Вопрос 2. Классическая физика.

Начало второй эпохи — эпохи классической физики — связывают с одним из основателей точного естествознания — итальянским учёным Галилео Галилеем (1564 – 1642) и основоположником классической физики, английским математиком, механиком, астрономом и физиком Исааком Ньютоном (1643 – 1727). Эпоха классической физики — это период времени с XVII в. до конца XIX в.

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. С него начинается эра строгой, аналитичной науки (Галилей заложил основы физики как науки), где опора на математику возведена в ранг непреложной методологической истины. Задачей ученого становится не мучительное угадывание с помощью воображения и фантазии таинственных сил «одушевленной природы», а остроумные эксперименты и математические формулировки. У Галилея аргументация любых конкретных положений неотделима от методологического анализа. Благодаря этому в научный обиход входит построение особого, идеализированного мира для объяснения мира реального. Сам эксперимент стал научным именно в эпоху Галилея. Руководствуясь философским принципом единства материального мира, найдя в исследованиях машин и механизмов общие законы механического движения, он предложил распространить их на небесные движения.

Переход к экспериментальному изучению природы и математическая обработка результатов экспериментов позволили Галилею открыть два принципа физики: относительности движения и постоянства ускорения силы тяжести. Установил закон инерции, законы свободного падения, движения тела под углом к горизонту, закон сложения движений. Из астрономических достижений Галилея следует отметить открытие спутников Юпитера, а также обнаружение пятен на Солнце и гор на Луне, что доказывало «неидеальность» небесных тел.

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.

Ядром механистической картины мира (МКМ) является механика Ньютона. И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую движение небесных тел и движение земных объектов одними и теми же законами.

Альберт Эйнштейн писал, что Ньютон «…оказал своими трудами глубокое и сильное влияние на все мировоззрение в целом».

В область научных интересов И. Ньютона входили астрономия, физика (механика, оптика), математика, химия (алхимия). Он ввел в физику понятие массы как количества материи. Вводит понятие «силы» как действия, производимого над телом для изменения его состояния покоя или равномерного прямолинейного движения (к понятию силы он приходит математически, а не физически, не вдаваясь в особенности ее происхождения). Сформулировал законы механики, известные как законы И. Ньютона.

Природа рассматривалась как сложная механическая система. Именно благодаря достижениям И. Ньютона доминантой классического естествознания, да и всей науки Нового времени стала механика. Возникла мощная тенденция сведения (редукции) всех знаний о природе к фундаментальным принципам и представлениям механики. При этом все соображения, основанные на понятиях ценности, совершенства, целеполагания были грубо изгнаны из царства научной мысли. Утвердилась чисто механическая картина мира.

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. 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).

Пространство. Ньютон рассматривает два вида пространства: относительное, с которым люди знакомятся путем измерения пространственных отношений между телами, и абсолютное. 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 (описывается геометрией Евклида).

Исаак Ньютон: «Абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему остаётся всегда одинаковым и неподвижным».

Время. Ньютон рассматривает два вида времени: относительное и абсолютное. Относительное время люди познают в процессе измерений. Абсолютное время — пустое вместилище событий, не зависящее ни от чего. Оно течет в одном направлении (от прошлого к будущему), оно непрерывно, бесконечно и везде одинаково (однородно).

Исаак Ньютон: «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».

Альберт 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)».

Для изучения в абсолютном пространстве и времени 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.

Взаимодействие. В МКМ рассматривалось только гравитационное взаимодействие, которое означает наличие сил притяжения между любыми телами (современная физика сводит все к четырём фундаментальным взаимодействиям: сильному, слабому, электромагнитному и гравитационному). Величина этих сил определяется из закона всемирного тяготения. 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.

