Физические концепции XII - XVIII вв.
Особенности периода начала Нового времени
С XVII века начинается Новое время. Философия
Возрождения подготовила новый тип философствования, отвергавший схоластику,
теоцентристские построения, которые перестали удовлетворять требованиям
объяснения новых социальных реалий.
В XVII веке укрепился капиталистический способ
производства. Развитие экономики требовало расчетов национального дохода,
индивидуальных доходов, численности рождаемости и смертности и т.д.
Предпринимательский расчет становится нормой повседневной жизни. Его основа -
количественная оценка. Расчет, количественная оценка влияют на человеческие
отношения, проникают во все сферы человеческой практики.
Университетская наука, увлеченная проблемами
античности и занявшаяся отвлеченными от практических потребностей вопросами,
оказалась своего рода "закрытой системой", изолировавшей себя от
реальных потребностей общества. Поэтому развитие естествознания в это время
осуществлялось преимущественно вне университетской науки. Особенность этого
периода характеризовалась следующим образом: "Неудовлетворенность
технической интеллигенции состоянием университетской науки имела вполне
реальные практические основания, - она была продиктована жизненно необходимой
потребностью. Несмотря на то, что производство было в основном
"мануфактурным", в практику строительного дела, транспорта, военного
дела и некоторых видов производства вошли новые устройства, машины и
приспособления. Разработка технологических правил и новых конструкций
опиралась, как и прежде, на пробные производственные эксперименты. Но теперь
они касались уже не тех простейших машин, на которых строилась техника
Средневековья, напротив, эти опыты относились к целым узлам новых механических
и гидравлических устройств. Варьирование условий и анализ результатов пробного
опыта стали гораздо более сложными, менее наглядными и труднее обозримыми.
Производственникам, инженерам, конструкторам требовались руководящие научные
указания, чтобы лучше и быстрее разобраться в результатах пробных технических
экспериментов. Но дальнейшее усовершенствование техники и повышение качества
изделий упирались в главное противоречие эпохи - противоречие между
сравнительно высоким уровнем достигнутых к этому времени технологических знаний
и резким отставанием от них многих отраслей естествознания и особенно
физики".[1]
Несомненно, что возникновение интереса к опытному
естествознанию во многом обязано Ф.Бэкону. Вместе с тем в условиях отставания
теоретического естествознания от практических успехов техники важно было
научное обобщение результатов технического опыта. Прежде всего возникла
необходимость в усовершенствовании методов измерения и технологических приемов
создания физических аппаратов. Накопленный опыт в машиностроении имел важное
значение и его можно было использовать. Ситуация же в области теоретической
физики была иной. Физика в это время могла предлагать разного рода
теоретические гипотезы качественного характера. Способы же формулировок
теоретических задач в математической форме, позволявшие осуществлять расчеты с
научной степенью точности, отсутствовали. Качественные гипотезы не могли быть
положены в основу технологических процессов или конструктивных разработок. В
этих условиях разрыв между более высоким экспериментальным уровнем физики и
более низким уровнем физических теорий мог быть ликвидирован с помощью
экспериментальной науки. (Метод теоретической физики будет создан Ньютоном
позже, в конце XVII века). В этом русле и проявилась методология Бэкона,
ориентировавшая на постановку экспериментов, способствующих открытию новых
законов. Принцип количественного измерения в экспериментальных исследованиях
становится основой естествознания. Это находит свое выражение в изобретении
разнообразных измерительных приборов - хронометров, биометров, термометров,
весов и т.д. Таким образом, вслед за машиностроительной отраслью возникает
приборостроительная. Потребности практики, увеличившиеся с созданием торговых и
промышленных компаний, ставят вопрос о необходимости повышения эффективности
физических исследований. Для этого была важна организационная и материальная
поддержка науки. Создаются "Академия опыта" во Флоренции (1657 г.),
Лондонское Королевское общество (1662 г.), Королевская Академия наук в Париже
(1666 г.), Берлинская академия (1672 г.). В этих условиях потребность в методе
построения физических теорий стала ощущаться еще острее. Бэкон исходил из того,
что критериями правильной физической теории должны выступать применимость
теории на практике, а также способствование развитию самой науки, принижая при
этом роль математики. Декарт, напротив, образцом считает не экспериментальную
физику с ее индуктивным методом, а математику. Критерием достоверности
физической теории, но Декарту, является его соответствие дедуктивно полученным
выводам, ее внутренняя логическая последовательность. Декарт полагал, что бог
может осуществлять физическое явление бесчисленным количеством способов. Это
обусловило его представление о множестве вариантов теорий. (В этом русле им
была выдвинута произвольная теория вихрей, удерживающих планеты на своих
орбитах - см. раздел "Концепции астрономии".)
Важно отметить признание Декартом возможной
неоднозначности физической теории, что явилось следствием познания, каким
способом бог реализовал данное физическое явление. Иначе говоря,
соответствующая дедуктивным выводам теория оказывается лишь наиболее вероятной
из числа возможных.
Иную позицию занимал Ньютон. Для него было важно
однозначно выяснить с помощью экспериментов и наблюдений свойства изучаемого
объекта и строить теорию на основе индукции без использования гипотез. Он
исходил из того, что в физике как экспериментальной науке места для гипотез
нет. Признавая небезупречность индуктивного метода, он считал его среди прочих
наиболее предпочтительным.
Общим для Декарта, Ньютона и других исследователей
природы этого времени было использование теологических аргументов. (Не случайно
Ньютона иногда называет не только первым ученым, но и последним богословом.)
Задача естествознания усматривалась в выявлении божественного плана творения
природы. В этом заключалась специфика развития естествознания XVII века.
Поскольку физика XVII века по необходимости вступала в противоречие с
церковными догматами, церковь, отстаивавшая свою позицию различия небесной и
земной физики, не могла остаться к этому равнодушно. Галилей был подвергнут
церковным репрессиям за "Диалог о двух главнейших системах мира,
птолемеевой и коперниковой", целью которых было стремление приостановить
распространение коперниканских идей. Для Италии, выступавшей в числе лидеров
научного прогресса, это имело негативные последствия - развитие физических идей
было заторможено. В Англии ситуация сложилась иная. Р.Бойль обосновал
концепцию, согласно которой естествознание выступает опорой религии, благодаря
чему церковную реакцию удавалось сдержать. В целом же естествознание XVII века,
отказавшееся от аристотелевских концепций, сочетает в себе опору на
эксперимент, количественное измерение изучаемых явлений с аргументами
теологического характера.
Механика Г.Галилея и начало критики аристотелевской
физики
Если началом периода торжества нового,
экспериментального подхода в естествознании принято считать гелиоцентрическую
концепцию Коперника, учение об электричестве и Земле как о большом магните У.
Гильберта (1600 г.) и открытие У.Гарвеем кровообращения (1628 г.), то
завершением данного периода - утверждение коперниканской системы благодаря
вкладу Г.Галилея. Гелиоцентрической концепции Коперника понадобилось время для
своего утверждения. Борьба за ее утверждение для Бруно закончилась печально, да и одной
демонстрации уверенности в ее истинности было мало - необходимы были более
серьезные аргументы. Дело в том, что в первоначальном виде гелиоцентрическая
концепция Коперника не содержала точного описания орбит планет и убедительных
аргументов для объяснения невоспринимаемости органами чувств движения Земли.
