Методология Исаака Ньютона

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.