Механическая картина мира

Глава 2. Естественно-научная картина мира

 

Представления о свойствах и особенностях окружающей нас природы возникают на основе тех знаний, которые в каждый исторический период дают нам разные науки, изучающие различные процессы и явления природы. Поскольку природа представляет собой нечто единое и целое, постольку и знания о ней должны иметь целостный характер, т.е. представлять собой определенную систему. Такую систему научных знаний о природе издавна называют Естествознанием. Раньше в Естествознание входили все сравнительно немногочисленные знания, которые были известны о Природе, но уже с эпохи Возрождения возникают и обособляются отдельные его отрасли и дисциплины, начинается процесс дифференциации научного знания. Ясно, что не все эти знания являются одинаково важными для понимания окружающей нас природы.

Чтобы подчеркнуть фундаментальный характер основных и важнейших знаний о природе, ученые ввели понятие естественно-научной картины мира, под которой понимают систему важнейших принципов и законов, лежащих в основе окружающего нас мира. Сам термин "картина мира" указывает, что речь идет здесь не о части или фрагменте знания, а о целостной системе. Как правило, в формировании такой картины наиболее важное значение приобретают концепции и теории наиболее развитых в определенный исторический период отраслей естествознания, которые выдвигаются в качестве его лидеров. Не подлежит сомнению, что лидирующие науки накладывают свою печать на представления и научное мировоззрение ученых соответствующей эпохи. Но это отнюдь не означает, что другие науки не участвуют в формировании картины природы. В действительности она возникает как результат синтеза фундаментальных открытий и результатов исследования всех отраслей и дисциплин естествознания.

Существующая картина природы, рисуемая естествознанием, в свою очередь оказывает воздействие на другие отрасли науки, в том числе и социально-гуманитарные. Такое воздействие выражается в распространении концепций, стандартов и критериев научности естествознания на другие отрасли научного познания. Обычно именно концепции и методы наук о природе и естественно-научная картина мира в целом в значительной степени определяют научный климат эпохи. В теснейшем взаимодействии с развитием наук о природе начиная с XVI в. развивалась математика, которая создала для естествознания такие мощные математические методы, как дифференциальное и интегральное исчисления.

Однако без учета результатов исследования экономических, социальных и гуманитарных наук наши знания о мире в целом будут заведомо неполными и ограниченными. Поэтому следует различать естественно-научную картину мира, которая формируется из достижений и результатов познания наук о природе, и картину мира в целом, в которую в качестве необходимого дополнения входят важнейшие концепции и принципы общественных наук.

Наш курс посвящен концепциям современного естествознания и соответственно этому мы будем рассматривать научную картину природы, как она исторически сформировалась в процессе развития естествознания. Однако еще до появления научных представлений о природе люди задумывались об окружающем их мире, его строении и происхождении. Такие представления вначале выступали в форме мифов и передавались от одного поколения к другому. Согласно древнейшим мифам, весь видимый упорядоченный и организованный мир, который в античности назывался космосом, произошел из дезорганизованного мира, или неупорядоченного хаоса.

В античной натурфилософии, в частности у Аристотеля (384-322 до н. э.), подобные взгляды нашли свое отражение в делении мира на совершенный небесный космос и несовершенный земной мир. Сам термин "космос" обозначал у древних греков всякую упорядоченность, организацию, совершенство, согласованность и даже военный строй. Именно такое совершенство и организованность приписывались небесному миру.

С появлением экспериментального естествознания и научной астрономии в эпоху Возрождения была показана явная несостоятельность подобных представлений. Новые взгляды на окружающий мир стали основываться на результатах и выводах естествознания соответствующей эпохи и стали поэтому называться естественно-научной картиной мира.

Одной из первых возникла механистическая картина мира, поскольку изучение природы началось с анализа простейшей формы движения материи - механического перемещения тел.

 

Механическая картина мира

 

Становление механистической картины мира справедливо связывают с именем Галилео Галилея, который установил законы движения свободно падающих тел и сформулировал механический принцип относительности. Но главная заслуга Галилея в том, что он впервые применил для исследования природы экспериментальный метод вместе с измерениями исследуемых величин и математической обработкой результатов измерений. Если эксперименты спорадически ставились и раньше, то математический их анализ впервые систематически стал применять именно он.

