Концепции современного естествознания

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

____________________________________________________________________________

государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Российский государственный торгово-экономический университет»

Пермский институт (филиал)

Кафедра: коммерция торгового дела

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

на тему «Концепции современного естествознания»

Работу выполнил: студент

Преподаватель:

Защищена с оценкой

__________________________________

Дата _____________________

Подпись __________________

Пермь 2007

1. Классическая механика – фундамент естественнонаучной теории

Классическая механика была первой фундаментальной естественнонаучной теорией. В течение трех столетий (с ХVII в. по начало ХХ в.) она выступала единственным теоретическим основанием физического познания, а также ядром второй естественнонаучной картины мира - механистической.

Возникновение и развитие классического естествознания

Новый величайший переворот в системе культуры происходит в эпоху Возрождения, которая охватывает ХIV –начало XVII в. Эпоха Возрождения - эпоха становления капиталистических отношений, первоначального накопления капитала, восхождении социально-политической роли города, буржуазных классов, складывания абсолютистских монархий и национальных государств, эпоха глубоких социальных конфликтов, религиозных войн, ранних буржуазных революций, возрождения античной культуры, эпоха титанов мысли и духа.

В первую половину средневековья, длившегося более тысячелетия, в Европе господствовала библейская картина мира, сменившаяся затем догматизированным аристотелизмом и геоцентрической системой Птолемея. Постепенно накапливавшиеся астрономические наблюдения подтачивали основы этой картины. Несовершенство, сложность и запутанность птолемеевской системы становились очевидными. Все многочисленные попытки увеличения ее точности достигались за счет ее все прогрессирующего усложнения. Уже в средневековье сосуществовало несколько моделей планетных движений, но все они опирались на геоцентризм и, в конце концов, сводились к системе Птолемея, лишь усложняя ее.

Птолемеевская система не только не позволяла давать точные предсказания; она еще страдала явной несистематичностью, отсутствием внутреннего единства и целостности; каждая планета рассматривалась сама по себе, имела отдельную от остальных эпициклическую систему, свои собственные законы движения. В геоцентрических системах движение планет представлялось с помощью нескольких равноправных независимых математических моделей. Строго говоря, геоцентрическая теория не была геоцентрической системой, так как объектом этой теории система планет (или планетная система) и не являлась; в ней речь шла об отдельных движениях, не связанных в некоторое системное целое. Геоцентрические теории позволяли предвычислять лишь направления на небесные светила, без попыток раскрыть истинную удаленность и расположение их в пространстве. Птолемей считал последние две задачи вообще неразрешимыми. Установка на поиск внутреннего единства и системности и была той стержневой основой, вокруг которой концентрировались непосредственные предпосылки геоцентрической системы.

Величайшим мыслителем, которому суждено было начать великую революцию в астрономии, повлекшую за собой революцию во всем естествознании, был гениальный польский астроном Николай Коперник (1473 – 1543). Еще в конце XV в., после знакомства и глубокого изучения “Альмагеста”, восхищение математическим гением Птолемея сменилось у Коперника сначала сомнениями в истинности этой теории, а затем и убеждением в существовании глубоких противоречий в геоцентризме. Он начал поиск других фундаментальных астрономических идей, изучал в подлинниках сохранившиеся сочинения или изложения учений древнегреческих математиков и философов, в том числе и первого гелиоцентриста Аристарха Самосского, и мыслителей, утверждавших подвижность Земли. (В древности кроме Аристарха Самосского гелиоцентрические идеи высказывались пифагорейцами Филолаем и Экфантом, учеником Аристотеля Гикетом Сиракузским и др.

Обладая широким складом мышления, Коперник первым взглянул на весь накопившийся за тысячелетия опыт астрономии глазами человека эпохи Возрождения: смелого, уверенного, творческого, новатора. Предшественники Коперника не имели смелости отказаться от самого геоцентрического принципа и пытались либо совершенствовать мелкие детали птолемеевой системы либо обращаться к еще более древней схеме гомоцентрических сфер. Коперник сумел разорвать с этой тысячелетней консервативной астрономической традицией, преодолеть преклонение перед древними авторитетами. Н. Коперник был движим идеей внутреннего единства и системности астрономического знания; он искал простоту и гармонию в природе, ключ к объяснению единой сущности многих; кажущихся различными явлений. Результатом этих поисков и явилась гелиоцентрическая система мира.