Первая задача была решена Тихо Браге и Иоганом
Кеплером (см. раздел "Концепции астрономии“), вторая, связанная с
созданием динамики, - Галилео Галилеем. Непригодность аристотелевской парадигмы
понимал уже Леонардо да Винчи, выступивший против учения о противоположности земного
и небесного. Но его работы остались не опубликованными. Д.Бруно сделал выводы
философского характера из учения Н. Коперника, а И. Кеплер систему Коперника
привел в соответствие с новейшими астрономическими данными. Перед Галилеем
встала задача обосновать концепцию Коперника физически. Использование телескопа
позволило Галилею выявить несоответствие наблюдаемой картины аристотелевской
концепции. Открытие спутников Юпитера позволило ему наглядно продемонстрировать
модель коперниковской системы и утвердить преимущество наблюдения над
умозрительными построениями.
Однако утверждения преимущества метода наблюдения над
умозрительными аргументами для утверждения системы Коперника было недостаточно.
Важно было объяснить, почему вращение Земли не сопровождается ураганным ветром,
направленным в противоположную движению Земли сторону, а также почему
подброшенные вверх тела не остаются позади. Для ответа на эти вопросы
требовалось изучение свободного движения тел. Данная проблема имела важное и
практическое движение, поскольку была связана с движением ядер при стрельбе из
пушек и вообще движением метательных снарядов. Существовавшим теориям,
объяснявшим это движение, недоставало математического обоснования . В
"Диалогах о двух новых науках" Галилей дал математическое описание
движения тел (работа была опубликована уже после осуждения Галилея за его
"Диалог о двух главнейших системах мира"). Галилей, отбросил
предшествующие воззрения на объяснение движения тел, обратился к эксперименту
как методу исследования. Для проведения измерений падения тел он использовал
маятник и наклонную плоскость, а также сбрасывание тел с Пизанской башни.
Аристотелевская физика признавала естественные и
насильственные движения. Поскольку движение нашей планеты относилось к
естественному виду движения, то выявилось противоречие между аристотелевским
пониманием естественного движения как вызываемому стремлением тела занять свое
"естественное место", с одной стороны, и движением планеты вокруг
Солнца по замкнутым траекториям. Поэтому прежде всего было необходимо
исследовать природу "естественного движения", т.е. падения тел. Эта
проблема исследовалась физиками и до Галилея, но никто из них не мог установить
величину скорости падения тел в единицу времени. Галилей понял, что установить
это можно лишь в эксперименте. Но необходимо было найти способ уменьшить
скорость движения падающего тела без искажения условий свободного падения.
Галилей использовал в этих целях движение по наклонной плоскости. Проведение
многократных экспериментов с движением тел по наклонной плоскости, а также с
помощью маятника позволило Галилею сформулировать закон: законы свободного
падения и движения тел по наклонной плоскости и показать ошибочность
представлений Аристотеля об естественном и насильственном падении. Аристотель
утверждал, что движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая,
прекращает свое действие. Галилей установил, что если на тело не действуют
никакие силы, то оно покоится или движется равномерно и прямолинейно. Таким
образом, Галилей показал ошибочность представлений Аристотеля об естественном и
насильственном движении.
Рассматривая движение тела по наклонной плоскости,
Галилей делает важный шаг в выработке представлений об инерции - одной из
важнейших идей механики. Хотя ему и не удалось дать полную и точную
формулировку закона инерции, он выявил способность тел сохранять свою скорость.
Использование закона инерции в своих экспериментах позволило Галилею
сформулировать идею относительности движения и обосновать систему Коперника.
Если бросить с башни шар, то он вследствие силы инерции будет двигаться вместе
с башней и упадет у ее подножия. При движении Земли нет вихря, т.к. атмосфера
движется вместе с Землей. Отсюда следовало, что в механическом эксперименте
нельзя выявить, движется система равномерно и прямолинейно или покоится -
движения в той и другой системах осуществляются одинаково. Для обоснования
динамики важнейшее значение имело установление независимости ускорения
свободного падения от массы тела (Аристотель, как известно, считал, что скорость
падения тела пропорциональна его массе). Если пренебречь сопротивлением
воздуха, то, как выявил Галилей, скорость падения всех тел одинакова и
пропорциональна времени падения, а пройденный в свободном падении телом путь
пропорционален квадрату времени. Кроме законов равноускоренного движения
Галилей открыл и закон независимости скорости падения от сообщенной телу при
бросании горизонтальной скорости. Сила тяжести, действуя на находящееся в
состоянии покоя тело, в первую секунду падения тела придает ему скорость в 9, 8
м/с, в следующую секунду увеличит скорость на ту же величину - скорость падения
пропорциональна времени падения.
Математическое описание экспериментов, осуществленное
Галилеем , имело для развития естествознания весьма важное значение. Соединение
эксперимента и точного математического анализа дало возможность решить задачу
свободного падения тел, показав, что в воздушном пространстве тела в падении
двигались бы по параболической траектории. Этим был задан определенный образец
метода физики, который во многом предопределил в последующем развитие физики.
Галилей заложил основы современной механики. Им была четко выражена мысль, что
единственными свойствами действительности, которые можно описать математически,
являются протяженность, положение и плотность. Эта мысль по сути своей была
программой сведения экспериментальных исследований к таким первичным качествам,
как размер, форма, количество и движение.
Для того, чтобы экспериментально-математический метод
приобрел всеобщее призвание, Галилею необходимо было сокрушить учение Птолемея
о системе небесных сфер и аристотелевскую физическую парадигму,
господствовавшую почти два тысячелетия в качестве основы естествознания и
обществознания. Именно эту задачу и преследовал его "Диалог о двух главнейших
системах мира - птолемеевой и коперниковой“. Именно это и вызывало его конфликт
с церковью, поскольку новые идеи угрожали устоям церковного учения и
общественного порядка. В основе конфликта лежало противоречие науки и догм
религии. Осуждение Галилея и его вынужденное согласие отказаться от своего
учения привлекло внимание естествоиспытателей к осознанию сути конфликта и
способствовало становлению новой экспериментальной науки и распространению
коперниканского учения. Спустя всего менее полувека Ньютон в своей теории
всемирного тяготения объединит законы, установленные Кеплером и Галилеем.
Антиперипатетический характер экспериментальных
физических концепций Нового времени
Галилей, подготовив почву для фундамента динамики,
определил программу дальнейших исследований, но еще в общих чертах.
Продолжателем его работ был Э.Торричелли. Он распространил идеи Галилея на
теорию движения жидкостей и вывел формулу, с помощью которой определяется
скорость вытекания жидкости из сосуда через отверстие в его стенке, заложив тем
самым основы гидродинамики. Но главное его достижение - открытие атмосферного
давления. Еще Галилей знал о наблюдениях флорентийских водопроводников, что
вода поднимается не выше определенной высоты. Торричелли предположил, что
воздух оказывает на нее определенное давление, которое и попытался измерить. С
этой целью была использована закрытая с одного конца трубка, заполненная
ртутью. Когда ее свободным концом опустили в воду, то уровень ртути в ней
понизился, а над поверхностью ртути образовалась пустота. Происхождение этой
"торричелевой пустоты" было объяснено следующим образом: давление на
поверхность ртути в чашке уравновешивается весом столба ртути в трубке. Высота
этого столба над уровнем моря составила 760 мм. Так был изобретен барометр. Так
рухнула еще одна перипатетическая догма - о "боязни пустоты". Декарт
предложил, а Б.Паскаль реализовал идею измерения атмосферного давления на
различных высотах - в результате была установлена зависимость высоты ртутного
столба от высоты места измерения и от состояния погоды. Это означало рождение
научной метеорологии. О.Герике своими опытами с "магдебургскими
полушариями" подтвердил существование атмосферного давления. Паскаль
сформировал основной закон гидростатики; известный как закон Паскаля: давление
на поверхность жидкости, производимое внешними силами, передается жидкостью
одинаково во всех направлениях. На нем основано действие гидравлического
пресса. Паскалем был открыт также закон сообщающихся сосудов.