Подход Галилея к изучению природы принципиально отличался от ранее существовавшего натурфилософского способа, при котором для объяснения явлений природы придумывались априорные, не связанные с опытом и наблюдениями, чисто умозрительные схемы.

Натурфилософия, что следует из ее названия, представляет собой попытку использовать общие философские принципы для объяснения природы. Такие попытки предпринимались еще с античной эпохи, когда недостаток конкретных данных философы стремились компенсировать общими философскими рассуждениями. Иногда при этом высказывались гениальные догадки, которые на многие столетия опережали результаты конкретных исследований. Достаточно напомнить хотя бы об атомистической гипотезе строения вещества, которая была выдвинута древнегреческим философом Левкиппом (V до н.э.) и более детально обоснована его учеником Демокритом (ок. 460 до н.э. - г. смерти не-изв.), а также об идее эволюции, высказанной Эмпедоклом (ок. 490 - ок. 430 до н.э.) и его последователями. Однако после того как постепенно возникали конкретные науки и они отделялись от нерасчленненого философского знания, натурфилософские объяснения стали тормозом для развития науки.

В этом можно убедиться, сравнив взгляды на движение Аристотеля и Галилея. Исходя из априорной натурфилософской идеи, Аристотель считал "совершенным" движение по кругу, а Галилей, опираясь на наблюдения и эксперимент, ввел понятие инерциального движения. По его мнению, тело, не подверженное воздействию каких-либо внешних сил, будет двигаться не по кругу, а равномерно по прямой траектории или оставаться в покое. Такое представление, конечно, - абстракция и идеализация, поскольку в действительности нельзя наблюдать такую ситуацию, чтобы на тело не действовали какие-либо силы. Однако эта абстракция является плодотворной, ибо она мысленно продолжает тот эксперимент, который приближенно можно осуществить в действительности, когда, изолируясь от действия целого ряда внешних сил, можно установить, что тело будет продолжать свое движение по мере уменьшения воздействия на него посторонних сил.

Переход к экспериментальному изучению природы и математическая обработка результатов экспериментов позволили Галилею открыть законы движения свободно падающих тел. Принципиальное отличие нового метода исследования природы от натурфилософского состояло, следовательно, в том, что в нем гипотезы систематически проверялись опытом. Эксперимент можно рассматривать как вопрос, обращенный к природе. Чтобы получить на него определенный ответ, необходимо так сформулировать вопрос, чтобы получить на него вполне однозначный и определенный ответ. Для этого следует так построить эксперимент, чтобы по возможности максимально изолироваться от воздействия посторонних факторов, которые мешают наблюдению изучаемого явления в "чистом виде". В свою очередь гипотеза, представляющая собой вопрос к природе, должна допускать эмпирическую проверку выводимых из нее некоторых следствий. В этих целях, начиная с Галилея, стали широко использовать математику для количественной оценки результатов экспериментов.

Таким образом, новое экспериментальное естествознание в отличие от натурфилософских догадок и умозрений прошлого стало развиваться в тесном взаимодействии теории и опыта, когда каждая гипотеза или теоретическое предположение систематически проверяются опытом и измерениями. Именно благодаря этому Галилею удалось опровергнуть прежнее предположение, высказанное еще Аристотелем, что путь падающего тела пропорционален его скорости. Предприняв эксперименты с падением тяжелых тел (пушечных ядер), Галилей убедился, что этот путь пропорционален их ускорению, равному 9,81 м/с². Из астрономических достижений Галилея следует отметить открытие спутников Юпитера, а также обнаружение пятен на Солнце и гор на Луне, что подрывало прежнюю веру в совершенство небесного космоса.

Новый крупный шаг в развитии естествознания ознаменовался открытием законов движения планет. Если Галилей имел дело с изучением движения земных тел, то немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571-1630) осмелился исследовать движения небесных тел, вторгся в область, которая раньше считалась запретной для науки. Кроме того, для своего исследования он не мог обратиться к эксперименту и поэтому вынужден был воспользоваться многолетними систематическим наблюдениями движения планеты Марс, сделанными датским астрономом Тихо Браге (1546-1601). Перепробовав множество вариантов, Кеплер остановился на гипотезе, что траекторией Марса, как и других планет, является не окружность, а эллипс. Результаты наблюдений Тихо Браге соответствовали этой гипотезе и тем самым подтверждали ее.

