Механическая картина мира (МКМ)

Механическая картина мира (МКМ)

Само понятие «научная картина мира появилось в естествознании и философии в конце 19 в., однако специальный, углубленный  анализ его содержания стал проводиться с 60-х годов 20 века. И, тем не менее, до сих пор однозначное толкование этого понятия не достигнуто. Дело в том, что само это понятие несколько размыто, занимает промежуточное положение между философским и естественнонаучным отражением тенденций развития научного познания. Так существуют общенаучные картины мира и картины мира с точки зрения отдельных наук, например, физическая, биологическая…, или с точки зрения каких-либо господствующих методов, стилей мышления - вероятностно-статистическая, эволюционистская, системная, информационно-кибернетическая, синергетическая и т.п. картины мира. В то же время, можно дать следующие объяснение понятия научной картины мира. (НКМ).

Научная картина мира включает в себя важнейшие достижения науки, создающие определенное понимание мира и места человека в нем.  В нее не входят более частные сведения о свойствах различных природных систем, о деталях самого познавательного процесса. При этом НКМ не является совокупностью общих знаний, а представляет собой целостную систему представлений об общих свойствах, сферах, уровнях и закономерностях природы, формируя, таким образом, мировоззрение человека.

В отличие от строгих теорий НКМ обладает необходимой наглядностью, характеризуется сочетанием абстрактно-теоретических знаний и образов, создаваемых с помощью моделей.

Особенности различных картин мира выражаются в присущих им парадигмах.

Т.о. НКМ – это особая форма систематизации знаний, преимущественно качественное их обобщение, мировоззренческий синтез различных научных теорий.

Формирование механической картины мира (МКМ)

В истории науки научные картины мира не оставались неизменными, а сменяли друг друга, таким образом, можно говорить об эволюции научных картин мира. Наиболее наглядной представляется эволюция физических картин мира: натурфилософской – до 16-17 вв., механистической – до второй половины 19 в., термодинамической (в рамках механистической теории) в 19 в,  релятивистской и квантово-механической в 20-м веке.

Физическая картина мира создается благодаря фундаментальным экспериментальным измерениям и наблюдениям, на которых основываются теории, объясняющие факты и углубляющие понимание природы. Физика – это экспериментальная наука, поэтому она не может достичь абсолютных истин (как и само познание в целом), поскольку эксперименты сами по себе несовершенны. Этим обусловлено постоянное развитие научных представлений.

МКМ складывалась под влиянием материалистических представлений о материи и формах ее существования. Основополагающими идеями этой картины Мира являются классический атомизм, восходящий к Демокриту и т.н. механицизм. Само становление механической картины справедливо связывают с именем Галилео Галилея, впервые применившего для исследования природы экспериментальный метод вместе с измерениями исследуемых величин и последующей математической обработкой результатов. Этот метод принципиально отличался от ранее существовавшего натурфилософского способа, при котором для объяснения явлений природы придумывались априорные (лат. a priori – букв. до опыта), т.е. не связанные с опытом и наблюдением, умозрительные схемы, для объяснения непонятных явлений вводились дополнительные сущности, например мифическая “жидкость” теплород, определявшая нагретость тела или флогистон – субстанция, обеспечивающая горючесть вещества (чем больше флогистона в веществе, тем лучше оно горит).

Законы движения планет, открытые Иоганном Кеплером, в свою очередь, свидетельствовали о  том, что между движениями земных и небесных тел не существует принципиальной разницы (как полагал Аристотель), поскольку все они подчиняются определенным естественным законам.

Ядром МКМ является механика Ньютона (классическая механика).

Формирование классической механики и основанной на ней механической картины мира происходило по 2-м направлениям.