К успехам в развитии экспериментальной физики XVII века с полным основанием могут быть отнесены
исследования в области электричества и магнетизма У.Гильберта. Предположив, что
Земля является магнитом, он впервые объяснил поведение магнитной стрелки
компаса влиянием его полюсов. Им было введено в физику понятия электричества
(электрическими телами он назвал предметы, подобные янтарю, которые способны
после натирания притягивать к себе легкие предметы), положив начало изучение
электрических явлений.
Роберт Бойль опроверг мнение сторонников
аристотельской физики о том, что в трубке Торричелли ртуть удерживается
невидимыми нитями, установив в 1662г. один из газовых законов: произведение
объема данной массы идеального газа на его давление постоянно при постоянной
температуре (позже этот закон независимо от Бойля установил Мариотт, поэтому
данный закон носит название закона Бойля-Мариотта). Бойль отверг
перипатетическое представление о цвете как о специфическом качестве тела,
объяснив его количеством отраженного света. О.Герике создал первую
электрическую машину в виде шара из серы, который вращался на железной оси,
обнаружил явления электрического отталкивания и электрических разрядов.
Х.Гюйгенс изобрел маятниковые часы со спусковым механизмом, манометр для
измерения низких давлений установил законы колебания маятника, создал волновую
теорию света, заложил основы теории удара. В "Трактате о свете" им
сформулирован принцип распространения волны, известный как принцип
Гюйгенса-Френеля, который гласит: каждая точка пространства, которой достигла в
данный момент распространяющаяся волна, становится источником элементарных
сферических волн. На основе этого принципа были введены законы отражения и
преломления света. Гюйгенс первый установил явление поляризации света. Им было
установлено, что центростремительное ускорение пропорционально квадрату
скорости и обратно пропорционально радиусу окружности, что способствовало
разработке ньютоновской теории движения тел.
Особенности картезианской физики
Весьма значительная роль в развитии естествознании (и
физики в частности) XVII века принадлежит Р.Декарту, высказавшему закон
сохранения количества движения и давшему понятие импульса силы (см. также
раздел "Концепции астрономии"- о теории вихрей). Проблемы физики
заняли значительное место в его "Началах философии". Поскольку опыт
прямых нападок на религиозные догмы в это время был весьма печальным (сожжение
Бруно и Сервета), Декарт постарался занять позицию, позволявшую уклониться от
конфликта с церковью и тем самым обеспечить возможность развиваться науке в
течение нескольких столетий. Он очень точно сформулировал деление Вселенной на
физическую и моральную части. Такое деление было следствием сведения им
чувственного опыта к механике и геометрии. Вслед за Галилеем Декарт
единственными физическими реальностями считал протяженность и движение
(понимаемое как механическое перемещение), которые рассматривал в качестве
первичных качеств. Ко вторичным качествам он отнес цвет, вкус, запах. За их
пределами находилась область страстей, воли, любви, веры. Физика занимается,
главным образом, первичными качествами, которые можно измерять. Вторичными
качествами физика занимается в меньшей мере. Третьи же качества относятся к
сфере откровения, поэтому наука ими не занимается. Живой организм представлялся
Декартом в виде машины, механизма, управляемым в соответствии с физическими
принципами, с одной стороны, и разумом, волей - с другой. Подобное разделение
дало возможность ученым проводить исследования, не вмешиваться в дела религии
и, следовательно, не вступая в конфликт с церковью. Более того, система Декарта
позволяла доказывать бытие бога не менее убедительно, чем предшествовавшие
способы доказательства: его тезис "Я мыслю, следовательно существую"
позволял сделать вывод о том, что раз люди могут представить себе существо
более совершенное, чем они сами, то оно должно существовать.
Декарт сформулировал три закона природы:
1. Всякая вещь находится в одном и том же состоянии,
пока другие вещи не заставят ее изменить данное состояние.
2. Всякое движущееся тело стремиться продолжать свое
движение по прямой.
3. Если движущееся тело встретит другое, сильнейшее
тело, оно ничего не теряет в своем движении; если же оно встретит слабейшее,
которое может подвинуть, оно теряет столько, сколько тому сообщает.
Легко видеть, что данные законы по сути являются чисто
экспериментальными. Система Декарта явилась смесью заключений, опирающихся на
эксперимент, с дедуктивными заключениями, основанными на совершенно ясных
первоначалах (чего требовал метод Декарта). Цели, к которым стремились Бекон и
Декарт, были общими - сделать человека господином природы. И тот, и другой
подняли авторитет экспериментальной науки, вытеснившей схоластику. Декарт
утверждал, что в природе существует определенное количество движения, которое
никогда не возрастает и не убывает. Так как материя, в представлениях Декарта,
однородна и характеризуется только свойством протяженности, то понятие
количества материи оказывается практически тождественным понятию объема тела.
При анализе столкновений тел Декарт пользовался понятием силы, которая зависела
от величины тела, в которое заключена, от скорости движения и способа
столкновения тел. Здесь содержится формулировка закона сохранения импульса и
закона инерции, хотя понятие импульса еще довольно размыто и выступает как
скалярная величина. Декарт, в отличие от Ньютона, говорит о состоянии вообще, а
не о состоянии равномерного и прямолинейного движения. Важно, что, по Декарту,
инерция тела зависит от его скорости. Важно и то, что физика Декарта не
признавала сил, действующих через пустоту на расстоянии. В ней существовали
лишь взаимодействия соприкасающихся тел.
Разработка основ классической физики
а) Физическая концепция И. Ньютона как итог развития
опытного естествознания
Основным достижением физических исследований XVII в.,
подводящим итог развитию опытного естествознания и окончательно сокрушившим
перипатетическую физическую парадигму, явилось завершение создания общей
системы механики. которая была в состоянии дать объяснение движению небесных
светил на основе явлений, наблюдаемых на Земле. И в эпоху античности, в XVII
веке признавалась важность изучения движения небесных светил. Но если для
древних греков данная проблема имела больше философское значение, то для XVII
века, преобладающим был аспект практический. Развитие мореплавания
обусловливало необходимость выработки более точных астрономических таблиц для
целей навигации по сравнению с теми, которые требовались для астрологических
целей. Основной задачей было определение долготы, столь нужной астрономам и
мореплавателям. Для решения этой важной практической проблемы и создавались
первые государственные обсерватории (в 1672 г.
Парижская, в 1675 г. Гринвичская). По сути своей это была задача
определения абсолютного времени, дававшего при сравнении с местным временем
интервал времени, который и можно было перевести в долготу. Определить это
время можно было с помощью наблюдения движений Луны среди звезд, т.е. часов,
"закрепленных на небе", а также с помощью точных часов, поставленных
по абсолютному времени и находящихся у наблюдателя. Для первого случая были
необходимы очень точные таблицы для предсказания положения небесных светил, а
для второго - абсолютно точные и надежные часовые механизмы. Работы в этих
направлениях не были успешными. И хотя суд над Галилеем был "силовым
аргументом" в пользу аристотелевских представлений в области космологии,
стремление найти приемлемое физическое
объяснение системы Коперника сохранялось. Решением этой проблемы занимались
многие выдающиеся исследователи (Галилей, Кеплер, Декарт, Гук, Гюйгенс и др.),
но решить ее удалось лишь Ньютону, который, благодаря открытию закона
всемирного тяготения и трех основных законов механики, а также
дифференциального и интегрального исчисления предал механике характер цельной
научной теории. Кроме того, Ньютону принадлежит заслуга открытия дисперсии
света, хроматической аберрации, исследования интерференции и дифракции,
развития корпускулярной теории света и т.д. Исследованию этих проблем посвящена
его "Оптика". Его капитальный труд "Математические начала
натуральной философии" (опубликованный в 1687 г.) Обобщил не только
собственные исследования автора, но и опыт предшественников. Теория движения
планет и закон всемирного тяготения явились основой физического обоснования
коперниковской гелиоцентрической системы мира.
