Классическая механика – фундамент естественнонаучной теории

         Классическая механика – фундамент естественнонаучной теории

   Классическая механика была первой фундаментальной естественнонаучной теорией. В течение трех столетий (с XVII в. по начало ХХ в.) она выступала единственным теоретическим основанием физического познания, а также ядром второй естественнонаучной картины мира - механистической.

   Возникновение и развитие классического естествознания

     Новый величайший переворот в системе культуры происходит в эпоху Возрождения, которая охватывает XIV –начало XVII в. Эпоха Возрождения - эпоха становления капиталистических отношений, первоначального накопления капитала, восхождении социально-политической роли города,

буржуазных классов, складывания  абсолютистских монархий и национальных государств, эпоха глубоких социальных конфликтов, религиозных войн, ранних буржуазных революций, возрождения античной культуры, эпоха титанов мысли и духа.

    В первую половину средневековья, длившегося более тысячелетия,

 в Европе господствовала  библейская картина мира, сменившаяся затем догматизированным аристотелизмом и геоцентрической системой Птолемея. Постепенно накапливавшиеся астрономические наблюдения подтачивали основы этой картины. Несовершенство, сложность и запутанность птолемеевской системы становились очевидными. Все многочисленные попытки увеличения ее точности достигались за счет ее все прогрессирующего усложнения. Уже в средневековье сосуществовало несколько моделей планетных движений, но все они опирались на геоцентризм и, в конце концов, сводились к системе Птолемея, лишь усложняя ее.

     Птолемеевская система не только не позволяла давать точные предсказания; она еще страдала явной несистематичностью, отсутствием внутреннего единства и целостности; каждая планета рассматривалась сама по себе, имела отдельную от остальных эпициклическую систему, свои собственные законы движения. В геоцентрических системах движение планет представлялось с помощью нескольких равноправных независимых математических моделей. Строго говоря, геоцентрическая теория не была геоцентрической системой, так как объектом этой теории система планет (или планетная система) и не являлась; в ней речь шла об отдельных движениях, не связанных в некоторое системное целое. Геоцентрические теории позволяли предвычислять лишь направления на небесные светила, без попыток раскрыть истинную удаленность и расположение их в пространстве. Птолемей считал последние две задачи вообще неразрешимыми. Установка на поиск внутреннего единства и системности и была той стержневой основой, вокруг которой концентрировались непосредственные предпосылки геоцентрической системы.

     Величайшим мыслителем, которому суждено было начать великую революцию в астрономии, повлекшую за собой революцию во всем естествознании, был гениальный польский астроном Николай Коперник (1473 – 1543). Еще в конце XV в., после знакомства и глубокого изучения “Альмагеста”, восхищение математическим гением Птолемея сменилось у Коперника сначала сомнениями в истинности этой теории, а затем и убеждением в существовании глубоких противоречий в геоцентризме. Он начал поиск других фундаментальных астрономических идей, изучал в подлинниках сохранившиеся сочинения или изложения учений древнегреческих математиков и философов, в том числе и первого гелиоцентриста Аристарха Самосского, и мыслителей, утверждавших подвижность Земли. (В древности кроме Аристарха Самосского гелиоцентрические идеи высказывались пифагорейцами Филолаем и Экфантом, учеником Аристотеля Гикетом Сиракузским и др.

Обладая широким складом  мышления, Коперник первым взглянул на весь накопившийся за тысячелетия опыт астрономии глазами человека эпохи Возрождения: смелого, уверенного, творческого, новатора. Предшественники Коперника не имели смелости отказаться от самого геоцентрического принципа и пытались либо совершенствовать мелкие детали птолемеевой системы либо обращаться к еще более древней схеме гомоцентрических сфер. Коперник сумел разорвать с этой тысячелетней консервативной астрономической традицией, преодолеть преклонение перед древними авторитетами. Н. Коперник был движим идеей внутреннего единства и системности астрономического знания; он искал простоту и гармонию в природе, ключ к объяснению единой сущности многих; кажущихся различными явлений. Результатом этих поисков и явилась гелиоцентрическая система мира.

    Система Коперника была проще и точнее системы Птолемея. Этой простотой и точностью сразу же воспользовались в практических целях. На ее основе составили “Прусские таблицы” (Э. Рейнгольд, 1551 г.). Она позволила уточнить длину тропического года и провести в 1582 г. давно назревшую реформу календаря. В результате был введен новый, или григорианский, стиль.

