- •Федеральное агентство по образованию
- •Брянский государственный технический университет
- •В.И.Попков
- •Концепции современного естествознания
- •Введение
- •Часть 1. Логика и методология естественных наук
- •1.1.Предмет естествознания
- •1.2. Культура и наука
- •1.3. Научная картина мира
- •1.4. Связь науки с другими компонентами культуры
- •1.5. Виды научного знания
- •1.6. Проблема культур в науке
- •1.7. Материя и движение
- •1.8. Пространство и время
- •1.9. Материальное единство мира
- •1.10. Характерные черты науки
- •1.11. Мышление
- •1.12. Структура научного познания
- •1.13. Методы научного познания
- •1.13.1. Философские методы
- •1.13.2. Общенаучные методы
- •1.13.2.1.Эмпирические методы исследования
- •1.13.2.2. Методы теоретического познания
- •1.13.2.3. Общелогические методы и приемы
- •1.13.2.4. Математика – универсальный язык естествознания
- •1.13.3 .Прочие методы
- •1.14. Гипотеза и теория
- •1.15. Критерии научного знания
- •1.16. Модели развития науки
- •1.17. Дифференциация и интеграция в науке
- •1.18. Принципы организации современного естествознания. Системный метод в современном естествознании
- •1.19. Особенности современной научной картины мира
- •Часть 2. Основные физические концепции
- •2.1. Концепция детерминизма в классическом естествознании
- •2.1.1. Триумф небесной механики и детерминизм Лапласа
- •2.1.2. Идеализированные представления о пространстве, времени и состоянии в классической механике
- •2.1.3. Связь законов сохранения с фундаментальной симметрией пространства и времени.
- •2.2.2. Континуальный подход в механике сплошных сред
- •2.2.3. Концепция близкодействия и материальные физические поля
- •2.2.4. Классические представления о природе света
- •2.2.5. Апофеоз классического естествознания
- •2.3. Развитие представлений о пространстве и времени в естествознании
- •2.3.1. Пространство и время в античной натурфилософии
- •2.3.2. Абсолютное пространство и абсолютное время в классическом естествознании
- •2.3.3. Уравнения Максвелла и концепция абсолютно неподвижного эфира
- •2.3.4. Элементы специальной и общей теории относительности
- •2.3.4.1.Постулаты Эйнштейна
- •2.3.4.2. Преобразования Лоренца
- •2.3.4.3. Следствия из преобразований Лоренца
- •1.Одновременность событий в разных системах отсчета
- •2. Длина тел в разных системах отсчета
- •3. Длительность событий в разных системах отсчета
- •4. Закон сложения скоростей в релятивистской механике
- •2.3.4.4. Интервал
- •2.3.4.5. Основы релятивистской динамики
- •1. Релятивистский импульс
- •2.Зависимость массы от скорости
- •3. Взаимосвязь массы и энергии
- •4. Энергия связи
- •5. Частицы с нулевой массой покоя
- •2.3.4.6. Четырехмерное пространство-время в общей теории относительности
- •2.3.4.7. Релятивизм как концептуальный принцип неклассического естествознания
- •2.4. Статистические закономерности в приРоде
- •2.4.1. «Стрела времени» и проблема необратимости в естествознании
- •2.4.2. Возникновение статистической механики.
- •2.4.3. Особенности описания состояний в статистических теориях.
- •2.4. 4. Увеличение энтропии при переходе из упорядоченного в неупорядоченное состояние
- •2.4.5. Гипотеза Томсона и «тепловая смерть» Вселенной.
- •2.5. Микромир и основные концепции неклассического естествознания
- •2.5.1. Зарождение квантовых представлений в физике
- •2.5.2. Особенности неклассического подхода к описанию динамики микрочастиц
- •2.5.3. Квантовая природа агрегатных состояний макроскопических объектов
- •2.6. На пути к единой фундаментальной теории материи
- •2.6.1. Становление субатомной физики
- •2.6.2. Фундаментальные взаимодействия в природе
- •2.6.3. Стандартная модель элементарных частиц
- •2.6.4. На переднем крае физики микромира
- •Часть 3. Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции
- •3.1. Звездная форма бытия космической материи
- •3.2. Эволюция звезд
- •3.3. Современные космологические модели вселенной
- •3.4. Происхождение и развитие вселенной
- •3.5. Солнечная система
- •3.5.1. Солнце
- •3.5.2. Планеты солнечной системы
- •3.5.2.1. Земля
- •3.5.2.2. Луна
- •3.5.2.3. Меркурий
- •3.5.2.4.Венера
- •3.5.2.5. Марс
- •3.5.2.6. Юпитер
- •Часть 4. Основные химические концепции
- •4.1. Учение о составе
- •4.2.Структура вещества и химические системы
- •4.3. Учение о химических процессах
- •4.4. Эволюционная химия – высший уровень развития химических знаний
- •Часть 5. Биологический уровень организации материи
- •5.1. Предмет биологии и ее структура
- •5.2. Основные признаки живого
- •5.3. Структурные уровни живого
- •5.4. Клетка, ее строение и функционирование
- •5.5. Химические основы жизни. Генетика
- •5.6. Принципы биологической эволюции
- •5.7. Концепции возникновения жизни на земле
- •5.8. Исторические этапы развития жизни на земле
- •Енисей (1,5 млрд. Лет – 1,2 млрд. Лет) Появляются многоклеточные водоросли.
