Первые знания о природе человек получил еще в первобытном обществе. Это были знания, выявленные в результате систематического наблюдения одних и тех же явлений и одних и тех же свойств предметов или полученные в результате жизненного опыта (дерево не тонет, камень тонет, огонь горячий, лед холодный и т. п.). Знания древних людей были ненаучными, они никак не систематизировались и не имели никакой теоретической базы, а касались только повседневных наблюдений и повседневного опыта.
В странах Древнего Востока (Месопотамия, Египет) знание имело более широкую форму, существовали науки, но они были сплетены воедино с мистическими и религиозными аспектами. Настоящей родиной естественных наук является Греция (VI–IV вв. до н. э.). Греческая наука была рациональна (не прибегала для объяснения фактов к помощи религии и мистики) и системна (стала классифицировать явления и объекты изучения).
Развитию науки способствовало особое устройство греческих городов-государств – с демократическими нормами жизни и изобилием общественных законов. Аналогичный способ организации был применен и в области знаний: если человеческое общество подчиняется законам, то и природа должна подчиняться своим законам. Особенности рабовладельческого способа производства дали в греческом обществе четыре приоритетных занятия – политика, война, искусство, философия; под философией и понималась зарождающаяся наука. Созерцательность и абстрактно-умозрительный взгляд на мир сформировали два основных принципа греческой науки: мышление понятиями и создание всеобъемлющих философских теорий.
Научные изыскания греков не имели практического значения, это было движение чистой философской мысли: планиметрия Гиппарха, геометрия Евклида, апории элеатов, диогеновский поиск сущности человека. Целью научного познания было изучение процесса превращения первоначального Хаоса в Космос. Так появились труды Фалеса, Анаксимандра, Гераклита, Диогена. Единственным инструментом познания они признавали человеческий разум. Греки достигли больших успехов в математике (Пифагор, Евклид, Платон), в учении об атоме (Демокрит, Левкипп), в учении о неуничтожимости материи (Эмпедокл), но естествознание как научную программу создал Аристотель.
Аристотель был автором многочисленных трудов о природе – «Физика», «О небе», «Метеорологика», «О происхождении животных» и др. Впервые в мире он обратил внимание на закономерности движения физических тел и тем самым дал начало разделу физики – механике. Движение Аристотель определял как изменение положения тела в пространстве, аристотелево пространство было заполнено прозрачной материей, аналогичной воздуху. Ему принадлежит высказывание «природа боится пустоты», то есть пространство заполнено подобием эфира. Движение создается без причины движения, самодвижущееся тело имеет в себе источник движения. Он различал движение естественное и насильственное, местное (для тяжелых тел) и огненное (для легких).
В рассуждения Аристотель ввел понятие силы, к которому относятся три основных вида силы – тяга, давление и удар. Рассматривая сложное вращательное движение, он вывел определение момента силы, а для естественного падения тела вывел закон V = F / w, где V – скорость, F – сила стремления тела к своему естественному месту, w – сопротивление воздуха. Согласно закону Аристотеля скорость падения тела зависела от его массы. Эта точка зрения продержалась до времен Галилея. То есть тяжелые тела в силу своей массы устремляются к земле (естественному месту), а легкие тела из-за своей легкости устремляются к огненному эфиру, расположенному за слоем воздуха, высоко к небу, к огню.
Небесные тела из «земных» принципов движения он исключал: они движутся по совершенной окружности и для движения силы им не требуется. Небесные тела подчиняются небесным законам (их движения вечны и неизменны, не имеют начала и конца), неприменимым к земным телам, несовершенным по своей природе. Несовершенные земные тела могут двигаться только с приложением внешней силы, источниками движения для них служат другие тела.
Аристотель считал, что движение существует вечно и что первое движение в мире породил перводвигатель, под которым он понимал бога. Физическое взаимодействие он понимал как применение силы движущего к движимому (то есть действие сугубо одностороннее).
