Вступление. 
Современные физические модели развития мира

Люди пытались представить себе мир в виде некоторой модели еще с самых древних времен. По своей сути процесс развития познания об окружающем мире представляет собой поиск адекватной модели мира, обобщающей и объясняющей все имеющие место быть явления. Адекватность модели неразрывно связана с объемом знаний об окружающем мире и возможности количественной обработки полученных знаний.

Эволюция первых моделей как средства познания в классической физике

Попытки обобщить знания о природе, связать их воедино и построить единую картину мира были сделаны уже в Древней Греции. Первые модели были эмпирическими и примитивными, так как отсутствовали математические инструменты обработки экспериментальных данных.

Именно древним философам принадлежат фундаментальные идеи о материи, о том, что материю и движение нельзя уничтожить, идея о всеобщей причинности, об относительности механического движения и др.

Понятие материи начало формироваться уже в самой первой философской школе Древней Греции. Ионийский философ Анаксимандр (около. 610−546 гг. до нашей эры) ввел понятие «первоматерии» как некой абстрактной субстанции, лежащей в основе всего. Эту первоматерию Анаксимандр определяет как нечто беспредельное не имеющего начала, но оно само является началом остальных вещей.

В учении Демокрита и Левкиппа возникло первое научное представление о структуре материи и получает конкретное воплощение идея о том, что ее нельзя сотворить или уничтожить. По Демокриту все существующее, состоит из атомов (бфпмпт), и пустоты.

В учении древних атомистов содержались элементы механического мировоззрения, которое стало основой естествознания, включая физику XVII—XIX вв. Одной из таких идей, была идея о существовании строгих количественных законов в природе. Родоначальником идеи о необходимости применения математики в физических исследованиях был Пифагор Pythagoras (580−600 гг. до н.э.). Если ионийцы Ionian schools искали единство природы в чем-то материальном, тоПифагор Pythagoras ифагорейцы Pythagoreans нашли это единство в идеальном — в числе. Пифагор считал, что в основе всех вещей лежит число, а вся Вселенная есть гармония чисел, он сделал предположение об абстрактном геометрическом характере строения вещества.

Идеи о том, что все тела состоят из геометрических фигур, были развиты Платоном. Надо отметить, что подобные идеи возродились в 20 столетии в модернизированной форме. Вернер Гейзенберг, например, считал Платона предвозвестником современных взглядов, отмечая, что в современной квантовой теории элементарные частицы, в конечном счете, есть математические формы, только гораздо более сложной и абстрактной природы.

В III в. до н.э. Евклид создал совершенную систему геометрии, которая просуществовала почти в неизменном виде многие столетия. Его геометрии много лет следовали математики и физики многих поколений.

Астрономия также становится в III в. до н.э. самостоятельной наукой. Греческий астроном Аристарх Самосский (конец IV — первая половина III в. до н.э.) высказал гипотезу о гелиоцентрической системе мира. Наблюдая лунное затмение, он оценил, что диаметр Земли в 3 раза больше диаметра Луны, а Солнце гораздо больше Земли, это свидетельствовало в пользу гелиоцентрической модели. Значительно позже Коперник возродил идею Аристарха Самосского, разработав гелиоцентрическую систему мира.

С развитием астрономии возникло представление о возможности разложения движения и о том, что этот процесс является чисто математическим. Основываясь на этом, Птолемей построил теорию движения небесных тел вокруг Земли, представив их как комбинацию простых круговых движений, используя понятия эпицикла, и эксцентрика. При этом Птолемей полагал, что движение небесных тел можно представить различными способами.

Вопрос об относительности механического движения был затронут уже в древности. Цицерон (106−43 гг. до н.э.), излагая мысли некоторых древних ученых о движении Земли, говорил, что, по их мнению, нам лишь кажется, что Земля неподвижна, а небесные тела движутся. В действительности же все происходит наоборот.

Однако Аристотель считал что Земля — истинно неподвижное тело, движение относительно которого является абсолютным. На этом выводе основывался Птолемей, возражая против гипотезы о движения Земли. Идеи Аристотеля и Птолемея доминировали в европейской науке вплоть до научной революции 16−17 веков.

Научная революция началась в астрономии с появлением знаменитого труда Коперника, напечатанного в 1543 г., в котором он отверг систему мира Птолемея и разработал гелиоцентрическую систему. Согласно Копернику, по сравнению с Землей Вселенная необъятна: Земля не есть центр Вселенной. Коперник обосновывал новую систему мироздания тем, что она проще и естественнее объясняет все видимые движения небесных тел, по сравнению с системой Птолемея.

