Методология Исаака Ньютона
Введение
всемирный тяготение
ньютон закон
Современная наука охватывает огромную отрасль
знаний - около 15 тысяч дисциплин, которые в различной степени отдалены друг от
друга. Современная наука имеет очень сложную организацию. Она разделяется на
множество отраслей знания.
Естествознание - наука о природе; совокупность
естественных наук, взятая как целое; одна из трех основных областей
человеческого знания (наряду с науками об обществе и мышлении). В Новое время
природа впервые становится объектом тщательного научного анализа и вместе с тем
поприщем активной практической деятельности человека, масштабы которой в силу
успехов капитализма постоянно нарастают. Относительно низкий уровень развития
науки и вместе с тем овладение человеком мощными силовыми агентами природы
(тепловой, механической, а затем и электрической энергией) не могли не привести
к хищническому отношению к природе, преодоление которого растянулось на века,
вплоть до наших дней.
Объект естествознания - сама природа, предмет -
различные виды материи и формы их движения, проявляющиеся в природе, их связи и
закономерности.
Физика как ведущая отрасль всего естествознания
играет роль стимулятора по отношению к другим отраслям естествознания.
Конституирование физики как науки связано в первую очередь с гениальными
открытиями Галилео Галилея (1562 - 1642) и Исаака Ньютона (1643 - 1727).
Особенно значительны научные прозрения Ньютона.
Роль Ньютона в становлении
механистической научной картины мира
В истории развития естествознания можно выделить
три научных революции.
Первая революция (аристотелевская) произошла в VI
- IV вв. до н.э. в
познании мира, в результате которой и появилась на свет наука. Важнейшим
фрагментом античной научной картины мира стало последовательное геоцентрическое
учение о модели мира. В центре конечной Вселенной находится неподвижная Земля,
а Солнце, Луна, планеты и звёзды обращаются вокруг неё по круговым орбитам,
расположенным на восьми сферах. Что лежит за последней сферой, не объяснялось.
Вторая глобальная научная революция (ньютоновская)
пришлась на XVI - XVIII
вв. Её исходным пунктом считается переход от геоцентрической модели мира к
гелиоцентрической. В центре бесконечной Вселенной находится Солнце, а Луна,
планеты и звёзды обращаются вокруг него. Основной смысл второй научной революции
- становление классического естествознания. Итог - механистическая научная
картина мира, завершенная И. Ньютоном.
Динамический закон - это физический закон,
отображающий объективную закономерность в форме однозначной связи физических
величин, выражаемых количественно. Динамической теорией является физическая
теория, представляющая совокупность динамических законов. Исторически первой и
наиболее простой теорией такого рода и явилась классическая механика Ньютона.
Она претендовала на описание механического движения, то есть перемещения в
пространстве с течением времени любых тел или частей тел относительно друг
друга, с какой угодно точностью.
Метод, примененный Ньютоном, называется сейчас
правилом индукции (от единичного к особенному, а от него - к общему). Процесс
индукции связан с такой операцией, как сравнение - установление сходства и
различия объектов, явлений. Благодаря этому методу Ньютон сумел распространить
область применимости законов механики на всю Вселенную и доказать
универсальность тяготения.
Изобретенную теорию Ньютон представил в
фундаментальном труде «Математические начала натуральной философии» (1687 г.).
К величайшим научным достижениям ХVII - ХVIII
вв. надо отнести закон всемирного тяготения И. Ньютона. Закон всемирного
тяготения носит универсальный характер, т.к. ему подчиняется все - малое и
большое, земное и небесное. G
- постоянная закона тяготения Ньютона.
Закон всемирного тяготения открыл широкие
возможности для развития научного подхода к исследованию Вселенной и ее
составных частей на основе лишь немногих фундаментальных законов и
взаимодействий, имеющих одинаковую силу на Земле, в научной лаборатории и в
космосе.
