Физика и её предмет. Физическая картина мира

2.1. Предмет физики

Физика – наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи, законы её движения.

Слово «физика» древнегреческого происхождения, означает «природа». Одно из первых изложений природоведения в систематизированном виде было дано Аристотелем[33] в его натурфилософском сочинении «Физика» (8 книг). В те времена под физикой понимали всю совокупность знаний о природных явлениях.

Физика, зародившаяся в недрах натурфилософии и став в Новое время первой экспериментальной наукой, составляет ныне основу естествознания. На её стыке с другими естественными науками впоследствии возникли биофизика, астрофизика, геофизика, физическая химия и др.

Вместе с тем, физика выросла из потребностей техники (например, развитие механики у древних греков было вызвано запросами строительной и военной техники того времени). Техника, в свою очередь, определяет направление физических исследований (так, задача создания экономичных тепловых двигателей стимулировала бурное развитие термодинамики). С другой стороны, от развития физики зависит технический уровень производства. Физика – основная база для создания наукоемких технологий и новых технических средств производства.

Физика тесно связана с философией. Крупные открытия в области физики (закон сохранения и превращения энергии, второе начало термодинамики, соотношение неопределенностей и др.) становились ареной острых философских дискуссий, почвой для рождения новых философских идей. Изучение открытий и их философское обобщение играют большую роль в формировании естественно - научного мировоззрения.

В процессе развития физики представления о материи менялись дважды: сначала был совершен переход от атомистических (корпускулярных) представлениях о материи (материя прерывна, дискретна) к полевым (континуальным представлениям (материя непрерывна); затем континуальные представления о материи были заменены квантовыми представлениями (материя и прерывна и непрерывна, т.е. ей присущ корпускулярно-волновой дуализм). Представления же о пространстве и времени менялись единожды: классические (субстанциональные) представления (пространство и время абсолютны, независимы друг от друга и от свойств материальных объектов) были заменены релятивистскими представлениями (пространство и время относительны, образуют единый континуум, свойства которого зависят от материальных объектов).

В основе физики, как и всей науки вообще, лежат некоторые фундаментальные принципы. Физика, прежде всего, является экспериментальной наукой и в своём развитии опирается на экспериментальные факты. В свою очередь, в качестве факта, на основе которого в дальнейшем можно строить те или иные теоретические выводы, признаётся лишь такое утверждение, такой экспериментальный результат, который воспроизведён в ряде независимых лабораторий и разными людьми.

Физика как наука состоит не только из экспериментальных фактов. Есть и вторая, дополняющая первую сторона – обобщение фактов и построение разного рода теорий.

Физическая теория проявляется либо как результат обобщения большого числа фактов, либо как результат интуитивного скачка. Однако и в том, и в другом случаях теория признаётся научным сообществом правильной только тогда, когда её построения подчиняются чётким правилам логики, а также когда логические выводы из интуитивно высказанного утверждения приводят к полностью согласующимся с многочисленными экспериментальными результатами. Так, например, закон Кулона является прямым следствием формально-логической обработки результатов экспериментов с крутильными весами. Второй же закон Ньютона «вывести» на основании одиночного или нескольких экспериментов вообще нельзя. Тем не менее, множество полученных из него строго логическим путём совпадающих с экспериментами следствий убеждают всех в его правильности и адекватности природе.

2.2. Понятие о физической картине мира

Естествознание, возникшее в ходе научной революции в XVI-XVII вв., долгое время было связано с развитием физики.

Многие принципы накопления знаний современной физики имеют и общенаучное значение, являясь универсальными схемами для научного познания вообще. Причина здесь в том, что физика как наука об относительно простых явлениях, не сопоставимых, например, с явлениями истории или психологии, позволяет заметить нечто важное и общее на значительно более простых и наглядных примерах. В этом и заключается её всеобщее значение.

 Ф изическая картина мира (ФКМ) ‑ представление об универсуме[34], о мире и его процессах, выработанное физикой на основе эмпирического и теоретического познания, определяющее стиль физического мышления на данном историческом этапе развития физики.

ФКМ, сложившаяся в XVII в., стала в истории естествознания первой конкретно-научной картиной мира.