Галилео Галилей, опираясь на свои открытия, распространял и обосновывал учение Коперника как теорию действительного строения Вселенной. Галилей доказывает, что если тело не встречает никакого сопротивления, то оно движется с постоянной скоростью.

Он обсуждает вопрос, почему с вращающейся Земли не разлетаются предметы, как это имеет место для быстро вращающегося колеса. Галилей отмечает, что отброшенное с обода колеса тело стремится двигаться прямолинейно по касательной с постоянной скоростью, независимо от того, отлетает ли оно в горизонтальном или каком другом направлении, и только сила тяжести мешает этому. Галилей формулирует и другое положение классической механики — закон сложения и разложения сил.

На основании установленных законов Галилей объясняет, почему нельзя обнаружить движение Земли, находясь на ней. Он подчеркивает, что движение по инерции можно заметить, только не участвуя в этом движении, так как оно не воздействует на вещи, находящиеся в таком движении. Это, пожалуй, первый раз, когда осознанно ставится вопрос о соотношении между тем, что мы видим, и что происходит на самом деле.

Одним из основоположников механического мировоззрения можно считать Рене Декарта, учение которого вылилось в целое направление или физическую школу, получившую название картезианской (по латинизированному имени Декарта). Картезианцы пытались все физические явления: движение планет, падение тела, электрические и магнитные явления и т. д., привести к движению больших и малых частиц или частей материи, Сформулировав понятия материи, движения и основные законы природы, Декарт создает свою механистическую натурфилософскую систему. Он определил материю как некую физическую модель. Материя Декарта — это нечто вроде идеальной несжимаемой жидкости, заполняющей все пространство. Декарта можно считать основателем волновой теории света. Он рассматривал свет как давление или импульс, передающиеся от светящегося тела частицами эфира.

Кристиан Гюйгенс развил теорию, представляющую свет как распространяющееся движение в эфире. Эта теория была опубликована в 1690 г. Гюйгенс полагает, что свет распространяется в тонкой среде — эфире, которая заполняет все мировое пространство и поры тел. Эфир состоит из мельчайших упругих шариков. Распространение света — это процесс распространения движения от шарика к шарику — подобно распространяющемуся импульсу вдоль стальных шаров, соприкасающихся друг с другом и вытянутых в одну линию. Объясняя механизм распространения импульса в эфире, Гюйгенс выдвинул принцип, носящий его имя. Согласно этому принципу, каждая частица вещества, в котором распространяется волна, является центром сферической волны. А фронт распространяющейся волны является суммой таких элементарных сферических волн.

Важнейшую роль в развитии физики сыграл Исаак Ньютон. Он завершил период становления физики как самостоятельной науки. В 1687 г. выходит в свет его главное сочинение «Математические начала натуральной философии». В ней впервые сформулированы основы классической механики, ее основные понятия и законы, решен целый ряд теоретических задач и, наконец, построена теория движения небесных тел — небесная механика.

Ньютон ввел в механику понятие массы, отделяя его от понятия веса, и отчетливо говорит, что масса определяет инерционные свойства тела. Весьма интересно, что Ньютон принимает плотность за первичное понятие и через нее определяет количество материи (массы): «Количество материи есть мера таковой, происходящая от ее плотности и объема совокупно (Quantitas materiae est mensura ejusdem orta ex illius densitate et magnitudineconjunctim)».

Ньютон определяет понятие силы как действия, производимого над телом для изменения его состояния покоя или равномерного прямолинейного движения. Ньютон также рассматривает понятия пространства, времени и движения. Он разделяет абсолютные и относительные понятия времени, пространства и движения. Абсолютное пространство и время, по Ньютону, существуют независимо от чего-либо, безотносительно к чему-либо: абсолютное время, или длительность, всегда течет равномерно, абсолютное пространство остается всегда однородным и неподвижным. Ни абсолютное время, ни абсолютное пространство не доступны нашим чувствам. Чувствам и измерениям доступны только относительное время и относительное пространство. Ньютон делит также и движение на абсолютное и относительное.

Абсолютное движение, по Ньютону, в какой-то степени можно определить, так как можно определить абсолютное ускорение. Для этого достаточно измерить силы инерции; действующие при ускоренном движении.

Ньютон описывает опыт с вращающимся сосудом, в который налита вода. При вращении сосуда, вода изменяет свою поверхность; по этому изменению можно судить, что вращается именно сосуд, а не вселенная вокруг него.