В физику входят также термодинамика (тепловые процессы), физика колебаний (волн), оптика, физика поля, акустика, атомная физика, физика элементарных частиц и др.
На физике базируется химия , включающая неорганическую и органическую части, которая изучает химические элементы, их свойства, превращения и соединения. На химии базируется биология , изучающая клетку и все производное от нее, то есть живую материю во всем многообразии. Биология включает в себя ботанику (растительное царство); зоологию (мир животных); анатомию; физиологию; эмбриологию (строение; функции и развитие организма); цитологию (живая клетка); гистологию (свойства тканей); палеонтологию (ископаемые останки); генетику (проблемы наследственности и изменчивости).
На трех основных науках основаны все науки о Земле – геология, география, экология и др.). А на этой единой базе – космология , которая изучает Вселенную как целое и включает астрономию и космогонию .
17. Начальный этап развития естествознания
Первые знания о природе человек получил еще в первобытном обществе. Это были знания, выявленные в результате систематического наблюдения одних и тех же явлений и одних и тех же свойств предметов или полученные в результате жизненного опыта (дерево не тонет, камень тонет, огонь горячий, лед холодный и т. п.). Знания древних людей были ненаучными, они никак не систематизировались и не имели никакой теоретической базы, а касались только повседневных наблюдений и повседневного опыта.
В странах Древнего Востока (Месопотамия, Египет) знание имело более широкую форму, существовали науки, но они были сплетены воедино с мистическими и религиозными аспектами. Настоящей родиной естественных наук является Греция (VI–IV вв. до н. э.). Греческая наука была рациональна (не прибегала для объяснения фактов к помощи религии и мистики) и системна (стала классифицировать явления и объекты изучения).
Развитию науки способствовало особое устройство греческих городов-государств – с демократическими нормами жизни и изобилием общественных законов. Аналогичный способ организации был применен и в области знаний: если человеческое общество подчиняется законам, то и природа должна подчиняться своим законам. Особенности рабовладельческого способа производства дали в греческом обществе четыре приоритетных занятия – политика, война, искусство, философия; под философией и понималась зарождающаяся наука. Созерцательность и абстрактно-умозрительный взгляд на мир сформировали два основных принципа греческой науки: мышление понятиями и создание всеобъемлющих философских теорий.
Научные изыскания греков не имели практического значения, это было движение чистой философской мысли: планиметрия Гиппарха, геометрия Евклида, апории элеатов, диогеновский поиск сущности человека. Целью научного познания было изучение процесса превращения первоначального Хаоса в Космос. Так появились труды Фалеса, Анаксимандра, Гераклита, Диогена. Единственным инструментом познания они признавали человеческий разум. Греки достигли больших успехов в математике (Пифагор, Евклид, Платон), в учении об атоме (Демокрит, Левкипп), в учении о неуничтожимости материи (Эмпедокл), но естествознание как научную программу создал Аристотель.
18. Представления Аристотеля о движении
Аристотель был автором многочисленных трудов о природе – «Физика», «О небе», «Метеорологика», «О происхождении животных» и др. Впервые в мире он обратил внимание на закономерности движения физических тел и тем самым дал начало разделу физики – механике. Движение Аристотель определял как изменение положения тела в пространстве, аристотелево пространство было заполнено прозрачной материей, аналогичной воздуху. Ему принадлежит высказывание «природа боится пустоты», то есть пространство заполнено подобием эфира. Движение создается без причины движения, самодвижущееся тело имеет в себе источник движения. Он различал движение естественное и насильственное, местное (для тяжелых тел) и огненное (для легких).
