Исторические этапы познания природы

По мнению историков науки в развитии естествознания различают 4 этапа:

1. Натурфилософский (доклассический) – 6 в. до н.э-2 в.н.э.

2. аналитический (классический)–16-19 в.в.)

3. синтетический (неклассический) – конец 19 века - 20 век

4. интегрально - дифференциальный (постнеклассический) - конец 20 века - начало 21 века.

В первобытную эпоху происходило накопление стихийно-эмпирических знаний о природе.

Сознание человека этой эпохи было двухуровневым:

· уровень обыденного повседневного знания;

· уровень мифотворчества как формы систематизации повседневного знания.

Формирование первой научной картины мира происходит в древнегреческой культуре - натурфилософская картина мира.

К наиболее значительным открытиям Эпохи Возрождения относятся: экспериментальное изучение законов движения планет, создание гелиоцентрической системы мира Н. Коперника, изучение законов падения тел, закон инерции и принцип относительности Галилея.

Вторая половина 17 века - законы механики и закон всемирного тяготения Ньютона.

Идеалом научного познания в XVII-XIX веках была механика.

В 17-18 в.в. в математике разрабатывается теория бесконечно малых величин (Ньютон, Лейбниц), Р. Декарт создает аналитическую геометрию, М.В. Ломоносов – молекулярно-кинетическое учение. Широкую популярность завоевывает космогоническая теория Канта-Лапласа, что способствует внедрению идеи развития в естественные, а затем и в общественные науки.

К рубежу XVIII - XIX вв. частично прояснилась природа электричества (закон Кулона).

В конце 18- первой половине 19 в. в геологии возникает теория развития Земли (Ч. Лайель), в биологии зарождается эволюционная теория Ж.Б. Ламарка, развиваются такие науки, как палеонтология (Ж.Кювье) и эмбриология (К.М. Бэро).

В 19 в. были созданы клеточная теория Шванна и Шлейдена, эволюционное учение Дарвина, Периодическая система элементов Д.И. Менделеева, электромагнитная теория Максвелла.

К выдающимся экспериментальным открытиям в физике в конце 19 века относятся: открытие электрона, делимости атома, экспериментальное обнаружение электромагнитных волн, открытие рентгеновских лучей, катодных лучей и др.

ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

Слово "физика" появилось еще в древние времена. В переводе с греческого оно означает "природа".

Физика является основой всех естественных наук.

Физика - наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира.

В современном представлении:

• самое простое - так называемые первичные элементы: элементарные частицы, поля, атомы, молекулы, и т.п.
• наиболее общие свойства материи - движение, пространство и время, масса, энергия и др.

Конечно, физика изучает и очень сложные явления и объекты. Но при изучении сложное сводится к простому, конкретное - к общему.

К наиболее общим, важным фундаментальным концепциям физического описания природы относится материя, движение, пространство и время.

Материя (лат. Materia – вещество) это философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них”. (Ленин В.И. Полное собрание сочинений. Т.18. С.131.)

Одно из современных определений материи:

Материя – бесконечное множество всех сосуществующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств и связей, отношений и форм движения.

В основе современных научных представлений о строении материи лежит идея ее сложной системной организации.

На современном этапе развития естествознания исследователи различают следующие

виды материи: вещество, физическое поле и физический вакуум.

Вещество– основной вид материи, обладающий массой покоя (элементарные частицы, атомы, молекулы и то, что из них построено);

Физическое поле - особый вид материи, обеспечивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем (электромагнитное, гравитационное).

Физический вакуум – не пустота, а особое состояние материи, это низшее энергетическое состояние квантового поля. В нем постоянно происходят сложные процессы, связанные с непрерывным появлением и исчезновением так называемых "виртуальных " частиц.

Различие вещества и поля не является абсолютным и при переходе к микрообъектам ярко обнаруживается его относительность

Современная наука выделяет в мире три структурных уровня.

Микромир – это молекулы, атомы, элементарные частицы, мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10^-8 до 10^-16 см, а время жизни — от бесконечности до 10^-24 с.

Макромир — мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта, пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, годах.

Мегамир— это планеты, звезды, галактики, Вселенная, мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет.

И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро- , макро - и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.

Механистическая картина мира (МКМ)

Первая естественнонаучная картина мира сформировалась на основе изучения простейшей, механической формы движения материи. Она исследует законы перемещения земных и небесных тел в пространстве и времени. В дальнейшем, когда эти законы и принципы были перенесены на другие явления и процессы, они стали основой механистической картины мира.
Анализ физических явлений макромира базируется на концепции классической механики.

Созданием классической механики наука обязана Ньютону, но почву для него подготовили Галилей и Кеплер.

Классическая механика описывает движения макротел при скоростях намного меньших, чем скорость света.

Раньше других разделов механики стала развиваться статика (учение о равновесии) (античность, Архимед: «дайте мне точку опоры и я переверну Землю»).

В XVII в. были созданы научные основы динамики (учение о силах и их взаимодействии), а с ней и всей механики.

Основоположником динамики считают Г. Галилея.

