Тема : Физическая картина мира

Введение

Нужно ли учиться у истории? Бисмарк говорил, что только дураки учатся на своих ошибках. Эйнштейн полагал, что мы должны про­верять старые идеи, хотя они принадлежат прошлому, ибо это единст­венное средство понять важность новых идей и границы их справедли­вости.

Исследуя явления природы, ученые открывают законы, которым эти явления подчиняются. Значительно реже, чем открытия отдельных законов, создаются теории, описывающие более или менее обширные совокупности явлений. При этом, как правило, уточняются границы применения теорий, ранее признанных истинными (обычно область применения старой теории сужается). Теории, признанные истинными, составляют научную картину мира (НКМ). Наиболее важные положе­ния НКМ становятся достоянием всех ученых и практиков и являются важнейшим инструментом в их деятельности. Знание НКМ очень час­то позволяет оценить истинность гипотезы, систематизировать имею­щиеся знания, принять оптимальное решение проблемы в ситуации выбора.

Научная картина мира меняется сравнительно редко, при этом про­исходит отказ от многих принципиальных положений, так что новая НКМ имеет мало общего со старой. Процесс изменения НКМ обычно протекает в обстановке острой борьбы. Например, в V в. до н. э. егип­тяне и греки считали, что Луна, Солнце, планеты и звезды нематери­альны. Когда Анаксагор (500-428 гг. до н. э.) заявил, что Луна, Солнце, планеты и звезды являются раскаленными камнями, его выгнали из Афин.

Новая научная картина мира стимулирует развитие наблюдений, опытов, технических устройств.

Для удобства сопоставления различных НКМ ниже приводятся краткие описания четырех физических НКМ, составленных по едино­му плану.

1. Время существования НКМ. Связь естественных наук с практи- кой и математикой.

2. Основные определения в НКМ.

• пространство и время;

• виды материи и ее движения;

• физические величины;

• типы взаимодействия материальных объектов.

3. Основные законы НКМ.

4. Основные затруднения НКМ (характер затруднений, их при- чины).

1. Античная картина мира

Античная картина мира возникла в Древней Греции в VI в. до н. э. и существовала на протяжении двух тысячелетий, вплоть до XVII в. н. э. Целью науки в это время было познание ради истины, а не ради тех практических применений, которые могли из этого познания про­истечь.

В античной науке и в средние века считалось, что достоверно лишь такое знание, которое человек открывает с помощью своих органов чувств. Голова открывает сущность природных явлений, а наблюдения подтверждают. Наблюдения над изделиями рук человеческих не дают возможности познать сущность природных явлений. Эксперимент на­рушает жизнь природы и искажает ее познание. Эксперимент в антич­ной науке не стал главным источником информации.

Применение математики при исследовании природы считалось также недопустимым, поскольку: а) математика имеет дело с абстракт­ными, нематериальными понятиями, а природа конкретна; б) матема­тика имеет дело с постоянными величинами и отношениями, а природа непрерывно изменяется.

Пространство предполагалось анизотропным: когда Земля счита­лась плоским диском, выделенным было одно направление - перпен­дикулярно к плоскости диска; после открытия шарообразности Земли -направление к центру шара. В гипотезе, где центром мира было Солн­це, выделенным было направление к Солнцу.

Взгляды на строение мира были различные. Демокрит и его после­дователи предполагали, что тела состоят из неделимых атомов, дви­гающихся в пустоте. Материальны и атомы, различающиеся по форме, величине, весу, и пустота. Свойства тела зависят от рода атомов и их расположения. Аристотель и его последователи считали, что тело со­стоит из смеси частичек четырех стихий: земли, воды, воздуха и огня. Там, где не было тел, существовал эфир. Аристотель отвергал мысль о существовании пустоты.

Были описаны только контактные воздействия. Прямолинейное равномерное движение тела считалось следствием воздействия других тел.

Предполагалось, что небесные тела подчиняются одним законам, а земные - другим (в частности, небесным телам присущи лишь наибо­лее совершенные, круговые движения, вечно повторяющиеся).

Некоторые ученые считали, что все события предопределены зара­нее, совершается только необходимое (Демокрит и др.). Другие же считали, что возможны случайные события. Например, атомы могли двигаться по пустоте хаотически (Эмпедокл, Лукреций Кар).

