Начало эпохи естествознания XVI-XVII века. Первая революция в естествознании

ЛЕКЦИЯ 4 «Знание некоторых принципов легко заменяет незнание некоторых фактов» Клод Гельвеций (1715-1771) ПЛАН 1 Начало эпохи естествознания XVI-XVII века Первая революция в естествознании. 2 Концепция относительности пространства и времени 1. Начало эпохи естествознания, XVI -XVII века. Представим XVI - XVII век. Мир выходит из средневековья. В духовной и общественной жизни Европы господствует Римско-католическая церковь. Еще горят костры Инквизиции. 17.02.1600г на площади Кампо ди Фьоре в Риме по приговору суда казнен Джордано Бруно (1548-1600г) - монах Доминиканского ордена. Арест, Суд и Казнь Дж.Бруно (1592—1600) В 1889 году на месте казни Дж. Бруно в Риме ему был воздвигнут памятник. Как это было. В 1592 году аристократ Мочениго направил венецианскому инквизитору донос на Бруно, в котором писал «Я, Джованни Мочениго, доношу по долгу совести и по приказанию духовника, что много раз слышал от Джордано Бруно, когда беседовал с ним в своём доме, что мир вечен и существуют бесконечные миры… что Христос совершал мнимые чудеса и был магом, что Христос умирал не по доброй воле и, насколько мог, старался избежать смерти; что возмездия за грехи не существует; что души, сотворённые природой, переходят из одного живого существа в другое. Он говорил, что Дева Мария не могла родить; монахи позорят мир; что все они — ослы; что у нас нет доказательств, имеет ли наша вера заслуги перед Богом». 9 февраля 1600 г. инквизиционный трибунал признал Бруно «нераскаявшимся, упорным и непреклонным еретиком». Бруно был лишён священнического сана и отлучён от церкви. Его передали на суд губернатора Рима, поручая подвергнуть его «наказанию без пролития крови, что означало требование сжечь живым. В ответ на приговор Бруно заявил судьям: «Вероятно, вы с большим страхом выносите мне приговор, чем я его выслушиваю», и несколько раз повторил: «Сжечь — не значит опровергнуть!». По решению светского суда 17 февраля 1600 года Бруно предали сожжению в Риме на площади Цветов (итал. Campo dei Fiori). Последними словами Бруно были: «Я умираю мучеником добровольно и знаю, что моя душа с последним вздохом вознесётся в рай». Все произведения Джордано Бруно были занесены в 1603 году в католический Индекс запрещённых книг и были в нём до его последнего издания 1948 года. В науке господствует натурфилософия. Натурфилосо́фия (от лат. natura «природа») — исторический термин, обозначавший (примерно до XVIII века) философию природы, понимаемую как целостную систему самых общих законов естествознания. Впервые термин «philosophia naturalis» встречается у Сенеки. Натурфилософия возникла в античную эпоху как попытка найти «конечные причины» и фундаментальные закономерности природных явлений. Большинство натурфилософских систем до XVIII века были чисто умозрительными; с появлением классической физики натурфилософия быстро вытесняется философией науки. Тем не менее, различные натурфилософские системы появлялись в XIX и XX веках. И начинается новая эпоха–эпоха естествознания. В 1543г. польский астроном Н.Коперник (1473-1543) в книге “Об обращениях небесных сфер” отказался от геоцентрической системы мира Птолемея, согласно которой Земля в центре Вселенной. Коперник обосновал гелиоцентрическую систему мира - в центре находится Солнце. В те времена - это настоящая мировоззренческая революция. Теорию Коперника и взгляды Дж. Бруно подтвердили наблюдения и открытия Галилео Галилея при помощи телескопа, изобретенного им в 1609г. и Иогана Кеплера (три закона Кеплера, Галилей открыл кратеры на Луне, спутники Юпитера, пятна на Солнце, разглядел скопления звезд Млечного пути. Млечный путь и Звезды – это наша галактика. В действительности галактик бесчисленное множество (по оценкам астрономов – более 2 триллионов). Ближайшая к нам галактика – Туманность Андромеды. Галилей ввел понятие об инерциальности движения: – тело, на которое не действуют силы, движется равномерно и прямолинейно, или находится в покое. Вопрос. О чем говорит 1-ый закон Ньютона? Ответ. О существовании системы отсчета, в которой выполняется 1-ый закон Ньютона Немецкий астроном И.Кеплер открыл законы движения планет Солнечной системы. Второй закон Кеплера - планеты вращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, в фокусе которого находится Солнце. Вопрос. Эллипс имеет 2 фокуса. В каком фокусе правом или левом находится Солнце и почему? Открытия ученых крайне беспокоит Римскую церковь. В 1600 году казнь Дж.Бруно В 1616г. книга Коперника попала в «Список запретных книг». В 1633г состоялся суд Римской инквизиции над Галилеем. Он отказался от своих взглядов. Первая революция в естествознании В XVIIв. происходит революция в математике и физике. В чем состояла или из чего сложилась революция - Р.