Галилео Галилей (1564-1642). Один из основателей современного естествознания Ему принадлежат: доказательство вращения Земли, открытие принципа относительности движения и закона инерции, законов свободного падения тел и их движения по наклонной плоскости, законов сложения движений и поведения математического маятника. Он же изобрел телескоп и с его помощью исследовал ландшафт Луны, обнаружил спутники Юпитера, пятна на Солнце и фазы Венеры.

В учении Г. Галилея были заложены основы нового механистического естествознания. Ему принадлежит выражение «Книга природы написана на языке математики». Ввел понятие «мысленный эксперимент».

Главная заслуга Галилея в том, что он впервые применил для исследования природы экспериментальный метод вместе с измерениями исследуемых величин и математической обработкой результатов измерений.

Самая фундаментальная проблема, остававшаяся в течение тысячи лет неразрешимой из-за сложности – это проблема движения (А. Эйнштейн).

До Галилея общепринятым в науке считалось понимание движения, выработанное Аристотелем и сводившееся к следующему принципу, тело движется только при наличии внешнего на него воздействия, и если это воздействие прекращается, тело останавливается. Галилей показал, что этот принцип Аристотеля ошибочен. Вместо него Галилей сформулировал совершенно иной принцип, получивший впоследствии наименование принципа (закона) инерции.

Закон инерции (первый закон механики Ньютона): материальная точка, когда на нее не действуют никакие силы (или действуют силы взаимно уравновешенные), находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.

Инерциальная система - система отсчета, в которой справедлив закон инерции.

Принцип относительности Галилея - Во всех инерциальных системах применимы одни и те же законы механики. Никакими механическими опытами, проводящимися в какой-то инерциальной системе отсчета, нельзя определить, покоится данная система или движется равномерно и прямолинейно.

Галилей писал: "…в каюте корабля, движущегося равномерно и без качки, вы не обнаружите ни по одному из окружающих явлений, ни по чему-либо, что станет происходить с вами самими, движется ли корабль или стоит неподвижно".

Переводя на сегодняшний язык, понятно, что если вы спите на 2-й полке движущегося равномерно вагона, то вам трудно понять, едете ли вы или просто вас покачивает. Но… как только поезд затормозит (неравномерное движение с отрицательным ускорением!) и вы слетите с полки, …то вы четко скажете – мы ехали.

Создание основ классической механики завершается трудами И. Ньютона, сформулировавшего главные ее законы и открывшего закон всемирного тяготения в труде «Математические начала натуральной философии» (1687 г.)

Среди открытий Ньютона (1643-1727): знаменитые законы динамики, закон всемирного тяготения, создание (одновременно с Лейбницем) новых математических методов - дифференциального и интегрального исчислений, ставших фундаментом высшей математики; изобретение телескопа-рефлектора, открытие спектрального состава белого света и др.

Законы механики И. Ньютона

1. всякое тело сохраняет состояние покоя или прямолинейного равномерного движения до тех пор, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил (это принцип инерции, впервые сформулированный еще Галилеем);
2. ускорение (a), приобретаемое телом под действием какой-то силы (f ) прямо пропорциональноэтой силе и обратно пропорционально массе тела (m);

a = f/m

1. действия двух тел друг на друга всегда равны по величине и направлены в противоположные стороны (это закон равенства действия и противодействия).

f₁=- f₂

Большое значение для понимания явлений макромира имеет теория тяготения Ньютона. Окончательная формулировка закона всемирного тяготения была сделана в 1687 г.

Закон тяготения Ньютона:

две любые материальные частицы притягиваются по направлению друг к другу с силой прямо пропорциональной произведению масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

F=G.(m₁.m₂/r²)

На поверхность Земли все тела падают под влиянием ее поля тяготения с одинаковым ускорением свободного падением g=9,8 м/сек².

Ключевыми в физике Ньютона являются понятия абсолютного пространства и абсолютного времени, которые представляют собой как бы вместилища материальных тел и процессов и не зависят не только от этих тел и процессов, но и друг от друга.

Итак, основные идеи классической механики таковы:

1. есть тела, которые следует наделить свойством массы;
2. массы притягиваются друг к другу (закон всемирного тяготения);
3. тела могут сохранять свое состояние — покоиться или двигаться равномерно, не меняя своего направления движения (закон инерции, он же принцип относительности);
4. при действии на тела сил они изменяют свое состояние: либо ускоряются, либо замедляются (второй закон динамики Ньютона);
5. действие сил вызывает обратное равное ему противодействие (третий закон Ньютона).

Результатом развития классической механики явилось создание единой механистической картины мира, господствовавшей со второй половины 17 века вплоть до научной революции на рубеже 19 и 20 столетий.

Механика в это время рассматривалась как универсальный метод познания окружающих явлений и эталон всякой науки вообще. Механика – лидер естествознания в этот период.

Классическая механика представляла мир в виде гигантского механизма, четко функционирующего на основе ее вечных и неизменных законов

Это приводило к стремлению к завершенной системе знаний, фиксирующей истину в окончательном виде.

