Понятие механической картины мира и её общие контуры

Прежде чем говорить о механической картине мира, необходимо дать определение понятию «картина мира».

Формирование именно научной картины мира началось с возрастания роли естествознания и математики. Ее эволюцию можно наглядно проследить: до XVI-XVII веков господствовала натурфилософская картина, затем ее сменила механическая, лидировавшая до середины XIX века. После она уступила термодинамической, а в XX веке на первый план вышли релятивистская и квантово-механическая картины мира.

Понятие механической картины мира

Древняя Греция по праву считается родиной науки. Именно в Древней Греции ученые стали отделять науку от религии и мистики, то есть сделали ее рациональной, а также придали ей системность.

Однако исследования древних греков (Демокрита, Эпикура, Аристотеля, Лукреция и других) носили исключительно философский и умозрительный характер. Они не признавали эксперименты, считая, что опыты могут смутить разум исследователя некими иллюзиями. Например, Птолемей, говоря о преимуществах геоцентризма, заявлял, что если бы Земля двигалась, а не оставалась неподвижной, то некие силы уносили бы облака и птицы в западном направлении, а падающие предметы улетали бы в небеса. Подобных же явлений никто не наблюдал, значит, Земля неподвижна.

Общие теории Аристотеля и Птолемея легли в основу натурфилософской картины мира, которая пропагандировалась церковью в Европе. Как выяснилось впоследствии, они были ошибочны.

Становление МКМ тесно связано с отказом от прежних представлений. Ему способствовали многие ученые, даже если при жизни они не получили признания. Поговорим о некоторых из них.

Николай Коперник — автор труда «О вращениях небесных сфер», в котором он убедительно доказал, используя принцип Бритвы Оккама, что именно Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот. Звезды же, по его мнению, оставались неподвижными.

Коперник до самой смерти боялся последствий своих открытий, поэтому при его жизни они не узнали широкого распространения. Однако позднее видные ученые, исследователи и философы (например, Ф. Энгельс) называли его работы поистине революционными.

Джордано Бруно первым заявил о том, что не только Земля не является центром Вселенной, но что Вселенная не имеет центра вообще. За свои взгляды он был сожжен.

Иоганн Кеплер, немецкий астроном, математик, физик и философ, был последователем Коперника и развил дальше его учение. В частности, он внедрил в науку следующие положения:

• траектория движения планет вокруг Солнца имеет эллиптическую форму;
• на разных промежутках вращения планеты имеют различную скорость, которая высчитывается математически;
• сформулировал математически безупречные законы, по которым рассчитывалось движение небесных тел.

Галилео Галилей считается основоположником МКМ в ее чистом виде. Он первым установил, что представления Аристотеля, на которых основывалась картина мира тех времен (XVI — XVII века), ошибочны. Приведем конкретный пример.

В своих работах Аристотель опирался на понятие силы, которое ввел сам и к которому относятся три основных вида: тяга, давление и удар. Для описания естественного падения тела он вывел закон:

V = F / w,

где V — скорость,

F — сила стремления тела к своему естественному месту,

w — сопротивление воздуха.

Согласно закону Аристотеля, скорость падения тела зависела от его массы.

Одна из многих заслуг Галилея заключалась в том, что он первый заявил о важности опытов в исследовании природных явлений и процессов, что ранее отрицалось. Так, Галилей в присутствии многочисленных свидетелей наблюдал, как с Пизанской башни падают тела различной массы (например, пуля и ядро). Таким образом, он выявил, что представления Аристотеля о зависимости скорости падения от массы ошибочны.

Также он вывел основные аксиомы МКМ:

1. Закон инерции: свободное движение на горизонтальной плоскости совершается с неизменной по величине и вектору скоростью.
2. Свободно падающее тело движется с постоянным ускорением.
3. Свободное падение тел равнозначно движению по наклонной плоскости, а горизонтальной плоскости соответствует закон инерции.
4. Внутри инерциальной системы механические процессы происходят так же, как и внутри покоящейся.

Мнение Ньютона о процессах в природе и Вселенной

Исаак Ньютон родился позже Галилея и унаследовал методологию, основанную на экспериментах. Благодаря этому, а также своему несомненному таланту, он усовершенствовал МКМ, описав основные положения классической механики, и определил развитие физической науки на несколько столетий вперед.

Основным его трудом считается «Математические начала натуральной философии». В нем Ньютон обобщил открытия Галилея, а также добавил собственные законы. Рассмотрим их.

I закон, или закон инерции, обнаруженный еще Г. Галилеем.

II закон: сила, влияющая на тело в конкретный момент и в конкретном месте, меняет скорость, и это можно определить очень точно. В виде формулы это можно записать так:

\(\overrightarrow F\;=\;\frac{d\;\times\;(m\;\times\;\overrightarrow v)}{d\;\times\;t}.\)

III закон: тела действуют друг на друга с одинаковой силой, но противоположными векторами, то есть их воздействие носит взаимный характер. Формула этого закона такова:

\(\overrightarrow{F_1}\;=\;-\;\overrightarrow{F_2}.\)

IV закон: закон всемирного тяготения сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния:

\(Fгр = γ · mгр· M_гр/r_2,\)

где γ — гравитационная постоянная.

Основываясь на этом законе, Ньютон объяснил теорию сжатия Земли у полюсов, теорию приливов и отливов, движения комет, возмущения в движении планет.

Основные положения механической картины мира

Помимо аксиом Галилея и законов Ньютона, можно выделить следующие положения МКМ:

• положение о материи;
• положение о пространстве;
• положение о времени;
• положение о движении;
• положение о взаимодействии.

Материя, согласно МКМ, — это вещество, состоящее из далее неделимых, абсолютно твердых движущихся частиц — атомов.

Пространство, по сравнению с натурфилософской картиной мира, является новым понятием, поскольку Аристотель не признавал существования пустого пространства. Ньютон выделял следующую классификацию пространства:

• относительное, объясняемое пространственными отношениями между телами и их выявлением и измерением;
• абсолютное, которое не связано со временем, и его свойства не зависят от того, присутствуют или отсутствуют в нем материальные объекты.

Согласно Ньютону, пространство обладает следующими признаками:

• трехмерность (то есть размещение точки можно описать с помощью привычной нам системой координат);
• непрерывность;
• бесконечность;
• однородность;
• изотропность.

Время, как и пространство, Ньютон подразделял на абсолютное и относительное. Время обладает лишь одним направлением, в отличие от пространства: от прошлого к будущему, минуя настоящее.

Движение в МКМ — это изменение положения тела в пространстве с течением времени, то есть принято механическое определение.

Взаимодействие — это воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению их движения.

Современная физика все многообразие взаимодействий сводит к четырем фундаментальным:

• сильное;
• слабое;
• электромагнитное;
• гравитационное.

Существуют также принципы МКМ:

1. Принцип относительности был впервые сформулирован Галилеем и заключался в том, что все инерциальные системы отсчета являются равноправными. В инерциальных системах Галилея время течет везде одинаково, а масса тела неизменна. Основной вывод Галилея заключался в следующем: опыты не в состоянии указать на различие между покоем и равномерным прямолинейным движением.
2. Принцип дальнодействия выработан представителями течения механистического материализма, который основан на понятии неделимого атома и пустого пространства: на взаимодействия между телами не влияет промежуточная среда.
3. Принцип причинности был разработан математиком Лапласом и заключался в том, что всякое существующее явление связано с предшествующим причинно-следственно.

Дальнейшее развитие физики и прочих естественных наук показало, что эти принципы неверны, однако нужно быть знакомым с ними для лучшего ознакомления со сменами парадигм в эволюции научных картин мира.