Курсовая работа: Сравнительный анализ классической и неклассической стратегий естественнонаучного мышления
Кеплером в 1605 г. были открыты первый и второй законы планетных движений. Первый закон утверждал, что орбиты имеют не круговую, а эллиптическую форму, второй - давал описание изменения скорости движения планеты по орбите, отрицая принцип равномерности небесных движений. Эти два закона движения планет были установлены для Марса на основе обширных вычислений и изложены в его главном труде «Новая астрономия». В другой его работе, «Гармония мира», опубликованной в 1619 г., к двум первым добавлялся третий закон, устанавливающий математическое отношение параметров эллиптического движения.
В XVII и XVIII веках развитие астрономии решающим образом определялось использованием усовершенствованных телескопов и развитием механики как раздела экспериментально-математической физики. Венцом классической астрономии стала теория, называемая «небесная механика» - та же самая, что стала венцом классической физики. Как уже отмечалось, она была изложена И. Ньютоном в «Математических началах натуральной философии» (1687 г.), в которой он обобщил идеи и достижения Галилея и Кеплера. Под законы Кеплера Ньютон подвел теоретическое основание в виде закона всемирного тяготения, то есть форму орбит небесных тел он объяснил действием на них сил тяготения. Ньютон обосновал также выводы о том, что под действием сил тяготения вращающиеся небесные тела должны быть сплюснуты у полюсов, и что планеты не переносятся по кругам материальными вихрями (и таким образом опроверг разделяемую Р. Декартом гипотезу о существовании эфирных вихрей).
Эволюцию астрономии в Новое время стимулировало развитие других видов деятельности. Так, расширение мореплавания в XVII-XVIII вв. нуждалось во все более совершенных астрономических данных - прежде всего для точного определения долготы и широты. Астрономия становится делом государственной важности, государства финансируют астрономические исследования, вследствие чего практическая астрономия превращается в систематическое занятие принимаемых на службу специалистов-астрономов. Они вели кропотливую и рутинную постоянную работу, заключавшуюся, с одной стороны, в наблюдениях за звездным небом, с другой - в настойчивой борьбе за все более высокую точность наблюдений и измерений, для чего постоянно усовершенствовали научные методы и свои инструменты. Для решения отдельных и общих проблем силами Европейских государств в это время организуются специальные экспедиции астрономов в разные части света. Государственная поддержка чрезвычайно помогла развитию астрономии.
1.3 Система Ньютона
Лагранж называл Ньютона не только величайшим, но и самым счастливым гением: «Систему мира можно установить только один раз». Счастье состояло в том, что, по мнению Лагранжа, система Ньютона была единственно верной и составляла вечную, непоколебимую истину.
Вселенная, по Ньютону, – это мир отдельных тел (вещей), состоящих из частиц-корпускул. Корпускулы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, обладают массой и весом, поэтому и состоящие из них тела также обладают массой и весом. Свет Ньютон также представлял потоком корпускул. Тела пребывают в трехмерном пространстве, которое описывается евклидовой геометрией, оно постоянно и пребывает в покое. Тела могут перемещаться в пространстве по непрерывным траекториям. Их движение описывается законами механики и происходит во времени. Пространство и время являются основными (фундаментальными) категориями физики.
Центральное место в механике Ньютона занимают три закона движения и закон тяготения, которые считались приложимыми как к движению земных тел, так и к движению небесных тел.
Первый закон движения (закон инерции) гласит: всякое тело (материальная точка) пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят это состояние. Системы, в которых выполняется закон инерции и которые находятся в покое или движутся равномерно и прямолинейно, называются инерциальными. Второй закон механики гласит: произведение массы тела на его ускорение равно действующей силе, а направление ускорения совпадает с направлением силы.
Третий закон Ньютона гласит: действию всегда есть равное и противоположное противодействие.
Известный закон тяготения звучит так: всякое тело притягивает любое другое тело с силой, пропорциональной массам этих тел и квадрату расстояния между ними, а принцип относительности определяет, что все физические явления происходят одинаково во всех инерциальных системах; нет какой-то привилегированной системы отсчета (вроде центра Земли в физике Аристотеля, куда стремится вся материя).
Ньютоновские представления о пространстве и времени прочно утвердились в науке Нового времени, а его теория классической механики стала образцом научной теории. Она способствовала как формированию новых представлений о науке и научном знании в целом, так и разработке новых разделов физики: гидродинамики, теории упругости, теории тепла, молекулярно-кинетической теории и др. Наука в этот период начинает пониматься как деятельность по получению нового знания о явлениях природного мира, необходимого для решения проблем социально-политического и производственного характера. А научное знание начинает пониматься по аналогии с математическим как ясное, непротиворечивое, доказательное, математически изображаемое истинное знание. Истина только одна, потому что научная истина открывает божественный закон, управляющий мирозданьем.
ГЛАВА 2. НЕКЛАССИЧЕСКАЯ НАУКА
2.1 Возникновение неклассической науки
На рубеже ХIХ-ХХ вв. происходит новая революция в науке, в результате которой разрушились существовавшие метафизические представления о строении, свойствах, закономерностях материи (взгляды на атомы как неизменные, неделимые частицы, на механическую массу, на пространство и время, на движение и его формы и т.д.) и появился новый тип науки – неклассические науки. Для неклассического типа рациональности характерен учет того, что объект познания, а, следовательно, и знание о нем, зависят от субъекта, от используемых им средств и процедур.