В ФКМ отражается господствующая на тот или иной исторический момент физическая парадигма: в античное время ‑ это космоцентризм (геоцентризм Птолемея[35]), в XVI ‑ XVII вв. ‑ гелиоцентризм и механицизм Галилея ‑ Ньютона, в начале XX в. ‑ атомизм, позднее – динамизм и энергетизм, во второй половине XX в. – неразрывность пространственно ‑ временного многообразия (ОТО А.Эйнштейна) и корпускулярно ‑ волновой дуализм свойств материи (квантовая механика). То есть физика развивается как эволюционным путем (в пределах данной ФКМ), так и путем замены ФКМ. Смена ФКМ означает революцию в физике. В основе ФКМ лежат конкретные физические представления о материи и движении, пространстве и времени, причинности, взаимодействии и т.п.

Можно выделить четыре исторических этапа развития физики и, соответственно, существование трёх конкретно-исторических ФКМ:

1) Механическая и термодинамическая картины мира (XVI – первая половина XIX вв.);

2) Электромагнитная картина мира (вторая половина XIX в.);

3) Квантово-полевая картина мира (начало – конец XX в.).

ФКМ постепенно утрачивает наглядность, модельный вид, качественные различия все более сводились к количественным различиям. Современная ФКМ состоит из уравнений, трудных для понимания «непосвященных», она не является более «картиной». Прежде всего, стало совершенно абстрактным понятие материальной действительности. Согласно Планку, прогрессирующее удаление физической «картины» мира от мира чувственного означает не что иное, как увеличивающееся приближением от ранее идеальной (абсолютизированной) к реальной действительности, к физическому миру, трансцендентному[36] по отношению к переживаниям.

2.2.1. Механическая картина мира

Удовлетворение социальных потребностей общества в XVI ‑ XVII вв. было связано с развитием механики. Поэтому первым этапом ФКМ стала механическая картина мира (МКМ), созданная в XVII в. и определившая развитие естественных наук на протяжении  нескольких  столетий.

2.2.1.1. Становление механической картины мира

Эпоха средневековья плавно перетекает в Новое время (XYI ‑ XYIII вв.). Это начало промышленного освоения природы и время зарождения техногенной цивилизации. Оно характеризуется интенсивной урбанизацией, невероятно быстрой индустриализацией, зарождением классической науки и укреплением ее позиций. В промышленность внедряются машины и механизмы, заменяющие физический труд человека. Строятся первые механические и паровые двигатели. В результате череды социальных революций осуществляются глубокие преобразования в обществе, происходит демократизация политических структур, в общественном сознании закрепляется идеал ‑ образ человека, рационального, умеренного и аккуратного, одной из важнейших целей которого является получение денег и прибыли. На этом социально - культурном фоне и происходит развитие науки, она приобретает современные черты, окончательную огранку получает научный метод исследования, набирают силу процессы дифференциации и диверсификации[37], закладывается структура естествознания. Удовлетворение социальных потребностей общества было связано с развитием механики, которая в XYIII в. и превратила эпоху пара и машины в «Новое время».

Весь ученый физический мир занимается проблемами механики: И.Ньютон, Х.Гюйгенс[38], Р.Гук[39]. Х.Гюйгенс, продолжая исследования Галилея, изучил колебательное движение тел и его законы. И первыми механическими часами человечество обязано тоже ему. Р.Гук изучал особенности деформации твердых тел, что имело важно значение для развивающейся техники. Свою завершенность механика получила в работах И.Ньютона.

Восторгаясь гением Ньютона, его современник английский поэт А.Поуп[40] восторженно писал:

«Природы строй, её закон

В известной тьме таился,

И Бог сказал: «Явись Ньютон!»

И всюду свет разлился».

Действительно, мир, малопонятный ранее, представлявшийся людям как скопище разрозненных и несвязанных явлений, теперь предстал как стройное, единое, упорядоченное целое, в котором действуют строгие законы, объединяющие разнородные явления. Казалось, всё стало ясным в мире.

Хотя в окончательном виде классическая механика была создана И.Ньютоном, но почву для дальнейшей его разработки подготовили Галилей[41] и Кеплер[42].

В своем исследовании проблем механики Ньютон опирался, прежде всего, на открытый Галилеем принцип инерции и закон свободного падения тел. Становление классической механики происходило по двум основным направлениям:

1) обобщение полученных ранее результатов и прежде всего закона свободного падения тел Галилея и законов движения планет Кеплера;

2) разработка математических методов описания процесса механического движения и количественного определения понятий скорости, ускорения, количества движения, пройденного пути и других величин.