Важнейшими принципами МКМ являются принцип относительности Галилея, принцип дальнодействия и принцип причинности. Принцип относительности Галилея утверждает, что все инерциальные системы отсчёта с точки зрения механики совершенно равноправны (эквивалентны). Принцип дальнодействия означает что взаимодействие передаётся мгновенно и промежуточная среда в передаче взаимодействия участия не принимает (до этого Р. Декарт сформулировал принцип близкодействия, согласно которому взаимодействие между удаленными друг от друга телами осуществляется с помощью промежуточных звеньев (или среды), передающих взаимодействие от точки к точке с конечной скоростью). Принцип причинности в физике устанавливает допустимые пределы влияния физических событий друг на друга; принцип исключает влияние данного события на все прошедшие, а также требует отсутствия взаимного влияния событий, пространственное расстояние между которыми столь велико, а временной интервал между ними столь мал, что они не могут быть связаны световым (или каким-нибудь другим) сигналом.

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). В основе механицизма лежит понятие материи как некоторой телесной вещественной субстанции. Механицизм утверждает, что реальность - это всего лишь сложная машина, управляющая объектами в пространстве и во времени. Поскольку движущаяся материя была ключом к математическому описанию движения планет и свободно падающих тел, постольку 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 и т.д.

В эпоху Нового времени механицизм привлекался для объяснения поведения природы, основаного на понятиях причины и следствия. Согласно концепции Ньютона, причинность присуща самой природе физического мира. Исходя из этого, он ввёл универсальную силу тяготения как причину эллиптичности планетных орбит.

Ньютоновская концепция Вселенной, состоящей из твердых неразрушимых частиц, каждая из которых действует на другие с вполне определенной, вычисляемой силой, была положена в основу последовательного детерминизма, автор которого французский астрономом и математик Пьер Симон Лаплас (1749 –1827). Впервые принципы детерминизма были чётко сформулированы П. Лапласом в 1775 г. По его мнению всякое имеющее место явление связано с предшествующими на основании того принципа, что какое-либо явление не может возникнуть без производящей его причины. П. Лаплас рассматривал «систему мира в едином целом», где всё взаимосвязано и определяется действием «великих законов природы», а случай – это лишь «проявление неведения». Понятие необходимость Лаплас относит к объективной реальности, считая неотъемлемым свойством материи, вне зависимости от восприятия этой объективной реальности. Концепция детерминизма, по Лапласу, предполагает однозначность и предопределённость будущего, это вытекает из признания жёсткой причинно-следственной связи между событиями и явлениями и отрицания объективной случайности. С принципом механического детерминизма связан образ, именуемый «демон Лапласа».

Пьер Симон Лаплас: «Мы должны рассматривать существующее состояние Вселенной как следствие предыдущего состояния и как причину последующего. Ум, который в данный момент знал бы все силы, действующие в природе, и относительное положение всех составляющих ее сущностей, если бы он еще был столь обширен, чтобы ввести в расчет все эти данные, охватил бы одной и той же формулой движения крупнейших тел Вселенной и легчайших атомов. Ничто не было бы для него недостоверным, и будущее, как и прошедшее, стояло бы перед его глазами».

Применение детерминизма в точных науках можно охарактеризовать следующим образом: если состояние некоторого множества объектов в произвольный момент времени задано, то состояние объектов того же множества в любой момент времени в будущем может быть определено путём вычислений.

Однако ещё Джеймс Максвелл (1831 – 1879) указывал на существование ситуаций (которые он называл особыми точками), в которых поведение механической системы становится нестабильным, как, например, камень на вершине горы может вдруг сорваться, вызывая лавину. Максвелл предостерегал своих учёных коллег от недооценки роли таких ситуаций и считал, что если изучение особых точек сменит непрерывность и стабильность вещей, то успехи естествознания, возможно, позволят устранить предрасположение к детерминизму. Некоторые из его работ по кинетической теории газов способствовали закату детерминизма. Трещины и пробелы, которые Максвелл увидел в детерминистской схеме, вскоре расширились. На смену детерминизму пришли статистические законы.