Поиски ответа на вопрос, почему планеты движутся
вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, вели многие исследователи. Поскольку
планеты обращаются по орбитам, то должна быть какая-то сила, удерживающая их.
Но какая? Гильберт высказал предположение, что такой силой мог быть магнетизм.
Борелли полагал, что движение планет связано с необходимостью уравновесить
центробежную силу другой силой, которую он назвал силой тяготения и действие
которой считал выходящим за пределы непосредственной близости Земли к Луне и
Солнца к планетам. Гук предположил, что тяготение с расстоянием уменьшается.
Декарт (теория тяготения которого была наиболее распространенной и которой
вначале придерживался Ньютон) исходил из того, что тяжелые тела притягивались к
своим центрам притяжения какой-то силой эфирных вихрей. Все эти идеи важно было
свести к математической формуле и проверить наблюдениями. Гюйгенс, работая над
часами с маятником, вывел закон о центробежной силе, установив ее прямую
пропорциональность радиусу круга, по которому движется тело, и обратную
пропорциональность квадрату скорости движущегося тела. Гук, Галилей и Рен
установили, что для уравновешивания центробежной силы тяготения или
центростремительная сила должны зависеть от радиуса, деленного на его куб.
Оставались нерешенными две проблемы. Первая - дать объяснение эллиптической
форме орбит. Вторая - дать объяснение действию больших притягивающихся тел.
Условия для решения этих проблем были готовы, но эти
решения необходимо было найти. Вклад, сделанный Ньютоном в развитие
естествознания, заключался в том, что он дал математический метод обращения
физических законов в количественно измеримые результаты, которые можно было
подтвердить наблюдениями, и, наоборот, выводить физические законы на основе
таких наблюдений. Как он сам писал в предисловии к "Началам",
"... сочинение это нами предлагается как математические основания физики.
Вся трудность физики... состоит в том, чтобы по явлениям движения распознать
силы природы, а затем по этим силам объяснить остальные явления... Было бы
желательно вывести из начал механики и остальные явления природы, рассуждая
подобным же образом, ибо многое заставляет меня предполагать, что все эти
явления обусловливаются некоторыми силами, с которыми частицы тел вследствие причин, пока неизвестных, или
стремятся друг к другу и сцепляются в правильные фигуры, или же взаимно
отталкиваются и удаляются друг от друга. Так как эти силы неизвестны, до сих
пор попытки философов объяснить явления природы и оставались бесплодными. Я
надеюсь, однако, что или этому способу рассуждения, или другому, более
правильному, изложенные здесь основания доставят некоторое освещение".[2]
Средством осуществления этой задачи было исчисление
бесконечно малых. Потребность в создании математики переменных величин (над
созданием которой работали Кеплер, Галилей, Декарт и др.) была удовлетворена
созданием дифференциального и интегрального исчисления. К его созданию пришли
независимо друг от друга Ньютон и Лейбниц (вопрос о приоритете был предметом
ожесточенного спора). Однако важно то, что Ньютон применил этот метод
математического анализа для решения физических проблем. Данный метод стал
средством понимания проблем переменных величин и движения, всех вопросов
механической техники. С его помощью оказалось возможным определять положение
тела в любое время, если известны отношения между этим положением и скоростью
тела или величина ускорения в любое другое время. Иначе говоря, зная закон
силы, можно вычислить траекторию движения тела.
Ньютон ввел понятие состояния системы. Первоначально
оно было использовано для простейших механических систем.(В дальнейшем понятие
состояние обнаружило свою фундаментальную роль и стало применяться в других
физических концепциях в качестве одного из основных.) Состояние механической
системы в классической механике полностью определяется импульсами и
координатами всех тел, образующих данную систему. Если известны координаты и
импульсы в данный момент времени, то можно однозначно установить значения
координат и импульсов в любой последующий момент времени, а также вычислить
значения других механических величин - энергии, момента количества движения и
т.д. (Для того, чтобы сделать "Начала" понятными возможно большему
числу читающих их, Ньютон изложил их на языке геометрии, перевод же на язык
математического анализа был выполнен позже другими авторами.)
Для утверждения своей концепции Ньютону было
необходимо разрушить старую, аристотельскую картину мира. Вместо сфер, которой
управлялись перводвигателем. он ввел механизм, действующий на основе
естественного закона, не требовавшего постоянного использования силы и
допускавшего божественное вмешательство лишь для своего создания и приведения в
движение. Это был компромисс науки и религии. С представлением, в соответствии
с которым для поддержания движения нужна сила, было покончено. Место
статистического представления мира заняло динамическое его представление. Уступки
религии в вопросе о первотолчке были, однако, связаны не только с социальными
причинами, обусловливающими компромисс науки и религии, но и с характером его
понимания природы, которую он считал неэволюционизирующей, инертной, косной
субстанцией. Поскольку вечные законы природы дают возможность объяснять только
повторяемость неизменных, неэволюционизирующих тел, то первый толчок был в
такой картине мира просто необходим. Ньютон, как и Аристотель, понимали физику
как общую теорию природы. Но если Ньютон теорию природы строил на
математических и экспериментальных началах, то Аристотель исключал их из сферы
познания. Экспериментально-математический метод познания открыл перед физикой и
вообще перед естествознанием колоссальные перспективы. Ньютон, заложив основы
теоретического фундамента классической физики, открыл путь к ее дальнейшему
развитию.
б) Законы классической механики
Если кинематика изучает движение геометрического
объекта (т.е. не обладающего никакими свойствами материального тела, кроме
свойства занимать определенное место в пространстве и изменять это положение с
течением времени), то динамика изучает движение реальных тел под действием
приложенных к ним сил, т.е. под действием других тел. Установленные Ньютоном
три закона механики лежат в основе динамики. Непосредственно их можно применять
к простейшему случаю движения, когда движущееся тело рассматривается как
материальная точка, т.е. когда размер и форма тела не учитывается и когда
движение тела рассматривается как движение точки, обладающей массой. В кипятке
для описания движения точки можно выбрать любую систему координат, относительно
которой определяются характеризующие это движение величины. За тело отсчета
может быть принято любое тело, движущееся относительно других тел. В динамике
имеют дело с инерциальными системами координат, характеризуемыми тем, что
относительно них свободная материальная точка движется с постоянной скоростью.
Инерциальной системой отсчета называют такую, в которой справедлив закон
инерции: материальная точка, на которую не действуют никакие силы, находится в
состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Любая система отсчета
, движущаяся относительно инерциальной системы отсчета, будет также
инерциальной. (Все инерциальные системы отсчета равноправны, т.е. во всех таких
системах законы физики одинаковы.)
Установить инерциальную систему координат с абсолютной
точностью невозможно, поскольку для этого надо найти тело, на которое не
действуют другие тела. За таковую нельзя принимать не только системы, связанные
с Землей и Солнцем, но и даже с центром Галактики. Следовательно, понятие
инерциальной системы координат есть абстракция, которая используется (как и
всякое абстрактное понятие) в применении к физическим объектам с определенной
степенью точности.
