Все темы. Лекция по дисциплине История и философия науки
 Скачать 1.24 Mb.
|
Эволюция классической науки (XVIII – конец XIX вв.)Работа Ньютона «Оптика» (1704) является условным рубежом между двумя периодами классической науки. Ее эволюция в XVIII – XIX веках характеризуется важными процессами, тенденциями, событийными рядами. Дальнейшее развитие получают математика, небесная механика, другие дисциплины из «семейства» физики. Их научный союз становится крепче.  1 Койре А. Очерки истории философской мысли. О влиянии философских концепций на развитие научных теорий С. 19. Значительный вклад в развитие науки внесла семья швейцарских ученых Бернулли. Иоганн I Бернулли открыл простейшую форму закона больших чисел (ок. 1701) и обобщил принцип виртуальных скоростей (1717). Нико- лай I доказал теорему о независимости частных производных от порядка дифференцирования. Даниил I высказал принцип сложения и разложения скоростей (1726); в трактате «Гидродинамика» (1738) определил отношение между давлением и скоростью течения жидкости, предложил теорию диф- ференциальных уравнений с частными производными (1740). Около 1710 г. П. Вариньон заложил основы графических методов статики и развил понятие момента силы. В 40-е гг. П. Мопюртюи ввел принцип наименьшего действия. Серьезных успехов в области математики достигли Ж. Д’Аламбер, Э. Варинг, К. Маклорен, Г. Монж, А. Муавр, Л. Карно, А. Клеро, М. Кондорсе, А. Паран, Б. Тейлор. В конце XVIII в. начинают писать свои гениальные труды К. Гаусс (доказал основную теорему алгебры) и П. С. Лаплас (исследования по теории вероятностей). Последний в 1798 г. публикует первый том знаменитого «Трактата о не- бесной механике», работе в которой идеи и методы Ньютона доведены до совершенства. Ш. Кулон сформулировал законы кручения и трения сколь- жения твердых тел, экспериментально определил закон взаимодействия электрических зарядов (1785), который по форме повторяет закон все- мирного тяготения. Огромный вклад в развитие классической науки внес Л. Эйлер, при- менивший математические методы практически ко всем областям естество- знания. Его нередко называют «отцом» математической физики и механики машин (динамика машин была создана в 1783 г. Л. Карно). Эйлер создал теорию эллиптических функций, занимался исчислением бесконечно малых, вариационным и дифференциальным исчислением, ввел двойные интегралы, открыл цилиндрические функции. В 1736 г. в работе «Механика» впервые с помощью математического анализа представил динамику точки, учредил понятие силы инерции. Получил уравнение геодезической линии на по- верхности, установил законы равновесия жидкостей, представил общие уравнения гидродинамики. Он плодотворно занимался гидравликой, бал- листикой, астрономией, был специалистом по навигации. Больше двадцати лет Эйлер – иностранный член Петербургской академии. Еще одним гениальным ученым-универсалом был Ж. Л. Лагранж. Сфера его интересов: небесная механика и ее история, гидродинамика, акустика, теоретическая астрономия, математический анализ, теория чисел, геометрия. Активно участвовал в разработке метрической системы, ввел тройные интегралы (1773), сформулировал законы теории колебаний (1780). Его «Аналитическая механика» (1788) по значимости и эвристике может со- ставить конкуренцию «Математическим началам…». В этой работе он развил принцип наименьшего действия, дал решение проблемы колебания струны, построил теорию длинных волн. Лагранж отказался от геометрических ин- терпретаций механики, придав ее уравнениям новую форму. Характе- ристическая функция механической системы, выраженная через обобщенные координаты и время, получила наименование «лагранжиан». Он «превратил механику в общую науку о движении тел различной природы: жидких, газообразных и упругих»1. Физика XIX в. характеризуется не только дальнейшей математизацией, расширением предметно-проблемного и методологического пространства уже сформировавшейся классической механики – небесной и некоторых разделов механики сплошных