2.6.4 Очищение естествознания от натурфилософских представлений

Третья научная революция, наряду с диалектизацией естествознания, явившейся ее сутью, включала и начавшийся в конце XVIII века процесс очищения науки от натурфилософских понятий и представлений.

Первым из таких представлений, подвергшихся пересмотру явилась теория флогистона. Ученые второй половины XVII-XVIII вв. для объяснения процесса горения привлекали некоторую субстанцию, своеобразное «начало горючести» — флогистон (от греч. флогистос — воспламеняемый, горючий) легчайшая материальная субстанция земного происхождения, с помощью которой можно объяснить процессы горения, прокаливания обжига и т. п. Считалось, что хорошо горят те тела, которые содержат много флогистона, и наоборот, тела, содержащие мало флогистона, должны гореть плохо, флогистон как особо легкая субстанция обладает способностью «отнять у вещества часть его веса» путем передачи своей летучести частицам этого вещества, которые затем осаждаются.

Опровергнуть эту теорию удалось лишь к концу XVIII века благодаря исследованиям французского ученого Антуан Лоран Лавуазье (1743-1794). Его внимание привлекла проблема горения, восстановления и окисления металлов. Лавуазье впервые выдвинул идею об участии атмосферного воздуха в процессах горения и затем решительно опроверг натурфилософскую флогистонную теорию.

Значительно позднее флогистона из науки было изгнано другое натурфилософское понятие — теплород; последнее долгое время играло важную роль в теории теплоты. Теплород мыслился в виде особой, фантастической «тепловой жидкости», которая, перетекая от одного тела к другому, обеспечивает процесс теплопередачи. Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765) подверг критике концепцию теплорода и обосновал кинетическую гипотезу теплоты.

Гипотеза Ломоносова состояла в том, что теплота — это форма движения мельчайших материальных частиц (корпускул, или молекул). Их вращательное движение является причиной тепла. Основные положения развитой Ломоносовым кинетической гипотезы теплоты сводились к следующему: 1) молекулы (корпускулы) имеют шарообразную форму; 2) при более быстром вращении частиц теплота должна увеличиваться, а при более медленном — уменьшаться; 3) частицы горячих тел вращаются быстрее, более холодных — медленнее; 4) горячие тела должны охлаждаться при соприкосновении с холодным, так как это замедляет теплотворное движение частиц; 5) холодные

60

же тела должны нагреваться при соприкосновении с горячим вследствие ускорения движения частиц. Однако кинетическая гипотеза Ломоносова, созданная в середине XVIII века, не смогла в то время переломить сложившийся стереотип научного мышления. Натурфилософское учение о теплороде просуществовало еще почти целое столетие.

После открытия закона сохранения и превращения энергии, физики окончательно отказались от теплорода и вернулись к кинетической концепции теплоты.

Важным успехом классического естествознания, было создание объяснение известных из экспериментов законов идеального газа, что окончательно доказало, что все вещества состоят из молекул, находящихся в постоянном хаотичном движении и взаимодействующих друг с другом. Данные химии свидетельствовали о том, что сами молекулы не всегда являются элементарными «кирпичиками» мироздания. Одни вещества (сложные) можно было получить путем химического соединения других веществ, другие же (простые, или элементы) – нет. Значительным событием в химии, позволившим систематизировать многие эмпирические факты стало создание Менделеевым периодической таблицы элементов. Мельчайшие частицы элементов получили название атомов. Молекулы сложных веществ являются разного рода комбинациями (соединениями) атомов.

Важнейшим успехом термодинамики классического периода явилась формулировка так называемого второго начала термодинамики, согласно ко-

торому тепло самопроизвольно может передаваться только от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой и никогда наоборот.

Для характеристики направленности процессов теплопередачи была введена величина S = dQ/T, названная энтропией (дословно «способность к превращениям»). В конце прошлого века Больцман убедительно показал, что энтропия является мерой хаоса, мерой неопределенности, непредсказуемости состояния системы (S = k lnW, где k – постоянная Больцмана, W – статистический вес состояния системы). Таким образом, впервые в законы естествознания был внесен элемент вероятности, после чего математические методы теории вероятностей твердо обосновались в «точных» естественных науках.

