4.1. Механистическая картина мира

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

Становление механистической картины мира справедливо связывают с именем Галилео Галилея, который установил законы движения свободно падающих тел и сформулировал механический принцип относительности. Но главная заслуга Г. Галилея в том, что он впервые применил для исследования природы экспериментальный метод вместе с измерениями исследуемых величин и математической обработкой их результатов. Если эксперименты спорадически ставились и раньше, то их математический анализ впервые систематически стал применять именно он. Начиная с Г. Галилея, стали широко использовать математику для количественной оценки результатов экспериментов.

В свое время Аристотель утверждал, что путь свободно падающего тела пропорционален его скорости. Предприняв эксперименты с падением тяжелых тел (пушечных ядер), Г. Галилей убедился, что этот путь пропорционален их ускорению. Г. Галилей установил, что ускорение падения одинаково для всех тел. Падают тела по-разному (перо, мяч, газета), т.к. мешает воздух. Без сопротивления воздуха ускорение q для всех едино и равно 9,81 м/с². Тело вниз движется с возрастающей скоростью, которая каждую секунду увеличивается на 9,81 м/с:

ν = q · τ,

считал «совершенным» движение по кругу, а Г. Галилей, опираясь на наблюдение и эксперимент, ввел понятие инерциального движения. Инерцией называют явление сохранения скорости тела постоянной. По его мнению, тело, не подверженное воздействию каких-либо внешних сил, будет двигаться не по кругу, а равномерно по прямой траектории или оставаться в покое. Если подвесить шарик на шнуре, он будет находиться в состоянии покоя, т.к. действие шнура и Земли на него скомпенсировано.

Совместное влияние шнура и Земли обеспечивает состояние покоя шарика. Стоит устранить одно из них, и он упадет или станет двигаться с ускорением, но в обратную сторону. Если мы изменим систему координат и представим, что мимо этого шарика движется велосипедист с постоянной скоростью, то относительно системы отсчета, связанной с велосипедистом, шарик движется равномерно и прямолинейно. Следовательно, при компенсации действий на тело другого тела оно может не только покоиться, но и двигаться прямолинейно и равномерно (без ускорения).

Положение движущегося тела в каждый момент времени определяется по отношению к некоторому другому телу, которое называют системой отсчета. Одно и то же движение можно рассматривать с разных точек зрения. Движение различно относительно разных систем координат.

Такое представление, конечно, абстракция и идеализация, поскольку в действительности нельзя наблюдать такую ситуацию, чтобы на тело не действовали какие-либо силы. Однако эта абстракция является плодотворной, ибо она мысленно продолжает тот эксперимент, который приближенно можно осуществить в действительности, когда, изолируясь от действия целого ряда внешних сил, можно установить, что тело будет продолжать свое движение по мере уменьшения воздействия на него посторонних сил.

Вторым ученым, внесшим свой вклад в механистическую картину мира, был немецкий астроном Иоганн Кеплер. Он осмелился исследовать движения небесных тел – область, которая раньше считалась запретной для науки, и открыл законы движения планет. Открытие законов движения планет И. Кеплером имело неоценимое значение для развития естествознания. Оно свидетельствовало, во-первых, о том, что между движением земных и небесных тел не существует непреодолимой пропасти, поскольку все они подчиняются определенным естественным законам. Во-вторых, законы движения небесных тел в принципе не отличаются от законов перемещения земных тел. Правда, из-за невозможности осуществления экспериментов с небесными телами для исследования законов их движения пришлось обратиться к наблюдениям. Тем не менее и здесь исследование осуществлялось в тесном взаимодействии теории и наблюдения, тщательной проверке выдвигаемых гипотез. И. Кеплер воспользовался многолетними систематическими наблюдениями движения планеты Марс, сделанными датским астрономом Тихо Браге (1546-1601). Перепробовав множество вариантов, К. Кеплер остановился на гипотезе, что траекторией Марса, как и других планет, является не окружность, а эллипс. Результаты наблюдений Тихо Браге соответствовали этой гипотезе и тем самым подтверждали ее.

Третьим ученым, внесшим вклад в механистическую картину мира, был И. Ньютон. Он создал вариант дифференциального и интегрального исчисления непосредственно для решения основных проблем механики. Благодаря этому удалось точно сформулировать основные законы динамики и закон всемирного тяготения. И. Ньютон, как и его предшественники, придавал большое значение наблюдениям и эксперименту, видя в них важнейший критерий для отделения ложных гипотез от истинных. Поэтому он резко выступал против допущения так называемых «скрытых качеств», с помощью которых последователи Аристотеля пытались объяснить многие явления и процессы природы. «Сказать, что каждый род вещей наделен особым скрытым качеством, при помощи которого он действует и производит эффекты», – указывает Ньютон, – «значит, ничего не сказать». В связи с этим он выдвигает совершенно новый принцип исследования природы, согласно которому «вывести два или три общих начала движения из явлений и после этого изложить, каким образом свойства и действия всех телесных вещей вытекают из этих явных начал».

Эти начала движения и представляют собой основные законы механики, которые И. Ньютон точно формулирует в своем главном труде «Математические начала натуральной философии», опубликованном в 1687 г.

Законы Ньютона

Первый закон называют законом инерции. Он утверждает:

«Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние». Этот закон был открыт еще Г. Галилеем, который отказался от прежних представлений Аристотеля, что движение существует лишь тогда, когда на тело действуют силы. При отсутствии внешнего воздействия на тело, оно может находиться только в состоянии покоя или равномерном прямолинейном движении.

