Концепции современного естествознания. Курс лекций. Учебное пособие

заложил основы механики, которую превратил в дисциплину И. Ньютон. Вслед за этим формируется физика, химия, биология

идругие фундаментальные науки о природе. По мере дальнейшего научного прогресса происходит ускоренный процесс появления все новых и новых научных дисциплин.

Наука выработала средства и методы для преодоления ограниченности чисто дисциплинарного подхода к изучению мира. Новый подход называют интегративным или

междисциплинарным.

Интеграция научного знания осуществляется в различных формах, начиная от применения понятий, теорий и методов одной науки в другой и кончая возникшим в нашем столетии

системным методом.

Когда биология начала использовать физические методы в своих исследованиях, возникла новая наука – биофизика. Аналогичным образом возникли биохимия, геофизика, геохимия

идругие науки. Особое значение в наше время приобретает системный метод, который дает возможность рассматривать предметы и явления в их взаимосвязи и целостности.

Научный метод представляет собой яркое воплощение единства всех форм знаний о мире. Тот факт, что познание в естественных, технических, социальных и гуманитарных науках в целом совершается по некоторым общим принципам, правилам

испособам деятельности, свидетельствует, с одной стороны, о взаимосвязи и единстве этих наук, а с другой – об общем, едином источнике их познания, которым служит окружающий нас объективный реальный мир - природа и общество.

Кибернетика, возникшая около полувека назад, является одним из замечательных примеров междисциплинарного исследования. Она изучает с единой, общей точки зрения процессы управления в технических, живых и социальных системах. Хотя конкретные процессы управления стали изучаться задолго до возникновения кибернетики, однако каждая наука при этом применяла свои понятия и методы, вследствие чего трудно было выделить наиболее фундаментальные принципы и методы управления. Для этого потребовалось подойти к конкретным процессам управления с более общей, абстрактной

11

точки зрения и применить современные математические методы исследования. Одним из результатов такого подхода явилось широкое использование математических моделей и применение новых эффективных вычислительных средств - компьютеров.

Вопрос о лидерстве конкретной науки в естествознании зависит от множества разнообразных факторов, среди которых решающую роль играет значение лидирующей науки для общества, точность, разработанность и общность методов ее исследования, возможность их применения в других науках.

Вконце 19-го и начале 20-го века в естествознании такой наукой являлась физика. Были сделаны крупнейшие открытия, которые изменили представления о картине мира, и это прежде всего открытия, связанные со строением вещества. Если раньше неделимыми частицами материи считались атомы, то в конце 19-го века были открыты электроны, входящие в состав атомов. Позднее было определено строение ядер атомов, состоящих из протонов и нейтронов.

Согласно первой модели атома, построенной английским ученым Резерфордом, он уподоблялся миниатюрной солнечной системе, в которой вокруг ядра вращаются электроны. Далее модель была усовершенствована Нильсом Бором, который предположил, что энергия поглощается и излучается порциями (квантами) при переходе электронов с одной орбиты на другую.

В30-е годы 20-го века было сделано другое важнейшее открытие, которое показало, что элементарные частицы вещества

–электроны обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Было доказано экспериментально, что между веществом и полем не существует четкой границы: в определенных условиях элементарные частицы вещества обнаруживают волновые свойства, а частицы поля – свойства корпускул. Это явление получило название дуализма волны и частицы. В 1925-27 годах для объяснения процессов, происходящих в мире мельчайших частиц материи, была создана квантовая механика. Впоследствии возникли и другие разнообразные квантовые теории: квантовая электродинамика, теория элементарных частиц и другие, которые исследуют закономерности движения объектов микромира. Возникла

12

фундаментальная теория современной физики – теория относительности, в корне изменившая научные представления о пространстве и времени.

Новые взгляды на окружающий мир стали основываться на результатах и выводах естествознания соответствующей эпохи и стали называться естественно-научной картиной мира.

Одной из первых возникла механистическая картина мира, поскольку изучение природы началось с анализа простейшей формы движения материи – механического перемещения тел.

