Гончарова Владлена
Науковий керівник: канд. техн. наук, професор Царенко О.М.
Кіровоградський державний педагогічний університет
імені Володимира Винниченка
Анотація: Досліджено внесок І. Ньютона у формування класичної механіки шляхом розробки цілісної системи наукових уявлень про навколишній світ, природу, її структурні елементи, запропонувавши методику дослідження об’єктів, що вивчаються, розповсюдивши на них дію законів механіки, віддаючи перевагу механістичній формі руху матерії.
Ключові слова: класична механіка, матерія, простір, час, кількість руху, енергія.
Актуальність проблеми. У сучасній фізичній картині світу простір і час є загальними формами існування матерії, які не існують поза матерією й незалежно від неї. Питання про матерію та її властивості, види і форми буття є корінним питанням філософії й природознавства впродовж всієї історії їх розвитку. Це пояснюється тим, що поняття матерії не тільки якнайповніше виражають загальний рівень знання людей про явища об'єктивного світу в кожну епоху розвитку людського суспільства, але і обумовлює розуміння всіх інших проблем філософії і природознавства [1].
Впродовж усієї історії природознавства й філософії існували дві основні концепції простору й часу. Одна з них сягає корінням учень стародавніх атомістів − Демокріта, Епікура, Лукреція, які обгрунтували поняття порожнього простору й розглядали його як і нескінченне. Поняття часу тоді було розроблене вкрай слабо й розглядалося як суб'єктивне сприйняття дійсності. У Новий час у зв'язку з розробкою основ динаміки концепцію часу й простору розвинув І. Ньютон, очистивши її від антропоморфізму. За Ньютоном, простір і час − суть особливі начала, що існують незалежно від матерії й одне від одного [5].
Мета статті – дослідити становлення у сучасній фізичній науці фундаментальних категорій, якими є матерія, простір і час, з’ясувати внесок І. Ньютона у формування нерозривності зв’язку цих категорій та розкрити основні недоліки.
Виклад основного матеріалу. В епоху формування і розвитку класичної механіки матерія мислилася філософам як остання субстанція, а природодослідникам представлялася у вигляді неподільних і неруйнівних атомів. Саме такого роду поняття простору і часу стають вихідними в структурі наукової теорії. Основна проблема − проблема руху − вирішується на основі уявлення про абсолютну систему відліку і пов'язану з нею систему координат. Це уявлення дозволило відкрити і кількісно виразити систему законів просторового переміщення матеріальних тіл. Система координат, будучи абстракцією від реально існуючих макроскопічних тіл, стала загальним способом опису руху як в просторі, так і в часі [1, 2].
Розвиваючи ідеї Г. Галілея, Х.Гюйгенса, Р. Декарта й інших попередників, І.Ньютон в праці «Математичні початки натуральної філософії» (1687 р.) сформулював всі основні закони класичної механіки [5]. У цій праці Ньютон уперше розглянув основний метод опису будь-якого фізичного впливу за посередництвом сили. Дана фундаментальна праця містила основні поняття й аксіоматику класичної механіки, зокрема поняття маси, якому Ньютон надавав великого значення як основному в механічних процесах, кількість руху, сила, прискорення, доцентрова сила і три закони руху: закон інерції, закон пропорційності сили прискоренню і закон дії та протидії. Визначаючи поняття простору і часу, він відокремлював «абсолютний нерухомий простір» від обмеженого рухливого простору, називаючи «відносним», а рівномірно поточний, абсолютний, істинний час, який називав «тривалістю», − від відносного, удаваного часу, що служить мірою «тривалості». Ці поняття часу і простору лягли в основу класичної механіки. Однак, ідея абсолютного простору і абсолютного часу, що склались в класичній механіці Ньютона і відповідали фізичній картині світу до середини ХІХ ст., − вступили у протиріччя з дослідними фактами.
І все ж, величезна заслуга саме Ньютона полягає в тому, що він вперше ввів поняття імпульсу (кількості руху), яке увійшло в формулювання основного закону ньютонівської динаміки. З сучасної точки зору, проте, основне в понятті імпульсу − це збереження цієї величини, її інваріантний характер. Але саме це в змісті поняття імпульсу не приймалося до уваги в системі ньютонівської механіки [2]. Оскільки поняття імпульсу в механіці Ньютона формуються в явному зв'язку з законом збереження цієї величини і оскільки ще не було сформульовано поняття енергії, імпульс фактично не виступає в якості основного поняття.
В епоху Ньютона, Декарта і Лейбніца поняття енергії та імпульсу виступали як незалежні одне від одного поняття. Вони не набули ще значення основних понять в системі механіки. Народившись в рамках механіки, поняття енергії та імпульсу своїм змістом і своїм розвитком, як ми тепер можемо зрозуміти, прогнозували вихід за межі механічної концепції руху. Цей вихід відбудеться не відразу. Розвиваючись спочатку в системі механіки, ці поняття лише поступово підготовляли вихід за її межі. Так, механіка Лагранжа розвивала і вдосконалювала систему понять механіки, але на справді, вона не внесла істотно нового.