Конечно, в реальных движениях никогда нельзя полностью освободиться от воздействия сил трения, сопротивления воздуха и других, поэтому закон инерции представляет собой идеализацию, в которой отвлекаются от действительности сложной картины движения и воображают себе картину идеальную, которую можно получить путем предельного перехода, т.е. посредством непрерывного уменьшения действия на тело внешних сил и перехода к такому состоянию, когда это воздействие станет равным нулю. Тележку, для того, чтобы она двигалась, нужно тянуть или толкать, т.к. при движении тележки пол не только компенсирует действие Земли, но и создает дополнительное действие на тележку, называемое трением. Действие того, кто толкает тележку, нужно для того, чтобы скомпенсировать трение. Г. Галилей делает вывод, что не будь трения, тележка, приведенная в движение, продолжала бы двигаться с постоянной скоростью и без того, чтобы ее тянуть или толкать. Кратко закон можно изобразить следующим образом:

F = 0; а = 0.

Второй закон занимает в механике центральное место. Кратко его название звучит как закон динамики.

Ускорение какого-либо тела всегда вызывается действием на него другого тела, того, с которым оно взаимодействует. В физике действие, которое вызывает ускорение тела, называют силой. Из серии опытов Ньютон получает второй закон движения. Изменение импульса тела (m·ν = p) пропорционально действующей силе.

Или сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силе ускорении:

F = m · a,

где m – масса;

а – ускорение.

Третий закон Ньютона – закон противодействия. Тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению (F₁₂= -F₂₁).

Закон всемирного тяготения:

В 1667 г. И. Ньютон высказал предположение, что вообще между телами действуют силы взаимного притяжения: между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.

Однако И. Ньютон подчеркивал, что закон всемирного тяготения устанавливает лишь количественную зависимость силы тяготения от тяготеющих масс и квадрата расстояния между ними. Что же касается причины тяготения, то он считал ее раскрытие делом дальнейших исследований. В настоящее время силы притяжения называют гравитационными силами.

Открытие законов механики означало революционный переворот, который связан с переходом от натурфилософских догадок и гипотез о «скрытых» качествах, спекулятивных измышлений к точному экспериментальному естествознанию, в котором все предположения, гипотезы и теоретические построения проверялись наблюдениями и опытом. Поскольку в механике отвлекаются от качественных изменений тел, постольку для анализа различных движений стало возможным пользоваться математическими абстракциями и созданным самим И. Ньютоном и одновременно Г. Лейбницем (1646-1716) анализом бесконечно малых величин. Благодаря этому изучение механических процессов было сведено к их точному математическому описанию.

Для такого описания необходимо и достаточно задать начальные координаты тела и скорость (или импульс р = m∙v), а также уравнение его движения. Все последующие состояния движущегося тела точно и однозначно определялись его первоначальным состоянием. Таким образом, задав это состояние, можно было определить любое другое его состояние как в будущем, так и в прошлом. Отсюда вывод: время не оказывает никакого влияния на изменение движущихся тел, так что в уравнениях движения знак времени можно было менять на обратный.

Следовательно, для классической механики и механистической картины мира в целом характерна симметрия процессов во времени, которая выражается в его обратимости. Отсюда легко возникает впечатление, что никаких реальных изменений при механическом перемещении тел не происходит. Задав уравнение движения тела, его координаты и скорость в некоторый момент времени, который часто называют начальным его состоянием, мы можем точно и однозначно определить его состояние в любой другой момент времени в будущем или прошлом.

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 состоит в признании возможности точного и однозначного определения состояния механической системы ее предыдущим состоянием.

Согласно этому принципу, случайность события полностью исключается. Все в мире строго детерминировано (или определено) предшествующими состояниями, событиями и явлениями. При распространении указанного принципа на действия и поведение людей неизбежно приходят к фатализму и предопределенности. Сам окружающий нас мир – это грандиозная заводная машина, все последующие состояния которой точно и однозначно определяются ее предшествующими состояниями. Такую точку зрения на природу наиболее ясно и образно выразил выдающийся французский ученый XVIII в. Пьер Симон Лаплас (1749-1827). «Ум, которому были бы известны для какого-либо данного момента все силы, одушевляющие природу, если бы вдобавок он оказался достаточно обширным, чтобы подчинить все данные анализу, обнял бы в одной формуле движения величайших тел Вселенной наравне с движениями легчайших атомов; не осталось бы ничего, что было бы для него недостоверно, и будущее, так же как и прошедшее, предстало бы перед его взором».

Таким образом, согласно этим представлениям пространство и время никак не связаны с движениями тел, они имеют абсолютный характер.

В связи с этим И. Ньютон вводит 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, которые не оказывают на него никакого влияния.

В этом проявляется тенденция свести закономерности более высоких форм движения материи к законам простейшей его формы – механическому движению.

Такое стремление встретило критику со стороны биологов, медиков и некоторых химиков уже в XVIII в. Против него выступили также выдающиеся философы-материалисты Д. Дидро (1713-1784) и П. Гольбах (1723-1789), не говоря уже о виталистах, которые приписывали живым организмам особую «жизненную силу», наличием которой они отличаются якобы от неживых тел. Механицизм, пытавшийся подходить ко всем без исключения процессам с точки зрения принципов и масштабов механики, явился одной из предпосылок возникновения метафизического метода мышления.

Однако в конце XIX в. термодинамика провозгласила: «если мир – огромная заводная игрушка, то запас полезной энергии будет ей исчерпан, и, в конце концов, она должна остановиться». Но этого не происходит.