Концепции современного естествознания

Научная революция эпохи  Возрождения характеризовалась  возвращением культурных ценностей  античности, расцветом искусства, утверждением идей гуманизма.

В науке существенным прогрессом стало появление гелиоцентрического учения великого польского астронома  Николая Коперника (1473–1543 гг.) В своем  труде «Об обращениях небесных сфер»  Коперник утверждал что Земля не является центром мироздания.

На основе большого числа  астрономических наблюдений и расчетов Коперник создал новую гелиоцентрическую  систему мира, что и являлось первой в истории человечества научной  революцией.

Земля – одна из планет, движущихся вокруг Солнца по круговым орбитам. Совершая обращение вокруг Солнца, Земля одновременно вращается и вокруг собственной  оси, чем и объясняется смена  дня и ночи, видимое нами движение звездного неба.

Коперник высказал мысль  о движении как естественном свойстве небесных и земных объектов, подчиненном  общим закономерностям единой механики. Этим было разрушено догматизированое представление Аристотеля о неподвижном «перводвигателе», приводящем в движении Вселенную.

Одним из активных сторонников  учения Коперника, поплатившимся жизнью за свои убеждения, был знаменитый итальянский  мыслитель Джордано Бруно (1548–1600 гг.)

Но он пошел дальше Коперника, отрицая наличия центра Вселенной  вообще и отстаивая тезис о  бесконечности Вселенной. Бруно  говорил о существовании во Вселенной  множества тел, подобных Солнцу, и  окружающих его планетах. Причем многие их бесчисленного количества миров, считал он, обитаемы и, по сравнению  с Землей, «если не больше и не лучше, то, во всяком случае, не меньше и не хуже».

Он был арестован инквизицией, 8 лет находился в тюрьме и 17 февраля 1600 г. как нераскаявшийся еретик был  сожжен на костре в Риме. Но это не остановило прогресс познания человеком  мира.

Естествознание  Нового Времени. Научная революция XVII века.

Классическая механика и экспериментальное естествознание

Эпоха получившая название «Нового времени», охватывает

три столетия – XVII, XVIII и XIX века. В этом периоде основную роль сыграл XVII век – век рождения современной  науки, у истоков которой стояли такие выдающиеся ученые, как Галилей  и Ньютон.

Галилео Галилей заложил  основы нового механического естествознания. До него в науке движение понимали по принципу, заложенному Аристотелем: тело движется только при наличии  внешнего воздействия на него, и  если оно прекращается, то прекращается и движение. Галилей показал, что  это ошибочный принцип, и сформулировал  совершенно иной принцип инерции: тело либо находится в состоянии покоя, либо движется, не изменяя направления  и скорости своего движения, если на него не производится какое-либо внешнее  воздействие. Большое значение для  становления механики как науки  имело исследование Галилеем свободного падения тел. Он установил, что скорость свободного падения тел не зависит  от их массы (как думал Аристотель), а пройденный падающим телом путь пропорционален квадрату времени падения. Он открыл, что траектория брошенного тела является параболой. Галилей внес вклад в разработку учения о сопротивлении  материалов.

Он выработал условие  дальнейшего прогресса естествознания, начавшегося в эпоху Нового времени.

Научная революция XVII века завершилась  творчеством одного из величайших ученых в истории человечества, каким  был Исаак Ньютон (1643–1727 гг.) –  создатель дифференцированного  и интегрального исчисления, произвел астрономические наблюдения, внес большой  вклад в развитие оптики, но самым  главным научным достижением  Ньютона было завершение дела Галилея  по созданию классической механики.

В науке началось господство механических представлений о мире. Ньютон сформулировал три основных закона движения, которые легли в  основу механики как науки и дополнили  систему законов движения открытием  закона всемирного тяготения – универсального закона природы. Это являлось основой  для создания науки, изучающей движение тел Солнечной системы.

Ньютон предложил миру научно-исследовательскую программу, которая стала ведущей в Англии и Европе. Он назвал ее «Экспериментальной философией», (Труд «Математические  начала натуральной философии», 1687 г.).

Научная революция XVIII–XIX веков. Диалектизация естествознания

Суть научной революции  второй половины XVIII–XIX веков заключалась  в процессе стихийной диалектизации естествознания (метафизический метод, при котором объекты и явления рассматривались без взаимосвязи с другими и считались неизменимыми во времени, сменился диалектическим).

