Становление классической механики

  Механическая  картина мира.

  Механическая  картина мира сложилась в результате научной революции XVI–XVII вв. Свой вклад  в ее формирование внесли Г. Галилей, И. Кеплер, Р. Декарт, П. Лаплас, И. Ньютон и многие другие ученые.

  В основу новых представлений науки о  мире легли идеи и законы механики, которая стала самым разработанным  разделом физики. По сути дела, именно механика является первой фундаментальной  физической теорией. Основу механической картины мира составил атомизм, который  весь мир, включая человека, понимал  как совокупность огромного числа  неделимых частиц – атомов, перемещающихся в пространстве и времени в  соответствии с немногими законами механики. Это корпускулярное представление  о материи.

  Законы  механики, которые регулировали как  движение атомов, так и движение любых материальных тел, считались  фундаментальными законами мироздания. Поэтому ключевым понятием механической картины мира было понятие движения. Тела обладают внутренним врожденным свойством двигаться равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения связаны с действием  на тело внешней силы (инерции). Мерой  инертности является масса. Универсальным  свойством тел является тяготение.

  Решая проблему взаимодействия тел, Ньютон предложил  принцип дальнодействия. Согласно этому принципу, взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных посредников.

  Концепция дальнодействия основана на понимании пространства и времени как особых сред, вмещающих взаимодействующие тела. Ньютон предложил концепцию абсолютного пространства и абсолютного времени. Абсолютное пространство представлялось большим «черным ящиком», универсальным вместилищем всех материальных тел в природе. Но даже если бы все эти тела вдруг исчезли, абсолютное пространство все равно бы осталось. Аналогично, в образе текущей реки, представлялось и абсолютное время. Оно становилось универсальной длительностью всех процессов во Вселенной. И абсолютное пространство, и абсолютное время существуют совершенно независимо от материи.

  В механической картине мира любые события жестко предопределялись законами механики. Случайность в принципе исключалась  из картины мира.

  Жизнь и разум в механической картине  мира не обладали никакой качественной спецификой. Поэтому присутствие  или отсутствие человека в мире не меняло ничего. Если бы человек однажды  исчез с лица Земли, мир продолжал  бы существовать, как ни в чем  не бывало.

  На  основе механической картины мира в XVIII – начале XIX в. была разработана земная, небесная и молекулярная механика. Быстрыми темпами шло развитие техники. Это привело к абсолютизации механической картины мира, и она стала рассматриваться в качестве универсальной.

  В то же время в физике начали накапливаться  эмпирические данные, противоречащие механической картине мира. Так, наряду с рассмотрением природы как  системы материальных точек, что  полностью соответствовало корпускулярным представлениям о материи, пришлось ввести понятие сплошной среды. Оно  понадобилось для объяснения световых явлений. Так в физике появилось  понятие эфира – особо тонкой и абсолютно непрерывной световой материи. Это уже были не корпускулярные, а континуальные представления  о материи.

  В XVIII веке появилось учение о невесомых  веществах. В его рамках были введены  понятия электрической и магнитной  жидкостей, теплорода, флогистона. Они  также были особыми разновидностями  сплошной материи. Этого требовала  механистичность классической науки, распространявшая принципы и подходы  механики на другие разделы науки.

  Таким образом, хотя механический подход к  этим явлениям оправдывал себя не в  полной мере, опытные факты искусственно подгонялись под механическую картину  мира.

  В XIX веке в физике наступил кризис, который  был вызван исследованиями и открытиями в области электричества и  магнетизма. Тогда стало ясно, что  противоречия между опытными данными  и механической картиной мира стали  слишком острыми. Физика нуждалась  в существенном изменении своих  взглядов на мир. 

  Вклад  Г. Галилея в развитие научной мысли.

  Основоположником  теории относительности по праву  считается великий итальянский ученый Галилео Галилей (1564-1642), который первым с математической точностью сформулировал важнейшие принципы механического мира.

