать работу.

В итоге Р.Клаузиус обобщил эти идеи в формулировке: «Энергия мира постоянна». Так совместными усилиями был открыт закон сохранения и превращения энергии. Его называют первым началом термодинамики.

Исследования процессов сохранения и превращения энергии привели к открытию еще одного закона: – закона возрастания энтропии. Клаузиус писал: «Переход теплоты от более холодного тела к более теплому не может проходить без компенсации». Меру способности теплоты к превращению Клаузиус назвалэнтропией.

N.B! Суть энтропии выражается в том, что во всякой изолированной системе процессы должны протекать в направлении превращения всех видов энергии в теплоту при одновременном уравнивании температурных разностей, существующих в системе. Это означает, что реальные физические процессы протекают необратимо.