Система Коперника была проще и точнее системы Птолемея. Этой простотой и точностью сразу же воспользовались в практических целях. На ее основе составили “Прусские таблицы” (Э. Рейнгольд, 1551 г.). Она позволила уточнить длину тропического года и провести в 1582 г. давно назревшую реформу календаря. В результате был введен новый, или григорианский, стиль.

В чем же действительное достоинство, привлекательность и истинная сила теории Коперника? Почему она вызвала революционное преобразование всего естествознания?

Любое новое всегда возникает на базе и в системе старого. Коперник не был в этом отношении исключением. Он во многом еще разделял представления старой, аристотелевской космологии. Так, он представлял Вселенную замкнутым пространством, ограниченным сферой неподвижных звезд. Он не отступал от аристотелевской догмы, в соответствии с которой истинные движения небесных тел могут быть только равномерными и круговыми. Стремление восстановить аристотелевские принципы движения небесных тел, нарушавшиеся в ходе развития геоцентрической системы, кстати сказать, было для Коперника одним из мотивов поисков иных, негеоцентрических походов к описанию движений планет.

И, кроме того, Коперник стремился создать логически простую и стройную планетную теорию. В отсутствии такой простоты и стройности, системности Коперник и увидел коренную несостоятельность теории Птолемея. В этой теории отсутствовал единый стержневой принцип, который мог бы объяснить системные закономерности в движениях планет. Коперник был уверен, что представление движений небесных тел как единой системы позволит определить реальные физические характеристики небесных тел, т.е. то, о чем в геоцентрической модели вовсе не было и речи. И потому свою теорию он рассматривал как теорию реального устройства Вселенной.

В системе Коперника впервые получила объяснение загадочная прежде последовательность размеров первых, или главных, эпициклов у верхних планет, введенных Птолемеем для описания петлеобразных движений планет. Размеры их оказались убывающими с удалением планеты от Земли. Движение по этим элициклам, равно как и движение по деферентам для нижних планет, совершалось с одним и тем же годичным периодом, равным периоду обращения Солнца вокруг Земли. Все эти годичные круги геоцентрической системы оказались излишними в системе Коперника. Петлеобразные движения планет теперь объяснялись одной единственной причиной –годичным движением Земли вокруг Солнца. В различии же размеров петель (и, следовательно, радиусов соответствующих эпициклов) Коперник правильно увидел отображение того же орбитального движения Земли: наблюдаемая с Земли планета должна описывать видимую петлю тем меньшую, чем дальше она от Земли.

Более того, это глубокое объяснение видимых явлений позволило Копернику впервые в истории астрономии поставить вопрос об определении действительных расстояний планет от Солнца. Коперник понял, что этими расстояниями планет были величины, обратные радиусам первых зпициклов для внешних планет и совпадающие с радиусами деферентов – для внутренних. (Таким образом, то, что Птолемей считал в принципе непостижимым, на самом деле уже содержалось в скрытом виде в его системе.) Таким образом он получает весьма точные относительные расстояния планет от Солнца (в расстояниях Земля – Солнце, т. е. в астрономических единицах, выражаясь современным языком)

Логическая стройность, четкость, простота и совершенство теории Коперника, ее способность объяснить немногими причинами то, что раньше либо не объяснялось вовсе, либо объяснялось совершенно искусственно, связывать в единое то, что ранее считалось совершенно различными явлениями - несомненные достоинства этой теории; они свидетельствовали о ее истинности. Наиболее проницательные мыслители, ученые это поняли сразу.

Теория Коперника содержала в себе колоссальный творческий, мировоззренческий и теоретико-методологический потенциал. Ее историческое значение трудно переоценить.

В формировании классической механики и утверждении нового мировоззрения велика заслуга Г. Галилея (1564-1642). Галилей - выдающаяся личность переходной эпохи от Возрождения к Новому времени.

