Ньютоновы принципы классического механистического естествознания
Исаак
Ньютон (1642-1727), величайший ученый всех времен и народов, английский физик,
механик, астроном и математик, в 1687 году издал свое классическое
произведение, главный труд своей жизни — «Математические
начала натуральной философии». «Начала»,
вершина
научного творчества Ньютона, состоят из 3-х частей: в первых двух частях речь идет о движении тел, механике тел, в
которых формулируются, постулируются три
знаменитых закона динамики Ньютона, а последняя часть сочинения
посвящена системе мира (космологии), в
которой обосновывается вывод и даны
приложения знаменитейшего закона всемирного тяготения Ньютона.
Начать
надо с фундаментальных физических
определений и понятий, положивших начало классического
естествознания, поскольку здесь мы имеем общий образец, которому следовали
ученые последующих поколений при построении теорий. Так вот, Ньютон, прежде
всего, определяет свойства объекта, который
является предметом изучения — это некоторая масса
(тело), и место, и время, в которое он (объект) изучается.
Итак, слово
Исааку Ньютону из его «Начал»: «1) Количество материи (масса) есть мера
таковой, устанавливаемая пропорционально плотности и объему ее.
- Количество движения есть мера такового,
устанавливаемая пропорционально скорости и массе. - Приложенная сила есть действие,
производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного и
прямолинейного движения.
Время, пространство, место и движение составляют
понятия общеизвестные.
а) Абсолютное, истинное, математическое время само
по себе и по своей сущности, без всякого
отношения к
чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе на
зывается длительностью.
б) Абсолютное
пространство по самой своей сущнос
ти, без относительно к чему бы то ни было внешнему,
остается всегда одинаковым и неподвижным.
в) Место есть
часть пространства, занимаемая телом
и, по отношению к пространству, бывает или абсолютным,
или относительным.
г) Абсолютное движение есть
перемещение тела из
одного его абсолютного места в другое».
И
далее то, как постулированы три
фундаментальные закона движения, носящие имя Ньютона:
«I.
Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного
прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными
силами изменить это состояние.
II. Изменение количества движения пропорционально
приложенной движущей силе и происходит по направле
нию той прямой, по которой эта сила действует.
III. Действию всегда есть равное и противоположное
противодействие, иначе — взаимодействия двух тел друг
на друга между собой равны и направлены в противопо
ложные стороны».
Четвертым
законом в «Началах» Ньютона стал закон всемирного тяготения. Анализируя законы
Кеплера, Ньютон пришел к заключению, что между небесными телами действует сила
притяжения, обратно пропорциональная квадрату расстояния между телами. Высказав
предположение, что силы тяготения имеют всеобщий (всемирный) характер и что эти
силы пропорциональны массам взаимодействующих тел, Ньютон установил закон,
олицетворяющий первую теорию тяготения (гравитации):
Ньютону
принадлежит доказательство того, что закон всемирного тяготения вместе с первым
и вторым законами динамики достаточны для описания движения тел на поверхности
и вблизи поверхности Земли. Законы движения и закон всемирного тяготения
Ньютона принадлежат
к
числу фундаментальных физических принципов, и, подобно аксиомам Евклида в
геометрии, они служат логической основой для получения других частных
физических законов.
Итак,
основное содержание или основные идеи классической механики таковы:
A) есть
тела, которые следует наделить свойством массы;
Б) массы притягиваются друг к другу (закон всемир
ного тяготения);
B) тела могут
сохранять свое состояние — покоиться или
двигаться равномерно, не меняя
своего направления движе
ния (закон инерции, он же принцип относительности);
Г)
при действии на тела сил они изменяют свое состояние: либо ускоряются, либо
замедляются (второй закон динамики Ньютона);
Д)
действие сил вызывает обратное равное ему противодействие (третий закон
Ньютона).
Ньютону
также принадлежит честь (вместе с немецким математиком Готфридом Лейбницем) создания великолепной
математической теории — дифференциального
и интегрального исчислений, лежащих в основании классического
естествознания. Эта математическая теория
стала одной из самых «используемых» теорий всеми учеными, работающими не только
в области естествознания, но и в технических и в социально-экономических
науках.