В рассуждения Аристотель ввел понятие силы , к которому относится три основных вида силы – тяга, давление и удар. Рассматривая сложное вращательное движение, он вывел определение момента силы, а для естественного падения тела 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. Эта точка зрения продержалась до времен Галилея. То есть тяжелые тела в силу своей массы устремляются к земле (естественному месту), а легкие тела из-за своей легкости устремляются к огненному эфиру, расположенному за слоем воздуха, высоко к небу, к огню. Небесные тела из «земных» принципов движения он исключал: они движутся по совершенной окружности и для движения силы им не требуется. Небесные тела подчиняются небесным законам (их движения вечны и неизменны, не имеют начала и конца), неприменимым к земным телам, несовершенным по своей природе. Несовершенные земные тела могут двигаться только с приложением внешней силы, источниками движения для них служат другие тела. Аристотель считал, что движение существует вечно и что первое движение в мире породил перводвигатель, под которым он понимал бога. Физическое взаимодействие он понимал как применение силы движущего к движимому (то есть действие сугубо одностороннее).
19. Представления Галилея о механике
Представления Аристотеля о механике продержались до времени Галилея. Галилей создал новую механику, отвергающую принципы Аристотеля. Он установил физические законы для движения тел, ввел определения для силы, скорости, ускорения, равномерного движения, инерции, понятия средней скорости и среднего ускорения, впервые сопоставил понятие силы с математическим понятием вектора (при определении характера движения в зависимости от приложенной силы, он исходил из направления этой силы или взаимодействия сил), сформулировал четыре аксиомы механики (две о свободном падении, одна – по поводу инерции и одна по поводу относительности движения):
1. Закон инерции. Свободное движение по горизонтальной плоскости происходит с постоянной по величине и направлению скоростью.
2. Свободно падающее тело движется с постоянным ускорением и конечная скорость тела, падающего из состояния покоя, связана с высотой, которая пройдена к этому моменту.
3. Свободное падение тел можно рассматривать как движение по наклонной плоскости, а горизонтальной плоскости соответствует закон инерции.
4. Внутри равномерно движущейся (так называемой инерциальной) системы все механические процессы протекают так же, как и внутри покоящейся.
Принцип относительности он вывел в 1632 г. при помощи мысленных экспериментов, путем абстракции. Принцип предполагает, что траектория падающего тела отклоняется от вертикали из-за сопротивления воздуха и в безвоздушном пространстве тело упадет точно над точкой, из которой началось падение.
Рассуждая о падении тела с мачты движущегося с абсолютно постоянной скоростью корабля, Галилей замечал, что наблюдателю, стоящему на берегу, траектория падения тела представится в виде параболы, поскольку определяющим траекторию тела фактором будет сам корабль, сообщивший телу начальную скорость V0, и траектория падения тела с мачты равносильна траектории снаряда, вылетающего из пушки, то есть тело для наблюдателя падает по параболе.
Рассматривая принцип относительности, Галилей исходил из относительности восприятия движения корабля (для наблюдателя на берегу корабль движется, для наблюдателя внутри корабля – стоит на месте). Потребовалось почти 300 лет, чтобы появилась теория относительности Альберта Эйнштейна.
20. Законы механики Ньютона
I закон, или закон инерции, открытый еще Галилеем: всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил.
II закон: изменение импульса тела в единицу времени равно действующей на него силе и происходит в направлении ее действия. F = mи· a, где F – вынуждающая сила, a – ускорение, mи – инерциальная масса.
Второй закон Ньютона связывает изменение импульса тела (количества движения) с действующей на него силой и является ядром механики. Он был революционным для своего времени, но неприменим в современной физике, так как Ньютон считал, что масса не зависит от скорости. Ньютон рассматривал массу как меру инертности, а ускорение и инерцию как равные по величине противодействия, направленные в противоположные стороны, то есть чем массивнее тело, тем меньшее ускорение можно ему придать.
Второй закон Ньютона связывает изменение импульса тела (количества движения) с действующей на него силой и является ядром механики. Он был революционным для своего времени, но неприменим в современной физике, так как Ньютон считал, что масса не зависит от скорости. Ньютон рассматривал массу как меру инертности, а ускорение и инерцию как равные по величине противодействия, направленные в противоположные стороны, то есть чем массивнее тело, тем меньшее ускорение можно ему придать.