  Первое  из важнейших открытий Галилей совершил в области механики. Аристотель учил, что тяжелые предметы падают с  большей скоростью, чем легкие, и  целые поколения ученых принимали  это утверждение, признавая авторитет  греческого философа. Однако Галилей  решил проверить этот тезис и, проведя несколько экспериментов, вскоре обнаружил, что Аристотель был  не прав. На самом деле тяжелые и  легкие предметы падают с одинаковой скоростью, за исключением случаев, когда их движение замедляется из-за трения воздуха. Придя к такому заключению, Галилей пошел дальше. Он тщательно  измерил расстояние, которое проходит падающий предмет в данный период времени, и установил, что путь падающего  предмета пропорционален квадрату времени, за которое происходило падение. Это открытие (постоянный коэффициент  ускорения) значимо само по себе.

  Еще более  важным представляется то, что Галилей  сумел суммировать результаты целой  серии экспериментов в математической формуле. Широкое использование  математических формул и математических методов — важнейшая характерная  черта современной науки.

  Другим  важным достижением Галилея было открытие закона инерции. Первоначально  люди полагали, что движущийся объект имел бы естественную тенденцию к  замедлению движения, если бы к нему не были приложены силы, которые  заставляли его двигаться дальше. Однако опыты Галилея показали, что  это общее представление ошибочно. Если бы силы, задерживающие движение, такие, например, как трение, можно  было бы исключить, падающий предмет  стремился бы продолжать движение бесконечно. Этот важный принцип, который Ньютон сформулировал заново и включил  в свою собственную систему в  качестве первого закона движения, является одним из первостепенных принципов  физики.

  Самые блестящие открытия Галилей совершил в астрономии. Астрономическая наука  в начале 1600-х годов находилась в состоянии великого брожения. В  ней происходил важный спор между  последователями гелиоцентрической  теории Коперника и сторонниками более ранней геоцентрической теории. В 1604 году Галилей объявил о том, что он верит в правоту Коперника, однако в то время у него не было способа доказать это. В 1609 году он узнал  об изобретении телескопа в Голландии. Хотя у него было только описание этого  прибора, он обладал гениальностью  такого свойства, которая позволила  ему вскоре самому изобрести телескоп. Но его телескоп был гораздо совершеннее. Пользуясь этим новым прибором, он обрати свой талант наблюдателя к  небесам и уже через год  сделал целую серию важных открытий. Он смотрел на Луну и видел, что это не гладкая сфера, потому что на ней имеются многочисленные кратеры и высокие горы. Небесные тела, решил он, вовсе не такие гладкие, совершенные, у них такая же неровная поверхность, что и Земле Он смотрел на Млечный путь и видел, что это, в конецном итоге, не молочное, покрытое туманами тело, а конгломерат, состоящий из огромного количества отдельных звезд, которые находятся так далеко, что невооруженный глаз имеет тенденцию сливать их воедино. Он смотрел на планеты и видел, что вокруг Юпитера вращаются четыре его спутника. Это было ясное доказательство того, что астрономическое тело может вращаться не только вокруг Земли, но вокруг любой другой планеты. Он смотрел на Солнце и видел там солнечные пятна. (В действительности и другие люди наблюдали солнечные пятна до Галилея, однако ему удалось более широко оповестить общественность о своих открытиях и привлечь к солнечным пятнам внимание научного мира). Он заметил, что у Венеры фазы подобны фазам Луны. Все вместе это стало значительным свидетельством в пользу теории Коперника о том, что Земля и другие планеты вращаются вокруг Солнца.

  Изобретение телескопа и совершенные с  его помощью открытия сделали  Галилея знаменитым. Однако, поддерживая  теорию Коперника, он встретил сопротивление  в среде влиятельных церковных  кругов, и в 1616 году ему было приказано  воздержаться от популяризации учения Коперника. В течение нескольких лет Галилей роптал против этого  ограничения. После смерти папы в 1623 году его сменил человек, который  был почитателем Галилея. В следующем  году новый папа Урбан VIII сделал намек, что этот запрет больше не будет  действовать. Следующие шесть лет  Галилей посвятил написанию своего самого знаменитого труда — «Диалог  о двух главнейших системах мира». Книга  явилась мастерским изложением свидетельств в защиту теории Коперника. Она была издана в 1632 году с разрешения церковной  цензуры.

