Т. Карпова - Концепции современного естествознания

• Название: Концепции современного естествознания
• Автор: Т. Карпова
• Жанр: Детская образовательная литература
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-17-069999-5

В книге изложены ответы на основные вопросы темы «Концепции современного естествознания». Издание поможет систематизировать знания, полученные на лекциях и семинарах, подготовиться к сдаче экзамена или зачета.

Пособие адресовано студентам высших и средних образовательных учреждений, а также всем интересующимся данной тематикой.

---

Пространство отличалось тем, что было лишено атомарного строения. Оно было абсолютным, то есть математически пустым. Оно существовало вне времени и было необходимо для перемещения тел или атомов.

Время и движение в механической картине мира представляют собой абсолютные понятия. Хотя Ньютон рассматривал два вида времени – относительное, которое воспринимается людьми в процессе измерения, и абсолютное – то есть математическое, которое существует независимо от внешних причин, ни на что не влияет, равномерно по своей природе и отличается только длительностью, механическая картина мира усвоила лишь абсолютное математическое время.

Если пространство считалось абсолютно пустым вместилищем для перемещающихся тел и атомов, то время было таким же пустым вместилищем происходящих событий. Движение времени шло в одну сторону – от прошлого к будущему.

Движение в механическом мире было механическим перемещением материальных точек или абсолютно твердых тел. Сложные движения в механике описывались как сумма простых перемещений из одной точки пространства в другую. Для описания этих движений применялись открытые Ньютоном законы. Механика ввела в науку понятие массы и силы, причем масса считалась для конкретного тела постоянной и выражала его инертность, а сила понималась как причина изменения механического движения и причина деформации. Любое движение согласно законам Ньютона можно было описать с точки зрения применения данной силы к некой массе.

Позднее Декарт ввел понятие количества движения (произведения массы на скорость). Декарт воспринимал окружающий мир как математическую данность: материю он рассматривал как простую протяженность с геометрическими характеристиками, которая существует, поскольку существует движение. Декарту принадлежит формулировка физического понятия импульса силы и закона, который гласит, что импульс силы, равный произведению приложенной силы на время ее действия F · dt, дает постоянство количества движения m · V, то есть m · V = F · dt.

В этом определении единственная, способная изменяться, величина – это длительность (при неизменной массе, равномерных скорости и силе). Воспринимая материальный мир как математическую модель, Декарт разработал известную всем систему координат (X, Y, Z), которая получила его имя.

В классической механике понятие взаимодействий (современная наука разделяет слабое, сильное, электромагнитное и гравитационное) опиралось на известные законы механики Ньютона и закон всемирного тяготения, оперирующий понятиями сил притяжения и отталкивания, то есть, по сути, вопрос взаимодействия классической механикой не рассматривался.

В механической картине мира он был не нужен: все виды движений можно было свести к простому изменению положения тела в пространстве. Под взаимодействиями понималось приложение сил одного тела к другому для изменения траектории движения или выведения этого тела из состояния покоя. Никакого вида движения кроме механического (поступательного) и вращательного (как движение по окружности) механика не знала, а единственное взаимодействие, которое рассматривалось глубже, было открытой Ньютоном силой гравитации.

Гравитация описывалась как механическое движение, но выводилась из движения мегамира. Согласно закону всемирного тяготения, если известны масса одного из тел и сила гравитации, можно определить и массу второго тела. Из гравитационного закона Ньютон вывел тождественность гравитационной массы и массы инертности. Эйнштейн назвал этот принцип фундаментальным законом природы и положил в основу общей теории относительности.

Термодинамическая картина мира

Формирование термодинамической картины мира связано с быстрым ростом промышленного прогресса в XIX в., получившего название промышленной революции. Развитие капитализма способствовало ускоренному количественному и качественному росту технических изобретений, причем основанных на самых передовых научных идеях. Человечество открыло для себя паровой котел. Стали изобретаться и внедряться в производство все новые и новые паровые машины. Их использовали сначала стационарно (паровые двигатели для помола зерна, для суконных и других мануфактур), затем стали применять и для замены традиционного средства передвижения (животные), поставив паровую машину на рельсы. Так возникли первые паровозы. Мир начал стремительно развиваться. Наука полностью вышла из-под контроля Церкви, в обществе возникло понимание, что технические изобретения способствуют и росту благосостояния, делают жизнь удобнее и приятнее.

