Механическая картина мира

4.Иоган Кеплер и открытие законов небесной механики.

    Иоган Кеплер родился 27 декабря 1571г, отец его, Генрих Кеплер, разорившийся дворянин, служил простым солдатом, мать – дочь деревенского трактирщика, не умела читать и писать. При рождении мальчик чудом остался жив. Когда ему исполнилось четыре года родители бросили его, в 13 лет он умирал в третий раз, но жизнь не покидала его. Окончив в 1579г монастырскую школу, Кеплер перевелся в духовную трехгодичную школу, после которой остался в Тюбингенской семинарии, а после – в Тюбингенском университете. В университете он познакомился с учением Коперника, став его горячим сторонником. Работая учителем математики и философии в училище г. Граца, он вместе с преподаванием стал заниматься научной работой по астрономии, а также составлять календари и гороскопы. Кеплер был вынужден заниматься астрологией, чтобы не умереть с голоду, прокормить свою семью и вести исследования по астрономии.

    За свою жизнь Кеплер написал много работ. Его первая книга, изданная в 1597г., вышла под интересным названием «Космографическая тайна». Кеплер поставил задачу найти числовые отношения между орбитами планет. Пробуя различные комбинации чисел, он пришел к геометрической схеме, по которой можно было отыскивать расстояния планет от Солнца. Свою работу Кеплер отослал датскому астроному Тихо Браге и Г.Галилею. Из-за преследования со стороны католической церкви жизнь на родине стала невыносимой, и Кеплер едет в Прагу. Там он был назначен имперским математиком и должен был работать под руководством Тихо Браге – имперского астронома. В 1601г умирает Тихо Браге и в руках Кеплера оказался журнал тридцатилетних наблюдений «короля астрономии».

    В 1609г появилась на свет книга Кеплера «Новая астрономия или Небесная физика с комментариями на движение планеты Марс по наблюдениям Тихо Браге». В течение восьми лет трудился он над расчетами, семьдесят раз пришлось повторять каждое вычисление, но, не смотря не на все он сформулировал первые два закона о движении планет:

1.     Все планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце.

2.     Радиус-вектор, проведенный от Солнца к планете, за равные промежутки времени описывает равные площади.

    Нужда и несчастье продолжает преследовать его, в 1611г умерли его жена и сын, и он остался с двумя детьми на руках. Материальная нужда заставила его покинуть Прагу, и он уехал в Линц, где он занял место преподавателя математики. В 1615г он получает известие об обвинении  его матери в колдовстве. Всю свою силу и находчивость он тратит, чтобы спасти мать от костра, в 1621 он добивается ее освобождения. Даже после таких ударов судьбы сила духа не покидает его, и он выпускает новую работу «Гармония мира», содержащую третий закон небесной механики: квадраты периодов обращения планет относятся как кубы больших полуосей их орбит.

    Другие наиболее известные работы Кеплера это:  «Рудольфовы таблицы» - астрономические планетные таблицы, над которыми Кеплер работал 20 лет. Названы были в честь императора Рудольфа 2. Эти таблицы служили морякам и астрономам, составителям календарей и астрологам и только в 19 веке были заменены более точными. Своими работами по математике Кеплер внес большой вклад в теорию конических

Сечений, в разработку теории логарифмов, способствовал разработке интегрального исчисления и изобретению первой вычислительной машины. В1618г начинается Тридцатилетняя война. Казна по прежнему пуста Кеплер живет случайными заработками, совершая многочисленные поездки в Регенсбург с хлопотами о выдаче жалованья. Во время одной из таких поездок Кеплер заболел и умер. В 1774г Петербургская Академия наук купила большую часть архива Кеплера.

    Этому замечательному человеку и большому ученому на его родине, в Вейле и Регенсбурге, поставлены памятнике и открыты музеи. Кеплеру суждено бессмертие в награду за его настойчивость и изобретательность, с которой он возобновлял свои попытки разгадать тайны Природы, за открытые им законы движения планет.

    В 1996г исполнилось 425 лет со дня рождения одного из величайших астрономов мира Иоганна Кеплера.

5. Механика и методология Исаака Ньютона.

    В 1987г исполнилось 300 лет со времени выхода в свет выдающегося труда профессора Кембриджского университета Исаака Ньютона «Математические начала натуральной философии».