Представления Аристотеля о механике продержались до времени Галилея. Галилей создал новую механику, отвергающую принципы Аристотеля. Он установил физические законы для движения тел, ввел определения для силы, скорости, ускорения, равномерного движения, инерции, понятия средней скорости и среднего ускорения, впервые сопоставил понятие силы с математическим понятием вектора (при определении характера движения в зависимости от приложенной силы, он исходил из направления этой силы или взаимодействия сил), сформулировал четыре аксиомы механики (две о свободном падении, одна – по поводу инерции и одна по поводу относительности движения):
1. Закон инерции. Свободное движение по горизонтальной плоскости происходит с постоянной по величине и направлению скоростью.
2. Свободно падающее тело движется с постоянным ускорением, и конечная скорость тела, падающего из состояния покоя, связана с высотой, которая пройдена к этому моменту.
3. Свободное падение тел можно рассматривать как движение по наклонной плоскости, а горизонтальной плоскости соответствует закон инерции.
4. Внутри равномерно движущейся (так называемой инерциальной) системы все механические процессы протекают так же, как и внутри покоящейся.
Принцип относительности он вывел в 1632 г. при помощи мысленных экспериментов, путем абстракции. Принцип предполагает, что траектория падающего тела отклоняется от вертикали из-за сопротивления воздуха и в безвоздушном пространстве тело упадет точно над точкой, из которой началось падение.
Физические законы для механической картины мира сформулировал Исаак Ньютон.
I закон, или закон инерции, открытый еще Галилеем: всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил.
II закон: изменение импульса тела в единицу времени равно действующей на него силе и происходит в направлении ее действия. F = mи·ā, где F – вынуждающая сила, ā – ускорение, mи – инерциальная масса.
Второй закон Ньютона связывает изменение импульса тела (количества движения) с действующей на него силой и является ядром механики. Закон был революционным для своего времени, но неприменим в современной физике, так как Ньютон считал, что масса не зависит от скорости. Ньютон рассматривал массу как меру инертности, а ускорение и инерцию как равные по величине противодействия, направленные в противоположные стороны, то есть чем массивнее тело, тем меньшее ускорение можно ему придать.
III закон: силы действия и противодействия равны по величине и противоположны по направлению.
IV закон, сформулированный Ньютоном, – это закон всемирного тяготения: сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния:
Fгр = γ · mгр· Mгр/r2, где γ – гравитационная постоянная.
Закон он вывел из допущения, что на Луну, движущуюся по земной орбите, и на камень, падающий на Землю, действует одна и та же сила: Луна тяготеет к Земле и силой тяготения постоянно отклоняется от прямолинейного движения и удерживается на своей орбите. Из этого допущения он рассчитал постоянную величину силы тяготения или гравитационную постоянную. Согласно современным расчетам, гравитационная постоянная:
G = (6,673 ± 0,003) ·10-11 нм2кг-2.
Ньютон придерживался воззрений механистического материализма (то есть стремился объяснить законы физики, исходя из объективного существования материи, пространства и времени), хотя был человеком религиозным в духе своей эпохи и даже на склоне лет написал теологическое сочинение. Пытаясь определить точнее методы своего подхода к научным исследованиям, Ньютон вывел четыре основополагающих принципа:
1. Не должно принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений (повторив знаменитый принцип бритвы Оккама).
2. Одинаковым явлениям следует приписывать одинаковые причины.
3. Независимые и неизменные при экспериментах свойства тел, подвергнутых исследованию, надо принимать за общие свойства материальных тел.
4. Законы, индуктивно выведенные из опыта, нужно считать верными, пока им не противоречат другие наблюдения.
Этот метод называется сегодня гипотетико-дедукционным и используется в современной физике.
Неизгладимый след оставил Ньютон не только в механике. Большое значение имели его исследования в области оптики, которые сразу же получили мировое признание и стали основополагающими на несколько столетий. Ньютон считал, что свет состоит из мельчайших частиц, которые он назвал корпускулами, так возникла корпускулярная теория света. Теория не объясняла некоторых явлений – например, интерференции и дифракции света, поскольку это волновые процессы.
Ньютон понимал неполноту корпускулярной теории и собирался объединить ее с волновой, что, собственно, произошло только в XX в., когда пришедшая на смену корпускулярной волновая теория тоже не смогла объяснить всех явлений.