Наука откликнулась на новые желания общества: ученые включились в изучение теплоты, занялись теоретическими исследованиями, например, Фурье вывел дифференциальное уравнение теплопроводности, Никола Карно занялся увеличением работоспособности тепловых машин, Клапейрон обратил внимание на исследование свойств газообразного вещества и вывел уравнение состояния газа, физик Клаузиус разработал принцип эквивалентности теплоты и работы, ввел понятия внутренней энергии и взаимопревращения энергии.

Эксперимент стал ведущим средством для проверки жизнеспособности новых теорий. Срок от экспериментальной проверки до технического внедрения сократился до минимума. Классическая механика для этого общества устарела. Она не отвечала духу времени. Сложные явления оказалось невозможным объяснить в позиций классической механики. К таким явлениям относились тепловая энергия и понятие фазового перехода. Не укладывающимися в теорию при изучении теплоты оказались такие факты, как наличие одинаковых следствий при разных причинах и несоответствие состояния атомов состоянию системы в целом. Новая теория получила название термодинамической, а новая картина мира – термодинамической картины мира.

В механике существовало понятие механической работы, которое определялось произведением приложенной силы на энергию, необходимую для производства работы: А = F · x. Способов передачи кинетической энергии другому телу в механике было всего два: либо приложение некой силы к другому телу, либо толчок при ударе (отсюда и все рассуждения о первотолчке Бога). Если другое тело перемещалось, то полученная им кинетическая энергия растрачивалась полностью. Но в некоторых случаях такая энергия не растрачивалась (сжатие пружины, подъем тела на высоту), а накапливалась (например, как в сжатой пружине). Накопленная, но не использованная энергия называлась потенциальной.

Потенциальная энергия, по современным понятиям, накапливается в составляющих тело мельчайших частицах. Механика не занималась состоянием частиц, она ограничивалась признанием того, что потенциальной энергией обладают деформированные тела, застрявшие в процессе деформации. Величина потенциальной энергии в механике определяется величиной работы, которую данное тело может совершить, приходя в равновесное состояние с системой тел (разжавшаяся пружина, опущенный вниз груз).

Расчет был верен при соблюдении двух условий: изолированности всей системы и ее консервативности (то есть независимости от движения и зависимости от взаимного расположения или конфигурации тел).

В то же время расчет становился неверным, если работа данных сил зависела от формы пути или силы зависели от скорости движения, если в действие включались «непредусмотренные» силы, такие как сила трения (при этом часть работы рассеивается). Грубо говоря, точно рассчитать работу в механике можно было, исключив «лишние» факторы, то есть перейдя с теоретического на практический уровень, где система по определению не может быть консервативной и изолированной.

По сути, закон сохранения механической энергии работал только для определенного типа явлений, когда трением можно было пренебречь (например, при коротком времени воздействия). Массированный переход к внедрению технических изобретений из лабораторий в промышленное производство требовал прежде всего ответа на вопрос, как и куда уходит потенциальная энергия, совершая работу. Классическая механика ответить на него не могла.

Теплота и температура как понятия до середины XIX в. были в естествознании синонимами. Этому способствовало существование дополнительного компонента – теплорода. Под теплородом понималась особая составляющая всех материальных тел, способная изнутри нагревать эти тела. Смертельный удар по теплороду нанес ученый Румфорд.

Он решил провести опыты с трением. Теория теплорода объясняла, что при трении из объектов выжимается жидкий теплород, из-за чего изменяется их теплоемкость. Румфорд провел эксперимент по сверлению пушечного ствола и четко зафиксировал результаты: время сверления 150 минут, за счет трения совершена работа, достаточная для испарения 12 кг воды, в то же время получено 270 г металлической стружки, имеющей ту же теплоемкость, что и отливка.