сред. После победы волновой теории (Т. Юнг, О. Френель, 1801–1821) и адаптации достижений электромагнетизма закон- ченный вид принимает классическая оптика. Формируются, с опорой на уже известные теории и гипотезы, новые отрасли физики – термодинамика (в тесном контакте с молекулярной физикой) и электродинамика. Появляются междисциплинарные области знаний – геофизика, астрофизика, физическая минералогия, биофизика. В 1827 г. Р. Броун открывает хаотическое движение частиц, составляющих вещество. Оно стало предметом изучения ученых, представляющих разные дисциплины. Броуновское движение далеко не сразу было определено как следствие движения теплового, его количественное описание было осуществлено только в 1905 г. А. Эйнштейном. Термодинамика берет начало с работ одного из «отцов» математической физики Ж. Фурье («Аналитическая теория тепла», 1822) и С. Карно («О дви- жущей силе огня…», 1824). Значительный вклад в ее формирование внесли в 40-е гг. Ю. Майер, Дж. Джоуль, Г. Гельмгольц. Они дали «жизнь» первому началу термодинамики, представляющему собой закон сохранения энергии для термодинамических систем. Второе начало термодинамики имеет множество формулировок. Ранняя (1850) принадлежит Р. Клаузиусу и констатирует невозможность перехода теплоты от более холодного тела к более теплому. Следующая (1851) – У. Томпсону (Кельвину), предложивше- му также абсолютную термодинамическую шкалу температур. В 70-е гг. Д. Гиббс и Л. Больцман включают в свои формулировки термин «энтропия» (введен еще Клаузиусом), обозначающий 1) меру необратимой потери энер- гии и/или 2) меру бесполезности конфигурации энергии и/или 3) количество перестановок микроскопических частей системы, при которых макроскопи- ческое состояние системы не меняется. Второе начало трактуют как не- избежность возрастания энтропии. «Энтропия изолированной системы увеличивается, потому что существует гораздо больше способов создать высокую энтропию, чем низкую»2. Два начала термодинамики поставили крест на попытках создать «вечный двигатель». Л. Больцман (основатель молекулярно-кинетической теории и статистической физики) вывел одну из фундаментальных физических постоянных (получила его имя). Она опреде- ляет связь между температурой и энергией. Третье начало было сформу- 1 Голин Г. М., Филонович С. Р. Классики физической науки (с древнейших времен до начала ХХ в.). М., 1989. С. 232. 2 Кэролл Ш. Вечность. В поисках окончательной теории времени. М., 2017. С. 54. лировано В. Нернстом (1906): любая термодинамическая система стремится к конечному для нее пределу. Но при абсолютном нуле – энтропия равна нулю, следовательно, абсолютный нуль температуры (- 273,15 С) недостижим. В 1823 г. А.-М. Ампер впервые использовал слово «электродинамика». Этот термин преимущественно означает классическое учение о свойствах электромагнитного поля, описываемых с помощью уравнений Дж. К. Мак- свелла. Его великим открытиям предшествовали работы не менее талант- ливых предшественников. О законе Кулона мы уже упоминали. Еще были опыты, изобретения, теоретические построения П. ван Мушенбрука, Г. В. Рихмана, М. В. Ломоносова, Б. Франклина, Л. Гальвани, А. Вольта. Свойства же магнитов привлекли внимание еще Фалеса. Понятие «электро- магнитный» первым использовал датчанин Х. Эрстед, экспериментально установивший связь между электрическими и магнитными явлениями (1820). В том же году Ампер сформулировал закон взаимодействия электрических токов, сформулировал теорему о циркуляции магнитного поля. Чуть позже Г. Ом установил экспериментально закон, фиксирующий связь между силой тока, напряжением и сопротивлением. Открытые законы электричества были дальнодействующими, что еще раз подтверждало правоту Ньютона. Но среди его соотечественников на- шлись скептики, для которых наблюдаемые явления оказались важнее авто- ритетных идей. Речь идет о М. Фарадее и Дж. К. Максвелле, которые объединили электричество и магнетизм. Фарадей обнаружил, что движение магнита порождает в проводнике