Естественно-научные представления о пространстве
и времени прошли длинный путь становления и развития. Самые первые из них
возникли из очевидного существования в природе твердых физических тел,
занимающих определенный объем. Здесь основными были представления о
пространстве и времени как о субстанции - нечто относительно устойчивое, то,
что существует само по себе, не зависит ни от чего другого (Аристотель,
Демокрит). Первая законченная теория пространства - геометрия Евклида. Она была
создана примерно 2 000 лет назад и до сих пор считается образцом научной
теории. Геометрия Евклида оперирует идеальными математическими объектами,
которые существуют как бы вне времени, и в этом смысле пространство в этой
геометрии - идеальное математическое пространство. Такой взгляд и позволил
Ньютону сформулировать концепцию абсолютного пространства и времени. Абсолютное
пространство существует независимо от времени и независимо от наполняющей его
материи, остается всегда одинаковым и неподвижным. Пространство - лишь сцена,
на которой разворачиваются события, немой и безучастный свидетель того, что
происходит с материей. Абсолютное время при этом течет равномерно и независимо
ни от чего, и иначе называется длительностью. Течение абсолютного времени
изменяться не может. Длительность или продолжительность существования вещей
одна и та же, быстры ли движения (по которым измеряется время), медленны ли или
их совсем нет… Время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и
всего существующего.
Следует, однако, отметить, что, создав стройную
научную теорию, И. Ньютон допускал возможность божественного первотолчка. Ведь
представление о Вселенной как о гигантской заводной игрушке, часовщиком в
которой был Бог, преобладало в XVII
- XVIII вв..
В конце XVII
в. произошла также революция в математике. И. Ньютон и Г. Лейбниц независимо
друг от друга разработали принципы интегрального и дифференциального
исчисления.
Ньютон разработал математический анализ. Он
создал свой вариант дифференциального и интегрального исчисления, благодаря
этому ему удалось точно сформулировать законы динамики и закон всемирного
тяготения, согласно которому все тела, независимо от их свойств и от свойств
среды, в которой они находятся, испытывают взаимное притяжение, прямо
пропорциональное их массам и обратно пропорциональное квадрату расстояния между
ними.
Дифференциальное исчисление дало возможность
математически описывать не только устойчивые состояния тел, но и текущие
процессы, не только покой, но и движение. Эти исследования стали основой
математического анализа и математической базой всего современного
естествознания.
Законы механики, сформулированные
Ньютоном
Фундаментальные физические теории (законы)
представляют собой совокупность наиболее существенных знаний о физических
закономерностях. Эти знания не являются исчерпывающими, но на сегодняшний день
они наиболее полно отражают физические процессы в природе. В свою очередь, на
основе тех или иных фундаментальных теорий формулируются частные физические
законы.
Ученые-науковеды едины во мнении, что основу
любой физической теории составляют три элемента, основным из которых является
совокупность физических величин, с помощью которых описываются объекты данной
теории. В механике Ньютона это координаты, импульсы, энергия, силы.
Ньютон впервые создал единую механику всех
земных и небесных тел, с общими для них законами инерции, динамики, действия и
противодействия, а также взаимного тяготения. Механистическая картина мира
напоминала часы: любое событие однозначно определяется начальными условиями,
задаваемыми абсолютно точно. В таком мире нет места случайности. В нем возможен
демон Лапласа - существо, способное охватить всю совокупность данных о
состоянии Вселенной в любой момент времени, могло бы не только предсказать будущее,
но и до мельчайших подробностей восстановить прошлое.
Непосредственно законы механики,
сформулированные Ньютоном, относятся к физическому телу, размерами которого
можно пренебречь, материальной точке. Но любое тело макроскопических размеров
всегда можно рассматривать как совокупность материальных точек и,
следовательно, достаточно точно описать его движения.
Поэтому в современной физике под классической
механикой понимают механику материальной точки или системы материальных точек и
механику абсолютно твердого тела.
Основания механики Ньютона составляют три закона
и два положения относительно природы пространства и времени.
Первый закон Ньютона. Материальная точка в
отсутствие действия на нее сил или при взаимном уравновешивании последних
находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.
Второй закон Ньютона. Скорость изменения
импульса р материальной точки равна действующей на нее силе F,
т.е.