    Любое новое всегда возникает на базе и в системе старого. Коперник не был в этом отношении исключением. Он во многом еще разделял представления старой, аристотелевской космологии. Так, он представлял Вселенную замкнутым пространством, ограниченным сферой неподвижных звезд. Он не отступал от аристотелевской догмы, в соответствии с которой истинные движения небесных тел могут быть только равномерными и круговыми. Стремление восстановить аристотелевские принципы движения небесных тел, нарушавшиеся в ходе развития геоцентрической системы, кстати сказать, было для Коперника одним из мотивов поисков иных, негеоцентрических походов к описанию движений планет.

     И, кроме того, Коперник стремился создать логически простую и стройную планетную теорию. В отсутствии такой простоты и стройности, системности Коперник и увидел коренную несостоятельность теории Птолемея. В этой теории отсутствовал единый стержневой принцип, который мог бы объяснить системные закономерности в движениях планет. Коперник был уверен, что представление движений небесных тел как единой системы позволит определить реальные физические характеристики небесных тел, т.е. то, о чем в геоцентрической модели вовсе не было и речи. И потому свою теорию он рассматривал как теорию реального устройства Вселенной.

     В системе Коперника впервые получила объяснение загадочная прежде последовательность размеров первых, или главных, эпициклов у верхних планет, введенных Птолемеем для описания петлеобразных движений планет. Размеры их оказались убывающими с удалением планеты от Земли. Движение по этим эпициклам, равно как и движение по деферентам для нижних планет, совершалось с одним и тем же годичным периодом, равным периоду обращения Солнца вокруг Земли. Все эти годичные круги геоцентрической системы оказались излишними в системе Коперника. Петлеобразные движения планет теперь объяснялись одной единственной причиной –годичным движением Земли вокруг Солнца. В различии же размеров петель (и, следовательно, радиусов соответствующих эпициклов) Коперник правильно увидел отображение того же орбитального движения Земли: наблюдаемая с Земли планета должна описывать видимую петлю тем меньшую, чем дальше она от Земли.

    Более того, это глубокое объяснение видимых явлений позволило Копернику впервые в истории астрономии поставить вопрос об определении действительных расстояний планет от Солнца. Коперник понял, что этими расстояниями планет были величины, обратные радиусам первых эпициклов для внешних планет и совпадающие с радиусами деферентов – для внутренних. (Таким образом, то, что Птолемей считал в принципе непостижимым, на самом деле уже содержалось в скрытом виде в его системе.) Таким образом он получает весьма точные относительные расстояния планет от Солнца (в расстояниях Земля – Солнце, т. е. в астрономических единицах, выражаясь современным языком)

Логическая стройность, четкость, простота и совершенство теории Коперника, ее способность объяснить  немногими причинами то, что раньше либо не объяснялось вовсе, либо объяснялось совершенно искусственно, связывать в единое то, что ранее считалось совершенно различными явлениями

-несомненные достоинства этой теории; они свидетельствовали о ее истинности. Наиболее проницательные мыслители, ученые это поняли сразу.

   Теория Коперника содержала в себе колоссальный творческий, мировоззренческий и теоретико-методологический потенциал. Ее историческое значение трудно переоценить.

    В формировании классической механики и утверждении нового мировоззрения велика заслуга Г. Галилея (1564-1642). Галилей - выдающаяся личность переходной эпохи от Возрождения к Новому времени.

    С прошлым его сближает неопределенная трактовка проблемы бесконечности мира; он не принимает кеплеровых эллиптических орбит и ускорений планет; (Галилей считал их простым воскрешением древней пифагорейской идеи о роли числа во Вселенной, несовместимой с новым экспериментальным естествознанием, за которое он боролся. Поэтому он не обратил внимания и на Кеплеровы законы  у него нет еще представления о том, что тела движутся по кривым в “плоском” однородном пространстве благодаря их взаимодействиям; он еще не освободился от чувственных образов и качественных противопоставлений и др. Но в то же время он весь устремлен в будущее. Галилей уже открывает дорогу математическому естествознанию; он был уверен, что “законы природы написаны на языке математики”; его стихия - мысленные кинематические и динамические эксперименты, логические конструкции; главный пафос его творчества – возможность математического постижения мира; смысл своего творчества он видит в физическом обосновании гелиоцентризма, учения Коперника. Галилей закладывает основы экспериментального естествознания: показывает, что естествознание - это умение делать научные обобщения из опыта, а эксперимент - важнейший метод научного познания.

