Билет № 16. Развитие парадигмы движения.

Развитие концепций движения, пространства и времени. Механистич концеп Ньютона. Лапл детерм и принцип причинности. https://www.studfiles.ru/preview/518222/page: 2/

Движение: абсолютного покоя нет, движение —неотъемлемое свойство материи; все течет, все изменяется и т.п.

В физике движение рассматривается в самом общем виде как изменение состояния или другой физической системы и для описа­ния состояния вводится набор измеряемых параметров, к кото­рым со времен Декарта относятся пространственно-временные координаты, или точки пространственно-временного континуу­ма, означающего непрерывное множество. В физике использу­ются и другие параметры состояния систем: импульс, энергия, температура, спин и т. п.

Время: В более строгом определении время выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого физического процесса или явления; оно универсально. Гово­рить о времени безотносительно к изменениям в каких-либо реальных телах или системах с физической точки зрения бес­смысленно.

Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равно­мерно и иначеназывается длительностью. Течение абсолютного времени изменяться не может. Относительное, кажущееся или обыденное время есть или точная, или измен­чивая постигаемая чувствами внешняя, совершаемая при посредстве какого-либо движения, мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как- то: час, день, месяц, год.

Важная особенность времени выражена в постулате времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Хотя этот постулат кажется естественным и очевидным, его ис­тинность относительна, так как его нельзя проверить на опыте даже с помощью самых совершенных, но реальных часов.

Пространство: Первое представление о пространстве возникло из очевидного существования в приро­де и в первую очередь в микромире твердых физических тел, занимающих определенный объем. Из такого представления вы­текало определение: пространство выражает порядок сосущест­вования физических тел. По аналогии с абсолютным временем Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое может быть совершенно пустым, существует независимо от наличия в нем физических тел, являясь как бы мировой сферой, где разыгрываются физические процессы. Свойства такого пространства определяются Евклидо­вой геометрией. Такое представление о пространстве и досих пор лежит в основе многих экспериментов, позволивших сделать крупные открытия.

Основные понятия классической механики: инерция, масса, сила. Законы Ньютона

В 1667г. Ньютон сформулировал три закона динамики, со­ставляющие основной раздел классической механики. Законы Ньютона играют исключительную роль в механике и являются (как и большинство физических законов) обобщением результа­тов огромного человеческого опыта.

Первый закон Ньютона: всякая материальная точка (тело) со­храняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движе­ния до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заста­вит ее изменить это состояние.

Стремление теласохранить состояние покоя или равномер­ного прямолинейного движения называется инертностью, или инерцией. Поэтому первыйзакон Ньютона называют также зако­ном инерции. Для количественной формулировки второго закона динами­ки вводятся понятия ускорения а, массы тела т и силы F. Ускорением характеризуется быстрота изменения скорости движения тела. Масса тела — физическая величина -одна из основных характеристик материи, определяющая ее инерцион­ные (инертная масса) и гравитационные (тяжелая или гравитационная масса) свойства. Сила —это векторная величина, мер механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате которого тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры.

Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом), пропорционально вызывающей его силе и обратнопропорционально массе материальной точки (тела): а=F/m

Второй закон Ньютона справедлив только в инерциальных системах отсчета. Взаимодействие между материальными точками (телами) оп­ределяется Третьим закономНьютона: всякое действие матери­альных точек (тел) друг на друга носит характер взаимодействия; силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки, всегда равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей эти точки:

F₁₂=-F₂₁

где F₁₂ — сила, действующая на первую материальную точку со стороны второй; F₂₁ — сила, действующая на вторую материаль­ную точку со стороны первой. Эти силы приложены к разным материальным точкам (телам), всегда действуют парами и явля­ются силами одной природы.

Принцип причинности и лапласовский детерминизм.

