3.5 Механическая картина мира

Что же дает нам классическая механика в построении единой картины мира? К чему, собственно, всегда стремился человек, определяя, из чего состоит мир и где там место человека? Значительные успехи классической механики надолго привели к выработке, как мы уже указывали, рационального подхода, взгляда на весь мир. Концепция единой механической сущности природы стала основой того мировоззрения. Весь мир представлялся в виде сложнейшего совершенного механизма. Принцип классического детерминизма нашел свое крайнее выражение в идее мирового дифференциального уравнения Лапласа. Это некое гипотетическое уравнение описывает движение всех составляющих Вселенную частиц и их взаимодействие. Задав начальные условия, можно точно определить положение каждой из частиц в любой момент времени, т.е. предсказать будущее мироздания и описать прошлое. Мировые линии, согласно Д'Аламберу и Лагранжу, уходят и в прошлое, и в будущее.

Каковы же основные принципы такой механической картины мира?

1. Мир построен на законах Ньютона. Все объясняется механикой атомов, их перемещением, столкновением, взаимодействием и т.д. Все виды энергии на основе закона сохранения и превращения энергии сводятся к энергии механического движения.

2. В основе механической картины мира лежит геометрия Евклида.

3. Микромир аналогичен макромиру, управляется одними и теми же законами. Живая и неживая природа построены из механических деталей, но имеющих разные размеры и сложность.

4. Незыблемость природы объясняется отсутствием качественных изменений, все изменения чисто количественные. В механической картине мира отсутствует развитие. Она метафизична. В таком подходе время — просто параметр движения, оно абсолютно и одинаково во всех системах независимо от их движения, т.е. всегда t = —t.

5. Ньютон считал, что если бы материя исчезла, то осталось бы только пространство и время, своего рода сцена, на которой разыгрываются физические процессы, как сказал Эйнштейн.

6. Галилеевская физика рассматривает мир как некий «объект», и все описание идет извне, «со стороны», т.е. наблюдатель не «принадлежит» объекту.

7. Теория Ньютона в принципе несовместима с теорией относительности (ОТО) Эйнштейна, так как согласно Ньютону тяготение передается мгновенно, а по Эйнштейну — только со скоростью света с.

8. Главным же в ней является лапласовский детерминизм. Все причинно-следственные связи — однозначные. Наличие случайности обусловлено лишь невозможностью учесть все влияющие факторы, все детали сложного механизма природы.

4. Классическая физика

4.1 Учение о теплоте и электричестве

Параллельно с механикой стали развиваться и другие разделы физики, играющие важную роль в механизации мануфактур и повышении производительности труда – это теплота и электричество. Однако научный подход познания доминирующим стал лишь в механике. В остальных областях физики опытные факты воспринимались через наблюдения лишь умозрительно. В отличие от сил тяготения, действующих между любыми телами, считалось, что электрические силы присущи телам лишь в наэлектризованном состоянии. Эти свойства, приводящие к силам, приписывались не частицам вещества, а некоторой тонкой невесомой материи – тонким жидкостям (флюидам), содержащимся в порах обычных материальных тел. Между тонкими структурами (жидкостями) и веществом в результате взаимодействия возникали силы определенного рода. Электрические и магнитные явления пытались объяснить наличием двух особых жидкостей. По этим представлениям и даже в живых организмах имелся такой флюид – жизненная сила.

Рис. 4.1.

Ломоносов М.В.