Применение законов статистики в физике началось со статистической механики, где ещё можно было предполагать, что, детально описав миллионы столкновений молекул, каждая из которых подчиняется законам классической механики и, таким образом, поведение которой полностью детерминировано, мы могли бы предсказать поведение газа в целом. Но число столкновений столь велико, что рассматривать подобные коллективные эффекты можно только статистическими методами. Первым стал использовать статистические законы кинетической теории газов Людвиг Больцман (1844 – 1906), чей подход был радикален в эпоху господства механицизма и детерминизма и вызвал ожесточённые споры. Для объяснения отсутствия «тепловой смерти» Больцман выдвинул флуктуационную гипотезу. Под флуктуацией физической величины понимается отклонение истинного значения величины от ее среднего значения, обусловленное хаотическим тепловым движением частиц системы. Больцман принял ограничение Максвелла и использовал это ограничение для Вселенной, рассматривая видимую часть Вселенной как небольшую область бесконечной Вселенной. Максвелл утверждал, что в системах с малым количеством объектов следствием статистических законов должно стать нарушение второго начала термодинамики. И если бы существовало такое существо («демон Максвелла»), которое обладало бы способностью видеть, следить за каждой молекулой, отбирать отдельные молекулы, то оно могло бы нарушить закон возрастания энтропии. Так, если бы это существо отбирало бы самые быстрые молекулы и перекладывало бы их во второй сосуд, то в первом сосуде газ охлаждался бы, а во втором нагревался. С точки зрения классической механики, если рассматривать молекулы в качестве материальных точек, здесь не возникает никакого парадокса.

Развитие физики вплоть до середины Х1Х в. шло в основном в рамках ньютоновских воззрений, но всё больше и больше новых открытий, особенно в области электрических и магнитных явлений, не вписывалось в рамки механистических представлений, т.е. МКМ становилась тормозом для новых теорий, и назревала необходимость перехода к новым воззрениям на материю и движение. Оценивая МКМ как этап эволюции физической картины мира, необходимо иметь в виду, что с развитием науки основные представления МКМ не были просто отброшены, а в значительной мере сохранялись как предельный случай. Развитие науки лишь вскрыло относительный характер МКМ. Несостоятельной оказалась не сама МКМ, а её исходная философская идея – механицизм. В недрах МКМ стали складываться элементы новой – электромагнитной – картины мира.

Электрические и магнитные явления были известны давно, но изучались обособленно друг от друга. Дальнейшее их исследование показало, что между ними существует глубокая взаимосвязь, что заставило ученых искать эту связь и создать единую электромагнитную теорию. Был открыт качественно новый вид материи – поле. Самое простое представление о поле дает сплошная среда, например вода, заполняющая некоторую область пространства (или же вообще пространство). Эта среда может иметь в разных точках, например, различную плотность или температуру, по-разному двигаться. Именно конкретное физическое свойство среды, разное в разных точках и доступное для измерений, физически определяет поле. В связи с этим различают поле температур, поле скоростей, силовое поле и т.д.

В философском плане разделение мира на тела и частицы, с одной стороны, и сплошную среду, поле и пустое пространство – с другой, соответствует выделению двух крайних свойств мира – его дискретности и непрерывности. Дискретность (или прерывность) означает – «зернистость», конечную делимость пространственно-временного строения и состояния предмета или объекта, его свойств и форм движения (скачки), тогда как непрерывность выражает единство, целостность и неделимость объекта, сам факт его устойчивого существования. Для непрерывного нет границ делимого.

Итак, к концу XIX в. физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля. Позже появились экспериментальные результаты, которые трудно было объяснить в рамках классических представлений. В этой связи был предложен совершенно новый подход – квантовый, основанный на дискретной концепции. Квантовый подход впервые ввёл в 1900 г. немецкий физик Макс Планк (1858 – 1947), вошедший в историю развития физики как один из основоположников квантовой теории. Его трудами открывается третий этап развития физики — этап современной (неклассической) физики, включающий не только квантовые, но и классические представления.

Согласно современным представлениям, классическая механика имеет свою область применения: её законы выполняются для относительно медленных движений тел, скорость которых меньше скорости света. В то же время практика показывает: классическая механика – безусловно, истинная теория и таковой останется, пока будет существовать наука. Вместе с ней останутся и те общие и абстрактные «классические» образы природы – пространство, время, масса, сила и прочее, которые лежат в ее основе. По крайней мере, эти образы сохраняются в современной физике и во всем естествознании, только они стали четче и объемнее.