Не менее важную роль в становлении механики сыграл экспериментальный метод.

Ньютону впервые удалось осуществить грандиозный синтез, объединив в рамках единой теории явления и процессы, происходящие на Земле и во Вселенной. Прежнее противопоставление небесного мира миру земному, свойственное античности и средним векам, сменилось признанием взаимосвязи и единства между ними: все они подчиняются общим законам движения. Среди них важнейшую роль играет закон всемирного тяготения, который показывает, что и мельчайшие атомы, и гигантские небесные тела управляются силой гравитации.

Свою окончательную огранку МКМ получила к концу XVIII в. в работах И.Бернулли[43], Д.Бернулли[44], Л.Эйлера[45], Ж.Лагранжа[46], Ж.Д.Аламбера[47], Г.Лейбница[48], П.Лапласа[49] и др.

МКМ состоит из ряда элементов, содержащих представление науки той эпохи о материи, движении, взаимодействии, пространстве и времени, причинности и закономерности.

2.2.1.2. Фундаментальные представления механической картины мира

1) Представления о материи

Материя существует в форме вещества, состоящего из неделимых и неизменных атомов (корпускул[50], по Ньютону). Из неизменности атомов следовало, что и свойства тел неизменны.

Т.о., дискретность можно рассматривать как конечную делимость материи на отдельные, все уменьшающиеся части. Ещё античные греки поняли, что такая делимость не может продолжаться бесконечно. Ибо тогда исчезнет сама материя. Поэтому они выдвинули предположение, что последними неделимыми частицами материи являются атомы.

2) Представления о движении

Мир есть движущаяся материя, и все виды движения сводятся к механическому перемещению.

Тела природы обладают внутренним свойством двигаться прямолинейно и равномерно, различаются массой и энергией. Все тела природы стремятся к устойчивому состоянию с минимумом энергии. Законы сохранения обеспечивают вечность и неизменность мира, непрерывность и периодичность движения. Энергия, импульс и момент количества движения тела могут принимать непрерывный ряд значений.

Вечное движение происходит в пространстве, заполненном гипотетической упругой средой – эфиром[51] (подобной легкому газу), благодаря которому осуществляется их дальнодействие[52].

3) Представления о пространстве и времени

Пространство и время есть некие абсолютные сущности, существующие независимо от материи и движения.

Пустое пространство есть вместилище тел. Оно абсолютно, трехмерно, однородно и изотропно. Время абсолютно, однородно, однонаправлено и необратимо. Пространство и время не связаны между собой. Положение тела в пространстве в любой момент времени можно указать с помощью системы отсчета. Специальные преобразования позволяют перейти от одной инерциальной системы отсчета к другой.

Понятие о системе отсчёта

Одним из фундаментальных представлений физики является понятие системы отсчета, которое сформировалось первоначально в классической механике.

Система отсчета – это совокупность системы координат и часов, связанных с телом, по отношению к которому изучается движение (телом отсчета).

Движение одного и того же тела относительно систем отсчета может иметь различный характер. Выбор системы отсчета зависит от целей исследования и удобства описания движения в данной системе. Роль удачного выбора системы отсчета можно проиллюстрировать следующим историческим примером: древнегреческий астроном К.Птолемей считал Землю центром Вселенной и рассматривал движение планет относительно Земли. Траектории движения планет оказались очень сложными; причины этой сложности были непонятны. Они прояснились, когда Н.Коперник связал систему отсчета с Солнцем. При этом орбиты планет получились близкими к круговым.

В механике преимущественную роль играют инерциальные системы отсчета (ИСО), по отношению к которым уравнения движения имеют более простой вид.

Система отсчета, в которой справедлив первый закон Ньютона, называется инерциальной.

Всякая система отсчета, движущаяся по отношению к ИСО поступательно, равномерно и прямолинейно, есть также ИСО. Т.о., ИСО бесконечное множество. Законы Ньютона, как и другие законы механики, строго выполняются лишь в ИСО.

Сам Ньютон связывал ИСО с абсолютным пространством, назвав её абсолютной. Создатели классической электродинамики Фарадей, Максвелл, а затем и Лоренц связывали эту абсолютную систему отсчета с неподвижным, невидимым мировым эфиром, заполняющим пространство Вселенной.