Декарт и П.Ферма создали Аналитическую геометрию. Ньютон и Лейбниц разработали интегральное и дифференциальное исчисление. В 1687г Ньютон публикует «Математические начала натуральной философии», в которой сформулированы ТРИ закона движения тел. До И.Ньютона господствовала точка зрения Аристотеля, который считал, что естественным состоянием любого тела является состояние покоя и тело начинает двигаться только под действием силы. Согласно Аристотелю законы природы можно вывести чисто умозрительно и нет необходимости проверять их на опыте. И так все понятно… В основе научных открытий «лежал» экспериментальный метод. • Ученые производят наблюдения, ставят эксперименты, выполняют измерения и, обобщая полученные результаты, формулируют законы природы. Важно отметить, что знание принципов и законов, управляющих процессами и объясняющих явления, не означает раскрытия их причин. Об этом можно сказать так: «меняются только причины, следствия никогда» Из книги Бертрана Рассела (1872 – 1970) «Религия и наука» Первым решающим сражением между теологией и наукой - был астрономический диспут о том, что является центром Солнечной системы: Земля или Солнце. По теории Птолемея Земля покоится в центре Вселенной, в то время как Солнце, Луна, планеты и система неподвижных звезд вращаются вокруг нее, каждая по своей сфере. По теории Коперника Земля движется двояким образом: за сутки она поворачивается вокруг своей оси, а за год обращается вокруг Солнца. Теория Коперника в XVI веке считалась совершенно новой, хотя в действительности была изобретена в Древней Греции Пифагорейской школой и приписывалась Пифагору. Первым астрономом, о котором точно известно, что он учил о том, что Земля движется, был Аристарх Самосский, живший в III веке до н.э. Однажды философ Бертран Рассел читал лекцию по астрономии. Рассказывал о Солнечной системе, Галактиках, Вселенной. В конце лекции пожилая леди сказала, что все это чепуха и сказала: «На самом деле мир - плоская тарелка, которая стоит на спине гигантской черепахи». Рассел спросил «А на чем держится черепаха» Леди ответила, что черепаха стоит на другой черепахе, и так все ниже и ниже. Это может показаться смешным. Но почему мы думаем, что знаем лучше. В теории Птолемея, не объяснялось, что лежит за сферой неподвижных звезд. Церковь приняла теорию Птолемея, так как она оставляла за сферой неподвижных звезд много места для Ада и Рая. 2 Концепция относительности пространства и времени Как можно описать движение тел в пространстве? Ответ. Описание движения тел происходит путем выбора системы отсчета или тела отсчета – системы координат плюс часы. Согласно принципу относительности законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Простейшие представления о пространстве и времени в классической физике. Пространство – вместилище для движущихся тел. Ньютон, считал, что существует абсолютное пространство, относительно которого тела совершают движение. Время – параметр, знак которого можно менять на обратный. 3+1 Классическая физика молчаливо признавала, что расстояния и промежутки времени имеют абсолютные значения, не зависящие от состояния движения как тел, так и системы отсчета. - человек в вагоне проходит 1 метр за секунду относительно вагона - по отношению к полотну дороги человек совершит тот же путь за тот же промежуток времени. Преобразования Галилея и преобразование Лоренца вдоль оси ОХ Современная физика – признает связь между пространством и временем. Они неотделимы. Постоянство скорости света = 300 000 км. в сек. изменила представления о пространстве и времени Скорость света не зависит от системы отсчета Пространство-время 3+1 перешло в 4 4-х мерное пространство-время Г. Минковского. Парадокс близнецов (его никто не проверил) Наблюдение мюона – время жизни в системе покоя 2 микросекунды. За это время он может пролететь 600 метров. Но мюон достигает Земли проходя путь в 10 км., но с земной точки зрения они живут дольше, так как движутся с около световой скоростью. Теория относительности Эйнштейна – относительность расстояния, относительность промежутков времени О том, что такое пространство и время, люди задумывались еще в глубокой древности. Кроме того, ни один из крупных философов от древности до XX века не обходил вниманием понятия пространства и времени. Вопрос, что есть пространство и время, тем не менее, как кажется, еще далек от своего полного разрешения. Физика XIX века заставила несколько раз поменять взгляды на столь фундаментальные понятия и выявила несостоятельность большинства философских концепций. Представления о пространстве и времени сложились в виде