- •Часть 6. Человек как феномен природы
- •6.1. Происхождение человека
- •6. 2. Биологическое и социальное в развитии человека
- •6.3. Превращение биосферы в ноосферу
- •6.4. Глобальные проблемы человечества
- •Часть 7. Самоорганизация в живой и неживой природе
- •7.1. Кибернетика и общие проблемы управления
- •В сложных динамических системах
- •В создании кибернетики принимали участие многие ученые: д. Биглоу, к. Шеннон, и.М. Сеченов, и.П. Павлов, а.М. Ляпунов, а.А. Марков, а.Н. Колмогоров и др.
- •Энергия
- •7.2. Синергетика – новое направление междисциплинарных исследований
- •7.3 Характеристики самоорганизующихся систем
- •7.4. Закономерности самоорганизации
- •7.5. Физические модели самоорганизации в экономике
- •Персоналии
- •Цитатник
- •Список использованной и рекомендуемой литературы
- •Часть 1. Логика и методология естественных
- •Часть 2. Основные физические концепции...104
- •Часть 3. Мегамир: современные астрофизи-ческие и космологические концепции……..180
2.1.3. Связь законов сохранения с фундаментальной симметрией пространства и времени.
Несмотря на то, что ничего принципиально нового в механике, кроме уравнения (2.1.1) нет, за прошедшие почти три века было предложено много различных приемов решения этого уравнения, когда не требуется знать траекторию r (t), а нужно только «предсказать», может ли материальная точка переместиться из одного положения в пространстве в другое. Среди этих приемов выделяются те, которые основаны на законах сохранения, имеющих огромное значение не только в механике, но и во всем естествознании. Законы сохранения позволяют проанализировать возможные изменения состояния материальных точек без непосредственного расчета их траекторий. В классической механике таких законов три: законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.
Закон сохранения энергии гласит, что полная механическая энергия Е материальной точки сохраняется при движении этой точки в поле потенциальных сил: Е = const. Так как полная механическая энергия, по определению, равна сумме потенциальной энергии П и кинетической энергии Т, то закон сохранения полной механической энергии может быть записан в виде:
Т + П = const (2.1.3)
Следует отметить, что при движении в поле непотенциальных сил (например, силы трения) полная механическая энергия не сохраняется.
Закон сохранения импульса формулируется для замкнутой системы материальных точек и констатирует постоянство суммы их импульсов:
N
mi vi = const (2.1.4)
i=1
Этот закон имеет «всеобщий» характер и распространяется за пределы классической механики. В частности, он остается справедливым в релятивистской механике, где, правда, под массой mi понимают не классическую, а релятивистскую массу, зависящую от скорости тела. Даже в квантовой механике, где импульс уже не равен произведению массы на скорость (так как понятие скорости в квантовой механике вообще отсутствует в обычном понимании этого термина), закон сохранения импульса, по-прежнему, имеет место. Этот закон, с одной стороны, «запрещает» некоторые движения (например, барон Мюнхгаузен «нарушил» именно этот закон, подняв за волосы себя вместе с лошадью), с другой стороны, открывает возможность реализации некоторых нетривиальных способов увеличения скорости (реактивное движение).
Закон сохранения момента импульса имеет большое значение, прежде всего, в связи с движением тел в поле центральных сил (например, в гравитационном поле), а также при вращении тел. В соответствии с этим законом происходит движение планет вокруг Солнца. Импульс р все время меняется, но момент импульса L = pr sin остается неизменным (рис. 2.1.2). Именно с сохранением момента импульса связан второй закон Кеплера, в соответствии с которым радиус-вектор планеты за одинаковые промежутки времени описывает равные площади. В случае вращающегося твердого тела его суммарный импульс равен нулю, однако момент импульса отличен от нуля и в отсутствие моментов внешних сил остается постоянным.
Триумф небесной механики в XVIII - XIX в.в. был связан именно с применением законов сохранения, а не с непосредственным решением дифференциальных уравнений.
В 1918 г. немецкий математик Эмми Нетер сформулировала замечательную теорему, согласно которой для физической системы, движение которой описывается некоторым дифференциальным уравнением, каждому непрерывному преобразованию симметрии координат и времени соответствует определенный закон сохранения и наоборот. Непрерывными преобразованиями симметрии пространства и времени являются, например, сдвиг начала отсчета времени, сдвиг начала координат и поворот осей координат в пространстве. Это означает, что поведение изолированной механической системы не зависит от того, какой момент времени принят за нулевой, в каком месте пространства помещено начало координат и как ориентированы в пространстве оси координат. Например, сила притяжения межу двумя точечными массами, находящимися на определенном расстоянии друг от друга, не изменится, если мы перейдем к другому началу отсчета времени, так как в законе всемирного тяготения время в явном виде вообще не фигурирует. Точно так же, эта сила не изменится, если мы сместим начало координат или повернем оси координат, так как сила взаимодействия определяется только взаимным расстоянием между телами. Если при смещении начала отсчета времени ничего не меняется в поведении рассматриваемых объектов, то говорят, что время однородно. Аналогично, если пространство симметрично относительно сдвига начала координат и поворота осей координат, то говорят, что пространство однородно и изотропно.