Возникло философское учение —механистический детерминизм, классическим представителем которого был Пьер Симон Лаплас (1749—1827), французский математик, физик и философ. Лапласовский детерминизм выражает идею абсолютного детерминизма —уверенность в том, что все происходящее имеет причину в человеческом понятии и есть непознанная разумом необходимость. Дальнейшее развитие физ показало, что в природе могут происходить процессы, причину кот трудно определить. Например, процесс радиоактивного распада происходит случайно. Подобные процессы происходят объективно случайно, а не потому, что мы не можем указать их причину из-за недостатка наших знаний. И наука при этом не перестала развиваться, а обогатилась новыми законами, принципами и концепциями, кот показывают ограниченность классического принципа лапласовского детерминизма.

Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое простран­ство, которое не принимает участия в передаче взаимодействия, и передача взаимодействия происходит мгновенно. Такое пред­положение составляет сущность концепции дальнодействия ..

Основоположник концепции дальнодействия — французский математик физик и философ Рене Декарт. Многие ученые при­держивались этой концепции вплоть до конца XIX в.

Экспериментальные исследования электромагнитных явле­ний показали несоответствие концепции дальнодействия физи­ческому опыту. Кроме того, она находится в противоречии с по­стулатом специальной теории относительности, в соответствии с которым скорость передачи взаимодействий тел ограничена и не должна превышать скорость света в вакууме.

Было доказано, что взаимодействие электрически заряжен­ных тел осуществляется не мгновенно и перемещение одной за­ряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другие частицы, не в тот же момент, а лишь спустя конечное время. Каждая электрически заряженная частица создает элек­тромагнитное поле, действующее на другие заряженные части­цы, т. е. взаимодействие передается через " посредника" — элек­тромагнитное поле. Скорость распространения электромагнит­ного поля равна скорости света в пустоте — примерно 300 000 км/с. Это и составляет сущность новой концепции — концепции близкодействия, которая распространяется не только на электромагнитное, но и на другие виды взаимодействий.

Не уверена. Но более ни чего не нашла.

Когда таких аномалий накапливается достаточно много, прекращается нормальное течение науки и наступает состояние кризиса, которое разрешается научной революцией, приводящей к ломке старой и созданию новой научной теории — парадигмы. Кун считает, что выбор теории на роль новой парадигмы не является логической проблемой: «Ни с помощью логики, ни с помощью теории вероятности невозможно переубедить тех, кто отказывается войти в круг. Логические посылки и ценности, общие для двух лагерей при спорах о парадигмах, недостаточно широки для этого. Как в политических революциях, так и в выборе парадигмы нет инстанции более высокой, чем согласие соответствующего сообщества». На роль парадигмы научное сообщество выбирает ту теорию, которая, как представляется, обеспечивает «нормальное» функционирование науки. Смена основополагающих теорий выглядит для ученого как вступление в новый мир, в котором находятся совсем иные объекты, понятийные системы, обнаруживаются иные проблемы и задачи: «Парадигмы вообще не могут быть исправлены в рамках нормальной науки. Вместо этого нормальная наука в конце концов приводит только к осознанию аномалий и к кризисам. А последние разрешаются не в результате размышления и интерпретации, а благодаря в какой-то степени неожиданному и неструктурному событию, подобно переключению гештальта. После этого события ученые часто говорят о «пелене, спавшей с глаз», или об «озарении», которое освещает ранее запутанную головоломку, тем самым приспосабливая ее компоненты к тому, чтобы увидеть их в новом ракурсе, впервые позволяющем достигнуть ее решения».