двух противоположных концепций, названных впоследствии концепциями Демокрита-Ньютона и Аристотеля-Лейбница. Первая концепция - пространство как некоторая пустота без материальных предметов. При этом считалось также, что время представляет собой самостоятельную сущность, не связанную с материей и пространством. Вторая концепция, пространство и время не мыслились, оторванными от вещей. В науке до конца XIX и начала ХХ в. господствовала первая концепция. Древнегреческие философы Демокрит, Эпикур, Лукреций Кар и др. пришли к пониманию пространства как пустоты исходя из своего атомистического учения. Они считали, что для существования и движения атомов требуется пустота - некое вместилище, где атомы, сочетаясь различным образом в движении, образуют многообразие тел. С развитием классической физики идеи Демокрита о сущности пространства и времени были развиты в трудах Бруно, Галилея, Декарта и др. Особенно большой вклад в этом отношении был сделан Ньютоном, искавшим при создании классической механики универсальную систему отсчета, относительно которой происходит механическое движение тел. 1. Пространство и время в классической механике Изучение механического движения макротел привело к созданию механики Ньютона. Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон предлагает различать два вида понятий: абсолютные (истинные, материалистические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую типологическую характеристику: «Абсолютное, истинное, материалистическое время само по себе и своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Относительное, кажущееся, или обыденное, время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как то: час, день, месяц, год...». Абсолютное пространство не связано с объектами, помещенными в него, и безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел, и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное. Время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего. У Ньютона абсолютное  пространство и время являются ареной движения физических объектов. Специальная теория относительности (СТС), созданная в 1905г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галелея-Ньютона и электродинамики Максвелла-Лоренца. “Она (СТС) описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем”. В соответствии со специальной теорией относительности, которая объединяет пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум, пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тел к скорости света в вакууме (300 000 км/с), временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах. Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше скорости света. Скорость этих тел всегда складывается с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны: их величина зависит от точки зрения. А скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета. Абсолютность скорости света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Постоянство этой скорости-закон природы, а поэтому-именно в соответствии с принципом относительности-он справедлив во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света одна и та же во всех телах, движущихся по отношению друг к другу равномерно и  прямолинейно. Свет проходит с  неизменной  скоростью,  приблизительно  равной 300000 км/сек., мимо неподвижного тела, мимо тела, движущегося навстречу свету, мимо тела, которое свет догоняет. Далее Эйнштейн рассматривает относительность  длин и промежутков времени, что приводит его к выводу о том, что понятие   одновременности лишено смысла: "Два события,  одновременные при наблюдении из одной координатной системы, уже не воспринимаются как одновременные при  рассмотрении из системы, движущейся относительно данной". Коренным отличием специальной теории относительности от  предшествующих теорий является признание пространства и времени в качестве   внутренних элементов движения материи, структура которых зависит от природы самого движения, является его функцией.  В подходе Эйнштейна пространству и времени придаются новые свойства: относительность длины и временного промежутка, равноправность пространства и времени. Если бы существовала мгновенная передача импульсов и  вообще сигналов, то  мы  могли бы говорить о двух событиях,  происшедших одновременно, т.е.  отличающихся только пространственными координатами. Связь между событиями была бы физическим прообразом чисто пространственных трехмерных геометрических соотношений. Теория  Эйнштейна исходит из ограниченности и относительности трехмерного, чисто пространственного представления о мире и  вводит более точное пространственно-временное представление. С точки зрения теории относительности в картине мира должны  фигурировать четыре координаты и ей должна соответствовать геометрия. 