Новий етап у розвитку системи фізичних понять, початок істотної перебудови цієї системи пов'язується з роботами Гамільтона. Поняття енергії і імпульсу на цьому етапі свого розвитку набувають настільки ж важливого значення, як і поняття простору і часу. Поняття маси, дуже суттєве при виникненні системи фізичних понять і необхідне для становлення механіки як науки, відступає тепер на задній план в цій новій картині механічного руху [2, 3].
Ця життєздатність понять енергії й імпульсу пояснюється насамперед тим, що вони пов'язані з відповідними законами збереження. Вирішальним моментом у розвитку поняття енергії було, безсумнівно, відкриття закону збереження енергії в XIX ст. як загального закону природи, зміст якого виходить за рамки чисто механічного уявлення про рух.
Поняття енергії й імпульсу, як ми вже зазначили, почали формуватися в підвалинах механіки. Йдучи далі, в більш загальні фізичні поняття, вони сприяли виявленню обмеженості механіки як теорії, яка претендувала на дослідження загальних і необхідних законів руху матерії. Відзначимо, що закон інерції, наприклад, можна було б висловити у двох формах: традиційній та сучасній. Традиційна форма закону інерції могла б бути названа просторово-часовою. У цій формі закону інерції йдеться про збереження стану спокою або рівномірного і прямолінійного руху тіла до тих пір, поки зовнішня сила не виведе його з цього стану.
У квантовій механіці ми зустрічаємося з новим фактом, надзвичайним з точки зору звичних класичних ідей. А саме − при описі квантових процесів виявляється сучасна форма еквівалентності просторово-часового та імпульсно-енергетичного уявлень. Відомо, що в квантовій теорії енергія Е пов'язана з частотою ν, а імпульс р − з хвильовим числом k формулами:
Е = hν; р = hk,
де h − стала Планка.
Ми бачимо, що одне й те саме явище, наприклад поширення променя світла може бути описано двома формами. А саме – з точки зору імпульсно-енергетичної, коли пучок світла розглядається таким, що складається з квантів, які володіють енергією Е та імпульсом р, і з просторово-часового підходу, коли виявляється, що світло є хвильовим рухом з частотою ν і хвильовим числом k. Корпускулярна картина відповідає імпульсно-енергетичним поданням, а хвильова картина − просторово-часовому. Перехід від одного уявлення до іншого, або, інакше, від однієї картини до іншої, відбувається за допомогою добре відомих канонічних перетворень. Важливо підкреслити, що в еквівалентності просторово-часової і імпульсно-енергетичної картин виявляється одна з глибоких симетрій, характерних для створення етапу розвитку фізичної науки [4].
Все ж, нерозривний зв'язок простору, часу й постійно рухомої матерії був обґрунтований лише діалектико-матеріалістичною філософією ще задовго до того, як цей зв'язок одержав природничо-наукове підтвердження в теорії відносності та інших фізичних теоріях. І саме таке розуміння простору й часу дозволило здолати метафізичний відрив їх від рухомої матерії, що було притаманне класичній ньютонівській механіці.
Висновки. Поняття енергії-імпульсу, з одного боку, і простору-часу, з іншого, − знаходяться в тісному внутрішньому зв'язку один з одним. З властивостей простору-часу (ізотропія й однорідність) можна вивести властивості енергії-імпульсу (закони зберігання), і, навпаки.
Сучасні знання про матерію і її структуру визначають необхідність нового бачення у просторі і часі. Яка буде детальна картина цих уявлень, визначить подальший розвиток науки. Сьогодні, можна з певністю сказати, що існуючі в даний час поняття простору і часу збережуть своє значення в багатьох природничо-філософських дослідження.
Список літератури:
- Амбарцумян Д. І., Блохінцев Я.І. Діалектричний матеріалізм і сучасне природознавство // Д. І. Амбарцумян, Я. І. Блохінцев. -М.: Видавництво «Наука» Москва, 1971.-624 с.
- Вавилов С.И. Исаак Ньютон / С.И. Вавилов. – М. : Наука, 1989. – 271 с.
- Дущенко В.П. Загальна фізика. Оптика. Квантова фізика. /В. П. Дущенко, І. М. Кучерук. – К.: Вища школа, 1987. – 431 с.
- Мостепаненко А.М. Пространство и время в макро-, мега- и микрофизике./ А.М. Мостепаненко. – М.: Политиздат, 1974. – 240 с.
- Ньютон И. Математические начала натуральной философии. Пер. с лат. / И. Ньютон; ред. Л.С. Полака. – М. : Наука, 1989. – 711 с.