                  В своем фундаментальном труде, содержащем в русском переводе 700 страниц, гениальный английский физик, астроном и математик изложил систему законов механики, закон всемирного тяготения, дал общий подход к исследованию различных явлений на основе «метода принципов», т.е. работа имела не только большое научное, но и большое методологическое значение. Для Ньютона было очень важно наследие его предшественников: «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов.». Среди этих гигантов в первую очередь следует назвать Галилея и Кеплера. В 27 лет он стал профессором Кембриджского университета.

    В своих работах по оптике Ньютон поставил очень важный и сложный вопрос: «Не являются ли лучи света очень мелкими частицами, испускаемыми светящимися телами?» И гипотеза истечения, а затем и корпускулярная теория, признанная безоговорочно его последователями и подкрепленная авторитетом Ньютона, господствующей в оптике 18 в. С этой теорией многие не соглашались т.к. на ее основе невозможно было объяснить интерференцию и дифракцию света. В теории света Ньютон хотел объединить корпускулярные и волновые представления. По этому поводу у Ньютона было две интересные мысли:

1.О возможном превращении тел в свет и обратно. В 1933-1934гг. были впервые открыты факты превращения электрона и позитрона в гамма-кванты (фотоны) и рождение электрона и позитрона при взаимодействии фотона с заряженными частицами. Это фундаментальное открытие современной физики элементарных частиц.

2.О влиянии тел на распространение света.

    Вершиной научного творения Ньютона являются «Начала..». Примерно два с половиной года напряженной работы стоило Ньютону подготовка первого издания «Начал..». Книга состояла из трех частей: в первых двух излагались законы движения тел, третья часть была посвящена системе Мира. К первому изданию Ньютон написал собственное предисловие, где он говорит о тенденции современного ему естествознания «подчинить  явления природы законам математики». Далее Ньютон формулирует назначение работы и задачи физики: «Сочинение это нами предлагается как математические основания физики. Вся трудность физики состоит в том, чтобы по явлениям движения распознать силы природы, а затем, по этим силам объяснить все остальные явления», с этой трудной задачей ему удалось справиться. В качестве первого закона механики Ньютон взял открытый Галилеем закон инерции, сформулировав его более строго. Ядром механики является второй закон, который связывает изменение импульса тела с действующей на него силой т.е. изменение импульса тела в единицу времени равно действующей на него силе и происходит в направлении ее действия. В третьем законе механики было отражено, что действие тел всегда носит характер взаимодействия и что силы действия и противодействия равны по величине и противоположны по направлению. Четвертым законом был закон всемирного тяготения. Высказав положение о всеобщем характере сил тяготения и одинаковой их природе на всех планетах, показав, что «вес тела на всякой планете пропорционален массе этой планете», установив эксперимент пропорциональность массы тела и его веса (сила тяжести), Ньютон делает вывод, что сила тяготения между телами пропорциональна массам этих тел.

    О том, что сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния, считали еще до Ньютона много ученых, но только Ньютон сумел логически обосновать и убедительно доказать с помощью законов  динамики и эксперимента этот всеобщий закон. Установление пропорциональности между массой и весом означало, что масса является не только мерой инертности, но и мерой гравитации.

    В третьей части книги ученый изложил общую систему Мира и небесную механику, теорию сжатия Земли у полюсов, теорию приливов и отливов, движение комет, возмущения в движении планет и т.д., основываясь на законе всемирного тяготения. Теория тяготения вызывала философские дискуссии и нуждалась в дальнейшем доказательстве. Первым стал вопрос о форме Земли. По теории Ньютона Земля была сжата у полюсов, по теории Декарта – вытянута. Споры были разрешены в результате измерения дуги земного меридиана в экваториальной зоне (Перу) и на севере (Лапландия) двумя экспедициями Парижской Академией наук. Верной оказалась теория Ньютона.

    В работах Ньютона раскрывается его методология и мировоззрение исследований. Ньютон был убежден в существовании материи, пространства и времени, в существовании объективных законов мира, доступных человеческому познанию. Своим стремлением свести все к механики Ньютон поддерживал механистический материализм (механицизм). Несмотря на свои огромные достижения в области естествознания, он глубоко верил в Бога, очень серьезно относился к религии. Он считал, что «мудрость Господня открывается одинаково в строении природы и в священных книгах. Изучать то и другое – дело благородное». Ньютон был автором «Толкования на книгу пророка Даниила», «Апокалипсиса», «Хронологии». Из этого можно сделать вывод, что для Ньютона не было конфликта между наукой и религией, в его мировоззрении уживалось и то и другое.