Для механической картины мира в целом характерна симметрия процессов во времени, которая выражается в обратимости времени. Отсюда легко возникает иллюзия, что никаких реальных изменений при механическом перемещении тел не происходит. Задав уравнение движения тела, его координаты и скорость в некоторый момент времени, можно точно и однозначно определить его состояние в любой другой момент времени в будущем или прошлом. Очевидно, что подобное представление является схематизацией и упрощением реальных процессов, поскольку оно абстрагируется от фактических изменений, происходящих с телами с течением времени.

Итак, все состояния механического движения тел по отношению ко времени оказываются в принципе одинаковыми, поскольку время считается обратимым.

В современной физике понятие «ИСО» является научной абстракцией.

4) Представления о взаимодействии

Взаимосвязь объектов осуществляется за счет тяготения, являющегося универсальным типом взаимодействия, и осуществляется по принципу дальнодействия. Действие сил обусловливает особенности движения тел.

5) Представления о причинности

Каждое явление причинно обусловлено. Причина изменения движения – сила. В классической механике причинность принимается как однозначная предопределенность любого состояния начальным состоянием. Подобное представление о причинности получило название жесткого детерминизма[53].

Считалось, что в силу неумолимой необходимости, действующей в природе, судьба даже отдельной материальной частицы заранее предрешена на все времена.

6) Представление о закономерности

Законы механики – законы динамического типа[54], считались универсальными и применимыми во всех областях действительности.

Программа механического объяснения явлений природы, отражавшая стиль мышления той эпохи, выражена в следующих словах Ньютона: «Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы…, ибо многое заставляет меня предполагать, что все явления обусловлены некоторыми силами, с которыми частицы тел вследствие причин пока неизвестных или стремятся друг к другу и сцепляются в правильные фигуры, или же взаимно отталкиваются».

2.2.1.3. Содержание механической картины мира

1) Физические величины

Для описания механических явлений используется язык физических величин, к числу которых относятся путь, перемещение, скорость, ускорение, масса, сила, импульс, момент импульса, механическая энергия.

Путь S – это длина участка траектории, пройденной материальной точкой за рассматриваемый промежуток времени.

Перемещение – вектор соединяющий положение движущейся точки в начале и конце некоторого промежутка времени.

 Мгновенная скорость – векторная величина, равная первой производной радиус вектора движущейся точки по времени( = ).

Ускорение – векторная величина, равная первой производной скорости по времени ( = ).

Масса m – скалярная физическая величина, являющаяся мерой инерции, гравитации и энергии.

Мерой инерции масса выступает во втором законе Ньютона ( = ), мерой гравитации – в законе всемирного тяготения (F = ), мерой энергии – в законе взаимосвязи массы и энергии (Е = mc ²).

Сила  – это векторная величина, являющаяся мерой механического воздействия на рассматриваемое тело со стороны других тел.

Замкнутая система тел в механике — совокупность физических тел, у которых взаимодействия с внешними телами отсутствуют. Все реальные системы незамкнуты.

Импульс материальной точки – векторная величина, равная произведению массы точки на её скорость ( = m ).

Момент импульса материальной точки – это векторная величина, равная векторному произведению радиус-вектора , проведенного из центра вращения материальной точки, на вектор её импульса (  = ).

Энергия Е – это скалярная физическая величина, являющаяся общей количественной мерой движения и взаимодействия всех видов материи.

В механике рассматривается только одна форма энергии – механическая энергия.

2) Исходные принципы механики

В основе механики лежат три закона динамики и принцип относительности, являющиеся ведущими положениями (принципами), связанными с экспериментом, но непосредственно из него не вытекающим.

Законы Ньютона не выводятся ни из каких более общих теоретических положений, а являются результатом обобщения огромного числа опытных фактов. Из этих законов получают все уравнения и теоремы, необходимые для решения задач динамики.

Первый закон Ньютона (закон инерции)

В отсутствии внешних воздействий (сил) или когда действующие силы уравновешены, материальная точка сохраняет неизменным состояние своего движения или покоя относительно инерциальной системы отсчета.

Второй закон Ньютона

Скорость изменения импульса материальной точки равна действующей на неё силе: = .

Третий закон Ньютона

Две материальные точки действуют друг на друга с силами, которые численно равны и направлены в противоположные стороны вдоль прямой, соединяющей эти точки.