Таким образом, научная революция как смена парадигм не подлежит рационально-логическому объяснению, потому что суть дела в профессиональном самочувствии научного сообщества: либо сообщество обладает средствами решения головоломки, либо нет — тогда сообщество их создает. Мнение о том, что новая парадигма включает старую как частный случай, Кун считает ошибочным. Кун выдвигает тезис о несоизмеримости парадигм. При изменении парадигмы меняется весь мир ученого, так как не существует объективного языка научного наблюдения. Восприятие ученого всегда будет подвержено влиянию парадигмы. По-видимому, наибольшая заслуга Т. Куна состоит в том, что он нашел новый подход к раскрытию природы науки и ее прогресса. В отличие от К. Поппера, который считает, что развитие науки можно объяснить исходя только из логических правил, Кун вносит в эту проблему «человеческий» фактор, привлекая к ее решению новые, социальные и психологические мотивы. Книга Т. Куна породила множество дискуссий, как в советской, так и западной литературе. Одна из них подробно анализируется в статье, которая будет использована для дальнейшего обсуждения. По мнению авторов статьи, острой критике подверглись как выдвинутое Куном понятие «нормальной науки», так и его интерпретация научных революций. В критике понимания Куном «нормальной науки» выделяются три направления. Во-первых, это полное отрицание существования такого явления как «нормальная наука» в научной деятельности. Этой точки зрения придерживается Дж.

Либо:

Представления о свойствах и особенностях окружающей нас природы возникают на основе тех знаний, которые в каждый исторический период дают нам разные науки, изучающие различные процессы и явления природы.

Поскольку природа представляет собой нечто единое и целое, постольку и знания о ней должны иметь целостный характер, т.е. представлять собой определенную систему. Такую систему научных знаний о природе издавна называют естествознанием. Раньше в естествознание входили все сравнительно немногочисленные знания, которые были известны о природе, но уже с эпохи Возрождения возникают и обособляются отдельные его отрасли и дисциплины, начинается процесс дифференциации научного знания. Ясно, что не все эти знания являются одинаково важными для понимания природы.

Чтобы подчеркнуть фундаментальный характер основных и важнейших знаний о природе, ученые ввели понятие научной картины мира, под которой понимают систему важнейших принципов и законов, лежащих в основе окружающего нас мира. Сам термин " картина мира" указывает, что речь идет здесь не о части или фрагменте знания, а о целостной системе. Как правило, в формировании такой картины наиболее важное значение приобретают концепции и теории, наиболее развитых в определенный исторический период отраслей естествознания, которые выдвигаются в качестве его лидеров. Не подлежит сомнению, что лидирующие науки накладывают свою печать на представления и научное мировоззрение ученых соответствующей эпохи. Но это отнюдь не означает, что другие науки не участвуют в формировании картины природы. В действительности она возникает как результат синтеза фундаментальных открытий и результатов исследования всех отраслей и дисциплин естествознания.

Существующая картина природы, рисуемая естествознанием, в свою очередь оказывает воздействие на другие отрасли науки, в том числе и социально-гуманитарные. Такое воздействие выражается в распространении концепций, стандартов и критериев научности естествознания на другие отрасли научного познания. Обычно именно концепции и методы наук о природе и научная картина мира в целом в значительной степени определяют научный климат эпохи. В теснейшем взаимодействии с развитием наук о природе начиная с XVI в. развивалась математика, которая создала для естествознания такие мощные математические методы, как дифференциальное и интегральное исчисления.

Однако без учета результатов исследования экономических, социальных и гуманитарных наук наши знания о мире в целом будут заведомо неполными и ограниченными. Поэтому следует различать научную картину мира, которая формируется из достижений и результатов познания наук о природе, и картину мира в целом, в которую в качестве необходимого дополнения входят важнейшие концепции и принципы общественных наук.

В рамках дисциплины " Концепции современного естествознания" рассматривается научная картина природы такой, какой она исторически сформировалась в процессе развития естествознания. Однако еще до появления научных представлений о природе люди задумывались об окружающем их мире, его строении и происхождении. Такие представления вначале выступали в форме мифов и передавались от одного поколения к другому. Согласно древнейшим мифам, весь видимый упорядоченный и организованный мир, который в античности назывался космосом, произошел из дезорганизованного мира, или неупорядоченного хаоса.

