Лекция 2. Образы природы в классическом

естествознании

1.Механистическая картина мира.

2.Принцип механицизма.

3.Причинность и детерминизм в классическом естествознании.

1.Механистическая картина мира

Поскольку природа представляет собой нечто единое и целое, постольку и знания о ней должны иметь целостный характер, т.е. представлять собой единую систему.

Чтобы подчеркнуть фундаментальный характер основных и важнейших знаний о природе, ученые ввели понятие естественнонаучной картины мира, под которой понимают систему важнейших принципов и законов, лежащих в основе окружающего нас мира. Сам термин «картина мира» указывает, что речь идет здесь не о части или фрагменте знания, а о целостной системе. Как правило, в формировании такой картины наиболее важное значение приобретают концепции и теории наиболее развитых в определённый исторический период отраслей естествознания, которые выдвигаются в качестве лидеров. Таким лидером естествознания безусловно является физика.

Слово «физика» появилось еще в древние времена. В переводе с греческого оно означает «природа». Одна из задач физики – выявление самого простого и самого общего в природе. В современном представлении самое простое –первичные элементы: молекулы, атомы, элементарные частицы, поля и т.д. А наиболее общими свойствами материи принято считать движение, пространство, время, массу, энергию и др. Конечно, физика изучает и очень сложные явления и объекты. Но при изучении сложное сводится к простому, конкретное – к общему. При этом устанавливаются универсальные законы, справедливость которых подтверждается не только в земных условиях и в околоземном пространстве, но и во всей Вселенной. В этом заключается один из существенных признаков физики как фундаментальной науки.

Учитывая определяющую роль физики и ее значение в науке, ее называют основой и лидером современного естествознания. Физика занимает особое место среди естественных наук.

Первый этап развития физики иногда называют донаучным. Однако такое название нельзя считать полностью оправданным: фундаментальные зёрна физики и естествознания в целом были посеяны ещё в глубокой древности. Это самый длительный этап. Он охватывает период от времени Аристотеля (IV в до.н.э.) до начала XVII века, поэтому и называется древним и средневековым этапом.

Начало второго этапа – этапа классической физики – связывают с одним из основателей точного естествознания – итальянским учёным Галилео Галилеем и основоположником классической физики, английским математиком, механиком, астрономом и физиком Исааком Ньютоном. Второй этап продолжался до конца XIX века.

Подход Галилея к изучению природы принципиально отличался от ранее существовавшего натурфилософского способа, при котором для объяснения явлений природы придумывались не связанные с опытом и наблюдениями чисто умозрительные схемы.

Натурфилософия, что следует из ее названия, представляет собой попытку использовать общие философские принципы для объяснения природы. Такие попытки предпринимались еще с античной эпохи, когда недостаток конкретных данных философы стремились компенсировать общими философскими рассуждениями. Иногда при этом высказывались гениальные догадки, которые на многие столетия опережали результаты конкретных исследований. Достаточно напомнить хотя бы об атомистической гипотезе строения вещества, которая была выдвинута древнегреческим философом Левкипом (V в. до н.э.) и более детально обоснована его учеником Демокритом (ок. 460 г. до н.э. – г. смерти неизв.), а также об идее эволюции, высказанной Эмпедоклом (ок. 490 г. –– ок. 430 г. до н.э.) и его последователями. Однако после того, как постепенно возникали конкретные науки, и они отделялись от нерасчлененного философского знания, натурфилософские объяснения стали тормозом для развития науки.

Переход к экспериментальному изучению природы и математическая обработка результатов экспериментов позволили Галилею открыть закон движения свободно падающих тел. Из астрономических достижений Галилея следует отметить открытие спутников Юпитера, а также обнаружение пятен на Солнце и гор на Луне, что подрывало прежнюю веру в совершенство небесного космоса.

