Механистическая картина мира: Галилео Галилей и Исаак Ньютон

Размещено на http://www.allbest.ru/

Механистическая картина мира: Галилео Галилей и Исаак Ньютон

Дмитриев Владислав Леонидович, кандидат наук, доцент, доцент

Суханов Сергей Павлович, студент

Башкирский государственный университет

Дмитриева Светлана Геннадьевна, преподаватель

Стерлитамакский межотраслевой колледж

В статье кратко рассмотрено становление механистической картины мира. Основоположником механики по праву считается Галилей, на основе работ которого впоследствии Ньютон смог создать первую научную теорию. Перечислены основные идеи, принципы и законы окружающего мира, принятые в рамках концепции механицизма.

Развитие физики как науки в современном ее понимании начато трудами Галилео Галилея (1564-1642), и его заслуга в формировании классической механики и становлении нового мировоззрения очень велика.

Тем не менее с более ранними представлениями его сближает еще очень многое. Так, например, он не признавал законов Кеплера (но при этом обосновал теорию Коперника), не определился с вопросом о бесконечности мира, не представлял того, что тела движутся в «плоском» однородном пространстве благодаря их взаимодействиям. Однако он понял, что для открытия законов движения нужно научиться описывать движение математически. При этом нельзя ограничиваться простым наблюдением за движущимися телами - нужно ставить опыты для выяснения, как меняются со временем величины, характеризующие движущееся тело. Таким образом, он закладывает основы экспериментального естествознания, показывая, что эксперимент - важнейший метод научного познания.

Галилеем открыт закон свободного падения тел и доказана независимость ускорения свободного падения тел от их плотности и массы. Он также разграничил понятия равномерного и неравномерного движения, ускоренного движения, сформулировал понятие ускорения, современное понятие скорости как отношения расстояния ко времени, вывел формулу, связывающую ускорение, путь и время:

Галилей показал, что воздействие на данное тело окружающих тел определяет не скорость (как считалось в механике Аристотеля), а ускорение тела (фактически это утверждение представляло собой первую формулировку закона инерции) [3].

Важнейшие открытия Галилея - введение инерциальной системы отсчета, формулировки принципа инерции и принципа относительности, закон независимости действия сил (принцип суперпозиции). Изобретение им первого термометра позволило начать количественные изучения тепловых явлений.

Усовершенствовав зрительную трубу, изобретенную им в 1608 г., и превратив ее в телескоп с 30-кратным увеличением, Галилей сделал ряд выдающихся астрономических открытий: спутники Юпитера и Сатурна, фазы Венеры, солнечные пятна; обнаружил то, что Млечный Путь представляет собой скопление бесконечного множества звезд, и т.д. По некоторым источникам, наблюдал кольца Сатурна в период благоприятной их видимости с Земли, но не смог объяснить, что это такое - а при более поздних своих повторных наблюдениях не смог их обнаружить, т.к. наступил неблагоприятный период видимости колец (промежуток времени, когда луч зрения наблюдателя на Земле лежит в плоскости колец и они видны с ребра - в это время из-за незначительной толщины они не видны), и предположил, что ошибся.

Относительно произвольной системы отсчета законы движения тела могут иметь весьма сложный вид, пространство может являться не однородным и неизотропным, а время - неоднородным. Напомним, что однородность означает отсутствие выделенных направлений, а изотропность - отсутствие выделенных точек. Однако всегда можно найти инерциальную систему отсчета, по отношению к которой пространство является однородным и изотропным, а время - однородным.

Свойства пространства и времени в инерциальных системах отсчета:

* пространство однородно, то есть физические явления протекают одинаково в двух системах отсчета, сдвинутых параллельно друг относительно друга;

* пространство изотропно, то есть физические явления протекают одинаково в двух системах отсчета, повернутых относительно начала координат;

* время однородно, то есть физические явления протекают одинаково при изменении начала отсчета времени.

