Природа фундаментальных открытий

Второй основной закон движения занимает в механике центральное место. В отличие от кажущихся представлений он показывает, что чем большая сила прилагается к телу, тем большее ускорение, а не просто скорость оно приобретает. Ведь в принципе тело, движущееся с постоянной скоростью и прямолинейно, не испытывает действия каких-либо сил.

Изменение количества движения пропорционально приложенной действующей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

F= dmv/dt =ma,

где выражение dmv/dt обозначает производную от количества движения,

т — массу,

а — ускорение.

Поскольку в механике масса считается  величиной постоянной, то указанная  производная характеризует прежде всего ускорение движущегося тела. Поэтому более кратко этот закон формулируют как равенство или, точнее, пропорциональность силы ускорению: F= та.

Если обозначить силу, с которой  тело с массой т притягивается Землей, т.е. его вес, через Р, а ускорение силы тяжести через g, то получим формулу для выражения веса: P=mg. Именно этот частный случай движения тел под действием силы тяжести изучал Галилей. Если во втором законе Ньютон рассматривает любые силы и ускорения, то Галилей рассматривал только силу тяжести Р и постоянное ускорение g, которое приобретает тело под ее воздействием. Он установил закон, что путь S, пройденный телом под действием силы тяжести, пропорционален половине квадрата времени и не зависит от скорости. Коэффициентом пропорциональности здесь служит ускорение силы тяжести.

S=gt²/2.

Опыт показывает также, что масса, которая фигурирует в инерциальном движении, или инертная масса, в точности равна массе тела, падающего под воздействием силы тяжести, или тяжелой массе. Однако этот результат в классической механике считался случайным совпадением, и только в общей теории относительности он нашел свое объяснение.

Третий закон Ньютона гласит:

Действию всегда есть равное и противоположно направленное противодействие, иначе, взаимодействия двух тел между собой равны и направлены в противоположные стороны.

F₁=-F₂

Возникает вопрос, каким способом были открыты эти основные законы механики?

Ньютон считал, что принципы механики устанавливаются с помощью двух противоположных, но в то же время взаимосвязанных методов — анализа и синтеза.

«Как в математике, так и в  натуральной философии, — писал  он, — исследованию трудных предметов методом анализа всегда должен предшествовать метод соединения. Такой анализ состоит в производстве опытов и наблюдений, извлечении общих заключений из них посредством индукции и недопущении иных возражений против заключений, кроме полученных из опыта или других достоверных истин. Ибо гипотезы не должны рассматриваться в экспериментальной философии. И хотя аргументация на основании опытов не является доказательством общих заключений, однако это лучший путь аргументации, допускаемый природой вещей, и может считаться тем более сильным, чем общее индукция. Путем такого анализа мы можем переходить от соединений к ингредиентам, от движений — к силам, их производящим, и вообще от действий — к их причинам, от частных причин — к более общим, пока аргумент не закончится наиболее общей причиной».

Таков метод анализа, синтез же предполагает причины открытыми и установленными в качестве принципов; он состоит в объяснении при помощи принципов явлений, происходящих от них, и доказательстве объяснений.

Чтобы ясно оценить революционный  переворот, осуществленный Ньютоном в механике и точном естествознании в целом, необходимо прежде всего противопоставить его метод принципов чисто умозрительным построениям прежней натурфилософии и широко распространенным в его время гипотезам о скрытых качествах. Натурфилософские взгляды и представления в подавляющем большинстве были ничем не подкрепленными умозрениями и спекуляциями. Таким образом, заявление Ньютона о том, что гипотезы не должны рассматриваться в экспериментальной философии, было направлено именно против гипотез о скрытых качествах, а не против гипотез вообще. Ведь именно гипотезы о скрытых качествах невозможно проверить на опыте.

Подлинные же гипотезы, допускающие  экспериментальную проверку, составляют основу и исходный пункт всех исследований в естествознании. Как нетрудно понять, сами принципы, или законы, механики тоже являются гипотезами весьма глубокого и общего характера, многократно проверенными и подтвержденными опытом и практикой. Эти принципы невозможно было открыть чисто индуктивно, посредством изучения частных случаев и их обобщения. Поэтому Ньютон утверждал, что анализу явлений должен предшествовать синтез, который опирается на воображение, мысленные эксперименты и творческую интуицию ученого.