1) обобщения полученных ранее результатов и, прежде всего, законов свободного падения тел, открытых Галилеем, а также законов движения планет, сформулированных Кеплером;

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

В первой половине 19 в. наряду с теоретической механикой выделяется и прикладная (техническая) механика, добившаяся больших успехов в решении прикладных задач. Все это приводило к мысли о всесилии механики и к стремлению создать теорию теплоты и электричества так же на основе механических представлений. Наиболее четко эта мысль была выражена в 1847 г. физиком Германом Гельмгольцем в его докладе “О сохранении силы”: “Окончательная задача физических наук заключается в том, чтобы явления природы свести к неизменным притягательным и отталкивающим силам, величина которых зависит от расстояния”
Фундаментальные понятия классической физики

В любой физической теории присутствует довольно много понятий, но среди них есть основные, в которых проявляется специфика этой теории, ее базис, мировоззренческая сущность. К таким понятиям относят т.н. фундаментальные понятия, а именно:

Каждое из этих понятий не может существовать без четырех остальных. Вмести они отражают единство Мира. Как же раскрывались эти фундаментальные понятия в рамках МКМ?

Пространственные отношения в МКМ описываются геометрией Евклида.

Следует сказать, что в классической механике вопрос о природе сил, собственно, и не стоял, вернее, не имел принципиального значения. Просто все явления природы сводились к трем законам механики и закону всемирного тяготения, к действию сил притяжения и отталкивания.

Важнейшими принципами МКМ являются: принцип относительности, принцип дальнодействия, принцип причинности.

Принцип относительности Галилея. Принцип относительности Галилея утверждает, что все инерциальные системы отсчета (ИСО) с точки зрения механики совершенно равноправны  (эквивалентны). Переход от одной ИСО к другой осуществляется на основе преобразований Галилея (см. рис.2).

Пусть имеется ИСО XYZ, относительно ее вдоль оси движется равномерно со скоростью V₀ система X’Y’Z’. Пусть в момент t = 0 начала координат О и О’ совпадают. Тогда координаты т. М в этих двух системах в некоторый момент времени t будут связаны соотношениями:

Время везде течет одинаково, т.е. t = t', масса тел остается неизменной, т.е. m =  m'.

Для скоростей: V_x = Vо + V'_x;   V_y =  V'_y;    V_z =  V'_z;

Если время и скорости одинаковы и V₀  - величина поcтоянная (из условия), то a_x = a'_x, и, следовательно, силы в обеих системах одинаковы (ma_x = ma’_x), значит, что все механические явления в ИСО протекают одинаково. Поэтому никакими механическими опытами нельзя отличить покой от равномерного прямолинейного движения.

Принцип дальнодействия. В МКМ было принято, что взаимодействие передается мгновенно, и промежуточная среда в передаче взаимодействия участия не принимает. Это положение и было названо принципом дальнодействия.

Принцип причинности. Лапласовский детерминизм и принципиальная обратимость времени. В МКМ все многообразие явлений природы сводится к механической форме движения материи (механистический материализм, механицизм). Беспричинных явлений нет, что всегда можно (принципиально) выделить причину и следствие. Причина и следствие взаимосвязаны, влияют друг на друга. Следствие одной причины может стать причиной другого следствия. Эту мысль развивал математик Лаплас, утверждая следующее: “Всякое имеющее место явление связано с предшествующим на основании того очевидного принципа, что оно не может возникнуть без производящей причины. Противоположное мнение есть иллюзия ума.” Т.е. Лаплас полагал, что все связи между явлениями осуществляется на основе однозначных законов. Это учение обусловленности одного явления другим, об их однозначной закономерной связи вошло в физику как так называемый лапласовский детерминизм (детерминизм – предопределенность). Существенные однозначные связи между явлениями выражаются физическими законами.

Развитие представлений о природе тепловых явлений — пример того, каким сложным и противоречивым путем постигается естественнонаучная истина.

Первые успехи на пути построения научной теории теплоты относятся к началу XVII в., когда был изобретен термометр и появилась возможность количественного исследования тепловых процессов и свойств макросистем. Вновь перед наукой встал вопрос: что же такое теплота? Наметились две противоположные точки зрения. Согласно одной из них — вещественной теории тепла — теплота рассматривалась как особого рода невесомая «жидкость», способная перетекать от одного тела к другому. Такая жидкость была названа теплородом. Чем больше теплорода в теле, тем выше температура тела. Приверженцы другой точки зрения полагали, что теплота — это вид внутреннего движения частиц тела. Чем быстрее движутся частицы тела, тем выше его температура. Таким образом, представление о тепловых явлениях и свойствах связывалось с атомистическим учением древних философов о строении вещества. В рамках подобных представлений теорию тепла называли корпускулярной или кинетической. Ее придерживались Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли и др.