С точки зрения второго начала термодинамики, который, как выяснилось, имеет статус всеобъемлющего закона, справедливого для всех явлений природы, любой относительно изолированный процесс может протекать только в направлении нарастания энтропии, то есть хаоса и неопределенно-

сти в состоянии системы (все старится и разрушается). Даже Вселенную в

61

целом, по мнению Больцмана, однажды ожидает «тепловая смерть», когда ее энтропия достигнет максимума.

Принцип роста энтропии входил в прямой конфликт с достижениями другой естественнонаучной дисциплины – биологии, где примерно в то же самое время был сформулирован принцип биологической эволюции, движущей силой которой, по мнению Дарвина, является естественный отбор. В процессе эволюции происходит формирование новых видов живых организмов, которые, подчиняясь требованиям окружающей среды, оказываются все более сложными и совершенными, по сравнению со своими предшественниками. Таким образом, естествознание впервые вышло на уровень формулировки фундаментальных законов, описывающих живой мир. И сразу же возникает парадокс несогласия с данными физики, где уже твердо обосновался принцип роста энтропии. Не случайно Больцман считал, что жизнь является следствием глобальной случайности, имеющей крайне малую вероятность возникновения. С точки зрения физики XIX века, возникнув однажды, любая упорядоченная система (например, живой организм или жизнь вообще) может только разрушаться, деградировать. В то же время мы воочию можем наблюдать, например, как формирует сам себя организм ребенка, упорядочивая рассеянные в окружающей среде элементы.

Работы ряда ученых XIX века в области электромагнетизма (о которых подробнее будет сказано в следующем разделе) привели к отказу от таких натурфилософских понятий, как электрическая, и магнитная жидкости. Работы Ампера и других исследователей привели к тому, что субстанциональное понимание электромагнитных явлений было заменено принципиально новым понятием электромагнитного поля.

Последним натурфилософским представлением, продержавшимся дольше всех других натурфилософских понятий, был мировой эфир.

Концепцию мирового эфира — гипотетической среды, заполняющей все мировое пространство, — признавали все физики XIX века. Этому в особенности способствовала победа, одержанная в середине XIX века волновой теорией света над корпускулярной. Причина этой победы заключалась в том, что волновая теория давала объяснение дифракции света, т. е. отклонению световых волн, происходящему при распространении света вблизи краев непрозрачных тел. При прохождении сквозь узкие отверстия, щели и т. п. Но принятие волновой теории приводило в то же время к мысли о существовании субстанции, в которой световые волны распространяются. В этом случае

62

все хорошо согласовывалось с механическими представлениями об окружающем мире, еще очень характерными для большей части XIX века.

Эту теорию опровергли неоднократные опыты Альберт Абрахам Майкельсон (1852-1931). В 80-х годах XIX века Майкельсон неоднократно повторял свои опыты, используя все более совершенную и точную аппаратуру. Результат был все тот же: обнаружить «светоносный эфир» не удавалось.

2.6.5 Основные представления классического периода развития естествознания

Принцип относительности Галилея Галилей ввел понятие инерции и инерциальной системы отсчета, в ко-

торой тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют другие тела (силы). Напомним, что понятие системы отсчета включает в себя систему координат и часы. Инерциальных систем отсчета может быть бесконечное множество. Принцип относительности Галилея заключается в том, что все физические законы не меняются (инвариантны) в разных инерциальных системах отсчета. Одинаковость хода часов в разных инерциальных системах отсчета соответствует концепции дальнодействия, рассмотренной выше.

Принцип относительности утверждает, что если система движется равномерно и прямолинейно, то, не выходя за ее пределы, никакими приборами невозможно обнаружить факт ее движения или покоя, так как такое движение не влияет на ход процессов, протекающих в данной системе. Какое из тел, движущихся равномерно и прямолинейно, действительно движется, а какое покоится однозначно сказать невозможно. Только задавшись точкой, относительно которой мы будем измерять характеристики движения (например, скорость), можно внести в задачу элемент определенности. Таким образом, впервые появилась необходимость ввести в задачи механики понятие

системы отсчета.