= F, или = F, или а = ,
где m, v, a, t являются
символьными обозначениями соответственно массы, вектора скорости, вектора
ускорения и времени.
Третий закон Ньютона. Две
материальные точки действуют друг на друга с силами F1 и F2, которые
численно равны и направлены в противоположные стороны вдоль прямой, соединяющей
эти точки: F1 = F2.
Три закона Ньютона предполагают
определенную природу пространственных и временных промежутков. Выполняются они
не во всех, а лишь в так называемых инерциальных системах отсчета.
Отметим, что законы ньютоновской
классической механики являются обратимыми. Это своим следствием имеет тот факт,
что в классической динамической системе всегда можно, варьируя начальные
условия, привести систему в определенное, «нужное», заранее выбранное
состояние.
Для расчета движения должна быть
известна зависимость взаимодействия между частицами от их координат и от
скоростей. Тогда по заданным значениям координат и импульсов всех частиц
системы в начальный момент времени второй закон Ньютона позволяет однозначно
определить координаты и импульсы в любой последующий момент времени. Это
позволяет утверждать, что координаты и импульсы частиц системы полностью
определяют ее состояние в механике. Любая механическая величина, представляющая
для нас интерес (энергия, момент импульса и т.д.), выражается через координаты
и импульс.
Таким образом, определяются все три
элемента фундаментальной теории, какой является классическая механика.
Заключение
Исаак Ньютон доказал существование тяготения как
универсальной силы - силы, которая одновременно
заставляла камни падать на Землю и была причиной замкнутых орбит, по которым
планеты вращались вокруг Солнца. Заслуга Ньютона была в том, что он соединил
механистическую философию Декарта, законы Кеплера о движении планет и законы
Галилея о земном движении, сведя их в единую всеобъемлющую теорию.
Закон всемирного тяготения не только завершил
гелиоцентрическое представление о Солнечной системе, но и дал научную основу
для объяснения большого числа процессов, происходящих во всей Вселенной, в том
числе физических и химических процессов, став основой физической картины мира.
Механистическая картина мира основывалась на
следующих принципах: связь теории с практикой; использование математики;
эксперимент реальный и мысленный; критический анализ и проверка данных; главный
вопрос - как, а не почему; детерминированность и обратимость траекторий.
Обращаясь к современной науке, нужно отметить,
что даже беглое сравнение ее и науки предшествующих эпох обнаруживает
разительные перемены. Ньютон, как ученый классической эпохи, вряд ли бы принял
идеи и методы, например, квантовомеханического описания, поскольку он считал
недопустимым включать в теоретическое описание и объяснение ссылки на
наблюдателя и средства наблюдения. Такие ссылки воспринимались бы в
классическую эпоху как отказ от идеала объективности. Вместе с тем, механика
Ньютона и по сей день не потеряла своего значения, только стало ясно, что
существуют границы ее применимости.
Список использованной литературы
.Идеи
и наш мир: Великие концепции прошлого и настоящего / Под ред. Р. Стюарта. - М.:
ББМ АО, ТЕРРА - книжный клуб, 1998. - 224 с.
.Кефели
И.Ф. История науки и техники. - СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 1995. - 170 с.
.Ньютон
и философские проблемы физики XX века. - М.: Наука, 1991. - 205 с.
.Родякин
С.В., Ситников А.Н. Основные предпосылки и идеи становления и развития
классической механики Галилея и Ньютона // Философия науки (научное издание по
философии, методологии и логике естественных наук). - 2003. - №1. - С. 45-51.
.Серополова
Е.Я. Межпредметные связи и формирование естественнонаучных понятий при обучении
физике в основной школе // Физика в школе. - 2007. - №3. - С. 22-27.
.Степин
В.С., Горохов В.Г., Розов М.А. Философия науки и техники. - М.: Гардарина,
1996. - 400 с.
.Тяготение.
От Аристотеля до Эйнштейна / В.Д. Захаров. - М.: Бином. Лаборатория знаний,
2003. - 278 с., илл.