Закон инерции впервые был установлен Галилеем для
случая горизонтального движения: когда тело движется по горизонтальной
плоскости, то его движение является равномерным и продолжалось бы постоянно,
если бы плоскость простиралась в пространстве без конца. Ньютон дал более общую
формулировку закону инерции как первому закону движения: всякое тело пребывает
в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока
действующие на него силы не изменят это состояние. Важно отметить, что
недостатком данной формулировки закона являлось то, что в ней не содержалось
указания на необходимость отнесения движения к инерциальной системе координат.
Дело заключается в том, что Ньютон не пользовался понятием инерциальной системы
координат - вместо этого он вводил понятие абсолютного пространства
(однородного и неподвижного), с которым и связывал некую абсолютную систему
координат, относительно которой и определялась скорость тел. Когда
бессодержательность абсолютного пространства как абсолютной системы отсчета
была выявлена, закон инерции стал формулироваться иначе: относительно
инерциальной системы координат свободное тело сохраняет состояние покоя или
равномерного прямолинейного движения.
Второй закон механики гласит: произведение массы тела
на его ускорение равно действующей силе, а направление ускорения совпадает с
направлением силы. Такова его современная формулировка. Ньютон сформулировал
его иначе: изменение количества движения пропорционально приложенной
действующей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила
действует. Т.е. Ньютон в формулировке второго закона оперирует понятием
количества движения, понимаемым как мера движения, пропорциональная массе и
скорости. Количество движения - величина векторная (Ньютон учитывал направление
движения при формулировании правила параллелограмма скоростей).Но это понятие в
истории науки не удержалось (и сейчас заменено понятием импульса), поскольку
было неясно, чем измерять движение. Декарт количество движения измерял
произведением массы на скорость, Лейбниц - произведение массы на квадрат
скорости (называя количество движения живой силой). Между сторонниками первого
и второго возникла дискуссия. Даламбер показал эквивалентность обеих мер
измерения (если, например, тело тормозится под действием силы, то тормозящая
сила определяется количеством движения mv, если известно время торможения, и
выводится из mv2/2, если известен путь торможения).
Истинная суть обеих мер движения будет выяснена позже, когда будет открыт закон
сохранения энергии.
Третий закон Ньютона гласит: действию всегда есть
равное и противоположное противодействие, иначе взаимодействия двух тел друг на
друга между собой равны и направлены в противоположные стороны. Иначе говоря,
силы, с которыми действуют два тела друг на друга, равны по величине и
направлены в противоположные стороны. Ньютон распространил действие этого
закона на случай и столкновения тел, и на случай их взаимного притяжения.
Из трех фундаментальных законов движения Ньютона
вытекают следствия, одно из которых - сложение количества движения по правилу
параллелограмма. Если Декарт исходил из признания неизменности количества
движения в мире, то Ньютон придерживался противоположного мнения.
Ускорение тела зависит от величин, характеризующих
действие других тел на данное тело, а также от величин, определяющих
особенности этого тела. Механическое действие на тело со стороны других тел,
которое изменяет скорость движения данного тела, называют силой. Она может
иметь разную природу (сила тяжести, сила упругости и т.д.).Изменение скорости
движения тела зависит не от природы сил, а от их величины. Поскольку скорость и
сила - векторы, то действие нескольких сил складывается по правилу
параллелограмма. Свойство тела, от которого зависит приобретаемое им ускорение,
есть инерция, измеряемая массой. В классической механике, имеющей дело со
скоростями, значительно меньшими скорости света, масса является характеристикой
самого тела, не зависящей от того, движется оно или нет. Масса тела в
классической механике не зависит и от взаимодействия тела с другими телами. Это
свойство массы побудило Ньютона принять массу за меру материи и считать, что
величина ее определяет количество материи в теле. Таким образом, масса стала
пониматься как количество материи. (Впоследствии, с созданием теории относительности,
выяснится, что масса тела не является постоянной величиной, а зависит от
скорости его движения, его энергии. Так, чем выше температура тела, тем больше
его масса. Т.е. масса тела характеризует и состояние тела. Поэтому понятие
количества материи из современного научного обихода исчезло как не имеющее
смысла). Количество материи доступно измерению, будучи пропорциональным весу
тела. Вес - это сила, с которой тело действует на опору, препятствующую его
свободному падению. (Числено вес равен произведению массы тела на ускорение
силы тяжести. Вследствие сжатия Земли и ее суточного вращения вес тела
изменяется с широтой и на экваторе на 0,5% меньше, чем на полюсах). Поскольку
масса и вес строго пропорциональны, оказалось возможным практическое измерение массы
или количества материи. Понимание того, что вес является переменным
воздействием на тело, побудило Ньютона установить и внутреннюю характеристику
тела - инерцию, которую он рассматривал как присущую телу способность сохранять
равномерное прямолинейное движение, пропорциональную массе. Массу как меру
инерции можно измерять с помощью весов, как это делал Ньютон. В состоянии
невесомости массу можно измерять по инерции. Измерение по инерции является
общим способом измерения массы. Но инерция и вес являются различными
физическими понятиями. Их пропорциональность друг другу весьма удобна в
практическом отношении - для измерения массы с помощью весов. Таким образом,
установление понятий силы и массы, а также способа их измерения позволило
Ньютону сформулировать второй закон механики. Итак, масса есть одна из основных
характеристик материи, определяющая ее инертные и гравитационные свойства -
масса как мера инертности по отношению к действующей на него силе (масса покоя)
и масса как источник поля тяготения эквивалентны.
Первый и второй законы механики относятся
соответственно к движению материальной точки или одного тела. При этом
учитывается лишь действие других тел на данное тело. Однако всякое действие
есть взаимодействие. Поскольку в механике действие характеризуется силой, то
если одно тело действует на другое с определенной силой, то второе действует на
первое с той же силой. Третий закон механики и фиксирует это: действию всегда
соответствует равное и противоположно направленное противодействие; иначе: действия
двух тел друг на друга всегда равны по величине направлены в противоположные
стороны. (В формулировке закона под действием и противодействием понимаются
действующие на тела силы). В формулировке Ньютона третий закон механики
справедлив лишь для случая непосредственного взаимодействия сил или при
мгновенной передаче действия одного тела на другое. В случае передачи действия
за конечный промежуток времени данный закон применяется тогда, когда временем
передачи действия можно пренебречь.
Вообще законы классической механики Ньютона
справедливы для случая инерциальных систем отсчета. В случае неинерциальных
систем отсчета ситуация иная. При ускоренном движении неинерциальной системы
координат относительно инерциальной системы первый закон Ньютона (закон инерции)
в этой системе не имеет места - свободные тела
в ней будут с течением времени менять свою скорость движения. В
инерциальных системах отсчета второй закон Ньютона можно сохранить, но для
этого надо вводить силы инерции. В классической механике эти силы имеют
формальный характер, поскольку они вводятся лишь для удобства расчета движения
тел в ускоренной системе отсчета. В рамках теории относительности силы инерции
обладают свойствами силы тяготения - ускорение сил инерции, как и сил
тяготения, не зависит от массы тел, т.е. они эквивалентны. Но поскольку силы
тяготения имеют источник в виде масс , а силы инерции имеют другой характер, то
в принципе можно отличить силы инерции от сил тяготения. Поэтому о действии
принципа эквивалентности можно говорить лишь локально.