Новый крупный шаг в развитии естествознания ознаменовался открытием законов движения планет. Если Галилей имел дело с изучением движения земных тел, то немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571–1630) осмелился исследовать движения небесных тел, вторгся в область, которая раньше считалась запретной для науки. Открытие законов движения планет Кеплером имело неоценимое значение для развития естествознания. Оно свидетельствовало о том, что между движениями земных и небесных тел не существует непреодолимой пропасти, поскольку все они подчиняются определенным естественным законам.

И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система.

Ядром механистической картины мира (МКМ) является механика Ньютона. Свой метод познания сам Ньютон характеризует следующим образом: «Вывести два ли три общих принципа движения из явлений и после этого изложить, каким образом свойства и действия всех телесных вещей вытекают из этих явных принципов, было бы очень важным шагом в философии, хотя бы причины этих принципов и не были бы ещё открыты». Под принципами Ньютон подразумевал наиболее общие законы, лежащие в основе физики. Этот метод был назван впоследствии методом принципов. Требования к исследованию Ньютон изложил в виде четырёх правил.

1. Не должно принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений.

2. Одинаковым явлениям необходимо приписывать одинаковые причины.

3. Независимые и неизменные при экспериментах свойства тел, подвергнутых исследованию, надо принимать за общие свойства материальных тел.

4. Законы, индуктивно найденные из опыта, нужно считать верными, пока им не противоречат другие наблюдения.

«Так должно поступать, - заключает Ньютон, - чтобы доводы наведения не уничтожались предположениями». Таким образом, если Декарт хотел освободить науку от беспричинных представлений с помощью порой произвольных допущений, то Ньютон хотел освободить её от всякого произвола только путём однозначного и единственно правильного объяснения природы.

Поскольку принципы устанавливаются путём исследования явлений природы, то вначале они представляют собой гипотезы, из которых путём логической дедукции получают следствия, проверяемые на практике. Поэтому метод принципов Ньютона есть по существу гипотетико-дедуктивный метод, который в современной физике является одним из основных для построения физических теорий. «Математические начала натуральной философии» Ньютона представляют собой первый, наиболее совершенный пример применения в опытной науке этого метода.

В любой физической теории довольно много понятий, но есть основные, в которых проявляется специфика этой теории, её базис, её мировоззренческий аспект. К таким понятиям относятся так называемые фундаментальные понятия: материя, движение, пространство, время, взаимодействие. Каждое из этих понятий не сводимо к четырём другим и не определяется какими-либо более общими понятиями. Но каждое из этих пяти понятий не может существовать без четырёх остальных, отражая вместе с ними единство Мира. Дадим краткую характеристику этих основных понятий в рамках МКМ.

Материя – это вещество, состоящее из мельчайших, далее неделимых, абсолютно твёрдых движущихся частиц (атомов), т.е. в МКМ были приняты дискретные представления о материи. Вот почему важнейшими понятиями в механике были понятия материальной точки и абсолютно твёрдого тела. (Материальная точка – это тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь. Абсолютно твёрдое тело – это система материальных точек, расстояние между которыми остаётся неизменным).

Очень много споров в истории физики вызвали взгляды Ньютона на пространство и время.

Пространство. Напомним, что Аристотель отрицал существование пустого пространства, связывая пространство, время и движение. Атомисты же признавали атомы и пустое пространство, в котором атомы движутся. Ньютон рассматривает два вида пространства: относительное, с которым люди знакомятся путем измерения пространственных отношений между телами, и абсолютное. «Абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остаётся всегда одинаковым и неподвижным». Таким образом, абсолютное пространство – это пустое вместилище тел, оно не связано со временем и не зависит от наличия или отсутствия в нем материальных объектов. Оно является трехмерным, непрерывным, бесконечным, однородным и изотропным. Пространственные отношения в МКМ описываются геометрией Евклида.

Время. Ньютон рассматривает два вида времени: относительное и абсолютное. Относительное время люди познают в процессе измерений. «Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью». Таким образом, время – пустое вместилище событий, не зависящее ни от чего. Оно течёт в одном направлении (от прошлого к будущему), оно непрерывно, бесконечно и везде одинаково (однородно).