С прошлым его сближает неопределенная трактовка проблемы бесконечности мира; он не принимает кеплеровых эллиптических орбит и ускорений планет; (Галилей считал их простым воскрешением древней пифагорейской идеи о роли числа во Вселенной,несовместимой с новым экспериментальным естествознанием, за которое он боролся. Поэтому он не обратил внимания и на кеплеровы законы (а, возможно, и не ознакомился с ними, хотя Кеплер послал ему свое сочинение 1609 г.).) у него нет еще представления о том, что тела движутся по кривым в “плоском” однородном пространстве благодаря их взаимодействиям; он еще не освободился от чувственных образов и качественных противопоставлений и др. Но в то же время он весь устремлен в будущее. Галилей уже открывает дорогу математическому естествознанию; он был уверен, что “законы природы написаны на языке математики”; его стихия - мысленные кинематические и динамические эксперименты, логические конструкции; главный пафос его творчества – возможность математического постижения мира; смысл своего творчества он видит в физическом обосновании гелиоцентризма, учения Коперника. Галилей закладывает основы экспериментального естествознания: показывает, что естествознание - это умение делать научные обобщения из опыта, а эксперимент - важнейший метод научного познания.

За истинность и признание своих открытий Галилею пришлось вести сложнейшую борьбу с церковной ортодоксией. Ведь его жизнь и деятельность происходили в атмосфере Контрреформации, усиления католической реакции. Это был трагический для естествознания период истории. Речь шла о суверенитете разума в поисках истины. В 1616 г. учение Коперника было запрещено, а его книга внесена в инквизиционный “Индекс запрещенных книг”. После выхода в свет декрета начались сумерки итальянской науки, в научных кругах воцарило мрачное безмолвие.

Историческая заслуга Галилея перед естествознанием состоит в следующем:

- Галилей разграничивает понятия равномерного и неравномерного, ускоренного движения;

- формулирует понятие ускорения (скорость изменения скорости);

- показывает, что результатом действия силы на движущееся тело является не скорость, а ускорение;

- выводит формулу, связывающую ускорение, путь и время S = 1 / 2 ( a t І );

- формулирует принцип инерции (“если на тело не действует сила, то тело находится либо в состоянии покоя, либо в состоянии прямолинейного равномерного движения”);

- вырабатывает понятие инерциальной системы;

- формулирует принцип относительности движения (все системы, которые движутся прямолинейно и равномерно друг относительно друга (т.е. инерциальные системы) равноправны между собой в отношении описания механических процессов);

- открывает закон независимости действия сил (принцип суперпозиции).

На основании этих законов появилась возможность решения простейших динамических задач. Так, например, Х.Гюйгенс дал решение задач об ударе упругих шаров, о колебаниях физического маятника, нашел выражение центробежной силы.

Исследованиями Галилея был заложен прочный и надежный фундамент динамики и методологии классического естествознания. Дальнейшие исследования лишь углубляли и укрепляли этот фундамент. С полным основанием Галилея называют “отцом современного естествознания”.

Целая плеяда ученых ХVII века внесли свой вклад в развитие предпосылок классической механики (И. Буйо, Дж.Борелли, Гук и др.).

Обобщение результатов естествознания ХУП века выпала на долю И.Ньютона (1643 – 1727). Именно Ньютон завершил грандиозную работу постройки фундамента нового классического естествознания. Вразрез с многовековыми традициями в науке, Ньютон впервые сознательно отказался от поисков “конечных причин” явлений и законов и ограничился, в противоположность картезианцам, точным изучением количественных проявлений этих закономерностей в природе.

Обобщая существовавшие независимо друг от друга результаты своих предшественников в стройную теоретическую систему знания (ньютоновскую механику), Ньютон тем самым явился и родоначальником классической теоретической физики.

С именем Ньютона связано открытие или окончательная формулировка основных законов динамики: закона инерции; пропорциональности между количеством движения (mv) и величиной движущей силы (F); равенства по величине и противоположности по направлению сил при центральном характере взаимодействия. Вершиной научного творчества Ньютона стала его теория тяготения и провозглашение первого действительно универсального закона природы – закона всемирного тяготения.