2.Современное естествознание о свойствах пространства и времени “Движение есть сущность времени и пространства”. Во-первых, пространство и время - это стороны движения материи. То, что свойства пространства (и времени) в определенных пределах не зависят от отдельных объектов (явлений) еще не означает, что эти свойства вообще не зависят от материи. Во-вторых, если бы частицы вещества, образующие тело, обладали только притяжением или только отталкиванием, тело не могло бы иметь конечной протяженности (На это указал И.Кант в “докритический” период своего творчества. Это еще раз подтверждает правильность положения, согласно которому ни один объект не может рассматриваться как носитель лишь какого-либо одного вида движения, взаимодействия). Таким образом, протяженность (основной момент пространства) обусловлена характером движения, взаимодействия частиц материи, именно - единством присущих им отталкивания и притяжения. Ситуация с временем аналогична. Поскольку сущность пространства и времени - это движение, постольку (а) наиболее существенные свойства пространства и времени - это проявление свойств движущейся материи; (в) понимание пространства и времени в главном определяется пониманием движения, взаимодействия. К всеобщим свойствам пространства и времени как атрибутов материи прежде всего относятся: объективность, абсолютность (как универсальных форм бытия материи), необходимая связь друг с другом и с движением материи, неисчерпаемость, единство прерывного и непрерывного в структуре (на двух последних моментах далее мы остановимся). Одномерность времени вытекает из его необратимости: преобразование симметрии в n-мерном пространстве эквивалентно преобразованию поворота в n+1-мерном пространстве, поэтому обратимое время было бы двумерным. Что касается необратимости времени, то она связана с несимметричным характером взаимодействий и необратимостью причинно- -следственных связей. Утверждать, что необратимость времени обусловлена необратимостью причинно-следственных связей, нельзя: само различение причины и следствия включает в качестве необходимого признака предшествование причины следствию во времени, т.е. предположение о необратимости времени. Здесь важно учитывать, что в обратимом времени было бы невозможно существование познающего субъекта. Поскольку размерность пространства определяется конкретным характером взаимодействия материальных объектов, нет оснований считать трехмерность пространства его универсальным свойством. В условиях, где доминируют взаимодействия, отличные от кулоновых (микро и мегамир), должна отличаться от трех и размерность пространства. В современной науке используются понятия биологического, психологического и социального пространства и времени. Биологическое пространство и время характеризуют особенности пространственно-временных параметров органической материи: биологическое бытие человеческого индивида, смену видов растительных и животных организмах. Психологическое пространство и время характеризуют основные перцептивные (чувственные) структуры пространства и времени, связанные с восприятиями. 3.Симметрия пространства и времени. Соразмерность – таково древнее значение слова «симметрия». Античные философы читали симметрию, порядок и определенность - сущностью прекрасного. Архитекторы, художники, даже поэты и музыканты с древнейших времен знали законы симметрии. Строго симметрично строятся геометрические орнаменты; в классической архитектуре господствуют прямые линии, углы, круги, равенство колонн, окон, арок, сводов. Конечно симметрия в искусстве не буквальная – мы не увидим на картине человека слева и точно такого же справа. Законы симметрии художественного произведения подразумевают не однообразие форм, а глубокую согласованность элементов. Асимметрия – другая сторона симметрии, ни природа, ни искусство не терпят точных симметрий. Самая простая из симметрий – однородность и изотропность пространства. Красивое слово «изотропность» означает независимость свойств объектов от направления. Однородность пространства означает, что каждый физический прибор должен работать одинаково в любом месте, если не изменяются окружающие физические условия. Понятие симметрии – соразмерности – относится не только к предметам, но и ко всем физическим явлениям и законам. Итак, физические законы должны быть инвариантны – неизменны – относительно перемещений и поворотов. 4. Необратимость процессов и стрела времени Время – одно из самых загадочных понятий философии и естествознания. Это – одно из фундаментальных понятий научной картины мира. Блаженный Августин, христианский теолог и церковный деятель (354-430г.от р.