Абстракции классической механики

Новый период в развитии представлений о природе связан с возникновением в XVII в. классической механики. Классическая механика – это раздел физики, в котором изучаются законы изменения положения тел в пространстве, а также то, как происходит взаимодействие между телами. Содержание классической механики как физической теории составляют:

1. Принцип относительности Галилео Галилея;

2. Три закона Исаака Ньютона;

Классическая механика основывается на гипотезах о времени и пространстве как элементах абсолютной системы отсчета.

Согласно принципу относительности Галилея все инерциальные системы, то есть такие, которые движутся прямолинейно и равномерно друг относительно друга, равноправны между собой в отношении описания механических процессов и среди них нет выделенных и абсолютных. Во всех инерциальных системах можно наблюдать действие одних и тех же законов, которые не зависят от того, двигается ли та или иная система отсчета относительно другой или покоиться. Понятие абсолютного покоя как естественного состояния бессмысленно.

Первый закон Ньютона утверждает, что всякое тело в отсутствии действия на него сил или при взаимном уравновешивании последних находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. По существу, этот закон постулирует существование инерциальных систем отсчета и является следствием принципа относительности Галилея.

Согласно второму закону Ньютона, ускорение тела пропорционально приложенной к нему силе. Из этого следует, что скорость изменения скорости или ускорение зависит от величины прилагаемой к телу силы и его массы. Поэтому, например, под действием одинаковых сил тела с большой массой приобретают меньшее ускорение.

Третий закон Ньютона утверждает, что при взаимодействии двух объектов они оба испытывают действия сил, причем эти силы равны по величине и противоположны по направлению.

Несмотря на кажущуюся простоту, классическая механика основана на ряде достаточно сильных абстракций, которые вовсе не очевидны с точки зрения опыта обыденных наблюдений. Во всяком случае, если для второго и третьего законов Ньютона нетрудно подобрать примеры, заимствованные из обыденной жизни, то для первого закона это сделать сложнее. Действительно, всякий знает, что для того чтобы бросаемый предмет полетел быстрее, надо приложить большее мускульное усилие (второй закон), а при столкновении двух массивных предметов тот, который несколько тяжелее, после удара откатиться назад на меньшее расстояние чем тот, который легче (третий закон). Что касается первого закона, то отталкиваясь от обыденных наблюдений достаточно сложно прийти к выводу о том, что если бы не было тяготения Земли и трения брошенного камня об воздух, то последний, будучи брошенным со сколь угодно малой силой, летел бы по прямой бесконечно долго и далеко. То же самое можно сказать и о принципе относительности Галилея, ибо понять, что абсолютного покоя нет вообще и последний – это только момент движения (т.е. движение с нулевой скоростью), а не наоборот, на самом деле, достаточно сложно. Так потому, что данное теоретическое рассуждение противоречит опыту восприятию мира живым существом, так как для последнего гораздо естественнее фиксировать движение на фоне покоя, а не наоборот.

Принцип относительности Галилея – это одна из кардинальных новаций, которая отличает физику Нового времени от натурфилософских представлений прошлого. Дело в том, что, как мы уже говорили, для физики Аристотеля было характерно представление о том, что покой – это некоторое «естественное» состояние, к которому все стремится и чем заканчивается любое движение на Земле. В рамках физики Аристотеля покой был абсолютен, а движение понималось как некоторое временное изменение с точки зрения покоя. Теперь же удалось понять, что покой не является особым состоянием, к которому все стремится. Покой и равномерное движение – это одно и то же. Различие между ними носит относительный, а не абсолютный характер.

Что касается постулированных Ньютоном гипотез об абсолютности времени и пространства, то это еще более сильные теоретические допущения, которые также плохо согласуются с опытом обыденного восприятия мира. В связи с этим следует заметить, что хотя содержание этих гипотез принято критиковать с точки зрения более современных представлений (в первую очередь, с позиции теории относительности), однако по сравнению с предшествовавшими им представлениями здравого смысла они могут быть расценены как значительный шаг вперед в деле теоретического познания.