И все же, несмотря на многие преимущества корпускулярной теории теплоты, к середине XVIII в. временную победу одержала теория теплорода. Это произошло после экспериментального доказательства сохранения теплоты при теплообмене, что послужило основанием для вывода о сохранении (неуничтожении) тепловой жидкости — теплорода. С помощью введенного понятия теплоемкости тел удалось создать количественную теорию теплопроводности. Многие термины, введенные в то время, сохранились доныне.

Опыты Румфорда – удар по теории теплорода. Румфорд проводил опыты с трением. Теплородная теория объясняла выделение теплоты при трении тел друг о друга тем, что при трении тела как бы «выжимают» из себя теплород, вследствие чего количества теплорода в них (теплоемкость) должны изменяться. В 1798 г. Румфорд провел эксперимент, связанный со сверлением пушечного ствола. В течение 2,5 часов за счет трения было получено количество теплоты, достаточной для превращения в пар 12 кг воды при получении всего лишь 270 г. металлической стружки. Далее было показано, что стружка имеет такую же удельную теплоемкость как исходный материал отливки, т.е. о никакой «выжимке» не могло быть речи, и теплота не могла быть получена за счет «выжимания» теплорода из металла. «... источник теплоты, порожденный трением, - писал Б. Румфорд, - оказался в этих экспериментах неисчерпаемым». Следовательно, нечто, которое любое изолированное тело или система тел может поставлять без ограничения не может быть материальной субстанцией.

Тем не менее, несмотря на опыты Румфорда теплородная теория не была изжита. Для окончательной победы кинетической теории потребовались исследования обратных процессов – превращения теплоты в работу. Такими исследованиями стали работы по исследованию функционирования тепловых машин, получивших к началу 19 в. широкое распространение. К этому времени встала задача о повышении их эффективности, для чего был необходим теоретический анализ процесса превращения теплоты в работу. Это и сделал Сади Карно в 1827 г. Тогда было уже совершенно ясно, что теплота и механическая работа обратимы одна в другую. Для торжества кинетической теории важно было установить механический эквивалент теплоты.

Достаточно точно значение механического эквивалента теплоты было определено Джоулем. Джоуль поставил опыт, в котором опускающийся груз вращал лопатку, помещенную в различные жидкости. Перемешивание жидкости приводило к ее нагреванию. Сопоставляя значение механической работы опускающегося груза с количеством теплоты, необходимым для нагревания жидкости на определенную температуру, Джоуль определил значение механического эквивалента теплоты.
Термодинамика и статистическая физика

Термодинамика. Работы Джоуля, Карно и др. позволили выработать так называемый “закон сохранения сил” (понятия «сила» и «энергия» в то время еще строго не различались). Однако первая ясная формулировка этого закона была получена физиками Р. Клаузиусом и У. Томсоном (лордом Кельвином) на основе анализа исследования работы тепловой машины, которое провел С. Карно. Рассматривая превращения теплоты и работы в макроскопических системах С. Карно фактически положил начало новой науке, которую Томсон впоследствии назвал термодинамикой. Термодинамика ограничивается изучением особенностей превращения тепловой формы движения в другие, не интересуясь вопросами микроскопического движения частиц, составляющих вещество.

Термодинамика, таким образом, рассматривает системы, между которыми возможен обмен энергией, без учета микроскопического строения тел, составляющих систему, и характеристик отдельных частиц. Различают термодинамику равновесных систем или систем, переходящих к равновесию (классическая, или равновесная термодинамика) и термодинамику неравновесных систем (неравновесная термодинамика). Классическая термодинамика чаще всего называется просто термодинамикой и именно она составляет основу так называемой Термодинамической Картины Мира (ТКМ), которая сформировалась к середине 19 в. Неравновесная термодинамика получила развитие во второй половине 20-го века и играет особую роль при рассмотрении биологических систем и феномена жизни в целом (синергетика).