    Свой метод познания сам Ньютон характеризует следующим образом: «Выве6сти два или три общих принципа движения из явлений и после этого изложить, каким образом свойства и действия всех телесных вещей вытекают из этих явных принципов, было бы очень важным шагом в философии, хотя бы причины этих принципов и не были еще открыты». Под принципами Ньютон подразумевает наиболее общие законы, лежащие в основе физики.  Этот метод после был назван методом принципов, требования к исследованию Ньютон изложил в виде 4-х правил:

1.     Не должно принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений.

2.     Одинаковым явлениям необходимо приписывать одинаковые причины.

3.     Независимые и неизменные при экспериментах свойства тел, подвергнутых исследованию, надо принимать за общие свойства материальных тел.

4.     Законы, индуктивно найденные из опыта, нужно считать верными, пока им не противоречат другие наблюдения.

    Поскольку принципы устанавливаются путем исследования явлений природы, то вначале они представляют собой гипотезы, из которых путем логической дедукции получают следствия, проверяемые на практике. Поэтому метод принципов Ньютона является гипотетико-дедуктивный метод, который в современной физике является одним из основных для построения физических теорий. Метод Ньютона получил высокую оценку в методологических высказываниях многих ученых, в том числе А.Эйнштейна и С.И.Вавилова, но многие ученые также считали, что принципы и гипотезы выводятся прямо из опыта. Следовательно, прямо из опыта путем формальной логики выводится теория, которая имеет только цель связать одни опытные данные с другими.

    Очень много вопросов и споров в истории физики вызвали взгляды Ньютона на пространство и время. Ньютон исходит из того, что в практике люди познают пространство и время путем измерения пространственных отношений между телами и временных отношений между процессами. Выработанные таким путем понятия пространства и времени Ньютон называет относительными. Он допускает, что в природе существуют не зависящие от этих отношений абсолютные пространство и время, как пу4стые вместилища тел и событий. Пространство и время по Ньютону, не зависят от материи и материальных процессов, что не согласуется с представлениями физики xx века. Поскольку материя у Ньютона является инертной и неспособной к самодвижению, а пустое абсолютное пространство безразлично к материи, то в качестве первоисточника движения он признает «первый толчок», то есть Бога.

    Ньютон – этот  блестящий гений – указал, по словам Эйнштейна, пути мышления, экспериментальных исследований и практических построений, создал гениальные методы и в совершенстве владел ими, был исключительно изобретателен в нахождении математических и физических доказательств, был самой судьбой поставлен на поворотном пункте умственного развития человечества. Современная физика не отбросила механику Ньютона, она только установила границы ее применимости.

6.Успехи и трудности МКМ

    МКМ складывалась под влиянием метафизических материалистических представлений о материи и формах ее существования. Основополагающими идеями этой картины Мира являются классический атомизм и механицизм. Ядром МКМ является механика Ньютона, в любой физической теории  довольно много понятий, но есть основные, в которых проявляется специфика этой теории, ее базис, ее мировоззренческий аспект. К таким понятиям относятся: материя, движение, пространство, время, взаимодействие. Материя – это вещество, состоящее из мельчайших, далее неделимых, абсолютно твердых движущихся частиц (атомов), т.е. в МКМ были приняты дискретные представления о материи. И поэтому важнейшими понятиями в механике были понятия материальной точки и абсолютно твердого тела, материальная точка – это тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь. Абсолютно твердое тело – это система материальных точек, расстояние между которыми остается неизменным.

    Пространство. Аристотель отрицал существование пустого пространства, связывая пространство, время и движение. Атомисты же признавали атомы и пустое пространство, в котором атомы движутся. Ньютон рассматривает два вила пространства: относительное, с которым люди знакомятся путем измерения пространственных отношений между телами, и абсолютное – это пустое вместилище тел, оно не связано с временем и его свойства не зависят от наличия или отсутствия в нем материальных объектов. Оно является трехмерным, непрерывным, бесконечным, однородным, изотропным. Пространственные отношения описываются в МКМ геометрией Евклида.

    Время. Ньютон рассматривает два вида времени: относительное и абсолютное. Относительное время познают в процессе измерений. «Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему – либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностно». Таким образом, время – пустое вместилище событий, не зависящее ни от чего, оно течет в одном направлении (от прошлого к будущему), оно непрерывно, бесконечно и везде одинаково (однородно).

    Движение. В МКМ признавалось только механическое движение, т.е. изменение положения тела в пространстве с тече6нием времени. Считалось, что любое сложное движение можно представить как сумму пространственных перемещений (принцип суперпозиции). Движение любого тела объяснялось на основе трех законов Ньютона.