В античной натурфилософии, в частности у Аристотеля (384 — 322 до н. э.), подобные взгляды нашли свое отражение в делении мира на совершенный небесный космос и несовершенный земной мир. Сам термин " космос" обозначал у древних греков всякую упорядоченность, организацию, совершенство, согласованность и даже военный строй. Именно такое совершенство и организованность приписывались небесному миру.

С появлением экспериментального естествознания и научной астрономии в эпоху Возрождения была показана явная несостоятельность подобных представлений. Новые взгляды на окружающий мир стали основываться на результатах и выводах естествознания соответствующей эпохи и стали, поэтому называться научной картиной мира.

Одной из первых возникла механистическая картина мира, поскольку изучение природы началось с анализа простейшей формы движения материи — механического перемещения 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 Галилея в том, что он впервые применил для исследования природы экспериментальный метод вместе с измерениями исследуемых величин и математической обработкой результатов измерений. Если эксперименты спорадически ставились и раньше, то математический их анализ впервые систематически стал применять именно он.

Новое экспериментальное естествознание в отличие от натурфилософских догадок и умозрений прошлого стало развиваться в тесном взаимодействии теории и опыта, когда каждая гипотеза или теоретическое предположение систематически проверяются опытом и измерениями. Именно благодаря этому Галилею удалось опровергнуть прежнее предположение, высказанное еще Аристотелем, что путь падающего тела пропорционален его скорости. Предприняв эксперименты с падением тяжелых тел (пушечных ядер), Галилей убедился, что этот путь пропорционален их ускорению, равному 9, 81метру в секунду за секунду.

Из астрономических достижений Галилея следует отметить открытие спутников Юпитера, а также обнаружение пятен на Солнце и гор на Луне, что подрывало прежнюю веру в совершенство небесного космоса.

Новый крупный шаг в развитии естествознания ознаменовался открытием законов движения планет. Если Галилей имел дело с изучением движения земных тел, то немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571—1630) осмелился исследовать движения небесных тел, вторгся в область, которая раньше считалась запретной для науки.

Формирование классической механики и основанной на ней механистической картины мира происходило по двум направлениям:

1) обобщение полученных ранее результатов и прежде всего законов движения свободно падающих тел, открытых Галилеем, а также законов движения планет, сформулированных Кеплером;

2) создание методов для количественного анализа механического движения в целом.

Известно, что Ньютон создал свой вариант дифференциального и интегрального исчисления непосредственно для решения основных проблем механики: определения мгновенной скорости как производной от пути по времени движения и ускорения как производной от скорости по времени или второй производной от пути по времени. Благодаря этому ему удалось точно сформулировать основные законы динамики и закон всемирного тяготения.

Теперь количественный подход к описанию движения кажется чем-то само собой разумеющимся, но в XVIII в. это было крупнейшим завоеванием научной мысли. Для сравнения достаточно отметить, что китайская наука, несмотря на ее несомненные достижения в эмпирических областях (изобретение пороха, бумаги, компаса и другие открытия), так и не смогла подняться до установления количественных закономерностей движения. Решающую же роль в становлении механики сыграл, как уже отмечалось, экспериментальный метод, который обеспечил возможность проверять все догадки, предположения и гипотезы с помощью тщательно продуманных опытов.

Уже в прошлом веке физики дополнили механистическую картину мира электромагнитной. Электрические и магнитные явления были известны им давно, но изучались обособленно друг от друга. Дальнейшее их исследование показало, что между ними существует глубокая взаимосвязь, что заставило ученых искать эту связь и создать единую электромагнитную теорию.

Датский ученый Эрстед (1777—1851), поместив над проводником, по которому идет электрический ток, магнитную стрелку, обнаружил, что она отклоняется от первоначального положения. Это привело ученого к мысли, что электрический ток создает магнитное поле. Позднее английский физик Майкл Фарадей (1791 — 1867), вращая замкнутый контур в магнитном поле, открыл, что в нем возникает электрический ток.