А.Эйнштейн, анализируя понятие абсолютного времени Ньютона, писал: «Если бы материя исчезла, то осталось бы только пространство и время (своего рода сцена, на которой разыгрываются физические явления)». Абсолютное пространство и время не содержат никаких меток, от которых можно было бы вести отсчёт и ответить на вопросы «Где?» и «Когда?». Поэтому для изучения в них материальных объектов необходимо вводить систему отсчёта (систему координат и часы) Система отсчёта, жёстко связанная с абсолютным пространством, является инерциальной.

Движение. В МКМ признавалось только механическое движение, т.е. изменение положения тела в пространстве с течением времени. Считалось, что любое сложное движение можно представить как сумму пространственных перемещений (принцип суперпозиции). Движение любого тела объяснялось на основе трех законов Ньютона. При их применении приходилось использовать такие важные понятия, как сила и масса. Под силой в МКМ понимается причина изменения механического движения и деформации. Было замечено, что силы удобно сравнивать по вызываемым ими ускорениям одного и того же тела. Количественная мера инертности тела есть его инертная масса.

Взаимодействие. Всё многообразие взаимодействий современная физика сводит к четырём фундаментальным взаимодействиям: сильному, слабому, электромагнитному и гравитационному. Гравитационное взаимодействие означает наличие сил притяжения между любыми телами. Величина этих сил определяется из закона всемирного тяготения.

Зная массу одного из тел (эталона) и силу гравитации, можно определить и массу второго тела. Масса, найденная из закона всемирного тяготения, получила название гравитационной. Инертная и гравитационная массы тела равны, поэтому масса – это мера инертности и гравитации. Гравитационные силы являются универсальными, т.е. они действуют всегда и между любыми телами, они являются центральными и сообщают любым телам одинаковое ускорение. На вопрос о природе гравитационных сил Ньютон не ответил, да и не мог ответить. Их обменный характер (по аналогии с тремя другими фундаментальными взаимодействиями) остаётся проблематичным и на сегодня.

Следует заметить, что в механике вопрос о природе сил не имел принципиального значения. Для её законов и методологии было достаточно, что сила – это количественная характеристика механического взаимодействия тел. Просто она стремилась свести все явления природы к действию сил притяжения и отталкивания, встретив на этом пути непреодолимые трудности.

Важнейшими принципами МКМ являются принцип относительности Галилея, принцип дальнодействия и принцип причинности.

Принцип относительности Галилея утверждает, что все инерциальные системы отсчёта (ИСО) с точки зрения механики совершенно равноправны (эквивалентны). Переход от одной инерциальной системы к другой совершается на основе преобразований Галилея.

В МКМ было принято, что взаимодействие передаётся мгновенно и промежуточная среда в передаче взаимодействия участия не принимает. Это положение и носит название принципа дальнодействия.

Сформулируем характерные особенности механистической картины мира.

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

• Все механистические процессы подчиняются принципу строгого или жесткого детерминизма, суть которого состоит в признании возможности точного и однозначного определения состояния механистической системы её предыдущим состоянием.

• Пространство и время никак не связаны с движениями тел, они имеют абсолютный характер.

Развитие МКМ было обусловлено в основном развитием механики. Успех механики Ньютона в значительной мере способствовал абсолютизации ньютоновских представлений, что выразилось в попытках свести всё многообразие явлений природы к механической форме движения материи. Такая точка зрения получила название механистический материализм (механицизм). Однако развитие физики показало несостоятельность такой методологии. И это стало ясно уже при попытке описать тепловые явления с помощью законов механики. Несмотря на то, что тепловое движение – это хаотическое движение молекул и атомов, и что движение каждой молекулы можно описать законами механики, охарактеризовать поведение всей системы частиц с помощью законов механики оказалось невозможным. Тем не менее, принцип механицизма сыграл огромную роль в развитии классического естествознания.