Кроме того, при разработке своего метода принципов Ньютон ориентировался на аксиоматический метод, блестяще примененный Евклидом при построении элементарной геометрии. Благодаря своей логической точности и доказательности выводов этот метод до сих пор считается образцом научного изложения. Однако вместо аксиом Ньютон опирался на принципы, или основные законы, механики, а математические доказательства отличал от экспериментальных доказательств, поскольку последние имеют не строго достоверный, а лишь вероятностный, или правдоподобный, характер. Важно также обратить внимание на то, что знание принципов или законов, управляющих явлениями, не предполагает раскрытия их причин. В этом можно убедиться из оценки Ньютоном закона всемирного тяготения. Он всегда подчеркивал, что этот закон устанавливает лишь количественную зависимость силы тяготения от произведения величин тяготеющих масс и квадрата расстояния между ними.

,

где Fобозначает силу тяготения,

m₁ и m₂ — тяготеющие массы,

r — расстояние между ними,

 g — постоянную тяготения.

Что же касается причины тяготения, то он считал ее раскрытие делом дальнейших исследований. Ньютон полагал, что довольно того, что тяготение на самом деле существует и действует согласно изложенным нами законам и вполне достаточно для объяснения всех движений небесных тел и моря.

Открытие универсальной силы гравитации считается подлинным триумфом системы механики Ньютона. Эта сила действует между любыми телами во Вселенной, как бы велики или малы они ни были. Не случайно поэтому сам закон называют законом всемирного тяготения.

Как Ньютон пришел к его открытию?

Историки науки, изучившие не публиковавшиеся  раньше рукописи Ньютона, обнаружили совершенно неизвестный до этого факт. Оказывается, он посвятил немало времени алхимическим исследованиям, пытаясь найти способ получения золота из других веществ. Изучая способность различных веществ вступать в химические реакции, он пришел к заключению о существовании определенной силы химического сродства между ними. Пытаясь найти более глубокую и общую причину этой силы, Ньютон обратился к астрономии и использовал точные математические методы для исследования взаимодействия тел во Вселенной. Неожиданно для себя он открыл универсальный закон гравитации, который не имеет прямого отношения к силе химического сродства между веществами, но является фундаментальным свойством всех тел, обладающих массой. Предполагалось, что гравитационные силы, или силы притяжения, между телами действуют без какой-либо промежуточной среды, в пустоте и мгновенно, но сила их убывает с квадратом расстояния между ними. Сам Ньютон, как мы отметили, вопрос о природе этих сил оставил решать будущим поколениям.

Поскольку в механике отвлекаются  от качественных изменений тел, постольку для анализа их движения можно было широко пользоваться математическими абстракциями и созданным самим Ньютоном и одновременно с ним Г. Лейбницем (1646—1716) анализом бесконечно малых. Благодаря этому изучение механических процессов было сведено к их точному математическому описанию. Именно для математического описания механического движения Ньютон и создал дифференциальное и интегральное исчисления. С помощью дифференцирования можно определить мгновенную скорость движения материальной точки за любой бесконечно малый промежуток времени, а с помощью интегрирования — пройденный точкой путь. Под материальной точкой подразумевается идеальный образ тела, вся масса которого сосредоточена в одной точке. Такая идеализация значительно упрощает математическое описание механического движения тел, которые можно рассматривать как системы материальных точек.

Переход от непосредственного описания эмпирических объектов к идеальным  их образам, построению их математических моделей и последующему анализу системы идеальных объектов был началом становления теоретической науки в изучении природы. Этот переход имел неоценимое значение для дальнейшего развития естествознания. Замена планет материальными точками в задачах небесной механики крайне упрощало их решение, поскольку уже существовал готовый математический аппарат для вычислений.