Заложивший основы механики И. Ньютон ввел понятия абсолютного или математического пространства и времени. Такая картина напоминает представления о мире древних атомистов, которые считали, что атомы движутся в пустом пространстве. Подобно этому в ньютоновской механике пространство оказывается простым вместилищем движущихся в нем тел.

Характерная особенность механистической картины мира – пространство и время никак не связаны с движением тел, они имеют абсолютный характер.

Основные свойства пространства.

1. Однородность (все точки пространства обладают одинаковыми свойствами). Отсюда вытекает закон сохранения импульса.

2.Изотропность (все направления в пространстве обладают одинаковыми свойствами). Отсюда вытекает закон сохранения момента импульса.

3.Непрерывность (между двумя различными точками в пространстве, как бы близко они не находились, всегда есть третья).

4.Евклидовость – описывается геометрией Евклида. Признаком евклидовости пространства является возможность построения в нем декартовых прямоугольных координат и выражения квадрата расстояния между точками соотношением

L2 = x2 + y2 + z2.

13

5. Трехмерность (каждая точка пространства однозначно определяется набором трех действительных чисел – координат).

Основные свойства времени.

1. Однородность (любые явления, происходящие в одних и тех же условиях, но в разные моменты времени, протекают совершенно одинаково). Отсюда следует закон сохранения энергии.

2.Непрерывность (между двумя моментами времени, как близко бы они не располагались, всегда можно выделить третий).

3.Однонаправленность и необратимость.

Всвоей теории относительности А. Эйнштейн пересмотрел прежние представления классической механики о пространстве и времени, отказавшись от ньютоновского понятия абсолютного пространства.

Каждое движение тела происходит относительно определенного тела отсчета, и поэтому все физические процессы

изаконы должны формулироваться по отношению к точно указанной системе отсчета или координат.

Понятие пространства и времени объединяются в единое понятие пространственно-временной непрерывности или континуума. В этом мире положение каждого события определяется четырьмя числами: тремя пространственными координатами x, y, z и четвертой координатой – временем t.

Вобщей теории относительности рассматривается влияние на ход времени распределения гравитационных масс. Например, вблизи массивных тел время замедляет свой ход, а в центре планет время течет несколько медленнее, чем на поверхности. Этот эффект тем заметнее, чем больше масса небесных тел. При наличии в пространстве тяготеющих масс пространство искривляется и становится неевклидовым. В поле тяготения световые лучи распространяются криволинейно. Для полей тяготения, доступных нашему наблюдению, такое искривление световых лучей слишком мало, чтобы проверить его экспериментально, но если такой луч будет проходить, например, вблизи Солнца, его можно измерить. Впервые такие измерения были сделаны во время полного солнечного затмения в 1919 году.

14

МЕХАНИСТИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА. КОНЦЕПЦИЯ ДЕТЕРМИНИЗМА.

Становление механистической картины связывают с именем Г. Галилея, который установил законы движения свободно падающих тел. Он первым применил экспериментальный метод вместе с измерениями исследуемых величин и математической обработкой результатов измерений. Подход Галилея отличался от ранее существовавшего натурфилосовского способа, при котором для объяснения явлений природы придумывались априорные, не связанные с опытом и наблюдениями, чисто умозрительные схемы.

Отличие нового метода исследования природы от натурфилософского состояло в том, что в нем гипотезы систематически проверялись опытом. Благодаря этому Галилею удалось опровергнуть предположение, высказанное Аристотелем, что путь падающего тела пропорционален его скорости. Он экспериментировал с падением тяжелых тел (пушечных ядер) и установил, что путь пропорционален их ускорению.

Крупный шаг в развитии естественных наук – открытие законов движения планет. И. Кеплер использовал многолетние систематические наблюдения движения планеты Марс, которые сделал датский астроном Тихо Браге и установил, что орбитой движения планет является не окружность, а эллипс. Открытие Кеплера имело большое значение, показавшее, в частности, что между земными и небесными телами нет большой разницы, поскольку все они подчиняются определенным естественным законам. Правда для небесных тел невозможно поставить эксперимент, поэтому приходится ограничиваться наблюдениями.