Таким образом, при исследовании тепловых явлений выделились два научных направления:

1. Термодинамика, изучающая тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества;

Опираясь на работы Джоуля и др., Клаузиус впервые высказал мысль, сформировавшуюся впоследствии в первое начало термодинамики. Он сделал вывод, что всякое тело имеет внутреннюю тепловую энергию. Клаузиус назвал ее теплом, содержащимся в теле, в отличие от “тепла, сообщенного телу”. Внутреннюю энергию можно изменить двумя эквивалентными способами: проведя над телом механическую работу, или сообщая ему количество теплоты.

Первое начало термодинамики, или закон сохранения энергии, утверждает невозможность создания вечного двигателя 1-го рода, работающего без внешних источников энергии.

Майер составил таблицу всех рассмотренных им энергий природы и привел 25 случаев их превращений (тепло, механическая работа, электричество, химическая энергия вещества). Майер распространил положение о сохранении и превращении энергии и на живые организмы (поглощение пищи, химические процессы, тепловые и механические эффекты).

Эти примеры впоследствии были подкреплены работами Гесса (1840 г.), в которых исследовалось превращение химической энергии в теплоту, а также Фарадея, Ленца и Джоуля, в результате которых был сформулирован закон Джоуля-Ленца (1845) о связи электрической и тепловой энергии.

Таким образом, постепенно, на протяжении более четырех десятилетий сформировался один из самых великих принципов современной науки, приведший к объединению самых различных явлений природы. Этот принцип заключается в следующем: Энергия не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе, а только переходит из одной формы в другую.
Второе начало термодинамики

Второе начало термодинамики играет важнейшую роль в понимании процессов и явлений природы.

Впервые II начало было сформулировано в 1811 г. Жан-Батистом Фурье в его законе теплопроводности, и было одним из положений этого закона: тепло переносится от участков с большей температурой в направлении участков с меньшей температурой и никогда наоборот.. Теплопроводность приводит к все большему выравниванию температур до тех пор, пока распределение температуры во всех точках пространства рассматриваемой изолированной системы не станет одинаковым.

Фактически, закон теплопроводности уже выходит за рамки классической ньютоновской механики по той причине, что описывал необратимый процесс, а все законы ньютоновской механики являются обратимыми, инвариантными относительно направления времени. Так в науку вошло понятие необратимости, дальнейшее развитие которого связано с работами С. Карно по исследованию действия паровых машин.

В тепловой машине тепло переносится от нагревателя к холодильнику через промежуточное звено – пар в цилиндре с поршнем, совершающий работу. При этом часть тепла, переданная газу нагревателем, не используется для совершения работы и безвозвратно пропадает в холодильнике.

Карно доказал, что КПД тепловых машин пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. Возможность построения машины без холодильника, т.е. с КПД = 1, которая могла бы превращать в работу всю теплоту, полученную от нагревателя, не противоречит закону сохранения энергии. Такая машина, по сути, была бы аналогична perpettum mobile (вечному двигателю), так как могла бы производить работу за счет практически неисчерпаемых источников энергии, содержащихся в воде морей, океанов, атмосфере и недрах Земли. Такую машину У. Оствальд (1853-1932) назвал вечным двигателем II рода (в отличие от perpettum mobile I рода – вечного двигателя, производящего работу из ничего). Карно же исходил из невозможности вечного двигателя, опираясь на многочисленные опытные факты и утверждая, что в любом непрерывном процессе превращения теплоты от горячего нагревателя в работу непременно должна происходить отдача тепла холодильнику.

Таким образом, здесь проявляется общее свойство теплоты – уравнивание температурной разницы путем перехода от теплых тел к холодным. Это положение Клаузиус и предложил назвать Вторым началом термодинамики. Если Первое начало термодинамики утверждает закон сохранения энергии, ее баланс, то Второе начало определяет направления превращения энергии.