Для описания движения материальной точки необходимо было найти прежде всего характеризующее его уравнение, которое математики называют обыкновенным дифференциальным уравнением. Таким образом, для точного и полного описания механического движения необходимо и достаточно было задать, во-первых, координаты тела и его скорость (или импульс mv) и, во-вторых, уравнение его движения. Все последующие состояния движущегося тела точно и однозначно определялись его начальным состоянием. Следовательно, задав это состояние, можно было определить любое другое его состояние, как в будущем, так и в прошлом. Вследствие этого исчезало всякое различие между настоящим, прошлым и будущим. Отвлечение от качественных различий между состояниями движущихся тел превращало механику в чисто абстрактную, математическую схему, которую посредством соответствующей интерпретации можно было соотнести с объективной реальностью.

2.1  Сущность  живого.

Ответить  на «простенький» вопрос «что такое  жизнь» чрезвычайно трудно, ибо это  один из главных вопросов, который  человек может себе задать. Живые  организмы обладают рядом признаков, которых нет у большинства  объектов неживой природы (а часть  и есть), но среди них нет ни одного, который был бы присущ только живому, т.е. выделить один существенный и единственный критерий жизни на современном уровне науки практически  невозможно. В большинстве случаев, казалось бы, уж точно установленный  фактор или принцип определения  по мере развития наших представлений  требует дополнений, уточнений и  т.д. Это связано еще и с тем, что этими проблемами занимаются многие специалисты из разных областей науки и они в своих определениях подчеркивают существенный признак  живого именно с позиций своей  науки.

Поэтому жизнь, а следовательно и все  живое, по-видимому, не может быть определена по какому-либо одному признаку. Современная  биология при описании живого идет пока по пути лишь перечисления этих признаков, но в их совокупности.

Какова  же совокупность основных признаков  живого?

• Живые организмы характеризуются сложным высокоупорядоченным строением и системной организацией. Уровень их организации и иерархичности значительно выше, чем в неживых объектах. Живые системы характеризуются также и гораздо более высоким уровнем асимметрии, в том числе наличием молекулярной хиральности, и процессами самоупорядочения в пространстве и времени. Структурная компактность, энергетическая экономичность и эффективность использования энергии живых организмов являются результатом высочайшей пространственной упорядоченности на молекулярном уровне.
• Живые организмы имеют потребность для своего развития получать энергию из окружающей среды, непосредственно или косвенно используя для этого лучистую энергию Солнца для поддержания и усиления своей высокой упорядоченности. Зеленые растения используют эту энергию для синтеза питательных веществ. Животные используют энергию, содержащуюся в их пище, для поддержания своего существования, роста и размножения. Живое извлекает структурированную полезную для живого организма отрицательную энтропию из окружающей среды и «сбрасывает» избыток неструктурированной положительной энтропии обратно в эту среду. Происходит перераспределение энтропии как формы энергии в системе живой организм - окружающая среда. Сама сложность и организованность структуры живого организма будет определяться этим перераспределением. Живое способно также «извлекать» порядок из хаотического поведения молекул своего организма, что также способствует уменьшению его энтропии как упорядоченной системы.
• Живые организмы активно реагируют на окружающую среду и участвуют в обмене энергией, веществом и информацией с окружающей средой. Живые организмы способны усваивать полученные извне питательные вещества, перестроив их так, чтобы они становились подобными их собственным материальным структурам, и в результате этого многократно воспроизводить эти структуры. Способность реагировать на внешние раздражители, в том числе и на получение информации, является универсальным признаком всех живых систем - и растений, и животных. Живые организмы обладают способностью двигаться и проявлять активность при взаимодействиях с окружающей средой.
• В процессе самоорганизации живые организмы развиваются, изменяются и усложняются. В отличие от самоорганизации неживых неорганических систем, где молекулы просты, а механизм реакций сложен, в самоорганизации живых систем механизмы просты, а молекулы сложны. Существенна и роль обратной связи организмов с окружающей средой. Для создания и развития новых структур, образования новых органов нужна положительная обратная связь, а для устойчивого состояния - отрицательная обратная связь. Лауреат Нобелевской премии русский физиологи И.П. Павлов еще до появления теории самоорганизации называл эти процессы в живом организме саморегуляцией. Живой организм способен и к самосохранению, устойчивости своего существования, и к развитию, восприимчивости, и к изменениям. В живом организме на протяжении всей жизни идет непрерывная замена старых клеточных структур на вновь образующиеся.
• Все живое не только размножается, но и имеет способность к избыточному воспроизводству. Это одна из главных особенностей живого, в которой проявляется действие механизмов изменчивости и наследственности, определяющих эволюцию всех видов живой природы и условия их выживания.
• Живое качественно превосходит другие формы существования материи своим многообразием форм, сложностью химических компонентов и динамикой протекающих в живом организме процессов. Процесс усложнения структур и функций связан со все более эффективным использованием энергии, черпаемой из окружающей среды и превращаемой биологическими системами в сложность и разнообразие форм жизни.
• Живые организмы способны получать, сохранять и передавать информацию. Причем живым организмам присуще стремление полученную информацию о себе и окружающем мире использовать максимальным образом. Наследственная информация, заложенная в генах и необходимая живому организму для существования, развития и размножения передается от каждого индивидуума его потомкам. Эта информация определяет направление развития организма, и в процессе взаимодействия его с окружающей средой реакция на ее индивида может искажаться, обеспечивая тем самым эволюцию развития потомков. Признаком живого является также биологическое узнавание.
• Живые организмы способны хорошо приспосабливаться к окружающей среде обитания и соответствуют своему образу жизни. При этом проявляется еще одна сущность жизни - поддержание таких биологических норм, которые противостоят силам, стремящимся низвести жизнь до уровня физического равновесия.
• Живые организмы имеют способность целесообразно распространяться в пространстве и времени, а также активно влиять на неживую природу и изменять в целом биосферу Земли. Целевая функция живого объективно сводится к достижению оптимальных условий для выживания вида.
• И наконец, высшим формам живых организмов присущ Разум, который и позволяет материи познавать самое себя.