В 1666 г. у Ньютона возникает идея всемирного тяготения, его родства с силой тяжести на Земле и идея о том, каким образом можно вычислить силу тяготения. Доказательство тождества между силой тяготения и силой тяжести на Земле проводится у Ньютона путем вычисления центростремительного ускорения Луны в ее обращении вокруг Земли; затем Ньютон уменьшает это ускорение пропорционально квадрату расстояния Луны от Земли, после чего оно оказывается равным ускорению силы тяжести у земной поверхности. Обобщая эти результаты, Ньютон приходит к выводу,что для всех планет имеет место притяжение к Солнцу, что все планеты тяготеют друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Дальнейший шаг заключался в том, что Ньютон выдвинул тезис, в соответствии с которым сила тяжести пропорциональна лишь количеству материи (массе) и не зависит от формы материала и других свойств тела. Развивая это положение, Ньютон приходит к закону всемирного тяготения в общем виде.

Не будет преувеличением сказать, что 28 апреля 1686 года - одна из величайших дат в истории человечества. В этот день Ньютон представил Лондонскому королевскому обществу свою новую всеобщую теорию - механику земных и небесных процессов. В систематической форме изложение классической механики было дано Ньютоном в книге “Математические начала натуральной философии”, которая вышла в свет в 1687 году. Современники Ньютона тотчас же высоко и достойно оценили этот уникальный труд.

Исключительно плодотворным оказался способ изучения явлений природы, разработанный Ньютоном. Eго учение о тяготения была уже не общим натурфилософским рассуждением и умозрительной схемой, а логически строгой, точной (и более чем на два века единственной)фундаментальной теорией - особым рабочим инструментом исследования окружающего мира, прежде всего движения небесных тел. Физическим фундаментом небесной механики стал закон всемирного тяготения.

Формирование основ классической механики было величайшим достижением естествознания ХVII века. Классическая механика была первой фундаментальной естественнонаучной теорией. В течение трех столетий (с ХVII в. по начало ХХ в.) она выступала единственным теоретическим основанием физического познания, а также ядром второй естественнонаучной картины мира - механистической.

Нельзя не сказать о математических достижениях Ньютона, без которых не было бы и его гениальной теории тяготения. Свой метод расчета механических движений путем рассмотрения бесконечно малых приращений величин – характеристик исследуемых движений Ньютон назвал “методом флюксий” и описал его в сочинении “Метод флюксий и бесконечных рядов с приложением его к геометрии кривых” (закончено в 1671 г., полностью опубликовано в 1736 г.). Вместе с методом Лейница он составил основу современных дифференциального и интегрального исчислений. В математике Ньютону принадлежат также важнейшие труды по алгебре, аналитической и проективной геометрии и др.

Несмотря на свой знаменитый девиз “Гипотез я не измышляю””, Ньютон как мыслитель крупнейшего масштаба не мог не задумываться и над предельно общими проблемами мироздания. Так, в частности, он распространил свою теорию тяготения на проблемы космологии.

Применив закон тяготения, подтвержденный тогда лишь для Солнечной системы, ко всей Вселенной, Ньютон рассмотрел главную космологическую проблему: конечна или бесконечна вселенная. И пришел к выводу, что лишь в случае бесконечности вселенной материя может существовать в виде множества космических объектов – центров гравитации. В конечной же вселенной материальные тела рано или поздно слились бы в единое тело в центре мира. Это было первой строгое физико-теоретическое обоснование бесконечности мира.

Ньютон задумывался и над проблемой происхождения такой упорядоченной Вселенной. Однако здесь он столкнулся с задачей, для решения которой еще не располагал научными фактами. Он считал, что материя сама по себе косна, пассивна и не способна к движению. И потому, например, для него тайной являлось начало орбитального движения планет. Для раскрытия этой тайны оставалось прибегнуть лишь к некоей более могучей, чем тяготение, организующей силе. В ту эпоху в качестве такой силы мыслился, разумеется, лишь бог. Поэтому Ньютон допускал божественный “первый толчок”, благодаря которому планеты приобрели орбитальное движение, а не упали на Солнце. Обнаружив неизбежность возмущений в движениях планет и спутников (т.е. отклонений от кеплеровых законов), которые могли иметь вековой характер, нарастая со временем, Ньютон вынужден был сделать вывод о необходимости время от времени подправлять расшатывающийся механизм планетных движений. Подобную функцию опять-таки мог выполнять только бог...

Потребовалось всего полвека развития науки и общего мировоззрения под воздействием открытий самого Ньютона, чтобы появились мыслители, категорически отвергавшие идею божественного начального толчка и внесшие в естествознание идею естественной эволюции материи. Первым из таких мыслителей был И.Кант.