х.) признавался: пока его никто не спрашивает о том, что такое время, он это понимает, но когда хочет ответить на такой вопрос, попадает в тупик. «Душа моя горит желанием проникнуть в эту необъяснимую для нее тайну» — говорил он. Известно одно неотъемлемое свойство времени – его направленность от прошлого к будущему. При описании любых явлений, с которыми человеку приходится иметь дело, прошлое и будущее играют разные роли . Это справедливо для физики, изучающей макроскопические явления (для микромира, на фундаментальном уровне описания этой направленности времени не существует), биологии, геологии, гуманитарных наук. Почему это именно так и не иначе? Известный физик Эддингтон придумал яркое название «стрела времени». Одной из основных проблем в классической физике долгое время оставалась проблема необратимости реальных процессов в природе. Если снять кинофильм о хаотическом движении одной частицы в некотором замкнутом объеме и показать этот фильм, прокручивая пленку в обратном направлении, то ничего неправдоподобного в поведении частицы не обнаружится. Более того, просто невозможно будет даже определить, в какую сторону прокручивалась пленка. В этом случае говорят, что движение частицы обратимо. Практически ничего не изменится и в случаях, когда просматривается фильм о хаотическом движении двух, трех и вообще любого небольшого числа независимых частиц. Однако когда частиц становится достаточно много, в их совместном поведении проявляется новая закономерность. Если, например, в начале фильма все частицы находились в каком-то определенном месте объема, то в дальнейшем они распределяются по объему более или менее равномерно, и если при демонстрации фильма обнаруживается, что частицы самопроизвольно скапливаются в каком-то месте, можно быть уверенным, что пленка прокручивалась в обратном направлении. Такое поведение, когда состояния системы могут появляться только в определенной последовательности, называется необратимым. Почти все реальные процессы в природы являются необратимыми: это и затухание маятника, и эволюция звезды, и человеческая жизнь. Необратимость процессов в природе как бы задает направление на оси времени от прошлого к будущему - "стрела времени". Почему же, несмотря на обратимость поведения одной молекулы, ансамбль из большого числа таких молекул ведет себя существенно необратимо? В чем природа необратимости? Как обосновать необратимость реальных процессов, опираясь на законы механики Ньютона? Эти и другие аналогичные вопросы волновали умы самых великих ученых XVIII - XIX веков. Английский астрофизик Фрейд Хойл высказал мысль о связи направления времени с направлением процесса увеличение расстояния между галактиками в ходе расширения Вселенной, которое наблюдается в настоящее время. Эту идею поддержал и Эддингтон. Однако расширение Вселенной, о котором свидетельствует т.н. “красное смещение” спектральных линий в излучении удаляющихся друг от друга галактик («разбегания» галактик) не означает расширения в каждом месте, иначе расширялись бы размеры тел, а этого не наблюдается. А поскольку нет этого общего физического влияния, разбегание галактик или расширения Вселенной не может влиять на ход времени в элементарных процессах. Связь с расширением Вселенной может определять только «космологическую шкалу времени». В то же время во Вселенной идет необратимый процесс роста энтропии. Не она ли определяет стрелу времени? Действительно, согласно Больцману, возрастание энтропии означает необратимость процесса и рассматривается как проявление возрастающего хаоса, постепенного “забывания” начальных условий. Таким образом, термодинамические процессы определяют и «термодинамическую шкалу времени». Три «стрелы времени»: космологическая (расширение Вселенной); психологическая (субъективное восприятие, опыт); термодинамическая (рост энтропии). Фактически, эти «стрелы времени» в настоящее время в нашей Вселенной совпадают, и это является одной из загадок современной картины мира. Заключение Перед естествознанием стоит задача исследовать существующие конкретные свойства пространства и времени. Была создана чрезвычайно богатая по своему содержанию физическая теория пространства и времени – теория относи­тельности (А. Эйнштейн, 1905г., 1915-1916). Удалось твердо установить, что вре­мя и пространство не оторваны друг от друга, а составляют единое четырехмерное многообразие (пространство характе­ризуется тремя измерениями, четвертое измерение относится ко времени). Важнейшей чертой теории относи­тельности является возможность рассматривать те или иные физические процессы, базируясь на различных системах от­счета, при условии, что последние движутся относительно друг от друга с постоянными скоростями.