  Огромный  вклад Галилея в развитие науки  нашел свое признание. Наибольшее значение имеют такие его научные исследования, как открытие закона инерции, изобретение  телескопа, его астрономические  наблюдения и его гениальные труды, в которых он доказал правоту  гипотез Коперника. Еще большего признания заслуживает его роль в развитии методологии науки. Многие жившие до него философы-натуралисты, ориентирующиеся на Аристотеля, делали упор на качественность своих наблюдений и классификацию явления. Что  же касается Галилея, то он подходил к  явлению с позиции его точности и делал количественные наблюдения. Этот акцент на тщательном количественном измерении стал основным методом научного исследования.

  Галилею в большей степени, чем кому-либо другому, был присущ эмпирический подход к научному познанию. Он был первым, кто настаивал на необходимости  проведения экспериментов. Он отказался  от представления, что научный вопрос может быть решен при опоре  на авторитет, будь то мнение церкви или  утверждение Аристотеля. Он также  не хотел опираться на сложные  дедуктивные схемы, которые не были подкреплены опытным путем. Средневековые  схоласты долго обсуждали вопрос о том, что должно произойти и  почему это происходит, Галилей же при проведении опыта стремился  определить, что в действительности должно произойти. Для его научной  позиции был характерен явно не мистический  подход. В этом отношении он был  даже более современен, чем его  преемники, такие как Ньютон. Необходимо также подчеркнуть, что Галилей  был глубоко религиозным человеком. Несмотря на судебный процесс и последующее  за ним осуждение, он не отказался  ни от религии, ни от церкви, он выступал лишь против попыток церковных властей  помешать решению научных проблем. Последующие поколения вполне справедливо  выражают свое восхищение Галилеем как  символом протеста против догматизма и авторитарных попыток задушить свободу мысли. Однако самую важную роль он сыграл в создании современного метода научного исследования. 

  Классическая  механика И. Ньютона.

       Исаак Ньютон - английский физик, математик и астроном, один из создателей классической физики. Автор фундаментального труда «Математические начала натуральной философии», в котором он изложил закон всемирного тяготения и три закона механики, ставшие основой классической механики. Разработал дифференциальное и интегральное исчисление, теорию цвета и многие другие математические и физические теории.

       В своей работе по созданию теоретической  механики Ньютон опирался прежде всего на открытые Галилеем принцип инерции и закон свободного падения тел. Принцип инерции относится лишь к случаям, когда на тело не действуют внешние силы. Но в реальном мире вряд ли можно наблюдать такие ситуации. Об этом свидетельствует, в частности, закон свободного падения тел. 
Однако этот закон является лишь частным случаем прямолинейного равноускоренного движения тел под воздействием силы тяжести. Ньютон же поставил своей целью найти общий закон движения тел, на которые действуют любые силы, а их траектории могут быть самыми разными. Поскольку движение тела зависит от приложенной к нему силы, а сила придает телу ускорение, постольку необходимо было найти количественный, математический метод для определения ускорения. Поэтому формирование классической механики происходило по двум направлениям: 
1) обобщения полученных ранее результатов, и прежде всего законов движения свободно падающих тел, открытых Галилеем, а также законов движения планет, сформулированных Кеплером; 
2)  создания методов для количественного, математического анализа механического движения в целом. 
Известно, что Ньютон создал свой вариант дифференциального и интегрального исчислений непосредственно для решения основных проблем механики: определения мгновенной скорости движения как производной от пути по времени и ускорения как производной от скорости по времени, или второй производной. 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 XVII— XVIII вв. 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 др.), так и не смогла в то время 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 и натурфилософы вообще 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, который теперь характеризуют как метод принципов, а сам Ньютон называл их началами. 
«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. Встречающийся в заглавии этой книги термин «натуральная философия» в XVII—XVIII вв. обозначал физику, важнейшей частью которой считалась механика. С изложения основных ее законов он и начинает свой труд.