Открытие законов движения планет Кеплером имело неоценимое значение для развития естествознания. Оно свидетельствовало, во-первых, о том, что между движениями земных и небесных тел не существует непреодолимой пропасти, поскольку все они подчиняются определенным естественным законам, во-вторых, сам путь открытия законов движения небесных тел в принципе не отличается от открытия законов земных тел. Правда, из-за невозможности осуществления экспериментов с небесными телами для исследования законов их движения пришлось обратиться к наблюдениям. Тем не менее и здесь исследование осуществлялось в тесном взаимодействии теории и наблюдения, тщательной проверке выдвигаемых гипотез измерениями движений небесных тел.

Формирование классической механики и основанной на ней механистической картины мира происходило по двум направлениям:

1) обобщение полученных ранее результатов и прежде всего законов движения свободно падающих тел, открытых Галилеем, а также законов движения планет, сформулированных Кеплером;

2) создание методов для количественного анализа механического движения в целом.

Известно, что Ньютон создал свой вариант дифференциального и интегрального исчисления непосредственно для решения основных проблем механики: определения мгновенной скорости как производной от пути по времени движения и ускорения как производной от скорости по времени или второй производной от пути по времени. Благодаря этому ему удалось точно сформулировать основные законы динамики и закон всемирного тяготения. Теперь количественный подход к описанию движения кажется чем-то само собой разумеющимся, но в XVIII в. это было крупнейшим завоеванием научной мысли. Для сравнения достаточно отметить, что китайская наука, несмотря на ее несомненные достижения в эмпирических областях (изобретение пороха, бумаги, компаса и другие открытия), так и не смогла подняться до установления количественных закономерностей движения. Решающую же роль в становлении механики сыграл, как уже отмечалось, экспериментальный метод, который обеспечил возможность проверять все догадки, предположения и гипотезы с помощью тщательно продуманных опытов.

Ньютон, как и его предшественники, придавал большое значение наблюдениям и эксперименту, видя в них важнейший критерий для отделения ложных гипотез от истинных. Поэтому он резко выступал против допущения так называемых скрытых качеств, с помощью которых последователи Аристотеля пытались объяснить многие явления и процессы природы.

 

Сказать, что каждый род вещей наделен особым скрытым качеством, при помощи которого он действует и производит эффекты, - указывал Ньютон, - значит ничего не сказать.

 

В связи с этим он выдвигает совершенно новый принцип исследования природы, согласно которому

 

вывести два или три общих, начала движения из явлений и после этого изложить, каким образом свойства и действия всех телесных вещей вытекают из этих явных начал, - было бы очень важным шагом в философии, хотя причины этих начал и не были еще открыты.

 

Эти начала движения и представляют собой основные законы механики, которые Ньютон точно формулирует в своем главном труде "Математические начала натуральной философии", опубликованном в 1687 г.

Первый закон, который часто называют законом инерции, утверждает

:

Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

 

Этот закон, как отмечалось выше, был открыт еще Галилеем, который отказался от прежних наивных представлений, что движение существует лишь тогда, когда на тело действуют силы. Путем мысленных экспериментов он сумел показать, что по мере уменьшения воздействия внешних сил тело будет продолжать свое движение, так что при отсутствии всех внешних сил оно должно оставаться либо в покое, либо в равномерном и прямолинейном движении. Конечно, в реальных движениях никогда нельзя полностью освободиться от воздействия сил трения, сопротивления воздуха и других внешних сил, и поэтому закон инерции представляет собой идеализацию, в которой отвлекаются от действительно сложной картины движения и воображают себе картину идеальную, которую можно получить путем предельного перехода, т.е. посредством непрерывного уменьшения действия на тело внешних сил и перехода к такому состоянию, когда это воздействие станет равным нулю.

Второй основной закон занимает в механике центральное место:

 

Изменение количества движения пропорционально приложенной действующей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.