Важнейшим результатом принципа относительности явилось правило сложения скоростей (рис. 2.4) v' = v0 + v, где v' - скорость движения тела относительно неподвижной системы отсчета, v0 - скорость движения подвижной системы отсчета относительно неподвижной, v - скорость движения тела относительно подвижной системы отсчета. А также преобразование коорди-

нат x' = v't = (v0 + v) t = v0t + x, y' = y, z' = z, где x', y', z' – координаты тела в неподвижной системе координат, x, y, z – координаты тела в системе координат, движущейся относительно неподвижной со скоростью v0 в направлении оси x'.

63

Рис. 2.4. Сложение скоростей

Введем понятие инвариантности (инварианта). Инвариантность означает независимость, неизменность относительно каких-либо физических условий. В математике под инвариантностью понимается неизменность величины относительно каких-либо преобразований. Рассмотрим, какие параметры не меняются при преобразованиях Галилея, т.е. являются инвариантами этих преобразований. Первый из этих параметров - время. При переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой не меняется как само время, так и длительность какого-либо события. Помимо времени, неизменным остается расстояние между двумя точками, а также ускорение.

Закон сохранения массы был сформулирован уже после Галилея и Ньютона. Но, для полноты картины, добавим, что в классической механике масса тела не зависит от выбора системы отсчета и также является инвариантом преобразований Галилея.

Все законы Ньютона инвариантны относительно преобразований Галилея, т.е. действительны во всех инерциальных системах. Это значит, что они справедливы и записываются одинаковым образом во всех инерциальных системах отсчета.

Ньютоновское представление о пространстве, времени и Вселенной

В основе современного научного миропонимания лежит признание фундаментальности пространства и времени. Эта традиция восходит к временам Галилея и Ньютона. Так Ньютон всю свою механику строил на законах, в которых в качестве физических величин фигурировали пространственные координаты x,y,z (или вектор r) и время t. И пространство, и время Ньютон определял как особого рода вместилище материальных объектов, способное существовать даже при условии отсутствия этих объектов. И пространство, и

время он наделял свойствами бесконечной протяженности и бесконечной делимости (именно Ньютон ввел понятие бесконечно малой величины и разработал дифференциальное исчисление). В качестве аксиомы принимался аб-

64

солютный характер пространства и времени, то есть считалось, что их свой-

ства не зависят от наличия или отсутствия в них материальных объектов.

Для ньютоновского пространства справедлива геометрия Евклида, которая базируется на нескольких определениях идеальных геометрических объектов (точка, прямая, поверхность и т.п.) и аксиомах, постулирующих основные отношения между этими объектами. Все более сложные отношения можно сформулировать в качестве теорем или геометрических задач, которые проецируются на систему аксиом в целях выяснения противоречивости или непротиворечивости того или иного утверждения. Критерием истины (правильности решения геометрической задачи) является отсутствие противоречий с системой аксиом.

Аналогичный формально-логический подход был положен в основу всего метода познания, предложенного Ньютоном.

Ньютоновская концепция естествознания основывается на идее беско-

нечной делимости пространства и времени. Однако еще во времена антич-

ных философов были сформулированы задачи, не имеющие решения, если принять, что мир можно делить до бесконечности. Так одна из апорий Зенона говорит, что с точки зрения логики Ахиллес (самый быстрый бегун) никогда не догонит черепаху, так как для этого он должен сначала преодолеть половину расстояния до нее, но еще раньше - половину половины, еще раньше - половину четверти и т.п. В результате он должен преодолеть бесконечно большое количество малых расстояний. Логика говорит, что он даже не должен сдвинуться с места. Но опыт противоречит логике. Отсюда вывод: рас-

стояние нельзя делить до бесконечности. То же самое можно сказать и про время.

Среди взаимодействий в то время выделяли взаимодействия двух типов:

1)близкодействие - непосредственный контакт или передача взаимодействия с помощью посредника, несущего в себе импульс mv, например, обмен, когда один человек бросает другому тяжелый предмет, оба ощущают отдачу; скорость изменения импульса и будет силой;

2)дальнодействие - передача взаимодействия через разделяющее тела пространство без материальных посредников.

Ньютон был противником концепции дальнодействия, однако наличие в природе таких явлений, как гравитация, электричество и магнетизм, не укладывалось в концепцию близкодействия. Поэтому об их природе Ньютон предпочитал не рассуждать, оставляя эту проблему на долю потомков.