в) Ньютоновская концепция пространства и времени
Как отмечалось выше , для построения механики
необходимо было ввести понятие системы отсчета, ибо о движении можно говорить
лишь тогда, когда есть система отсчета. Ньютон исходил из того, что природе
присуща абсолютно неподвижная система отсчета в виде абсолютного (однородного и
неподвижного) пространства, выступающего как вместилище всех тел, а также
абсолютное время, которое течет само по себе, безотносительности к каким-либо
процессам (Ньютон назвал его длительностью). Таким образом, в концепции Ньютона
пространство и время оторваны от материальных тел и реальных процессов.
Ньютоново пространство и время являются абсолютными и
всеобщими - они не изменяются от того, что происходит в нем с материальными
телами. Пространство Ньютон рассматривал как независимую субстанцию. В
определенных условиях пространство может воздействовать на материю, но материя
не может воздействовать на пространство. Любой объект имеет в пространстве
определенное положение и ориентацию, расстояние между двумя событиями точно
определено. События, происходящие в разных точках в одно и то же время,
одновременны.
В пространстве нет каких-то меток. Положение объекта в
пространстве можно определить относительно другого объекта. С какой скоростью
движется объект? Что такое покой? Ведь во Вселенной движется все. Движение
можно ощутить, если оно неравномерно. Движение с постоянной скоростью ощутить
невозможно. Если две системы двигаются равномерно, но с разными скоростями, то
никакой опыт не в состоянии показать, что одна система покоится, а другая
движется. Единственное, что можно сказать о них, - это то, что они находятся
относительно друг друга в состоянии равномерного движения. Т.о., все
равномерные движения в механике Ньютона относительны. В противоположность
этому, ускоренные движения абсолютно. Скажем, стоит поезду замедлить ход, как
вещи под влиянием силы инерции сдвинутся. Равномерное движение для Ньютона
является естественным состоянием тел. Ускоренное же движение вызывается какими-то
причинами, которые Ньютон назвал силами. Откуда берутся силы инерции? Ньютон
приписывал их пространству, в котором происходит ускорение. Т.о., Ньютон может
быть назван в понимании пространства и времени субстанциалистом.
г) Закон всемирного тяготения
Считается, что стержнем динамики Ньютона является
понятие силы, а основная задача динамики заключается в установлении закона из
данного движения и, обратно, в определении закона движения тел по данной силе.
Из законов Кеплера Ньютон вывел существование силы, направленной к Солнцу,
которая была обратно пропорциональна квадрату расстояния планет от Солнца. Это
означало физическое обоснование коперниканской гелиоцентрической системы.
Обобщив идеи, высказанные Кеплером, Гюйгенсом, Декартом, Борелли, Гуком, Ньютон
придал им точную форму математического закона, в соответствии с которым
утверждалось существование в природе силы всемирного тяготения.,
обусловливающей притяжение тел. Сила тяготения (притяжения) прямо
пропорциональна массе тяготеющих тел и обратно пропорционально квадрату
расстояния между ними. Данный закон описывает взаимодействие любых тел - важно
лишь то, чтобы расстояние между телами было достаточно велико по сравнению с их
размерами (это дает возможность принимать тела за материальные точки). В ньютоновской
теории тяготения принимается, что сила тяготения передается от одного
тяготеющего тела к другому мгновенно, при чем без посредства каких бы то ни
было сред. (В рамках теории относительности для передачи силы тяготения от
одного тела к другому требуется время - не большее, чем скорость света.)
Закон всемирного тяготения вызвал продолжительные и
яростные дискуссии. Это не было случайно, поскольку этот закон имел важное
философское значение. Суть заключалась в том, что до Ньютона целью создания физических
теорий было выявление и представление механизма физических явлений во всех его
деталях. В тех случаях, когда это сделать не удавалось, выдвигался аргумент о
так называемых "скрытых качествах", которые не поддаются детальной
интерпретации. Бэкон и Декарт ссылки на "скрытые качества" объявили
ненаучными. Декарт считал, что понять суть явления природы можно лишь в том
случае, если его наглядно представить себе. Так, явления тяготения он
представлял с помощью эфирных вихрей. В условиях широкого распространения
подобных представлений закон всемирного тяготения Ньютона, несмотря на то, что
демонстрировал соответствие произведенных на его основе астрономическим
наблюдениям с небывалой ранее точностью, подвергался сомнению на том основании,
что взаимное притяжение тел очень напоминало перипатетическое учение о
"скрытых качествах". И хотя Ньютон отнюдь не постулировал наличие
тяготения, а установил факт его существования на основе математического анализа
и экспериментальных данных, математический анализ еще не вошел прочно в
сознание исследователей в качестве достаточно надежного метода. Бернулли даже
обвинял Ньютона в восстановлении перипатетизма. Ньютон не рассматривал вопросы
о причинах тяготения. Но стремление ограничивать физическое исследование
фактами, не претендующими на абсолютную истину, позволило Ньютону завершить
формирование физики как самостоятельной науки и отделить ее от натурфилософии с
ее претензиями на абсолютное знание.
Ньютон соединил в себе два противоречивых принципа -
Бэкона и Декарта. Он исходил из опыта ("гипотез я не измышляю"), с
одной стороны. С другой - он был приверженцем строгого математического
доказательства. Ньютон не претендовал на объяснение глубочайших причин - он
стремился к установлению принципа: закон природы не является объяснением,
исходящим из первоначально установленных причин. Закон - лишь краткая
формулировка широкой области явлений, выведенная при помощи логического
заключения и математического расчета. В законе всемирного тяготения наука
получила образец закона природы как абсолютно точного, повсюду применимого
правила, без исключений, с точно определенными следствиями. Этот закон был
включен Кантом в его философию, где природа представлялась царством
необходимости в противоположность морали
- царству свободы.
Физическая концепция Ньютона была своеобразным венцом
физики XVII века. Статический подход к Вселенной был заменен динамическим.
Эксперементально-математический метод исследования, позволив решить многие
проблемы физики XVII века, оказался пригодным для решения физических проблем
еще в течение двух веков. Концепция Ньютона, хотя и содержала бога нам
обеспечившего первотолчок, способствовала возрастанию скептического отношения к
авторитету и вере, чем ослабляла престиж религии.
Формирование механической картины мира
Результатом развития
классической механики явилось создание единой механической картины мира,
в рамках которой все качественное многообразие мира объяснялось различиями в
движении тел, подчиняющемся законам ньютоновской механики. Согласно механической
картине мира, если физическое явление мира можно было объяснить на основе
законов механики, то такое объяснение признавалось научным. Механика Ньютона,
таким образом, стала основой механической картины мира, господствовавшей вплоть
до научной революции на рубеже XIX и XX столетий.
Механика Ньютона, в отличие от предшествующих
механических концепций, давало возможность решать задачу о любой стадии
движения (как предшествующей, так и последующей) и в любой точке пространства
при известных фактах, обусловливающих это движение, а также обратную задачу
определения величины и направления действия этих факторов в любой точке при
известных основных элементах движения. Благодаря этому механика Ньютона могла
использоваться в качестве метода количественного анализа механического
движения. Любые физические явления могли изучаться как движение в чисто
феноменологическом плане, независимо от вызывающих их факторов. Законы
ньютоновской механики связывали силу не с движением, а с изменением движения. Это позволило отказаться от
традиционных представлений о том, что для поддержания движения нужна сила, и
отвести трению, которое делало силу
необходимой в действующих механизмах для поддержания движения, второстепенную
роль. Установив динамический взгляд на мир вместо традиционного статического ,
Ньютон свою динамику сделал основой теоретической физики. Хотя Ньютон проявлял
осторожность в механических
истолкованиях природных явлений, тем не менее он считал желательным выведение
из начал механики остальных явлений природы. Феноменологический метод стал
рассматриваться в качестве универсального способа построения физических теорий.