Заметим, что отдельные свойства могут  встречаться и в неживой природе, но только в совокупности эти свойства присущи именно живому и в своем  единстве являются критериями отличия  живого от неживого. Живое от неживого можно отличить также по трем признакам: веществу (в живом - органические биополимерные молекулы), структуре (живой организм состоит из живых клеток) и функционально (живое воспроизводит себя).

2.2 Активность живого- взаимодействие  с окружающей средой

На основе наблюдений природных  явлений представление о том, что живые существа взаимодействует  с внешней средой и влияет на ее изменение, возникло давно. В начале 17 века зачатки представлений о  биосфере встречаются в трудах голландских  ученых Б. Варениуса (1629- 1695) и Х. Гюйгенса, а также у знаменитого французского журналиста Ж. Бюффона (1707-1788) . Спустя некоторое время, французский журналист Ж. Кювье (1769- 1832) заметил, что живые организмы могут существовать только путем обмена веществ с внешней средой. Другие исследователи - французские химики Ж. Б. Дюма (1800- 1884) , Ж. Бусенго (1802- 1887) , немецкий химик Ю. Либих (1803- 1873) выяснили значение зеленых растений в газовом обмене земного шара и роль почвенных растворов в питании растений.

Многие  ученые изучили взаимоотношение  организмов со средой их обитания и  гибели, что непосредственно предшествовало нашему современному пониманию биосферы. Ж. Б. Ламарк в своей книге "Гидрогеология" посвятил целую главу влиянию живых организмов на земную поверхность. Он писал: "... в природе существует особая сила, могущественная и непрерывно действующая, которая обладает способностью образовывать сочетания, умножать их, разнообразить их... влияние живых организмов на вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его внешнюю кору, весьма значительно, потому что эти существа, бесконечно разнообразные и многочисленные, с непрерывно меняющимися поколениями, покрывают своими постепенно накапливающимися и все время отлагающимися остатками все участки поверхности земного шара".

Из этих высказываний следует правильная оценка огромной геологической роли организмов и продуктов их разложения.

Значительно более широкое представление  о биосфере мы встречаем у В. И. Вернадского (1863- 1945) .

В. И. Вернадский - один из величайших ученых, основатель геохимии, биохимии, радиогеологии  и создатель научной школы. В. И. Вернадский был тонким ценителем  факторов, ученым, крайне требовательным к тому, чтобы естественнонаучные гипотезы отражали объективную реальность материального мира, закономерности, связанные с физико-химическими, геологическими, биохимическими и иными  материальными процессами. Его концепции  всегда были отточены громадным опытом естественнонаучной, профессиональной работы.