Самым плодотворным флюидом оказался теплород, с которым было связано нагревание или остывание тел. Считалось, что между флюидами (частицами) теплорода действуют силы отталкивания, а между частицами теплорода и материальных тел действуют силы притяжения. Тепловые явления изучались вне взаимосвязи с другими явлениями. По этой причине концепция теплорода на определенном этапе была плодотворной, ибо позволяла дать научное объяснение некоторым многократно наблюдаемым фактам. Понятие о теплороде позволяло проводить опыты и достаточно точно обсчитывать энергобаланс. Перетекание тепла из одной «емкости» – тела в другое, известное как теплопроводность и другие явления, легко измеряются при проведении калориметрических опытов. Термин теплопроводность тоже обязан своим появлением теплороду и плодотворно используется в тепловых явлениях в настоящее время. Появление тепловых машин, необходимость их совершенствования потребовало умения оценивать и измерять теплофизические величины. Первым развил понятие теплоты и температуры И. Г. Ламберт (Иоганн Генрих). Примерно в это же время М. В. Ломоносов отмечает, что температура тела является степенью теплоты и определяется скоростью движения частиц, из которых состоит вещество (тела), и зависит от полного импульса их движения, а более точно от величины их суммарной кинетической энергии. С позиций атомизма, на которых стояли такие ученые Л. Эйлер и Д. Бернулли, М.В. Ломоносов объяснил плавление, испарение, теплопроводность и даже образование теплоты при трении.

Постепенно идея причинно – следственного единства физических процессов различного рода овладевала умами ученых. Изучение процесса превращения работы в теплоту и обратно, установление механического эквивалента перехода теплоты в работу и обратно, сыграло главную роль в открытии закона сохранения и превращения энергии, известного как первое начало термодинамики (Ю. Р. Маер, Дж. Джоуль, Г. Гельмгольц).

Рис. 4.2.

У. Гильберт

Еще более глубокую физическую сущность, далеко выходящую за рамки тепловых процессов, сыграло второе начало термодинамики (Р. Клаузиус, Л. Больцман), установившее наличие принципиальной ассиметрии в природе – эволюции всех самопроизвольных процессов в замкнутой системе в сторону увеличения хаоса.

Изучением электромагнитных явлений целенаправленно стали заниматься с XVIII века. Хотя, как мы уже отмечали, оно было известно еще древним грекам. Они изучали электричество, натирая куски янтаря. Отсюда и происхождение термина электрон, в переводе с греческого означает янтарь. Они уже знали и о существовании особого минерала – магнитного железняка, способного притягивать железные предметы, залежи которого находились возле города Магнеск. Это и обусловило появление термина – «магнит». Первым магнетизм стал изучать У. Гильберт. Он считал, что магнитные свойства присущи телам изначально от природы. Электрические свойства надо возбуждать. Магнитные взаимодействия бывают двух видов: притяжение и отталкивание. Это по Гильберту означало, что природа электричества и магнетизма различна. Электрическое воздействие слабее магнитного. У магнита есть полюса, которые не исчезают при разрезании его. Гильберт обнаружил, что наэлектризовать можно не только янтарь, но и другие тела – горный хрусталь и другие минералы. Явление электропроводности в 1729 г. открыл С. Грей, установив, что электричество может передаваться от одного заряженного тела к другому по металлической проволоке, шелковая нить электричество не передает. Это позволило ему разделить все вещества на проводники и непроводники электричества. Термин диэлектрики появится позже. В 1734 г. Ш. Ф. Дюфэ провел опыты, в результате которых открыл существование двух видов электричества. Один из них получился при натирании стекла, горного хрусталя, а другой при натирании янтаря. Первый вид он назвал стеклянным, а второй – смоляным. В последствии по предложению Б. Франклина стеклянное электричество было названо положительным, а смоляное – отрицательным.

Возникающие в это время некоторые положения теории электрических явлений базировались на концепциях дальнодействия или близкодействия.

По концепции близкодействия взаимодействие между телами осуществляется посредством агентов и распространяется с конечной скоростью.

Рис. 4.3.

Ш. Кулон

Сторонник дальнодействия Б. Франклин предполагал наличие в телах универсальной жидкости, количество которой определяет знак заряда. При избытке тело приобретает положительный заряд, при недостатке оно заряжается отрицательно.

Рис. 4.4.