Согласно теореме Нетер, из однородности времени вытекает закон сохранения энергии, из однородности пространства - закон сохранения импульса, а из изотропности пространства - закон сохранения момента импульса [49].
Следует отметить, что отмеченная связь законов сохранения с симметрией пространства и времени имеет большое философское значение, так как затрагивает «вечные» онтологические вопросы. Действительно, однородность времени фактически означает отсутствие фиксированного начала его отсчета, т.е. бесконечность («вечность») времени. Однородность пространства таким же образом означает его неограниченность, бесконечность. Но тогда, если считать пространство и время формами существования материи, то аналогичный вывод можно сделать и о материальном мире: он вечен и бесконечен. В противном случае пространство и время, «оторванные» от бытия, становятся трудноопределимыми, «фиктивными» категориями.
Таким образом, являясь следствием ньютоновских уравнений движения, законы сохранения приобретают онтологический смысл, отражая метафизическое представление о пространстве и времени, которые либо свидетельствуют о вечности и бесконечности нашего мира, либо вообще «отрываются» от него, становясь схоластическими понятиями.
Вопросы для самопроверки:
Почему механика Ньютона представляет собой пример теоретического уровня научного знания?
Какие идеализированные объекты и понятия используются в механике Ньютона?
В чем причина необычайной предсказательной “силы” ньютоновской механики?
Какими объектами и явлениями ограничивается область применения классической механики?
В чем заключается триумф небесной механики, созданной в XVII в.?
Чем определяется состояние материальной точки?
Какие законы сохранения имеют наибольшее значение в классической механике?
В чем заключается теорема Нетер и какие следствия онтологического характера можно сделать, применив эту теорему к ньютоновской механике?
2.2. Корпускулярные и континуальные подходы
в естествознании
2.2.1. Антиномия дискретности и непрерывности
в вопросе о структуре материи
С древнейших времен существовали два противоположных представления о структуре материального мира. Одно из них - континуальная концепция Анаксагора-Аристотеля - базировалось на идее непрерывности, внутренней однородности, «сплошности» и, по-видимому, было связано с непосредственными «чувственными» впечатлениями, которые производят вода, воздух, свет и т.п. Материю, согласно этой концепции, можно делить до бесконечности, и это является критерием ее непрерывности. Заполняя все пространство целиком, материя «не оставляет» пустоты внутри себя.
Другое представление - атомистическая (корпускулярная) концепция Левкиппа-Демокрита - было основано на дискретности пространственно-временного строения материи, «зернистости» реальных объектов и отражало уверенность человека в возможность деления материальных объектов на части лишь до определенного предела - до атомов, которые в своем бесконечном разнообразии (по величине, форме, порядку) сочетаются различными способами и порождают все многообразие объектов и явлений реального мира. При таком подходе необходимым условием движения и сочетания реальных атомов является существование пустого пространства. Таким образом, корпускулярный мир Левкиппа-Демокрита образован двумя фундаментальными «началами» - атомами и пустотой, а материя при этом обладает атомистической структурой. Атомы по представлению древних греков не возникают и не уничтожаются, их вечность проистекает из бесконечности времени.
Эти представления о структуре материи просуществовали фактически без существенных изменений до начала XX века, оставаясь двумя антиномиями (антиномия – противоречащие друг другу высказывания о предмете, допускающие одинаково убедительное обоснование), определяющими «поле битвы» крупнейших мыслителей. Триумф ньютоновской механики значительно укрепил
позиции сторонников корпускулярной структуры материи. И хотя эмпирических доказательств «зернистости» газов, жидкостей, твердых тел, световых пучков в то время не существовало, сама идея считать эти объекты состоящими из взаимодействующих материальных точек была слишком привлекательной, чтобы ею не воспользоваться. Ведь тогда достаточно задать начальное состояние всех этих материальных точек и решить соответствующие уравнения движения, чтобы «объяснить» наблюдаемые в природе явления и предсказать их эволюцию (детерминизм Лапласа).
Надо признать, что корпускулярный подход оказался чрезвычайно плодотворным в различных областях естествознания. Прежде всего, это, конечно, относится к ньютоновской механике материальных точек. Очень эффективной оказалась и основанная на корпускулярных представлениях молекулярно-кинетическая теория вещества, в рамках которой были интерпретированы законы термодинамики. Правда, механистический подход в «чистом виде» оказался здесь неприменимым, так как проследить за движением 1023 материальных точек, находящихся в одном моле вещества, не под силу даже современному компьютеру. Однако, если интересоваться только усредненным вкладом хаотически движущихся материальных точек в непосредственно измеряемые макроскопические величины (например, давление газа на стенку сосуда), то получалось прекрасное согласие теоретических и экспериментальных результатов.