Развитие взглядов на физическую картину мира

     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.

      Дальнейшее  развитие представлений о пространстве и времени  связано  с рационалистической физикой Р. Декарта, который создал  первую  универсальную физико-космологическую картину мира. В основу ее Декарт положил идею о  том, что все явления природы объясняются механическим  воздействием  элементарных материальных частиц.  Взаимодействием  элементарных  частиц  Декарт  пытался объяснить все наблюдаемые физические явления: теплоту, свет,  электричество, магнетизм. Само же взаимодействие он представлял в виде давления  или  удара при соприкосновении частиц друг с другом и ввел таким образом в физику  идею близкодействия.

      Декарт  обосновывал единство физики и геометрии. Он  ввел  координатную систему (названную впоследствии его именем), в которой время  представлялось как одна из пространственных осей.  Тезис  о  единстве  физики  и  геометрии привел его к отождествлению материальности и протяженности. Исходя из  этого тезиса,  он  отрицал пустое  пространство  и отождествил   пространство   с протяженностью.

      Декарт  развил  также  представление  о  соотношении  длительности   и времени. Длительность, по его мнению, «соприсуща материальному  миру.  Время же — соприсуще человеку и потому является  модулем  мышления».   

      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.[3]

     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). 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.

     Основное  достижение физики 17-го века - это создание классической механики. 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.

     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.

     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 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.

     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).

     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. [4]

     В механической картине мира материал – это корпускула или неделимый атом. Механическое движение бывает поступательным и вращательным. Поступательное движение характеризуется линейными величинами – путь, скорость, ускорение. Вращательное движение характеризуется угловыми величинами – угол поворота, угловая скорость, угловое ускорение.

     По Ньютону пространство – это «черный ящик», в котором могли бы находиться все объекты, и если бы объекты исчезли, то ящик бы сохранился, пространство было бы абсолютным. Пространство в механической картине мира характеризовалось абсолютностью, однородностью, изотропностью, трехмерностью.

     Время по Ньютону связывалось с образом  текущей реки. Время характеризовалось  абсолютностью, однородностью, одномерностью, обратимостью.

     Сила  подчиняется принципу дальнодействия – взаимодействие передается мгновенно  на большие расстояния с огромной скоростью и материальных посредников.

     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.

     1.2 Развитие взглядов на электромагнитную картину мира в работах Фарадея, Лоренца, Максвелла, Эйнштейна

     М. Фарадей пришел к мысли о необходимости  замены корпускулярных представлений  о материи континуальными, непрерывными. Открыв явление электромагнитной индукции, он сделал вывод, что огромную роль в передаче электрических и магнитных сил играет среда.

     Блестящий математик и физик Джеймс Максвелл берет под защиту метод Фарадея, его идею близкодействия и поля, утверждая, что идеи Фарадея могут  быть выражены в виде обычных математических формул, и эти формулы сравнимы с формулами профессиональных математиков.

     Теорию  поля Д. Максвелл разрабатывает в  своих трудах «О физических линиях силы» (1861-1865) и «Динамическая теория поля (1864-1865). В последней работе и была дана система знаменитых уравнений, которые (по словам Герца) составляют суть теории Максвелла. Эта суть сводилась к тому, что изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля. Таким образом, в физику была введена новая реальность – электромагнитное поле. Это ознаменовало начало нового этапа в физике - этапа, на котором электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия.

     Важнейшим понятием новой теории являются: заряд, который может быть как положительным, так и отрицательным; напряженность  поля – сила, которая действовала  бы на тело, несущее единичный заряд, если бы оно находилось в рассматриваемой  точке. Когда электрические заряды движутся друг относительно друга, появляется дополнительная магнитная сила. Поэтому общая сила, объединяющая электрическую и магнитную силы, называется электромагнитной.[7]

     Мир стал представляться электродинамической  системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля. Система уравнений для электрических и магнитных полей, разработанная Максвеллом, состоит из 4-х уравнений, которые эквивалентны 4-м утверждениям.

     Анализируя  свои уравнения, Максвелл пришел к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, причем скорость их распространения  должна равняться скорости света. Отсюда вывод: свет – разновидность электромагнитных волн. На основе своей теории Максвелл предсказал существование давления, оказываемого электромагнитной волной, а, следовательно, и светом, что было блестяще доказано экспериментально в 1906 г. П.Н. Лебедевым.

     Вершиной научного творчества Максвелла явился «Трактат по электричеству и магнетизму». Развитие корпускулярно-континуальных представлений в трудах Максвелла. Развивая теорию электромагнитного поля, Максвелл не отвергал и дискретность материи. Он писал: «Даже атом, когда мы приписываем ему способность вращаться, можно представлять состоящим из многих элементарных частиц. Таким образом, Максвелл не отдавал предпочтения ни дискретности, ни непрерывности материи, допуская возможность и того и другого.

     В электромагнитной картине мира материя есть континуум, движение – колебания электромагнитных волн. Пространство в электромагнитной картине мира характеризуется относительностью, однородностью, четырехмерностью. Время относительно, однородно, необратимо.