Ампер

В 1771 г. Г. Кавендиш опытным путем открыл закон обратных квадратов для сил электрического взаимодействия зарядов. Результаты не были опубликованы. Они получили известность в 1879 г. после того, как их обнаружил Дж. Максвелл в архивах. Это закон Кулона, подтвердивший его независимо от Кавендиша в 1874 г.

или в скалярной форме .

Рис. 4.5.

Джеймс Максвелл

Наличие связи между электрическими и магнитными явлениями впервые обнаружил Х.К. Эрстед в 1820 г. Магнитная стрелка, помещенная по меридиану над проводником, отклонялась, если по проводнику пропускался ток. Анд. Мари Ампер высказал предположение о том, что магнитные явления могут порождаться взаимодействием электрических токов. Два проводника с током притягиваются при одинаковом и отталкиваются при противоположном их направлении. Виток с током или спираль ведут себя как магниты. А. М. Ампер назвал новые эффекты электродинамическими и разделил науку об электричестве на две части электростатику и электродинамику. В 1821 г. Фарадей поставил перед собой задачу превратить магнетизм в электричество и в 1831 г. обнаружил электрическое действие магнита. При перемещении проводника в магнитном поле в нем возникала ЭДС. Используя понятие близкодействия, Фарадей считал, что в окружающем проводник с током магнитном пространстве создается некоторое особое возбужденное состояние, которое он изображал в виде силовых линий. Фактически им было введено новое фундаментальное понятие – физическое поле, точнее электромагнитное поле. Концепция электромагнитного поля была развита и блестяще завершена Д. К. Максвеллом, который придал ей завершенную математическую форму в виде уравнений Максвелла в электродинамике. В 1865 г. им вводятся две гипотезы. Первая – о токе смещения: магнитное поле в общем случае создается токами смещения и проводимости. Ток смещения обладает физическим смыслом в диэлектриках. Вторая – изменение магнитного поля порождает возникновение электрического, причем это происходит не только в проводнике, но и в вакууме, таким образом, всякое изменение электрического поля вызывает появление магнитного и наоборот. Из уравнений электродинамики Максвелла однозначно вытекает фундаментальный вывод о существовании электромагнитных волн. Это подтвердили исследования Г. Герца, создавшего в 1837 г. источник электромагнитных волн, названный вибратором Герца. Открытие электромагнитных волн утвердило концепцию близкодействия, в соответствии с которой взаимодействие передается с конечной скоростью. Так возникло понятие вещественно-полевого дуализма:

– вещество и поле различаются как корпускулярные и волновые сущности. Вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно, т.е. носит континуальный характер;

– вещество и поле различаются по своим физическим характеристикам. Частицы вещества обладают массой, а поле не обладает;

– вещество и поле различаются по степени проницаемости. Вещество малопроницаемо, а поле обладает свойством полной проницаемости;

– скорость распространения поля обладает скоростью света, а скорость движения частиц вещества гораздо меньше.

Открытие электрических, магнитных и световых явлений можно отнести к фундаментальным достижениям естествознания XIX века. Концепция поля – нового фундаментального физического понятия, не соответствовало принципам механики. Возникли предпосылки замены механической картины мира на электромагнитную.

В XIX веке на помощь паровым машинам пришло электричество. В 1834 году изготовили первый электродвигатель, сконструированный Б. С. Якоби для привода судна. Создан электромагнитный телеграф. Аппарат П.Л. Шиллинга демонстрировался в Петербурге уже в 1832 году. В 40-е годы сначала в США, а затем и в Европе стали появляться первые телеграфные линии. К концу XIX века мир становится освещенным и ночью. В 1874 г. А.Н.Лодыгиным запатентована дуговая лампа. В 1876 г. П.Н. Яблочков запатентовал – угольную. В 1879 г. Т.А. Эдисон усовершенствовал лампу накаливания, а 1882 г. построил первую в мире электростанцию для массового пользования.