Дальнейшее развитие физики стало осуществляться в направлении дальнейшей
разработки аппарата механики применительно к решению конкретных задач, по мере
решения которых механическая картина мира укреплялась.
Корпускулярная и волновая концепции света
Во второй половине XVII века были заложены основы
физической оптики. Ф. Гримальди открывает явление дифракции света (огибание
светом препятствий т.е. отклонение его от прямолинейного распространения) и
высказывает предположение о волновой природе света. В опубликованном в 1690 г.
"Трактате о свете" Х.Гюйгенсом был сформирован принцип, согласно
которому каждая точка пространства, которой достигла в данный момент
распространяющаяся волна, становится источником элементарных сферических волн,
и на его основе вывел законы отражения и преломления света. Гюйгенсом было
установлено явление поляризации света - явление, происходящее с лучом света при
его отражении, преломлении (особенно при двойном преломлении) и заключающееся в
том, что колебательное движение во всех точках луча происходит лишь в одной
плоскости, проходящей через направление луча, тогда как в неполяризованном луче
колебания происходят по всем направлениям, перпендикулярно к лучу. Гюйгенс,
разработав идею Гримальди о том, что свет распространяется не только
прямолинейно с преломлением и отражением, а и с разбиением (дифракция), дал
объяснение всем известным оптическим явлениям. Он утверждает, что световые
волны распространяются в эфире, представляющем собой пронизывающую все тела
тонкую материю.
Но что есть волна? Волна обязательно движется в каком
то носителе, в котором и происходят периодические колебания. Но при
распространении волны, например, на поверхности воды, не происходит перемещения
воды в направлении распространения волны
- при этом поверхность воды движется лишь вверх и вниз. Но волна при своем
перемещении передает действие от одной точки к другой. Аналогичным образом
обстоит дело с распространением звуковой волны, но в этом случае волны
распространяются в пространстве по всем направлениям. О световых колебаниях
можно судить по косвенным эффектам. Явление интерференции дает и свидетельство
о волновой природе света. Примером интерференционного эффекта является
появление окрашенных полос или колец, которые являются при растекании тонкого
слоя нефти на поверхности воды. Свет в этом случае сначала отражается от
верхней поверхности пленки, а затем от нижней. Поэтому колебания в световом
луче, которые отражаются от нижней поверхности пленки, отстают от колебаний в
луче, отраженном от ее поверхности, причем это отставание равно расстоянию,
равному удвоенной толщине пленки. Оба отраженных луча в этом случае
интерферируют так, что если толщина пленки равна четверти длины волны, то
второй луч отстает от первого на половину волны. Наложение гребня волны,
отраженной от другой поверхности, дает темноту. Белый свет в результате
интерференции после отражения становится окрашенным.
Ньютон сначала в своих докладах в Лондонском
Королевском обществе и затем в "Оптике" (опубликованной в 1706 г.)
изложил свою концепцию света. Следуя своему феноменологическому методу, Ньютон
экспериментально исследовал явление дисперсии (разложение белого света при
помощи призмы в спектр), заложил основы оптической спектроскопии : он
установил, что каждому цвету соответствует определенная длина световой волны и
определил их. Ньютон показал, что цвета создаются не призмой. а являются
компонентами белого света. Он видел слабость волновой концепции в том, что она
оказалась не в состоянии объяснить явление дифракции света - огибание светом
препятствий (это удастся сделать с позиции волновой концепции более столетия
позже Френелю). Ньютон же явление дифракции объяснял на основе полярности, присущей
световому лучу. Другим недостатком волновой концепции было ее требование
допустить существование эфира-среды, в которой распространяется свет. Тот факт,
что движение планет и комет в небесном пространстве не встречает заметного
сопротивления, которое обязательно отразилось бы на правильности движения,
позволил Ньютону существование такой среды подвергнуть сомнению. А если
отбросить возможность существования такой среды, то гипотеза о распространении
света через нее утрачивает смысл. (Критикуя волновую концепцию света,
представляющую свет в виде распространяющихся в эфире механических волн, Ньютон
не мог еще предположить, что световые волны могут иметь не механическую
природу.)
Устранение трудностей, стоящих перед волновой
концепцией света, Ньютон видел на пути рассмотрения света как состоящего из
корпускул - своеобразных "малых
тел" (атомов), которые могут взаимодействовать с частицами вещества. Такие
тела, по его мнению, проходят через однородные среды "без загибания".
Важно отметить, что, сравнивая волновую и корпускулярную концепцию света,
Ньютон не высказывается безоговорочно в пользу одной из них. Его высказывания
многими исследователями его творчества трактуются как своеобразный синтез
волновой и корпускулярных концепций (предвосхитивший гипотезу де Бройля,
высказанную в 1924 г.). Открытие явление поляризации света убеждало Ньютона в
справедливости корпускулярной концепции света. Исследование же интерференции
приводило его к выводу о наличии своеобразной периодичности в свойствах света.
Последователи Ньютона представили Ньютона как безоговорочного сторонника
корпускулярной концепции света. Авторитет имени Ньютона, таким образом, в
данном случае сыграл негативную роль - задержал развитие волновой теории света.
Принципы минимального времени П.Ферма и наименьшего
действия П.Мопертюи
Зачатки идеи физической эквивалентности волн и частиц
были видны уже в формулировке принципа минимального времени П.Ферма и принципа
наименьшего действия П.Мопертюи. Принцип Ферма, сформулированный в 1660 г.,
устанавливал, что действительный путь распространения света из одной точки в
другую есть тот путь, для прохождения которого свету требуется минимальное (или
максимальное) время по сравнению с любым другим геометрически возможным путем
между теми же точками. Принцип наименьшего действия Мопертюи (сформулированный
в 1740 г.) устанавливал, что для определенного класса сравниваемых друг с
другом движений механической системы осуществляется то, для которого действие
минимально. Как оказалось, какова бы ни была среда, корпускулы и волны
следовали по минимальным траекториям - волна двигалась так, чтобы сделать
минимальным время прохождения лучей, т.е. свет "выбирает" путь, для
которого количество действия является наименьшим (в соответствии с принципом
Ферма), а движение частиц было таким, чтобы функция действия была минимальна,
(в соответствии с принципом Мопертюи). Однако реализация идеи соответствия
между корпускулами и волнами была осуществлена Л. де Бройлем, Э.Шредингером,
В.Гейзенбергом и П.Дираком лишь в 20-х гг. XX века. Так или иначе в механику
вошли важные принципы, реализовавшие идею о том, что природа действует наиболее
легкими и доступными путями. Развитие этих принципов Л.Эйлером, И.Бернулли,
Ж.Даламбером, позволило создать вариационное исчисление, позволяющее находить
наибольшие и наименьшие значения переменных величин (функционалов), зависящих
от выбора одной или нескольких функций, и построить законченную систему
аналитической механики.