2.Принцип механицизма

Естествознание с античных времен определяло наше отношение к природе, и его роль все более возрастала с тех пор, как предсказания важнейших научных теорий стали многократно подтверждаться опытом. Основные философские течения строились на физической науке, и, казалось бы, неопровержимых фактах, установленных ею.

Один из основных принципов классического естествознания – принцип механицизма. Суть механицизма можно сформулировать так: физический мир представляет собой гигантский механизм, части которого взаимодействуют между собой. Механизм действует без сбоев и ошибок, о чем свидетельствуют движение планет, регулярность чередования приливов и отливов, предсказуемость солнечных и лунных затмений. Части гигантского механизма – это непрерывно движущаяся материя. Движение обусловлено действием сил.

В основе механицизма лежит понятие материи как некоторой телесной вещественной субстанции. Убеждение в том, что материя составляет основу всего сущего, восходит к древним грекам. Выдающиеся греческие философы наблюдали окружающий мир и, несмотря на свои весьма ограниченные возможности, всеми доступными им средствами исследовали природу. При этом они с готовностью переходили от немногочисленных наблюдений к широким философским обобщениям. Так, Левкипп и Демокрит выдвинули идею о том, что мир состоит из неразрушимых и неделимых атомов, существующих в пустоте. Аристотель строил материю из «четырех элементов» – земли, воды, воздуха и огня, но не из настоящих земли, воды, воздуха и огня, а из четырех сущностей, наделенных теми качествами, которые мы воспринимаем посредством наших органов чувств в четырех реальных аналогах этих «элементов».

Томас Гоббс, развивая более грубый вариант того же учения, утверждал: «Мир, т.е. вся масса всех вещей, телесен; иначе говоря, есть тело, и он обладает измерениями величины, а именно, шириной и глубиной, но каждая часть тела также есть тело и также обладает измерениями. Следовательно, каждая часть нашего мира есть тело, а то, что не есть тело, не есть часть мира, а поскольку мир есть все – то, что не есть часть его, есть ничто и, следовательно, не существует нигде». Тело, продолжает Гоббс, есть нечто такое, что занимает пространство; оно делимо, подвижно, подвержено действию сил и ведет себя математически.

Таким образом, механицизм утверждает, что реальность это всего лишь сложная машина, управляющая объектами в пространстве и во времени. Так как мы сами составляем часть физической природы, все человеческое должно быть объяснимо через понятия материи, движения и математики.

Декарт также утверждал, что все физические явления можно объяснить с помощью понятия материи и движения. По Декарту, материя действует на материю при непосредственном соприкосновении. Материя состоит из мельчайших невидимых частиц, отличающихся по величине, форме и другим свойствам. Так как частицы слишком малы, и их нельзя видеть, для объяснения крупномасштабных и потому доступных наблюдению явлений, например, движения планет вокруг Солнца, требовалось принять определённые гипотезы относительно поведения таких частиц. Понятие пустого пространства Декарт отвергал.

Естествознанию картезианская философия (от имени Декарта Картезий), которую разделяло большинство естествоиспытателей доньютоновской эпохи, отводила по существу ту же функцию, а именно физическое объяснение явлений природы.

До начала XX-го века большинство физиков и философов придерживалось убеждения, что материя – первооснова и сущность физической реальности. По этому поводу Ньютон писал: “При размышлении о всех этих вещах мне кажется вероятно, что Бог вначале дал материи форму твёрдых, массивных, непроницаемых, подвижных частиц таких размеров и фигур, и с такими свойствами и пропорциями в отношении к пространству, которые более всего подходили бы для той цели, для которой он их создал. Эти первоначальные частицы являлись твёрдыми, несравнимо твёрже, чем всякое пористое тело, составленное из них, настолько твёрже, что они никогда не изнашиваются и не разбиваются на куски. Никакая обычная сила не способна разделить то, что создал Бог при первом творении”.