ток; открыл закон электромагнитной индукции. Максвелл считал своего соотечественника «мощным теоретиком, у которого можно черпать плодотворные методы», высоко оценил его работу в плане создания понятийного аппарата новой отрасли физики. Фарадей, считает Максвелл, несмотря на недостаток математических знаний, не ограничился рассмотрением качественной стороны явлений, но опытным путем пришел к количественным законам. Он «видел пронизывающее пространство силовых линий там, где математики видели центры сил, среду он обнаруживал там, где математики не видели ничего, кроме расстояния, некоторые из плодотворных методов, открытых математиками, «выражены в терминах, заимствованных у Фарадея, значительно лучше, чем они выра- жались в их оригинальной форме»1. Максвелл, будучи ученым-энцикло- педистом (механика, оптика, молекулярная физика и термодинамика, астрономия) взял на вооружение методологию Фарадея. Он блестяще справился с задачей гармонизации физической гипотезы и ее строгого математического описания. Другие идеи Максвелла не менее революционны. Он закладывает основы современных представлений о поле и взаимо- действии. Его четыре знаменитых уравнения (законы Максвелла, 1873) – вершина аргументированности, филигранности, лаконичности. Они демон- стрируют, как ускоренное движение электрических зарядов порождает 1 Максвелл Дж. К. Трактат об электричестве и магнетизме. В 2-х т. Т. 1. М., 1989. С. 13. колебания электромагнитного поля – одноименные полю волны. И, самое главное, законы Максвелла не согласовываются с законами Ньютона! С Максвелла начинается как процесс объединение сил природы в единое целое, так объединение физики и перестройка ее фундамента. «Вели- чественное здание, заложенное Галилеем и возведенное Ньютоном, вместило новую физику молекулярно-тепловых явлений, но оказалось тесным, чтобы вместить – без перестройки – физику электромагнетизма»1. С точки зрения Ф. Вильчека, современная физика начинается в 1864 г., со статьи Максвелла «Динамическая теория электромагнитного поля» (в ней впервые представ- лены его великие уравнения). Максвелл раскрыл электромагнитную природу света, который «состоит из поперечных колебаний той же среды, которая является причиной электри- ческих и магнитных явлений»2. Он установил, что скорость света и отно- шение электрических единиц, являются величинами одного и того же порядка3. Максвелл – сторонник гипотезы наличия всепроникающей среды – светоносного эфира. «Как бы энергия не передавалась от одного тела к другому во времени, должна существовать среда или вещество, в которой находится энергия, после того как она покинула одно тело, но еще не достигла другого»4. Эфир Максвелла – это абстракция, необходимая для фиксации физического пространства. Он отличается от механического грави- тационного эфира Ньютона или лорда Кельвина. Максвеллом предсказано наличие электромагнитных волн разной частоты. Экспериментально это положение доказано Г. Герцем (1888), который пытался построить систему механики без понятий «сила» и «энергия». Максвелловская концепция близкодействия (взаимодействия осу- ществляются с конечной скоростью) взяла верх над идеей Ньютона. Сторон- ники таковой – А.-М. Ампер и В. Вебер – ошибочно считали, что силы действуют мгновенно, независимо от расстояния. Во многом благодаря Мак- свеллу, механика сплошных сред оказалась эффективнее механики мате- риальных точек. Сформулированные и доказанные им законы оказали огром- ное влияние на возникшую через четверть века после его смерти спе- циальную теорию относительности, с ее принципом постоянства скорости света. О прикладном значении работ Максвелла, роли электромагнитных волн в нашей жизни, пожалуй, не стоит и говорить. Для математики XIX в. – временя радикальных изменений. С. Лакруа вводит термин «аналитическая геометрия», Н. И. Лобачевский открывает мир неевклидовой геометрии (1826). П. С. Лаплас и С. Пуассон успешно рабо- тают в области теории вероятностей, Н. Абель, Ж. Фурье, К. Гаусс, О. Коши |