65

На этапе развития классической механики подразумевалось, что взаимо-

действие тел происходит мгновенно. Использовался принцип дальнодействия.

В этом случае, коль скоро взаимодействие передается мгновенно, в разных системах отсчета можно было вводить одинаковое время. Например,

считалось, что всегда можно синхронизовать часы, находящиеся в любой точке пространства (например, на Земле и в центре Галактики) и считать,

что время в разных точках пространства ни от чего не зависит и одинаковое. Применив закон тяготения, подтвержденный тогда лишь для Солнечной системы, ко всей Вселенной, Ньютон рассмотрел главную космологическую проблему: конечна или бесконечна вселенная. И пришел к выводу, что лишь в случае бесконечности вселенной материя может существовать в виде множества космических объектов – центров гравитации. В конечной же вселенной материальные тела рано или поздно слились бы в единое тело в центре мира. Это было первой строгое физико-теоретическое обоснование беско-

нечности мира.

Ньютон задумывался и над проблемой происхождения такой упорядоченной Вселенной. Он считал, что материя сама по себе косна, пассивна и не способна к движению. И потому, например, для него тайной являлось начало орбитального движения планет. Для раскрытия этой тайны оставалось прибегнуть лишь к некоей более могучей, чем тяготение, организующей силе. В ту эпоху в качестве такой силы мыслился, разумеется, лишь бог. Поэтому Ньютон допускал божественный “первый толчок”, благодаря которому планеты приобрели орбитальное движение, а не упали на Солнце. Обнаружив неизбежность возмущений в движениях планет и спутников (т.е. отклонений от кеплеровых законов), которые могли иметь вековой характер, нарастая со временем, Ньютон вынужден был сделать вывод о необходимости время от времени подправлять расшатывающийся механизм планетных движений. Подобную функцию опять-таки мог выполнять только бог.

Потребовалось всего полвека развития науки и общего мировоззрения под воздействием открытий самого Ньютона, чтобы появились мыслители, категорически отвергавшие идею божественного начального толчка и внесшие в естествознание идею естественной эволюции материи. Первым из таких мыслителей был И. Кант.

Вещество и масса, принцип эквивалентности

В физике под веществом подразумевают такой вид материи, который обладает массой покоя, т.е. в состоянии неподвижности (хотя бы и относительной) масса системы не равна нулю. В конечном счете, вещество слагает-

66

ся из атомов (или элементарных частиц). В следующих разделах мы узнаем, что существуют частицы, имеющие нулевую или мнимую массу покоя; такие частицы могут существовать только в движении.

Вещество всегда локализовано в ограниченной части пространства. Его положение можно задать с помощью ограниченного числам параметров, которые принято называть степенями свободы. В простейшем случае движения точки, ее положение в пространстве задается 3-мя независимыми координатами (степенями свободы). Даже, когда вещество нельзя моделировать точкой (например, твердое тело), его положение все равно определяется конечным числом независимых координат – степеней свободы. Если вещество состоит из N атомов, то мы можем описать положение каждого атома в отдельности. Всего потребуется задать 3N параметров. Реально атомы образуют связи; каждая связь превращает одну из независимых координат в зависимую, и число независимых параметров (координат) уменьшается.

Положение твердого тела, оказывается, можно задать всего лишь 6 па-

раметрами: тремя координатами - положение центра масс тела и еще тре-

мя углами - его ориентацию (разворот) относительно координатных осей. Ранее упоминалось понятие массы, которое требует дополнительного

обсуждения. Часто говорят, что масса характеризует количество материи. Это формулировка качественная. Она требует уточнения. Правильнее говорить, что масса – одна из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные и гравитационные свойства. Остановимся на этом вопросе подробнее.

Втеории Ньютона масса рассматривалась, как количество вещества. Понятие массы ввел в механику И. Ньютон, давая определение импульса. Массой он назвал коэффициент пропорциональности m, постоянную для тела величину. Эквивалентное определение массы вытекает и из второго закона Ньютона. Здесь масса – это коэффициент пропорциональности между результирующей силой и вызываемым ею ускорением. Определенная таким образом масса характеризует инертность тела. Т.е. чем больше масса тела, тем меньшее ускорение оно приобретает под действием постоянной силы. Определенная таким образом масса называется инертной.

