Развитие представлений о движении

С подачи философов-материалистов милетской школы (см. раздел 4) движение считается главным и неотъемлемым свойством материи — «в мире нет ничего, кроме движущейся материи» (мысль, приписываемая В.И. Ленину) — очень кратко и точно дает философское понимание движения как способа существования материи. В естественнонаучном плане этот способ, точнее, способы (поскольку их, как будет показано ниже, более одного) или формы движения материи представляют собой конкретные природные процессы, имеющие результатом изменение состояния материальных объектов. Развитие представлений о формах движения материи, как это было и с представлениями о формах (видах) самой материи (см. раздел 4), шло по тому же принципу «от простого (доступного) к сложному (трудно обнаруживаемому или наблюдаемому)».

Так, в динамике Аристотеля — это равномерное круговое движение небесных тел и неравномерное прямолинейное движение тел земных (см. раздел 3). Расчету эти виды механического движения, как и положено в натурфилософской картине мира, не поддавались, а вот в рамках классического естествознания механика Галилея — Ньютона позволяла точно и однозначно определять любые параметры всех видов механического движения как небесных, так и земных вещественных объектов (там же). В течение этого же второго этапа истории естествознания получили развитие представления о других, более сложных, чем механическое движение, разновидностях физической (тепловые явления, изменение агрегатного состояния вещества) и химической форм движения материи.

В следующий, неклассического естествознания, период в соответствии с этой же тенденцией сформировались представления о движении полевой формы материи в виде электромагнитных волн, о новых видах физической (радиоактивность, ядерные реакции) и биологической (жизнедеятельность живых организмов и эволюция биосферы) форм движения материи.

Составляющей проблемы движения материи является вопрос об измерении меры этого движения — энергии, как наиболее представительной характеристики состояния системы. Постановка и решение проблемы состояния, т. е. оценки энергии системы как потенциала её функционирования (движения), менялись вместе с изменением представлений о последнем. Так, первое точное математическое решение данной проблемы — это определение энергии механического движения системы, как суммы её кинетической (движения) и потенциальной (положения) энергий.

Подобное детерминистское решение было реализовано с позиций классической механики, но только для искусственных (машины и механизмы) или естественных (Солнечная система) сложных образований с конечным числом элементов, поскольку искомый критерий точно и однозначно мог быть рассчитан только по известным (поддающимся измерению) параметрам движения (координатам, массе, скорости и др.) каждого из них. Понятно, что для большинства реальных материальных систем с бесконечно большим числом элементов (например, молекул в теле или звезд в галактике) подобный детерминистский подход не применим. Однако он оказался плодотворным ещё раз — на следующем этапе истории естествознания при расчете энергии другого вида — энергии электро-магнитной волны. Она находится как суммируемая более сложным образом (формула Умова — Пойнтинга) энергия (напряженность) создающих эту вол-ну напряженностей электрического и магнитного полей.

Уже на этапе классического естествознания стало ясно, что определение величины энергии какого-то одного вида, пусть даже сколь угодно точное — это очень узкое решение проблемы состояния, поскольку в реальных материальных системах «циркулирует», как кровь по жилам организма (системы), обеспечивая его (её) жизнедеятельность (движение, существование) энергия разных (см. выше) видов.

Таковой является, например, тепловая энергия (процессы нагревания и остывания тел, а также процессы теплообмена), энергия фазовых переходов, т. е. изменения агрегатного состояния вещества, энергия химических реакций и др. Поэтому уже в конце периода классического естествознания с позиций другой науки, представителя данного этапа — классической термодинамики (см. раздел 3) — был предложен иной подход к решению проблемы состояния. По имени теории-прародительницы его называют термодинамическим методом, но более точно отражающим суть данного нового варианта решения проблемы состояния является синоним «феноменологический подход», поскольку он предполагает оценку состояния системы на основе учета только внешних проявлений изменения её энергетического состояния (тогда, во времена классической термодинамики — только изменения температуры системы в целом, или совершения системой механической работы), как природных явлений или феноменов. Отсюда — принципиально иная, противоположная детерминистскому подходу, суть термодинамического метода — он не учитывает сложность внутренней структуры системы, в данном случае (периода классического естествознания, см. выше), молекулярное строение тел. Согласно феноменологическому подходу, состояние сложной системы оценивается её внутренней энергией — показателем, априорно являющимся суммой энергий всех видов, которыми она обладает. Этих разных энергий так много, что точно вычислить внутреннюю энергию системы, как их сумму, принципиально нельзя, но можно фиксировать и численно определять её изменение в результате каких-либо внешних воздействий на систему. «Продвинутость» термодинамического метода по отношению к детерминизму образно можно пояснить пословицей «лучше синица в руках, чем журавль в небе». Недосягаемый «журавль» — это детерминистский подход, абсолютно логичный (правильный) и столь же абсолютно неприменимый на практике (см. выше). «Синица» — пусть огрубленное, но все же практически возможное решение проблемы состояния. Подтверждение тому — теория и схема работы теплового двигателя как итог коммерциализации знаний, полученных с помощью именно феноменологического под-хода (см. раздел 3).