Развитие идей механицизма в XVII- XVIII вв. прежде всего связано с развитием революционных идей в математике, выдвинутых Ньютоном для описания движения небесных тел, – а именно с развитием основ дифференциального и интегрального исчисления. На заре своего развития понятия “предельных отношений” и тесно связанных с ними “флюксий” (производных) были подвержены резким нападкам со стороны современников. Дж.Беркли, родившийся как раз в тот год, когда была опубликована работа Ньютона “Математические начала натуральной философии”, впоследствии писал:” лишь тот, кто способен представить себе начало начал или конец конца, … в состоянии постигнуть эти рассуждения. Однако я уверен, что большинство людей сочтёт невозможным когда-нибудь понять их смысл” Производные второго или высшего порядка он считал особенно нелепых изобретением, сравнивая их с чем-то вроде” призраком от призраков”.

Однако невероятная эффективность применения развитого Ньтоном аппарата к описанию механических систем интересовала учёных гораздо больше, чем нападки критиков. А так как движущаяся материя была ключом к математическому описанию движения планет и свободно падающих тел, учёные попытались распространить такое механистическое объяснение на явления, природу которых они совсем не понимали. Так, процесс передачи тепла от одного тела к другому описывался как передача от тела к телу особого теплорода, а электричество представлялось как две жидкости, несущие положительный и отрицательный заряды. Для объяснения непрерывного движения планет Ньютон ввёл силу тяготения. Для описания действия электрического заряда на расстоянии Фарадей ввёл понятие силовых линий поля, которые считал реально существующими.

Таким образом, к концу XVIII века наиболее полное развитие получила одна область физики – механика. В знаменитой французской “Энциклопедии” Даламбер и Дидро провозгласили, что механика – наука универсальная. Она стала парадигмой для более новых быстроразвивающихся областей науки.

По утверждению великого физика, врача и математика Германа Гельмгольца миссия физической науки завершится, как только удастся окончательно свести явления природы к простым силам и доказать, что такое сведение – единственное, допускаемое этими явлениями. Аналогичную точку зрения находим у лорда Кельвина: «Я никогда не испытываю чувства полного удовлетворения до тех пор, пока не построю механическую модель изучаемого объекта. Если мне удаётся, то я сразу всё понимаю, в противном случае не понимаю”.

Вплоть до конца XIX века физики пребывали в уверенности, что все явления природы допускают механические объяснения. А если какие-то явления пока не удалось объяснить в рамках механицизма, то, считалось, со временем это будет сделано. Среди явлений, которые не находили механического объяснения, особенно важными были действие тяготения и распространение электромагнитных волн, для которых великий Ньютон так и не смог построить удовлетворительной модели в рамках механицизма, несмотря на все свои усилия; по поводу чего изрёк своё знаменитое: « Я не измышляю гипотез”.

Тем не менее, многие учёные и философы XVIII- XIX-го столетий упорно придерживались механицизма. Физики были настолько ослеплены успехами ньютоновского направления в науке, что упустили из вида проблему объяснения физической природы дальнодействия. И хотя всё тот же Дж.Беркли подвергал критике понятия физической силы тяготения с общих позиций своей философии, воспользовавшись только лишь математическим выражением закона всемирного тяготения, они (в особенности Лагранж и Лаплас) настолько преуспели в применении этого закона для объяснения ряда наблюдаемых аномалий в движении небесных тел и в обнаружении новых явлений, что проблема физической природы тяготения оказалась погребённой под грудой математических трудов того времени.

Подводя итог, можно сказать, что не только замечательные достижения самого Ньютона, но и сотни результатов, полученных его многочисленными последователями, стали возможными, благодаря тому, что их авторы полагались на математическое описание даже в тех случаях, когда физическое понимание явления полностью отсутствовало. По существу все эти естествоиспытатели принесли физическое понимание в жертву математическому описанию и математическому предсказанию.