    За истинность и признание своих открытий Галилею пришлось вести сложнейшую борьбу с церковной ортодоксией. Ведь его жизнь и деятельность происходили в атмосфере Контрреформации, усиления католической реакции. Это был трагический для естествознания период истории. Речь шла о суверенитете разума в поисках истины. В 1616 г. учение Коперника было запрещено, а его книга внесена в инквизиционный “Индекс запрещенных книг”. После выхода в свет декрета начались сумерки итальянской науки, в научных кругах воцарило мрачное безмолвие.

    Историческая заслуга Галилея перед естествознанием состоит в следующем:

- Галилей разграничивает  понятия равномерного и неравномерного, ускоренного движения;

- формулирует понятие  ускорения (скорость изменения  скорости);

- показывает, что результатом  действия силы на движущееся  тело является не скорость, а  ускорение;

- выводит формулу,  связывающую ускорение, путь и  время S = 1 / 2 ( a t І );

- формулирует принцип инерции (“если на тело не действует сила, то тело находится либо в состоянии покоя, либо в состоянии прямолинейного равномерного движения”);

- вырабатывает понятие  инерциальной системы;

- формулирует принцип  относительности движения (все системы, которые движутся прямолинейно и равномерно друг относительно друга (т.е. инерциальные системы) равноправны между собой в отношении описания механических процессов);

- открывает закон независимости  действия сил (принцип суперпозиции).

   На основании этих законов появилась возможность решения простейших динамических задач. Так, например, Х.Гюйгенс дал решение задач об ударе упругих шаров, о колебаниях физического маятника, нашел выражение центробежной силы.

    Исследованиями Галилея был заложен прочный и надежный фундамент динамики и методологии классического естествознания. Дальнейшие исследования лишь углубляли и укрепляли этот фундамент. С полным основанием Галилея называют “отцом современного естествознания”.

    Целая плеяда ученых ХVII века внесли свой вклад в развитие предпосылок классической механики (И. Буйо, Дж.Борелли, Гук и др.).

    Обобщение результатов естествознания ХУП века выпала на долю И.Ньютона (1643 – 1727). Именно Ньютон завершил грандиозную работу постройки фундамента нового классического естествознания. Вразрез с многовековыми традициями в науке, Ньютон впервые сознательно отказался от поисков “конечных причин” явлений и законов и ограничился, в противоположность картезианцам, точным изучением количественных проявлений этих закономерностей в природе.

   Обобщая существовавшие независимо друг от друга результаты своих предшественников в стройную теоретическую систему знания (ньютоновскую механику), Ньютон тем самым явился и родоначальником классической теоретической физики.

   С именем Ньютона связано открытие или окончательная формулировка основных законов динамики: закона инерции; пропорциональности между количеством движения (mv) и величиной движущей силы (F); равенства по величине и противоположности по направлению сил при центральном характере взаимодействия. Вершиной научного творчества Ньютона стала его теория тяготения и провозглашение первого действительно универсального закона природы – закона всемирного тяготения.

     В 1666 г. у Ньютона возникает идея всемирного тяготения, его родства с силой тяжести на Земле и идея о том, каким образом можно вычислить силу тяготения. Доказательство тождества между силой тяготения и силой тяжести на Земле проводится у Ньютона путем вычисления центростремительного ускорения Луны в ее обращении вокруг Земли; затем Ньютон уменьшает это ускорение пропорционально квадрату расстояния Луны от Земли, после чего оно оказывается равным ускорению силы тяжести у земной поверхности. Обобщая эти результаты, Ньютон приходит к выводу, что для всех планет имеет место притяжение к Солнцу, что все планеты тяготеют друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Дальнейший шаг заключался в том, что Ньютон выдвинул тезис, в соответствии с которым сила тяжести пропорциональна лишь количеству материи (массе) и не зависит от формы материала и других свойств тела. Развивая это положение, Ньютон приходит к закону всемирного тяготения в общем виде.