Втеории гравитации И. Ньютона масса выступает как источник поля сил тяготения. Каждая масса создает вокруг себя пол сил тяготения (гравитационное поле). На любое тело, помещенное в это поле, действует сила, пропорциональная его собственной массе, массе источника и направленная к источ-

67

нику. Это значит, что гравитационные силы всегда являются силами притяжения. Закон всемирного тяготения формулируется в следующем виде:

где G – гравитационная постоянная; m1 и m2 – массы тел;

r – расстояние между телами.

Из этой формулы можно получить связь между массой тела и его весом Р в поле тяготения Земли, если считать, что m1 – масса тела, m2 = M – масса Земли, а r = Rз – радиус Земли.

Определенная таким образом масса называется гравитационной. В прин-

ципе, ниоткуда не следует, что масса, создающая поле тяготения и масса, определяющая инерцию тела - одинаковы. Однако, специальные опыты пока-

зали, что инерционная и гравитационная массы при выборе одинаковой сис-

темы единиц равны. Этот фундаментальный закон природы называется принципом эквивалентности масс. Экспериментально этот принцип был проверен в 1971 году с очень высокой точностью – 10-12г.

В классической физике считалось, что масса тела не меняется ни в каких процессах. Это утверждение формулировалось в виде закона сохранения массы. Понятие массы приобрело более глубокий смысл в рамках релятивистской механики или теории относительности, рассматривающей движение тел с большими скоростями. Релятивистская механика показывает, что не существует по отдельности законов сохранения массы и энергии. Они слиты воедино. Это естественно, так как материя (количество которой характеризуется массой) невозможна без движения (количество которой характеризуется энергией).

Природа массы – важнейший, до сих пор не решенный вопрос физики. Принято считать, что массы элементарных частиц определяется полями, с ними связанными. Однако, до настоящего времени не создана количественная теория массы. Не существует теорий, объясняющих, почему массы элементарных частиц образуют не непрерывный, а дискретный, т.е. прерывный спектр значений, и тем более, позволяющих рассчитать эти значения.

68

Детерминизм классической механики

Под детерминизмом понимается философское учение об объективной закономерности, взаимосвязи и причинной обусловленности всех явлений материального и духовного мира. Центральным ядром детерминизма является положение о причинности. Идея детерминизма состоит в том, что все явления и события в мире не произвольны, а подчиняются объективным закономерностям, независимо от наших знаний о природе явлений. Всякое следствие имеет свою причину. Как и все остальное в физике, понятие детерминизма менялось по мере развития физики и всего естествознания.

В 19-м веке теория Ньютона окончательно оформилась и установилась. Существенный вклад в ее становление внес П.С. Лаплас (1749 - 1827). Он разработал принцип механического детерминизма, который сегодня носит его имя: детерминизм Лапласа. Согласно классическому механистическому детерминизму существует строго однозначная связь между физическими величинами, характеризующими состояние системы в какой-то момент времени (координаты и импульсы) и значениями этих величин в любой последующий или предыдущий моменты времени. Если говорить более простым языком, детерминизм по Лапласу означает, что мы всегда однозначно можем описать поведение тела или любой сколь угодно сложной системы, если знаем начальные координаты и скорости тела, а также знаем законы движе-

ния и взаимодействия тел. Примерами практического воплощения этого принципа еще во времена Лапласа были астрономические таблицы, очень точно описывавшие движения небесных тел на многие годы вперед.

Отметим, что для успешного практического решения подобных задач законы взаимодействия тел нужно знать очень точно, либо нужно смириться с тем, что расчет будет адекватно описывать поведение системы лишь в ограниченном временном интервале. Связано это с тем, что неточности расчета имеют свойство накапливаться и искажать получающуюся картину, – чем дальше, тем больше. Кроме того, нужно иметь ввиду, что, для решения задачи о движении большого количества взаимодействующих тел, нужно задать очень большое количество начальных данных, законов взаимодействия и решать очень громоздкую систему дифференциальных уравнений. Не следует думать, что дело смогут спасти ЭВМ новых поколений; трудности, которые возникнут при решении такой задачи, носят принципиальный характер.

Этот принцип совершенно справедлив, если не выходить за рамки классической механики.

69