Однородность и изотропность пространства и времени обеспечивает сохранение некоторых физических величин. Строгий вывод этого факта дается теоремой Нетер, которая позволяет явно выписывать вид законов сохранения. В частности из однородности пространства следует закон сохранения импульса, а из однородности времени следует закон сохранения энергии. Теорема Нетер гласит, что если свойство системы не меняется при каких-либо преобразованиях переменных, то ему соответствует некоторый закон сохранения.

Во всех инерциальных системах отсчета законы движения, удовлетворяющие принципу инерции, выглядят одинаковым образом. Принцип относительности равносилен утверждению о том, что все инерциальные системы отсчета эквивалентны, и ни одной из них нельзя отдать предпочтение. Принцип равноправия (эквивалентности) всех инерциальных систем отсчета выражен в методе преобразования координат (правилах описания одного и того же физического события в разных системах отсчета). Эти преобразования называются преобразованиями Галилея и вводятся следующим образом.

Пусть (x,t) - инерциальная система отсчета, а (x',t') - инерциальная система отсчета, движущаяся с постоянной скоростью v относительно первой (рис. 1).

Тогда будут справедливы следующие выражения:

Рисунок 1. К объяснению преобразований Галилея

механистический мир галилей ньютон

Согласно этим преобразованиям, течение времени и его ритм во всех инерциальных системах отсчета происходит одинаково. Неизменными также остаются размеры движущегося тела и его масса в разных системах отсчета. Правило сложения скоростей в преобразованиях Галилея не допускает существования конечной (предельной) скорости движения.

Пространственные преобразования системы координат сводятся к преобразованиям двух типов: повороту относительно начала координат и параллельному переносу.

Свойства преобразований Галилея:

* преобразования Галилея сохраняют метрику евклидова пространства (расстояния между точками);

* пространственный поворот системы координат сохраняет расстояние между телами;

* параллельный перенос системы координат сохраняет расстояние между телами.

Принцип эквивалентности всех инерциальных систем отсчета Галилея не позволяет проверить, покоится данная инерциальная система отсчета, или движется прямолинейно и равномерно. Решение данного вопроса вызвало дискуссию, существует ли в мире абсолютная система отсчета. Поиски такой абсолютной системы отсчета сохранились вплоть до конца XIX века.

Исследования в области механики, проведенные Галилеем, Гуком и другими учеными, позволили И. Ньютону (1642 - 1727) создать первую научную теорию, которая строится как на основе эксперимента, так и на основе логических и математических правил. Механика Ньютона, изложенная в работе «Математические начала натуральной философии» (1687 г.) - самая значительная научная теория XVII века. В этой работе [1] представлена стройная система понятий и принципов описания механического движения, использован тот же стиль изложения научной теории, которые впервые был введен в геометрии Евклида. После работы Ньютона этот стиль стал эталоном изложения научных теорий. Работа начинается с определения основных понятий (абсолютного пространства и абсолютного времени), затем формулируются аксиомы и принимаются постулаты, формулируются теоремы, за которыми следуют доказательства, и, наконец, выводится общий закон как итог всем построениям.

Введение абсолютного пространства позволяло обосновать понятия инерциальной системы отсчета и относительного движения. Абсолютное время (или чистая длительность) обуславливало одновременность событий в любой точке пространства (принцип дальнодействия). Пространство у Ньютона является пустым вместилищем всех вещей и процессов, оно трехмерно, бесконечно и пусто.

В процессе обоснования своей теории Ньютон пришел к необходимости разработки исчисления бесконечно малых величин, что позволило ввести ему понятия ускорения и мгновенной скорости. В разработке этого метода, являющегося сегодня частью математического анализа, принимали участие также Декарт и Лейбниц.

Наиболее значительными результатами Ньютона являются три закона механики, закон всемирного тяготения и открытие дисперсии света. Он первым дал теоретическое обоснование гелиоцентрической модели и эмпирически полученных законов Кеплера, что сыграло решающую роль в победе системы Коперника.