III закон: силы действия и противодействия равны по величине и противоположны по направлению.
IV закон, сформулированный Ньютоном, – это закон всемирного тяготения: сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния: Fгр= γ · mгр· Mгр/r2, где γ – гравитационная постоянная.
Закон он вывел из допущения, что на Луну, движущуюся по земной орбите, и на камень, падающий на Землю, действует одна и та же сила: Луна тяготеет к Земле и силой тяготения постоянно отклоняется от прямолинейного движения и удерживается на своей орбите. Из этого допущения он рассчитал постоянную величину силы тяготения: если расстояние от центра Земли до центра Луны в 60 раз больше радиуса Земли, то сила тяготения убывает пропорционально квадрату расстояния; а поскольку силы, которыми главные планеты отклоняются от прямолинейного движения и удерживаются на своих орбитах, направлены к Солнцу и обратно пропорциональны квадратам расстояний до центра его, то вес тела на всякой планете пропорционален массе этой планеты, и следовательно, сила тяготения между телами пропорциональна массе этих тел; согласно современным расчетам гравитационная постоянная: G = (6,673 ± 0,003) · 10-11 нм2кг-2.
21. Методология и оптические теории Ньютона
Ньютон придерживался воззрений меха нистического материализма (то есть стремился объяснить законы физики, исходя из объективного существования материи, пространства и времени), хотя был человеком религиозным в духе своей эпохи и даже на склоне лет написал теологическое сочинение. Пытаясь определить точнее методы своего подхода к научным исследованиям, Ньютон вывел четыре основополагающих принципа :
1. Не должно принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений (повторив знаменитый принцип бритвы Оккама).
2. Одинаковым явлениям следует приписывать одинаковые причины.
3. Независимые и неизменные при экспериментах свойства тел, подвергнутых исследованию, надо принимать за общие свойства материальных тел.
4. Законы, индуктивно выведенные из опыта, нужно считать верными, пока им не противоречат другие наблюдения.
Этот метод называется сегодня гипотетико-дедукционным и используется в современной физике.
Неизгладимый след оставил Ньютон не только в механике. Большое значение имели его исследования в области оптики, которые сразу же получили мировое признание и стали основополагающими на несколько столетий. Ньютон считал, что свет состоит из мельчайших частиц, которые он назвал корпускулами, так возникла корпускулярная теория света. Теория не объясняла некоторых явлений – например, интерференции и дифракции света, поскольку это волновые процессы.
Ньютон понимал неполноту корпускулярной теории и собирался объединить ее с волновой, что, собственно, произошло только в XX в., когда пришедшая на смену корпускулярной волновая теория тоже не смогла объяснить всех явлений.
Ньютон также сделал заявку на теорию возможности превращения тел в свет и света в тела, что было открыто учеными для сверхмалых частиц только в XX в., и теорию влияния тел на распространение света, что было экспериментально доказано Эйнштейном и легло в основу общей теории относительности. Большой заслугой последователей Ньютона было введение в физику методов интегрально-дифференциального исчисления и создание механической картины мира.
22. Понятие научной картины мира
Научной картиной мира называется особая форма систематизации знаний на основе их качественного обобщения и мировоззренческого синтеза различных научных теорий. Понятие научной картины мира появилось в XIX в., но наибольшее распространение и обоснование получило только во второй половине XX в. Само по себе это понятие носит размытые черты и понимается каждой научной отраслью либо с узкоспециальной точки зрения (физическая картина мира, химическая картина мира и т. д.), либо с методологической, синергетической, эволюционной и других точек зрения. Существует общефилософское понимание научной картины мира, которое частично основано на онтологической позиции, частично базируется на естественнонаучных знаниях, не исключая и гуманитарной составляющей.