В
XVIII-XIX веках
знаменитыми математиками — швейцарцем (проработавшим большую часть своей жизни
в России, а потому признаваемым как русский ученый) Леонардо Эйлером, французами Луи Лагранжем (1736-1813 гг.), Пьером Симоном Лапласом (1749-1827 гг.) и ирландцем Уильямом Роаном Гамильтоном (1805-1865
гг.), механике Ньютона были приданы изящные, математически строгие формы. Этих
форм две, и их принято называть
лагранжева и гамилътонова
формы (часто это также
характеризуют словами лагранжев и
гамильтонов формализм). Они, эти
великие математики, в этом нет никакого сомнения, завершили построение здания
под названием классическая механика.
Теперь
можно сформулировать основные научные положения механистической ньютоново-картезианской парадигмы или
механистической картины мира, которые составляют, вместе с тем, основные принципы и закономерности классического
механистического естествознания:
- мир состоит из массивных (материальных) объектов конечных объемов
(размеров), видимые контуры которых являются их физическими
границами; - эти объекты движутся в пустом трехмерном евклидовом пространстве, евклидовыми
также являются линии (траектории) их движения — прямые, окружности, эллипсы,
параболы, спирали и другие линии; - время — четвертая координата пространственно-временного
континуума, независимая от пространственных
координат; - три закона
динамики Ньютона управляют движениями (траекториями) материальных (наделенных
массой или масссивных) объектов, заполняющих
пространственно-временной континуум; - поле тяготения (гравитация) распространяется в
пространственно-временном континууме с
бесконечной скоростью и никак не
затрагивает течения времени; - линейный
характер ньютоновой
динамики означает, что интенсивность
следствия в мире механических явлений прямо пропорциональна интенсивности причины (так называемый лапласовский детерминизм).
Указанные фундаментальные положения классического формализма
могут быть дополнены следующими эвристическими (методологическими) выводами:
- Природных возможностей человеческого
разума вполне достаточно для того, чтобы понять
(выразить) мир механических явлений в понятиях и теориях. - Изучение мира механических явлений и
процессов не оказывает существенного влияния
на их течение. - Теоретический
расчет движения реальных
массивных объектов можно сделать сколь
угодно точно, задавая экспериментальные так называемые начальные условия в какой-либо точке
пространственно-временного континуума (начальные значения пространственных координат
и скорости объекта в какой-либо его точке). - Уравнения динамики обратимы во времени, т. е. для них
безразлично, куда развивается процесс из настоящего времени — в будущее или
прошлое. - Точный численный расчет движений
массивных объектов позволяет эффективно
изменять и преобразовывать его по своему усмотрению.
Итак,
именно эти перечисленные выше концептуальные положения и выводы, именуемые как ньютоново-картезианская (Картезий —
латинизированное имя Декарта) парадигма, являются
методологической основой классического механистического и физического
естествознания. Вместе с лапласовским
детерминизмом ньютоново-картезианская парадигма создала основу
классического естествознаний и всей классической науки, господствующих в
мышлении людей с XVIII века,
а во многих случаях, и до сих пор, хотя время их уже давно прошло.
Ключевые
слова классического механистического этапа науки: абсолютное пространство, абсолютное время, масса, инерция, динамические
законы Ньютона,
лапласовский
детерминизм, лагранжев формализм, гамилътонов формализм, объективность,
абсолютная предсказуемость событий будущего.
Резюме
- Классическая механика дала четкие ориентиры в понимании фундаментальных категорий — пространства, времени и движения
материи. - Законы классической механики с большой точностью (но все же приближенно) отражают истинные законы природы. До сих пор с помощью законов, сформулированных
И. Ньютоном, производится, например, расчет траекторий искусственных спутников Земли. Пределы применимости классических законов механики устанавливаются в другой теории, возникшей в XX веке — в специальной теории относительности Эйнштейна. - Формирование классической физики, начатое в XVII веке работами Галилея, завершилось в XIX веке созданием Дж. Максвеллом теории электромагнитного
поля, положившему начало в XX веке новому этапу в науке — неклассическому.
Невообразимо широк спектр использования этой теории в науке,
технике, быту.