Дело в том, что дотеоретическое восприятие мира в зависимости от той или иной психологической установки может склоняться как к субстанциональному, так и к атрибутивному восприятию пространства и времени. В частности, как субстанциональная (т.е. такая, когда пространство мыслится на манер «вместилища», объема, имеющего длину, ширину и высоту, которое может быть наполнено вещами, но которое также существует и само по себе, без этих вещей), так и атрибутивная (т.е. такая, когда пространство мыслится как свойство, характеристики которого зависят от вещей) трактовка пространства может быть понята как следствие некоторых психологических особенностей восприятия человеком окружающей его естественной среды обитания. Например, когда человек входит в комнату и смотрит на расположенные там вещи или, тем более, хочет разместить там другие, мысленно представляя, поместятся ли они там или нет, то выполнение им этой когнитивной операции будет осуществляться на фоне «естественного» представления о пространстве комнаты как о чем-то, что существует «самом по себе», абсолютно и неизменно, внутри чего может быть что-то расположено меньшее, что фактом своего присутствия не может повлиять на размеры комнаты. Впрочем, в рамках этого примера хорошо просматриваются и психологические предпосылки атрибутивного восприятия: рассматривая комнату с позиции другой психологической установки, можно прийти к выводу о том, что уже размещенные в комнате вещи фактом своего расположения так или иначе задают, как бы организуют пространство внутри помещения. В зависимости от их расположения комната может показаться как «большой и просторной», так и «тесной и маленькой». В принципе, психология размышлений о субстанциональности и атрибутивности пространства на основе опыта обыденных наблюдений вполне укладывается в известную формулу восприятия гештальтпсихологии «фигура – фон», с той особенностью, что в случае субстанционального понимания «фон» – это пространство, а «фигура» – вещи, его наполняющие, а в случае атрибутивного понимания – наоборот.

Хотя спор о субстанциональности и атрибутивности пространства восходит еще к античности, можно сказать, что до появления физики Ньютона в системе взглядов на природу преобладало атрибутивное и даже качественное восприятие пространства. Примером этого могут служить античные и средневековые представления о космосе как о замкнутой целокупности со своим абсолютным и даже этически значимым «верхом» и «низом».

Представление о пространстве в доньютонианскую эпоху в значительно большей степени соответствовали опыту обыденно-естественного восприятия мира, чем те, которые были положены в основание физической картины мира классической механики. Человек в случае естественного и обыденного восприятия имеет дело не с отдельными абстрактными характеристиками и свойствами мира (в частности, не с пространством и временем как абстракциями физики Ньютона), а с теми его свойствами, которые могут быть более непосредственно соотнесены с его обычными способами деятельности и теми потребностями, которые соответствуют им.

Ньютон исходил из идеи абсолютности (субстанциональности) пространства. Геометрические свойства пространства классической механики описываются геометрией Евклида, т.е. это пространство с нулевой кривизной. Поэтому можно сказать, что в модели природы, какой и является классическая механика, умозрительной абстракции в виде системы аксиом Евклида был придан реальный физический смысл. В силу того, что пространство в этой модели природы абсолютно и существует как бы в виде исходной матрицы на которой расположены отдельные предметы, весь мир можно представить в виде множества объектов, которые размещены в тех или иных точках единого и однородного пространства. Координаты этих объектов однозначно определяются указанием на соответствующие значения на осях абсцисс (OX), ординат (OY) и аппликат (OZ) прямоугольной системы координат.

О Z X Y

Наглядная модель пространства-вместилища, которая принята в классической механике Ньютона.

Время классической механики также носит абсолютный характер, т.е. предполагается, что в любой точке единого пространства «течет» одно и то же время. При этом время «течет» равномерно и оно обратимо (понятия абсолютного прошлого не существует). Наглядной моделью времени в смысле классической механики являются незатухающие колебания математического маятники или постоянно повторяющееся вращение планеты по орбите вокруг Солнца (планеты могли бы двигаться как по часовой стрелке, так и против, что и является демонстрацией обратимости или изотропности времени в смысле классической механики).

Абсолютное пространство и время в рамках теории классической механики выполняют функцию абсолютной системы отсчета. Поэтому предполагается, что если известны исходные координаты объекта, его направление движения и скорость, то можно точно рассчитать время и место наступления любого события, которое может произойти с этим объектом.

Принципиальное различие в понимании пространства и времени в рамках классической механики и натурфилософскими представлениями прошлого состоит в следующем:

- если для натурфилософии характерно представление о множестве разных пространств и времен, которые связаны с соответствующими типами природных объектов, то для классической механики свойственно представления об универсальном и едином пространстве и времени, в рамках которых происходят все физические процессы;

- если пространство и время натурфилософии качественно и антропоморфно, что проявляется в том, что пространство здесь может быть «лучше» и «хуже», а время может «начинаться», «заканчиваться», течь «быстрее» или «медленнее», то для классической механики характерно количественное понимание пространства и времени как абстракций чистой протяженности и длительности.

Таким образом, теория классической механики – это пример абстрактной модели природы, которая достаточно далека от обыденных представлений о мире. Эта теория основана на не очевидных предположениях об однородности мирового пространства и одинаковости течения времени во всех его точках и на представлении о соотнесенности движения и покоя.