В целом, в научную картину мира входит господствующее в обществе мировоззрение, понимание человеком его места в этом мире и важнейшие научные достижения. Для каждого времени существует своя картина мира, поскольку знания о мире углубляются и расширяются. И если до XVI–XVII вв. картина мира была натурфилософской, до второй половины XIX в. – механистической, далее – термодинамической, то в XX в. – релятивистской и квантово-механической. Но научная картина мира не включает всю совокупность имеющихся естественнонаучных знаний, она касается представлений общества об основных свойствах, сферах, уровнях и закономерностях природы. В научной картине мира присутствуют в равной степени как теоретические знания и образы с высокой долей абстракции, так и наглядные модели. Картины мира выражаются при помощи определенных стереотипов в понимании объективных процессов и способов их познания и интерпретации, которые принято называть в науке парадигмами . В основе научной картины мира всегда лежит физика как наука, определяющая в большей степени организацию человеческого мышления. Основными являются физические теории, объясняющие какие-то факты и постоянно углубляющие понимание природы с помощью новых теорий. Именно физическая компонента в научной картине мира позволяет этой картине развиваться и соответствовать духу времени.
23. Понятия и законы механической картины мира
В основе механической картины мира лежала материалистическая теория, основывавшаяся на классическом атомизме, родоначальником которого был Демокрит . Для своего времени это, несомненно, была передовая и научная картина мира. В ее основу легли труды Галилея и Ньютона. Царившая прежде натурфилософская картина мира опиралась на наблюдение как на единственный метод изучения мира.
Механическая картина мира выдвинула на первый план эксперимент. В качестве метода натурфилософия использовала априорные умозрительные схемы, создававшие для объяснения непонятных явлений дополнительные конструкции, ничего не объясняющие, но кажущиеся весомыми. Именно эти дополнительные сущности и были изгнаны в механической картине мира согласно принципу Оккама (без необходимости не приумножать сущности).
Дополнительные сущности появлялись в натурфилософии по причине непонимания происходящих процессов: наука не знала еще причин реакций между теми или иными веществами и пыталась объяснить выделение тепла наличием в теле теплорода, а процессы окисления с горением – наличием флогистона (особой горючей субстанции). Механистический материализм с этим покончил.
Эксперименты стали сопровождаться математическим аппаратом, точными расчетами, а изобретение телескопа и микроскопа позволило заглянуть в миры, не соразмерные окружающему. Ньютон разработал законы классической механики для физики окружающего мира, Кеплер – законы небесной механики для Вселенной, Левенгук увел биологию к микроскопическим формам и т. п.
Развитие классической механики шло в двух направлениях :
1) как обобщение законов Галилея и исследований Кеплера;
2) как переход к новым методам количественного анализа механического движения. Материя в этой системе представлялась делимой только до уровня атома, пространство – пустым (очевидно, для возможности перемещения неделимых атомов), время – пустым и однонаправленным (от настоящего к будущему), движение – механическим (изменение положения тела в пространстве с течением времени); все взаимодействия сводились к трем законам механики и закону всемирного тяготения, к действию сил притяжения и отталкивания.
24. Принципы механической картины мира
К принципам механической картины мира относятся принципы относительности, дальнодействия, причинности.
Принцип относительности был впервые сформулирован Галилеем и гласил, что все инерциальные системы отсчета являются равноправными и переход от одной системы к другой происходит с помощью специальных преобразований, разработанных Галилеем. В инерциальных системах Галилея время течет везде одинаково, а масса тела неизменна. Неизменное время с неизменной массой соответствует неизменной скорости, а если все указанные параметры неизменны, то силы в обеих системах одинаковы и все механические явления протекают одинаково. Вывод, который на основе рассуждений и вычислений делал Галилей, следующий: покой от равномерного прямолинейного движения невозможно отличить никакими опытами (соответствующими, естественно, механической картине мира).