Диалектика предполагает изучение объектов, явлений со всем богатством их взаимосвязи с учетом их изменения и развития. Начало этому процессу положила работа немецкого  ученого и философа Иммануила Канта (1724–1804 гг.) «Всеобщая естественная история и теория неба» (1755 г.). В этом труде он сделал попытку объяснить происхождение Солнечной системы.

По гипотезе Канта, Солнце, планеты и их спутники возникли из первоначальной бесформенной туманной массы, некогда равномерно заполняющей  мировое пространство. Процесс возникновения  Солнечной системы он объяснил действием  сил притяжения на частицы материи. Его космическая гипотеза изменила метафизический взгляд на мир. Независимо от Канта французский математик  и астроном Пьер Симон Лаплас (1749–1827 гг.) высказал идеи, дополнившие космогоническое учение Канта, и их гипотезы столетия просуществовали в науке как космологическая гипотеза Канта-Лапласа.

В 1859 году вышел главный  труд Чарльза Дарвина «Происхождение видов в результате естественного  отбора». В нем он изучил факты  и причины биологической эволюции, утверждая, что вне саморазвития органический мир не существует.

К числу фундаментальных  открытий этого времени принадлежит  клеточная теория 30-х гг. XIX в. ботаника Маттиаса Якоба Шлейдена и биологии Теодора Шванна.

Открытие закона сохранения и превращения энергии.

Первооткрывателями были немецкий врач Юлиус Роберт Майер (1814–1878 гг.) и английский исследователь Джеймс Джоуль (1818–1889 гг.). Отстаивал этот закон в научном мире и знаменитый физик XIX ст. Гельмгольц (1821–1894 гг.). Он увязал его с принципом невозможности вечного двигателя.

Доказательство сохранения и превращения энергии утверждало единство материального мира. Вся  природа отныне была представлена как  непрерывный процесс превращения  универсального движения материи из одной формы в другую.

Таким образом, основополагающие принципы диалектики – принцип развития и принцип всеобщей взаимосвязи  получили во второй половине XVIII века и  особенно в XIX веке мощное естественнонаучное обоснование.

 

 

3. Пространство  и время. Принципы относительности

 

Пространство и время  являются основными категориями  в физике. Большинство физических понятий вводится посредством правил, в которых используется расстояние в пространстве и время.

Большое влияние на формирование понятий «пространство» и «время»  сыграла пифагорийская школа. В пустоте (неоформленном) безграничном пространстве зародилась Единица, сыгравшая роль семени, из которого вырос весь космос. Вытягиваясь в длину, она порождает число 2, что в геометрии означает «линия».

Линия, вытягиваясь в ширину порождает число 3 – плоскость. Плоскость, вытягивается в высоту, поражает число 4 – объем. Это трехмерное пространство Пифагора.

Платон вводит понятие  геометрического пространства как  отдельную категорию и помещает его между идеями и чувственным  миром. Платон признавал идею как  причину бытия, но соотносил ее с  материей (чувственными вещами). Это  философия объективного идеализма.

Математика – посредник  между идеальными и чувственным (пространство не идеальное и не чувственное). Объемы – результат сращивания идеи с материей. Познать природные элементы по Платону – это значит познать их геометрику или определить их пространственное образование. Атомы Платона соответствуют четырем стихиям и представляют собой геометрические многоугольники. Земля-куб; огонь-четырехгранник; воздух-октаэдр (8); вода икхаэдр (20 граней).

Современная физика повернулась  в своем развитии от атомизма Демокрита к философии Платона. Частицы в современной физике представляют математические абстракции фундаментальных симметрий (В. Гейзенберг).

Платоново – пифагорийская научно-исследовательская программа была развита в эллинистический период в работах Птолемея, Архимеда, Евклида. В «Началах» Евклида излагаются основные свойства пространственных фигур. В современной физике «евклидово пространство» – это плоскость в 3-х измерениях. Изучение пространства греками было подчинено цели – исследованию природы, в структуре которой воплощены геометрические принципы. В Древней Греции понятие пустота и эфир были свойствами пространства. Пустота – первоначало всего сущего. Эфир – понятие, противоположное пустоте.

В эпоху Возрождения достигается  осознание взаимодействия между  механикой и геометрией. Это привело  к понятию о геометрическом объекте, движущемся в пространстве с течением времени.

Принципы относительности

Галилей открыл принцип инерции, движения тела в пустоте, где нет  сопротивления. Сопротивление среды  он считал несущественным.