За 500 лет до н. э. Анаксагор, высказывая предположение о сохра­нении материи, говорил, что ничто не может стать чем-нибудь иным и ничто не может быть уничтожено, а Эмпедокл был уверен, что только сумасшедшие могут полагать, что в мире может начаться нечто, чего никогда не было, ибо то, что есть, не может пройти или исчезнуть бес­следно. Аристотель считал, что природа существует сама по себе веч­но. Явления природы повторяются. Многие гениальные догадки древ­них нашли подтверждение в наши дни.

2. Механическая картина мира

Механическая картина мира (МКМ) пришла на смену античной картине мира в XVII в., а полностью сформировалась во второй поло­вине XIX в.

Прогресс техники кустарно-ремесленного производства в XV-XVI вв. привел к необходимости решать множество физических про­блем: рассортировка исходных материалов для производства машин, проблема трения в машинах, проблема оценки надежности конструк­ций. Инженерам требовались руководящие научные указания, чтобы лучше и быстрее разобраться в результатах пробных технических экс­периментов. В XVII в. была осознана необходимость связи науки с производством.

В конце XVII в. было признано, что природные тела и явления по свойствам своим таковы же, как тела, созданные человеком. Поэтому получить знания о природе можно, используя приборы и наблюдения за техническими устройствами. Экспериментальные данные позволяют получить не менее достоверные знания, чем данные наблюдений и рассуждения. Критерий истины - практика. Количественные показате­ли становятся необходимыми, обязательными в научном исследова­нии. Математика стала инструментом, средством познания.

Слияние теоретической мысли с достижениями в области физиче­ского эксперимента в конце XIX в. привело к качественно новому со­отношению в положении науки и техники. Впервые в истории челове­чества наиболее важные принципиально новые технические достиже­ния основываются на фундаментальных научных открытиях (напри­мер, использование явления резонанса в строительной механике, по­вышение КПД тепловых машин на основе теоремы Карно).

В МКМ пространство - это пустое вместилище тел, оно однородно и изотропно (обратите внимание: в античной картине мира простран­ство анизотропно!). Время - чистая длительность процессов. Время однородно. Пространство и время не связаны между собой и с мате­рией.

Все разноместные одновременные для одной системы отсчета со­бытия считались одновременными во всех остальных инерциальных системах отсчета. Длительность явления и длина считались одинако­выми во всех инерциальных системах отсчета.

В основе механической картины мира лежат классический атомизм и механицизм, в соответствии с чем справедливы следующие утвер­ждения.

• Материя - это вещество, состоящее из неделимых частиц в пус­тоте. Обычные частицы характеризуются весом, эфирные частицы не­весомы.

• Движение материи - это механическое перемещение частиц. Оно объясняет все явления в природе.

Все физические величины считались непрерывными. Принципи­ально неточность значения физической величины может быть сколь угодно малой.

Наряду с контактными взаимодействиями рассматривались и взаи­модействия на расстоянии. Это гравитационное, электрическое и маг­нитное взаимодействия, которые могут передаваться с бесконечно большой скоростью.

После открытия закона всемирного тяготения Ньютона и законов динамики стало общепризнанным положение о том, что законы проте­кания земных и небесных явлений - одни и те же.

Истинными законами природы были динамические законы, а ста­тистические законы, считалось, недостаточно полно описывают явле­ния природы. Среди динамических законов главными были законы динамики Ньютона. Законы сохранения механической энергии, им­пульса и момента импульса рассматривались как следствия из законов динамики. Предполагалось, что со временем тепловые и электромаг­нитные явления могут быть описаны с помощью законов механики. Считался истинным принцип относительности Галилея.

Недостатки МКМ:

а) не было объяснения причины взаимодействия тел на расстоянии;

б) не удавалось свести законы термодинамики, молекулярно-кине- тической теории и электродинамики к законам механики;

в) законы Ньютона не позволяли рассчитать орбиту Меркурия, со- ответствующую результатам наблюдений;

г) для объяснений электрических и оптических явлений необходи- мо было использовать гипотезу об эфире, а это противоречило прин- ципу дальнодействия. Кроме того, эфир должен был быть очень раз- реженным, чтобы практически не оказывать влияния на движение пла- нет. Но так как световые волны поперечны и распространяются с большой скоростью, эфир должен быть очень плотным и упругим. Это противоречие было неразрешимым.

Затруднения МКМ определялись абсолютизацией корпускулярных свойств материи.