И. Ньютон придавал большое значение наблюдениям и эксперименту. Он резко выступал против допущения так называемых «скрытых качеств», с помощью которых Аристотель и его последователи пытались объяснить многие явления и процессы природы. Получил развитие количественный подход к описанию движения, что явилось достижением в науке

15

(китайская наука, несмотря на изобретение компаса, бумаги и пороха, не достигла такого уровня).

Законы механики

Формирование классической механики и основанной на ней механистической картины мира происходило по двум направлениям:

1)обобщение полученных ранее результатов, прежде всего законов движения свободно падающих тел, открытых Галилеем, а также законов движения планет, сформулированных Кеплером;

2)создание методов для количественного анализа механического движения в целом.

Ньютон создал свой вариант дифференциального и интегрального исчисления непосредственно для решения основных проблем механики: определения мгновенной скорости как производной от пути по времени движения, и ускорения как производной от скорости по времени или второй производной от пути по времени.

В основе классической механики Ньютона (науки о движении тел) лежат три закона, сформулированные им в 1687 году в его главном труде «Математические начала натуральной философии».

Первый закон Ньютона (закон инерции). Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

Второй основной закон. Изменение количества движения пропорционально приложенной действующей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

Третий закон Ньютона. Действию всегда есть равное и противоположно направленное противодействие, иначе, взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны.

Для классической механики и механистической картины мира в целом характерна симметрия пространства во времени, которая выражается в обратимости времени. Это означает, что

16

задав уравнение движения тела, его координату и скорость в некоторый момент времени, называемый часто начальным, мы можем точно и однозначно определить его состояние в любой другой момент времени в будущем и прошлом.

Характерные особенности механистической картины мира

1.Все состояния механического движения тел по отношению ко времени оказываются в принципе одинаковыми, поскольку время считается обратимым.

2.Все механические процессы подчиняются принципу строгого или жесткого детерминизма, суть которого – в признании возможности точного и однозначного определения состояния механической системы ее предыдущим состоянием (достаточно задать координаты тела и его скорость в уравнении

движения – все последующие состояния точно и однозначно определяются первоначальным состоянием). Такую точку зрения наиболее ясно выразил французский ученый П. Лаплас (идея об определенности, строгой заданности приводит к фатализму, исключая целиком и полностью случайность).

3.Пространство и время никак не связаны с движением тел, они имеют абсолютный характер.

4.Тенденция свести закономерности более высоких форм

5. Связь механицизма с принципом дальнодействия, согласно которому действия и сигналы могут передаваться в пустом пространстве с какой угодно скоростью.

Механистическая картина обладала рядом недостатков, ограничивающих ее, которые преодолевались с дальнейшим развитием естествознания.

Энергия. Законы сохранения

Энергия – скалярная физическая величина, являющаяся общей мерой различных форм движения материи. Суммарная

17

энергия замкнутой системы с течением времени не изменяется. Как показал А. Эйнштейн, полная энергия системы, имеющей массу М, равна Е = Мс2, где с – скорость света в вакууме.

Механическая энергия состоит из кинетической и потенциальной. Кинетическая энергия материальной точки массой m, движущейся со скоростью v, равна Ek = mv2/2. Изменение кинетической энергии материальной точки есть результат совершения работы внешними силами над этой точкой. Потенциальной энергией называется часть энергии, зависящая только от конфигурации системы или от ее положения во внешнем поле сил. Говорят о потенциальной энергии гравитационного и электромагнитного взаимодействия. У поверхности Земли гравитационное поле можно считать однородным, и потенциальная энергия меняется линейно с высотой, пропорционально массе. Электрические и магнитные поля неразрывно связаны друг с другом, образуя единое электромагнитное поле. Электрическое поле порождается заряженными частицами и переменным магнитным полем. Магнитное поле порождается движущимися заряженными частицами и переменным электрическим полем. Свойства электромагнитного поля описываются системой уравнений Максвелла.