Он также сформулировал  принцип относительности

: во всех инерциальных  системах отчета все физические  явления происходят одинаково.  Эти два принципа описывают  свойство пространства Вселенной.

Окончательную формулировку эти принципы получили в механике Ньютона. Он соединил идею пустого пространства и прямолинейного инерционного движения.

Пустое пространство –  это «абсолютное» пространство –  всегда одинаковое и неподвижное. Он определил также абсолютное истинное математическое время: оно протекает  равномерно, без отношения к чему-либо внешнему и называется длительностью. Время и пространство представляют собой вместилище самих себя и всего сущего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, а в пространстве – в смысле порядка положения. Это места, перемещения мест составляет абсолютное движение.

Ньютон подчеркивает, что  движение имеет относительный характер и зависит от системы отчета. Система  отчета должна или покоиться, или  двигаться равномерно и прямолинейно к абсолютному пространству.

Абсолютное время –  это время, не зависящее от движения. Время одинаково во всех системах отчета.

Теория относительности  Эйнштейна

В 1905 году Эйнштейн в работе «К электродинамике движущих сред»  сформулировал два предположения, которые в современной науке  именуются постулатами теории относительности».

1. Принцип относительности:  все законы природы одинаковы  во всех инерциальных системах  отчета;

2. Принцип постоянства  скорости света: скорость света  в пустоте одинакова во всех  инерциальных системах отчета  и не зависит от движения  источников и приемников света.

Эйнштейн подвергает критике  ньютоновское понятие абсолютного времени и утверждает, что одновременность событий в одной системе отчета не будет верна в другой, движущейся по отношению к первой. Одновременность становится понятием относительным, зависящим от наблюдателя, т.е. в каждой системе отчета собственное время.

Закон сохранения и превращения энергии

XIX век ознаменовался открытием  одного из самых великих принципов  современной науки, приведшем  к объединению самых различных  явлений природы. Этот принцип гласит, что существует определенная величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Энергия – единая мира различных форм движения материи. Для количественной характеристики различных форм движения вводятся соответствующие им виды энергии: механическая, тепловая, электромагнитная, химическая, ядерная и др.

Существует два качественно  различных способа передачи энергии  от одного тела к другому – это  работа и теплота. Передача энергии  в форме работы производится в  процессе силового взаимодействия тел  и сопровождается перемещением. Передача путем теплообмена обусловлена  различием температур этих тел.

Закон сохранения и превращения  энергии: энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она  только переходит из одной формы  в другую.

Вывод: пространство и время – это неразрывно связанные с материей формы ее существования. Неразрывность пространства и времени обусловлены движением материи, которое является способом ее существования. Энергия – это мера движения материи и условие существования жизни (все живое потребляет энергию, чтобы жить).

 

 

4. Принципы возрастания  энергии. Элементы квантовой физики. Энергия, энтропия. I и II начала термодинамики

 

В XIX веке появилось понятие  «энергия» – единая мера различных  форм движения материи. Всеми явлениями  природы управляет закон сохранения и превращения энергии: энергия  в природе не возникает из ничего и не исчезает бесследно: количество энергии неизменно, она только переходит  из одной формы в другую. Этот универсальный закон называется первым началом термодинамики.

Характер протекания процессов  в природе устанавливается вторым началом термодинамики, согласно которому: в природе возможны процессы, протекающие  только в одном направлении –  в направлении передачи тепла  только от более горячих тел к менее горячим. В термодинамике различается 2 типа процессов: обратимые и необратимые. Обратимым называется процесс, который может идти в прямом и обратном направлении. При этом система возвращается в исходное положение без изменений. Любые другие процессы являются необратимыми (например: диффузия, теплообмен).

Для характеристики обратимых  и необратимых процессов было введено понятие «энтропия», с  греческого энтропия – поворот, превращение.

Энтропия системы определяется ее начальным и конечным состоянием. В обратимых процессах энтропия изолированной системы постоянна, а при необратимых возрастает ∆ S>0 и стремится к максимальной величине.

Возрастание энтропии было признано самопроизвольной эволюцией системы, в которой система забывает начальные  условия и переходит в состояние  хаоса. При максимальной энтропии возникает  состояние равновесия и наступает  полный хаос. Возрастание энтропии, т.е. эволюция системы, или переход  от настоящего к будущему – это  направление, которое называют «стрела  времени». Состояние равновесия или  хаоса – считается более вероятным  для изолированной системы.