Принципиальное отличие классической механика как физической теории от натурфилософских изысканий прошлого состоит в том, что эта модель природы основана на умозрительных допущениях и количественно выражаемых абстракциях, которые лишены оттенков антропоморфизма прошлого и которые не являются результатом обобщения опыта житейски-обыденного наблюдения мира. Кроме этого, естественно, научность данной теории подтверждена ее способностью объяснять и предсказывать наблюдаемые в мире события.

Что касается следствий классической механики, которые могут представлять интерес с философской точки зрения, то здесь можно говорить, по крайней мере, о двух моментах:

1. Следствием этой теории является «детерминизм Лапласа»;

2. Обратимость времени в классической механике противоречит данным наблюдений и тем самым способствует постановке вопроса о причине однонаправленности времени.

В Новое время в результате расширенного толкования законов классической механики широкое распространение получило убеждение, что в мире все однозначно определено и поэтому теоретически возможно предсказание сколь угодно удаленных событий будущего и прошлого. Например, если знать начальные условия (масса тела, величина прилагаемой к нему силы и величина сил сопротивления, угол наклона по отношению к поверхности Земли), используя законы классической механики, можно произвести точный расчет будущей траектории движения какого-либо тела, например, пули, снаряда или ракеты. На основании подобных рассуждений французский физик и математик Пьер Симон Лаплас сформулировал положение о предопределенности или детерминированности мировых процессов: все, что может случиться в будущем, уже однозначно предопределено в прошлом и это в принципе (хотя бы теоретически) возможно рассчитать. Проблема детерминированности мировых процессов и вопрос о возможности их причинного объяснения в философии и науке в XVII – XVIII вв. вызвала даже своеобразный спор, некоторые участники которого (например, Г. Лейбниц) склонялись к идее принципиальной детерминированности всего, а другие, наоборот, отрицали это (в особенности, Д. Юм). Строгое научное объяснение проблема детерминированности получила позднее. В частности, в связи с определением понятий «динамический» и «статистический» закон.

Что касается проблемы однонаправленности времени, то знакомство с классической механикой, действительно, ставит этот вопрос, так как с точки зрения данной теории время обратимо.

С одной стороны, существование необратимых процессов в макромире не вызывает сомнения. К ним относится установление равновесной температуры при тепловом контакте горячих и холодных тел, перемешивание первоначально разделенных газов в результате диффузии и т.п. Однако, например, с точки зрения молекулярно-кинетической теории, которая является одним из следствий классической механики и которая сводит тепловые макроскопические процессы к механическим взаимодействиям на микроскопическом уровне, возникновение необратимости достаточно неожиданно, поскольку механические процессы обратимы во времени. Это, например, означает, что снятые при большом увеличении на кинопленку столкновение и разлет двух молекул будут выглядеть на экране вполне правдоподобно, независимо от того, в каком направлении прокручивается пленка. Если же на пленку снят процесс диффузии (перемешивания) газов так, что движение отдельных молекул неразличимо, а система наблюдается в целом как микроскопическая, выбор правильного направления движения пленки не вызовет сомнения.

Проблема понимания механизма возникновения необратимости имеет большое философское значение: наличие необратимых процессов определяет направление течения времени. В мире, где существуют только обратимые процессы, видимо, было бы невозможно отличить прошлое от будущего. Механизм возникновения необратимости можно понять на примере расчета интуитивно весьма маловероятного события – перемещения всех молекул в одну половину комнаты после того, как они были выпущены из баллона, который был расположен в одном из углов комнаты. Очевидно, что вероятность нахождения одной молекулы в выбранной половине объема равно 0,5. Допустим, в комнате всего 100 молекул. Возможность того, что молекулы распределятся в каждой из половин комнаты с вероятностью 50:50 выше, чем вероятность того, что их распределение будет 100:0, 90:10, 80:20 и т.п. Таким образом, вероятность равномерного распределения молекул между двумя половинами объема превосходит вероятность образования вакуума в одной из его половин. В результате хаотического перемещения молекулы могут вновь собраться в той половине комнаты, где был расположен баллон. Если данное событие произойдет, ситуация вернется к своему начальному состоянию и время в рамках данной модели как бы повернется вспять. Это не невозможно, но крайне маловероятно.

С учетом приведенного примера можно сформулировать общий механизм возникновения необратимости макроскопических процессов:

- одинаковые макроскопические состояния могут реализовываться различным числом отличающихся друг от друга микроскопических, переход между которыми не приводит к новым макросостояниям;

- наиболее вероятными являются те макроскопические состояния, которым соответствует наибольшее число микроскопических;

- самопроизвольный выход макроскопической системы из состояния термодинамического равновесия (в этом случае можно было бы говорить об обратимости времени в физическом смысле) теоретически возможен, но крайне маловероятен.