Ньютон также сделал заявку на теорию возможности превращения тел в свет и света в тела, что было открыто учеными для сверхмалых частиц только в XX в., и теорию влияния тел на распространение света, что было экспериментально доказано Эйнштейном и легло в основу общей теории относительности. Большой заслугой последователей Ньютона было введение в физику методов интегрально-дифференциального исчисления и создание механической картины мира.
В основе механической картины мира лежала материалистическая теория, основывавшаяся на классическом атомизме, родоначальником которого был Демокрит. Для своего времени это, несомненно, была передовая и научная картина мира. В ее основу легли труды Галилея и Ньютона. Царившая прежде натурфилософская картина мира опиралась на наблюдение как на единственный метод изучения мира.
Механическая картина мира выдвинула на первый план эксперимент. Эксперименты стали сопровождаться математическим аппаратом, точными расчетами, а изобретение телескопа и микроскопа позволило заглянуть в миры, не соразмерные окружающему. Ньютон разработал законы классической механики для физики окружающего мира, Кеплер – законы небесной механики для Вселенной, Левенгук увел биологию к микроскопическим формам и т. п.
Развитие классической механики шло в двух направлениях:
1) как обобщение законов Галилея и исследований Кеплера;
2) как переход к новым методам количественного анализа механического движения. Материя в этой системе представлялась делимой только до уровня атома, пространство – пустым (очевидно, для возможности перемещения неделимых атомов), время – пустым и однонаправленным (от настоящего к будущему), движение – механическим (изменение положения тела в пространстве с течением времени); все взаимодействия сводились к трем законам механики и закону всемирного тяготения, к действию сил притяжения и отталкивания.
К принципам механической картины мира относятся принципы относительности, дальнодействия, причинности.
Принцип относительности был впервые сформулирован Галилеем и гласил, что все инерциальные системы отсчета являются равноправными и переход от одной системы к другой происходит с помощью специальных преобразований, разработанных Галилеем. В инерциальных системах Галилея время течет везде одинаково, а масса тела неизменна. Неизменное время с неизменной массой соответствует неизменной скорости, а если все указанные параметры неизменны, то силы в обеих системах одинаковы и все механические явления протекают одинаково. Вывод, который на основе рассуждений и вычислений делал Галилей, следующий: покой от равномерного прямолинейного движения невозможно отличить никакими опытами (соответствующими, естественно, механической картине мира).
Принцип дальнодействия был выработан в рамках механистического материализма с неделимыми атомами и пустым пространством: взаимодействие передается мгновенно, и промежуточная среда в передаче взаимодействия участия не принимает. Пустая среда, естественно, никакого участия в передаче взаимодействия принимать не могла, а тела рассматривались как материальные точки, которые под воздействием приложенной силы мгновенно перемещались в пустоте.
Принцип причинности был разработан математиком Лапласом и гласил: всякое имеющее место явление связано с предшествующим на основании того очевидного принципа, что оно не может возникнуть без производящей причины. Противоположное мнение есть иллюзия ума.
Принцип Лапласа был назван лапласовым детерминизмом и предполагал существование связей между явлениями на основе однозначных законов; он закрепился в механистической физике как принцип, что любую основополагающую связь между явлениями можно выразить физическим законом, существование сложных связей эта картина мира не понимала. Есть материя, есть механическое движение, есть для него причина, есть следствие. Осталось вывести закон.
Эти принципы превратились в ничто, когда стало ясно, что пространство между телами не пустое, что сами тела совсем не материальные точки, а обладают массой, что явления бывают сложные, несводимые к одной причине и одному следствию.
Механический материализм взял из греческой философии идею о материальности мира и его делимости до предельного порога – атомов. Материя считалась дискретной, и на первое место выступили понятия материальной точки и абсолютно твердого тела. По определению, материальная точка была математически абстрактным телом, размерами которого можно пренебречь, а абсолютно твердое тело, соответственно, системой материальных точек, расстояние между которыми всегда остается неизменным. Грубо говоря, материальное тело – это реальное тело, разделенное до предела, то есть атом, а абсолютно твердое тело – предмет, лишенный всех своих качеств и свойств.