В ХХ веке в неклассической науке появилось осознание зависимости всех наших знаний от познающего человека – субъекта. Например, физики признают, что в квантовой механике получается знание не о частице, как она существует сама по себе, а о том ее состоянии, в которое она пришла в результате воздействия на нее прибора в процессе эксперимента. И ХХ в. обнаружил разрушительный потенциал науки, заставил задуматься о том, как привести в соответствие развитие науки и гуманистические идеалы, как сделать их органической частью познавательной и практической деятельности человека.
Большое значение для подготовки научной революции на рубеже веков имели исследования процессов излучения тел, развернувшиеся в начале XIX в. Они привели к формированию в 1900 г. квантовой гипотезы М. Планка, согласно которой тела излучают энергию не непрерывно, как должно было быть, если исходить из того, что энергия – характеристика поля, а поле непрерывно. Излучение происходит определенными порциями (квантами), из чего следует, что частицы энергии ведут себя и как волны (они излучаются как волны), и как частицы (потому что они дискретны - прерывны).
Дискретный характер излучения также не укладывался в классическую физику. Все попытки свести электромагнитные процессы к механическим процессам в эфире выявили свою несостоятельность, следствием чего и был вывод о том, что поведение формы материи в виде электромагнитного поля не укладываются в рамки законов механики.
В конце XIX в., помимо открытий в области электричества и магнетизма, был сделан еще целый ряд открытий, которые послужили причиной научной революции на рубеже XIX и XX столетий: открытие рентгеновских лучей (1895, В. Рентген), электрона (1895, Дж. Томсон) и установление зависимости его массы от скорости, открытие радиоактивности (1896, А. Беккерель), фотоэффекта и его законов и др.
Таким образом, если до XIX в. физика была в основном физикой вещества и рассматривала поведение материальных объектов с конечным числом степеней свободы, обладающих конечной массой покоя, между которыми действуют силы, направленные по прямым и зависимые от расстояний между телами, то в XIX в. появились физические теории, в которых силы зависят не только от расстояний, но и от скоростей, и притом не направлены по прямым. Распространение сил происходит не мгновенно (как у Ньютона), а с конечной скоростью.
2.2 Революция в физике на рубеже XIX и XX столетий
Открытия на рубеже XIX-XX столетий показали, что вещество обладает качествами, которыми не может обладать, если классическая механика точно объясняет мир. Оно, как выяснилось из изучения электрона, может не иметь точно определяемой массы, что разрушает классические законы сохранения массы и движения. Масса в классической физике понималась как основной признак материальности тел, поэтому физики забили тревогу: «Материя исчезла!». Энергия, как показывала радиоактивность, может браться неизвестно откуда, в нарушение классического закона сохранения энергии.
Попытки снять названные противоречия привели к созданию новых физических теорий, заставивших пересмотреть представления о пространстве, времени и веществе, характерные для классической физики. Это были две концепции - теория квантов и теория относительности, которые стали фундаментом для новой физики.
2.3 Квантовая теория
Квантовая теория кардинально изменила классические представления о веществе. В классической физике Ньютона мир понимался как состоящий из материи, а материя – из отдельных частиц, корпускул. К концу XIX в. был открыт еще один вид материи – поле. Оба вида материи, считалось, подчиняются законам. Это понимание устройства мира закрепилось в детерминистском принципе, сформулированном в XIX в. французским физиком Пьером Лапласом. Суть этого принципа можно изложить следующим образом: во Вселенной все явления связаны причинно-следственной связью, которая имеет законосообразный характер. Законы позволяют по ее состоянию в определенный момент точно рассчитать, как будет развиваться Вселенная и каким будет ее состояние в следующий интересующий нас момент.
Исследовавший тепловые излучения М. Планк установил, что в процессах излучения энергия может быть отдана и поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь небольшими неделимыми порциями, которые исследователь назвал квантами действия. Величина энергии кванта определяется по формуле Е = hy, где h– определенная константа (постоянная Планка), а y– частота света. Формула была опубликована 14 декабря 1900 г., который стали считать днем рождения квантовой теории и всей атомной физики, потому что понятие кванта позволило создать модель атомной оболочки и атомного ядра.
Вклад датского физика Нильса Бора в развитие квантовой теории состоял в том, что он принимает теорию квантов и на ее основе в 1913 г. создает теорию атома. Она основана на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой: 1) в каждом атоме существуют несколько стационарных состояний, в которых электрон может существовать, не излучая; 2) при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии. Она стала первым шагом к идее о «волнах материи», выдвинутой французским физиком Луи де Бройлем.
Де Бройль утверждал, что волновые свойства наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам. Каждой волне соответствует электромагнитная частица, а любой частице – волна. Волновая механика де Бройля (1924 г.) объясняла, почему электрон может вести себя то как частица, то как волна. Исходя из идеи де Бройля о волнах материи, Эрвин Шрёдингер в 1926 г. вывел основное уравнение волновой механики (уравнение Шрёдингера), позволяющее определить возможные состояния квантовой системы и их изменение во времени. Уравнение содержало так называемую волновую функцию y (пси-функцию), описывающую волну (в абстрактном, конфигурационном пространстве). Пси-функция определяла плотность вероятности нахождения частицы в данной точке. В рамках волновой механики атом можно было представить в виде ядра, окруженного своеобразным облаком вероятности. С помощью пси-функции вычисляется вероятность присутствия электрона в определенной области пространства.
Иначе говоря, в квантовой механике разница между полем и системой частиц исчезала.
Экспериментальными доказательствами волновой теории вещества стали опыты по обнаружению дифракции электронов, нейтронов, атомов и молекул.