Кроме данного положительного экономического результата из идеи термодинамического метода следовал очень важный научный вывод прогностического (см. раздел 2) характера — несмотря на то, что мы уже знаем достаточно много видов энергии (механической, тепловой, химической и др., см. выше), могут существовать пока что неизвестные человечеству другие, более сложные по своей сути и организации виды энергии как меры движения материи. Данное научное предвидение блестяще подтвердилось в процессе развития представлений об этом движении на следующем, третьем этапе истории естествознания открытием энергии радиоактивного распада и ядерных реакций (см. раздел 3). Сюда же можно отнести и энергию биологических процессов, хотя известно, что она, как источник жизнедеятельности живых организмов и эволюции биосферы по сути представляет собой совокупность энергий, обеспечивающих движение в неживой природе — химической, физической (электромагнитной и механической) и др.

Развитием представлений о движении в этот же период была констатация факта единой (электромагнитной) сущности всех известных на данный момент времени видов энергии (кроме механической) в виде спектра электромагнитного излучения. По степени возрастания его энергии, прямо пропорциональной частоте этого излучения, измеряемой в герцах (Гц), данный спектр выглядит следующим образом:

• § атмосферные явления (гром и молния), переменный электрический ток (10¹ — 10⁴ Гц);
• § радиоволны, Интернет, телевидение, сотовая связь, микроволновые печи (10⁴ — 10¹² Гц);
• § инфракрасное (тепловое) излучение (10¹² — 3,7•10¹⁴ Гц);
• § видимый свет (3,7•10¹⁴ — 7,5•10¹⁴ Гц);
• § ультрафиолетовое (солнечное) излучение (7,5•10¹⁴ — 3•10¹⁷ Гц);
• § рентгеновское излучение (3•10¹⁷ — 3•10²⁰ Гц);
• § гамма-излучение (3•10²⁰ — 10²³ Гц).

Свое развитие в рамках уже третьего этапа истории естествознания имела проблема состояния. Поскольку, как было сказано выше, термодинамический метод при определении параметров состояния системы абстрагируется от учета сложности её внутреннего строения, получаемые с его помощью результаты не могут быть точными и достоверными. Поэтому новой естественнонаучной теорией — молекулярно-кинетической теорией или статистической физикой, созданной трудами М. В. Ломоносова, Дж. К. Максвелла, Л. Больцмана и других — был предложен другой вариант решения проблемы состояния, получивший название статистического метода или микроскопического подхода. Согласно ему состояние системы (тела) определяется по усредненным (статистическим, обобщенным) значениям различных параметров состояния совокупности образующих её (его) частиц — молекул. Так, например, температура тела — это мера средней кинетической энергии молекул, из которых оно состоит (Ломоносов, см. раздел 2). Данная энергия, в свою очередь, определяется гауссовским (вероятностным) распределением молекул по их скоростям, т. е. усредненной скоростью и т. д. В чем тут прогресс, по аналогии с тем, как это было при переходе от детерминизма к термодинамическому методу на предыдущем этапе истории естествознания (см. выше)? В том, что точность определения параметров состояния сложной системы возрастает за счет учета её микроструктуры, пусть даже вероятностного. Сопоставляя усредненные теоретические результаты с опытом, можно снизить погрешность этого вероятностного учета внутренней структуры газов, жидкостей и твердых тел, и тем самым повысить качество и достоверность оценки их конкретных свойств как параметров состояния.

На этом же, третьем этапе истории естествознания эволюция подходов к решению данной проблемы с подачи квантовой механики, как более совершенной научной теории (см. раздел 3), завершилась дополнением статистического метода положением о неустранимости неопределенности и о вероятностном характере любых параметров состояния сложной системы. С точки зрения эффективности реализации уже не раз упоминавшегося принципа познания — от простого к сложному — этот шаг трудно переоценить. С одной стороны, наука признавала факт бесконечной сложности окружающего нас мира и, как следствие, невозможности его познания до конца, т. е. подтверждала правоту двух главнейших положений философии — о неисчерпаемости материи (см. раздел 2) и о недосягаемости для человека абсолютной истины (там же). С другой стороны, коль скоро двигаться по пути познания природы нам суждено вечно (см. выше), единственно правильным принципом этого познания может быть только как можно более полный учет неопределенности и случайности в определении параметров состояния сложных систем, потому что это более реальное и правильное понимание нашего мира, чем, например, сознательное игнорирование его истиной сложности с целью упростить это понимание и тем самым облегчить себе жизнь. Мир наш сложен, сложен бесконечно, и пытаться объяснять его просто — это значит трусить, бояться трудностей, прятать, как страус, голову в песок, подтверждая всем этим правоту величайшей народной мудрости — «простота хуже воровства».