Особенности физических концепций XVIII века
Развитие буржуазных отношений способствовало бурному
росту промышленности и торговли, мануфактурное производство все больше
сменялось фабричным. Развитие машинной индустрии, начавшееся с текстильной
промышленности, распространилось на другие отрасли производства. Запросы
производства оказывали стимулирующее влияние на развитие науки, особенно
механики и математики. И хотя разрыв между уровнем развития науки и техники
уменьшался по сравнению с предшествующим временем, техника в целом опережала в
своем развитии науки. Так, например, появлению паровоза не предшествовали
соответствующие теплотехнические исследования, практическая металлургия не
имела в своей основе научных данных о процессах восстановления металлов,
машиностроение осуществлялось без научных знаний о природе упругости твердых тел,
их прочности и т.д. Постепенно роль научного знания в развитии техники и
производства начинает осознаваться, растет интерес к научному знанию. XVII век
входит в историю как век Просвещения. Появляются новые академии наук:
Петербургская (1726 г.), Шведская (1729 г.) и т.д., а также новые периодические научные издания.
Увеличивается число ученых. Роль науки в жизни общества осознается все больше и
больше.
Развитие физики этого периода характеризуется
возрастанием систематических исследований. Увеличившееся количество публикаций
и переписка ученых способствует установлению связей между учеными.
Картезианское направление все больше уступает место ньютоновской механике.
Появляется первый систематический курс физики П. ван Бушенбрука (1739 г.).
После построения Ньютоном основ механики необходимо было привести ее в стойкую
систему и разработать методы вычисления конкретных задач статики и динамики.
Это и предопределило, с одной стороны, разработку и использование
математических концепций (вычислительной механики) и, с другой стороны,
разработку технической механики. Большой вклад в развитие вычислительной
механики вносят Эйлер, Даламбер, Лангранж. Д.Бернулли, Эйлер, Даламбер
закладывают основы гидродинамики (физической механики) жидкостей. Ш,Дюфе
открывает существование двух родов электричества и устанавливает, что
одноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименно заряженные -
притягиваются. Б.Франклин устанавливает закон сохранения электрического заряда,
а Ш.Кулон и Г.Кавендиш открывают основной закон электростатики, определяющий
силу взаимодействия неподвижных электрических зарядов - закон Кулона.
Б.Франклин, М.В.Ломоносов, Г.Рихман доказывают электрическую природу шаровой
молнии. Л.Гальвани устанавливает факт "животного электричества" и
возникновение разности потенциалов при контакте металла с электролитом, чем
положил начало источникам постоянного электрического тока и электрофизиологии.
А.Вольта создает первый химический источник электрического тока (вольтов
столб). П.Бугер и И.Ламберт создают фотометрию. В.Гершель открывает
инфракрасные лучи, а И.Риттер и Волластон - ультрафиолетовые.
Теория теплорода и механическая концепция теплоты
Практические потребности актуализировали исследования
в области тепловых явлений. Машиностроение и химическая промышленность
нуждались в методах точного измерения тепловых величин, прежде всего измерения
температуры. Потребности метеорологии, химии. медицины также требовали
совершенствования измерения температуры. Развитие термохимии (Фарангейт,
Делиль, Ломоносов, Реомюр, Цельсий) основывалось на использовании теплового
расширения тел. Совершенствование паровой машины Ньюкомена, использовавшейся
более полувека без изменений, требовало создания количественной теории тепловых
явлений.
Дж.Блэк, изучая природу теплоты, установил, что
различные виды вещества нагреваются в разной степени одним и тем же количеством
теплоты, что позволило ему выявить теплоемкость различных видов вещества, т.е.
количество теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы повысить его
температуру на один градус по Цельсию или Кельвину. Он установил, что при
таянии льда и снега в течение определенного времени они поглощают тепло, не
становясь при этом теплее. Это позволило ему обнаружить скрытое (латентное)
состояние теплоты.
Блэк понимал теплоту как некую материальную субстанцию
("субстанцию теплоты"). А. Лавуазье называл ее теплородом. Попытки
взвесить ее оказались неудачными, поэтому теплоту стали рассматривать как
особого рода невесомую неуничтожаемую жидкость, способную перетекать от нагретых
тел к холодным. Лавуазье считал, что подобная концепция была в полном
соответствии с его идеей получения теплоты с помощью химических соединений.
Увлечение этой концепцией оказалось столь велико, что кинетическая теория
теплоты, в рамках которой теплота представлялась как определенный вид движения
частиц, отступила на второй план, несмотря на то, что ее разделяли Ньютон, Гук,
Бойль, Бернулли, Ломоносов.
Почему же концепция теплорода все-таки утвердилась, хотя и на время? П.С.Кудрявцев
дает следующее объяснение. Для физического мышления XVIII века было характерно
оперирование различными субстанциями - электрическими, магнитными, световыми,
тепловыми. Свет, электричество, магнетизм, теплоту научились измерять. Это
позволило уподобить невесомые феномены обычным массам и жидкостям, что
способствовало развитию эксперимента и накоплению необходимых фактов. Иначе
говоря, концепция невесомых жидкостей оказалась необходимым этапом в развитии
физических концепций.[3]
Концепция единого универсального взаимодействия частиц
вещества Р.Бошковича
Развитие учения о теплоте привело к постановке как
сторонниками теплородной, так и кинетической концепции теплоты вопросов о
строении вещества, о причинах таких свойств тел, как прочность, упругость,
сопротивляемость и т.д. вне зависимости от интенсивности теплового движения.
Учения Декарта, Галилея, Ньютона не
давали ответов на эти вопросы. Бернулли такое свойство как упругость приписывал
атомам. Лейбниц утверждал. что представление о существовании неделимых атомов
неверно, поэтому связывание физических свойств тел с величиной атомов
бессмысленно. Р.Бошкович сформулировал идею об едином универсальном законе
взаимодействия частиц вещества, на основе которого он пытался дать объяснение
физическим свойствам вещества. Концепция Бошковича родственна представлениям
Лейбница о существовании непротяженных первых простых элементов и ньютоновским
представлениям об изменяющихся с расстоянием силах. Бошкович исходил из
признания существования закона взаимодействия, действующего между любой парой
точечных частиц - первых элементов материи, неделимых и непротяженных. На
минимальных расстояниях между частицами действует сила отталкивания,
неограниченно возрастающая при их сближении. С увеличением расстояния между
частицами данная сила отталкивания убывает, постепенно переходя в силу
притяжения, которая с дальнейшим увеличением
расстояния уменьшается и постепенно превращается в силу отталкивания.
Т.е. сила взаимодействия многократно меняет знак на сравнительно небольших
расстояниях. При достижении определенного расстояния между двумя частицами сила
взаимодействия становится притягательной, убывающей, в соответствии с законом
тяготения, обратно пропорционально квадрату расстояния. Рациональный смысл
концепции Бошковича заключался в осознании того, что в природе нет абсолютно
жестких неизменяемых тел, что любое тело является системой, состоящей из
находящихся в подвижном равновесии частиц. Концепция Бошковича представляла
собой физическую гипотезу, на основе которой делалась попытка объяснить
физические свойства вещества. Поэтому, в отличие от ньютонианцев, стремившихся
свести задачи движения и взаимодействия тел к математической форме, Бошкович
стремился механические задачи свести к физике сил взаимодействия. Поскольку в
это время не было достаточных данных ни о строении вещества, ни о силах,
действующих между частицами, концепция Бошковича по отношению к магистральной
линии развития физики этого времени оказалась маргинальной.
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы
материалы с сайта http://www.5ballov.ru
[1]
Дорфман Я.Г. Указ. соч. С.130.
[2]
Цит. по: Бернал Дж. Наука в истории общества. М.,1956.С.265. ("Математические начала натуральной философии"
опубликованы в: Крылов А.Н. Собр.соч. Т.7.М.,1936).
[3]
Кудрявцев П.С. Курс истории физики. М., 1982 С.144.