На основе опытов Фарадея и других ученых английский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831 — 1879) создал свою электромагнитную теорию. Таким путем было показано, что в мире существует не только вещество в виде тел, но и разнообразные физические поля. Одно из них было известно и во времена Ньютона и теперь называется гравитационным полем, а раньше рассматривалось просто как сила притяжения, возникающая между материальными телами.

После того как объектом изучения физиков наряду с веществом стали разнообразные поля, картина мира приобрела более сложный характер. Тем не менее, это была картина классической физики, которая изучала знакомый нам макромир. Положение коренным образом изменилось, когда ученые перешли к исследованию процессов в микромире. Здесь их ожидали новые необычайные открытия и явления.

В конце прошлого и начале нынешнего века в естествознании были сделаны крупнейшие открытия, которые коренным образом изменили наши представления о картине мира. Прежде всего, это открытия, связанные со строением вещества, и открытия взаимосвязи вещества и энергии. Если раньше последними неделимыми частицами материи, своеобразными кирпичиками, из которых состоит природа, считались атомы, то в конце прошлого века были открыты электроны, входящие в состав атомов. Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишенных заряда частиц).

Еще более радикальные изменения в учении о пространстве и времени произошли в связи с созданием общей теории относительности, которую нередко называют новой теорией тяготения, принципиально отличной от классической ньютоновской теории. Эта теория впервые ясно и четко установила связь между свойствами движущихся материальных тел и их пространственно-временной метрикой. Теоретические выводы из нее были экспериментально подтверждены во время наблюдения солнечного затмения.

Согласно предсказаниям этой теории, луч света, идущий от далекой звезды и проходящий вблизи Солнца, должен отклониться от своего прямолинейного пути и искривиться, что и было подтверждено наблюдениями. Общая теория относительности показала глубокую связь между движением материальных тел, а именно тяготеющих масс и структурой физического пространства - времени.

Революционные преобразования в естествознании означают коренные, качественные изменения в концептуальном содержании его теорий, учений и научных дисциплин. Эти преобразования показали, что развитие науки отнюдь не сводится к простому накоплению и даже обобщению фактов, т. е. к тому, что называют кумулятивным процессом. Факты всегда стремятся объяснить с помощью гипотез и теорий. В каждый определенный период выдвигается наиболее общая или фундаментальная теория, которая служит парадигмой, или образцом для объяснения фактов известных и предсказания фактов неизвестных. Такой парадигмой в свое время служила теория движения земных и небесных тел, построенная Ньютоном, поскольку на нее опирались все ученые, изучавшие конкретные механические процессы. Точно так же все исследователи, изучавшие электрические, магнитные, оптические и радиоволновые процессы, основывались на парадигме электромагнитной теории, которую построил Д.К. Максвелл.

Понятие парадигмы, которое ввел американский ученый Томас Кун (1922—1996) для анализа научных революций, подчеркивает важную их особенность - смену прежней парадигмы новой, переход к более общей и глубокой теории исследуемых процессов. Однако Т.Кун оставил без объяснения и анализа вопрос о формировании самой парадигмы. По его мнению, развитие науки можно разделить на два этапа:

- нормальный, когда ученые заняты применением парадигмы к решению конкретных проблем частного, специального характера (так называемых головоломок);

- экстраординарный, связанный с поиском новой парадигмы.

При таком подходе новая парадигма оказывается никак не связанной с прежними исследованиями и поэтому ее возникновение остается необъясненной. В действительности же, как видно из примеров аномальных фактов, т. е. фактов, противоречащих парадигме, процесс анализа, критического осмысления и оценки существующей парадигмы происходит уже на стадии нормальной науки. Поэтому резкое и тем более абсолютное противопоставление указанных этапов развития науки — совершенно необоснованно, и оно встретило убедительную критику со стороны многих видных ученых.