Ньютон также выдвинул принцип дальнодействия - передачи взаимодействия между телами на расстоянии через пустоту с бесконечно большой скоростью. Это было сделано для объяснения явления гравитации, однако физического обоснования этому явлению Ньютон так и не смог дать (хотя косвенно он объяснял это тем, что т.к. в закон всемирного тяготения время не входит, то гравитационное взаимодействие распространяется мгновенно). Принцип дальнодействия противоречил принятому тогда в науке представлению о корпускулах - частицах, между которыми осуществляется взаимодействие посредством контакта (принцип близкодействия).

На основе закона всемирного тяготения Ньютон вывел в качестве простых следствий и уточнил законы Кеплера, а также показал, что в общем случае движение тел Солнечной системы может происходить по любому коническому сечению, в том числе по параболе и гиперболе [2]. Он делает вывод о единстве законов движения комет и планет и впервые включает кометы в состав Солнечной системы; развивает математический метод вычисления истинной орбиты кометы по данным ее наблюдений. Закон всемирного тяготения также дал возможность объяснить приливы и отливы, сжатие планет (в частности, обнаруженное у Юпитера), прецессию. Ньютону принадлежит и объяснение возмущающего движения в Солнечной системе, исходя из которого в 1781 г. была открыта планета Уран, в 1846 г. - Нептун, а в 1930 г. - Плутон.

В связи с обсуждениями теории Ньютона, швейцарский ученый Фотье дю Дюийе (1664 - 1753) высказал гипотезу о существовании гравитонов - частиц, которые позволяют силе тяготения распространяться с мгновенной скоростью.

Открытие Ньютоном явления дисперсии света в 1666 г. состояло в том, что белый свет состоит из света различных цветов, и, значит, белый свет имеет более сложную природу, чем цветной. После открытия сложного состава белого света Ньютон приступил к изучению преломления монохроматических лучей и выяснил, что оно зависит от цвета луча. В результате Ньютон понял причину хроматической аберрации линзовых объективов телескопов. Сделав неправильный вывод о принципиальной неустранимости этого дефекта (это верно только для однолинзовых объективов - впоследствии были созданы многолинзовые объективы, лишенные этого недостатка), в 1668 г. он изобретает отражательный телескоп с металлическим зеркалом - рефлектор.

К 1672 г. Ньютон излагает свою новую корпускулярную концепцию света, в соответствии с которой свет представляет собой поток «световых» частиц, наделенных изначальными неизменными свойствами и взаимодействующих с телами. Корпускулы распространяются в особой среде - эфире и взаимодействуют с ним [2]. Цвет присущ свету изначально, связан со свойствами корпускул и является результатом преломления или отражения света в среде. Корпускулярная теория света хорошо объясняла аберрацию и дисперсию света, но не могла объяснить интерференцию, дифракцию и поляризацию света. Стоит отметить, что Ньютон с большим вниманием относился и к высказываниям Х. Гюйгенса о волновой природе света, и даже сам пытался развивать следствия из этой теории, но впоследствии все же склонился к мысли о ее несостоятельности. Волновая теория света позволила Гюйгенсу вывести законы отражения и преломления света, а также объяснить двойное лучепреломление в кристаллах.

Механистические представления доминировали вплоть до середины XIX века. Считалось, что все явления природы и душевной сферы человека могут быть сведены к механическим (концепция механицизма). Дальнейшее развитие физики показало ограниченность механистического подхода, а новые теории приходили в противоречия с механикой Ньютона.

Список литературы

1. Исаак Ньютон. Математические начала натуральной философии // под ред. М.С. Полака. - М.: Наука, 1989. - 711 с.

2. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. - М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004. - 622 с.

3. Физическая энциклопедия. Т.5 // под ред. А.М. Прохорова. - М.: Совет-ская энциклопедия. 1988.

Размещено на Allbest.ru