Изменение потенциальной энергии представляет собой работу, которую совершают консервативные электромагнитные или гравитационные силы, при переходе системы из одного состояния в другое. Консервативные силы – это силы, работа которых зависит только от начального и конечного состояний системы и не зависит от пути перехода системы из одного состояния в другое. Тела взаимодействуют посредством создаваемых ими полей. Сама потенциальная энергия материализуется в поле, окружающем взаимодействующие тела.

Состояние равновесия называют устойчивым, если малое внешнее воздействие на систему не изменяет ее состояния. В состоянии устойчивого равновесия потенциальная энергия системы имеет минимум. Стремление к минимуму потенциальной энергии объясняет многие явления природы. Тот факт, что все небесные тела (планеты, звезды), обладающие

18

значительной массой, шарообразны, объясняется тем, что этой формой достигается минимум потенциальной энергии гравитационного взаимодействия между частицами этих тел.

Закон всемирного тяготения Ньютона

Одно из величайших достоинств механики Ньютона была ее способность правильно описать движение планет в Солнечной системе под действием гравитационной силы. Закон всемирного тяготения имеет вид

F = Gm1m2 , r2

где G – постоянная, одинаковая для всех тел во Вселенной.

Ньютон сделал предположение, что сила F действует мгновенно через пустое пространство, разделяющее тела. Поэтому теория Ньютона является теорией мгновенного действия на расстоянии (теорией дальнодействия). Понятие мгновенности строго определено в ньютоновской модели времени, т.к. там существует однозначное понятие одновременности даже для точек, удаленных друг от друга на расстоянии r.

Связав закон тяготения со вторым законом, Ньютон показал, что орбита движения планет вокруг Солнца должна быть эллипсом.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ МАКСВЕЛЛА И ЭФИР

Теория Ньютона не смогла верно объяснить картину движения электрически заряженных частиц, взаимодействующих друг с другом через пустое пространство под влиянием электрических и магнитных сил.

Модель атома напоминает модель Солнечной системы: вокруг тяжелого положительного ядра обращаются более легкие и подвижные электроны. Но между гравитационными и электромагнитными силами имеются три важных отличия:

19

1)электрическим зарядом обладают лишь некоторые частицы, тогда как гравитационным «зарядом» обладают все формы вещества и энергии;

2)электрические силы могут приводить как к притяжению, так и к отталкиванию, гравитирующие объекты всегда только притягивают друг друга;

3)электромагнитные и гравитационные силы отличаются

по величине. В атоме, например, первые намного превосходят соответствующие гравитационные (более чем в 1039 раз).

В обыденной жизни доминирует электромагнетизм. Однако ввиду существования электрических зарядов разного знака большое скопление вещества, например Земля, в электрическом

отношении более или менее нейтрально. Но для больших объектов (в Земле 1051 атомов) гравитация перекрывает качественно более сильные электромагнитные эффекты за счет количества.

Большой сдвиг в понимании особенностей электромагнитных сил совершился благодаря выдающемуся физику Джеймсу Кларку Максвеллу (1873), объединившему результаты экспериментальных исследований Эрстеда, Фарадея, Ленца и др. Он получил систему уравнений, которая верно описывает взаимосвязь между движением заряженных частиц и поведением электромагнитных сил (Л. Больцман по поводу уравнений Максвелла выразился словами Гете «Начертан этот знак не бога ли рукой!»). Было введено понятие электромагнитного поля.

Физики XIX века были склонны описывать поле по аналогии с движущейся жидкостью. Это привело к появлению таких терминов, как «магнитный поток» и «силовые линии». Описание поля как жидкости предполагает какую-то среду, через которую действие передается от одного заряда к другому. Такую среду называют «эфиром». Эфир заполняет пустое пространство,

ион невидим. Свет представляет собой электромагнитные волны, существование которых предсказал Максвелл, они вызваны движением заряженных частиц и распространяются в пространстве как колебания эфира.

20