В этом абсолютно предсказуемом мире и живой организм понимался как механизм.

Основные научные положения механистической картины мира:

1. Единственная форма материи – вещество, состоящее из дискретных частиц (корпускул) конечных объемов, единственная форма движения — механическое перемещение в пустом трехмерном пространстве;

2. абсолютное пространство и абсолютное время;

3. три закона динамики Ньютона управляют движениями тел;

4. четкая причинно-следственная связь событий (так называемый лапласовский детерминизм), отрицание случайности;

5. уравнения динамики обратимы во времени, т. е. для них безразлично, куда развивается процесс из настоящего времени — в будущее или прошлое.

Классическая механика дала четкие ориентиры в понимании фундаментальных категорий — пространства, времени и движения материи.

Электромагнитная картина мира (ЭМКМ)

В предисловии к своему знаменитому труду «Математические начала натуральной философии» И. Ньютон высказал следующую установку на будущее: Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы...

Многие естествоиспытатели вслед за Ньютоном старались объяснить исходя из начал механики самые различные природные явления. В торжестве законов Ньютона, считавшихся всеобщими и универсальными, черпали веру в успех ученые, работавшие в астрономии, физике, химии.

Как очередное подтверждение ньютоновского подхода к вопросу об устройстве мира, было первоначально воспринято физиками открытие, которое сделал французский военный инженер, Шарль Огюст Кулон (1736-1806). Оказалось, что положительный и отрицательный электрические заряды притягиваются друг к другу прямо пропорционально величине зарядов и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.

Работы в области электромагнетизма положили начало крушению механистической картины мира.

В 19 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.

Английский химик и физик Майкл Фарадей (1791-1867) ввел в науку в 30 г. 19 в. понятие физического поля (электромагнитного поля). Ему удалось показать опытным путем, что между магнетизмом и электричеством существует прямая динамическая связь. Тем самым он впервые объединил электричество и магнетизм, признал их одной и той же силой природы. В результате в естествознании начало утверждаться понимание того, что кроме вещества, в природе существует еще и поле.

По мнению Фарадея, активная и постоянно движущаяся материя не может быть представлена в виде атомов и пустоты, материя непрерывна, атомы есть лишь сгустки силовых линий поля.

Электромагнитное поле - это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрическими заряженными частицами.

Математическую разработку идей Фарадея предпринял выдающийся английский ученый Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879). Он во второй половине 19 в. на основе опытов Фарадея разработал теорию электромагнитного поля.

Введение Фарадеем понятия «электромагнитного» поля и математическое определение его законов, данное в уравнениях Максвелла, явились самыми крупными событиями в физике со времен Галилея и Ньютона.

Но потребовались новые результаты, чтобы теория Максвелла стала достоянием физики. Решающую роль в победе максвелловской теории сыграл немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857-1894). В 1887 г. Г. Герц экспериментально обнаружил электромагнитные волны.

Он смог также доказать принципиальную тождественность полученных им электромагнитных переменных полей и световых волн.

После экспериментов Герца в физике утвердилось понятие поля как объективно существующей физической реальности. Таким образом, к концу XIX в. физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля. Вещество и поле различаются по физическим характеристикам: частицы вещества обладают массой покоя, а частицы поля – нет. Вещество и поле различаются по степени проницаемости: вещество малопроницаемо, а поле проницаемо полностью. Скорость распространения поля равна скорости света, а скорость движения частиц на несколько порядков меньше.

Позднее в ходе исследования микромира положение о веществе и поле как самостоятельных независимых друг от друга видах материи было поставлено под сомнение.

На этапе развития классической механики подразумевалось, что взаимодействие тел (напр. гравитационное) происходит мгновенно. Использовался принцип дальнодействия.

Дальнодействие - взаимодействие тел в физике, которое может осуществляться мгновенно непосредственно через пустое пространство.

Близкодействие - взаимодействие физических тел посредством тех или иных полей, непрерывно распределенных в пространстве.

Теория относительности А.Эйнштейна (1879-1955).

Из преобразований Галилея следует, что при переходе от одной инерциальной системы к другой такие величины как время, масса, ускорение, сила остаются неизменными, т.е. инвариантными, что и отражено в принципе относительности Г. Галилея.

После создания теории электромагнитного поля и экспериментального доказательства его реальности перед физикой встала задача выяснить, распространяется ли принцип относительности движения (сформулированный в свое время еще Галилеем) на явления, присущие электромагнитному полю.

Принцип относительности Галилея был справедлив для механических явлений. Во всех инерциальных системах (т.е. движущихся прямолинейно и равномерно друг по отношению к другу) применимы одно и те же законы механики. Но справедлив ли этот принцип, установленный для механических движений материальных объектов, для немеханических явлений, особенно тех, которые представлены полевой формой материи, в частности электромагнитных явлений?

Большой вклад в решение этого вопроса внесли исследования природы света и законов его распространения. В результате опытов Майкельсона в конце 19 в. было установлено, что скорость света в вакууме всегда одинакова (300000 км/cек) во всех системах отсчета и не зависит от движения источника и приемника света.