Пособие по физике, в двух частях

1.5. Анализ типологии физической науки.

Анализ физической науки начнём с оснований, которые выявил и положил в неё как основания Р. Декарт. Именно с выделением им оснований физической науки и подведение под них математики, начинается эпоха бурного развития физической науки, реализующаяся в лоне механического конструирования мироздания. Основу представления Р. Декарта составило понимание и выделение им из лона человеческого телесной субстанции, которую он полагает протяжённой и делимой, а также ещё и разумной субстанции, полагаемой им не протяжённой и не делимой. Первую субстанцию он связал с материей и телом, с тем, что и стало является познаваемым, а вторую субстанцию с тем, как осуществляется само познание; с помощью чего мы его и осуществляем. Второй субстанции соответствует разум, а потому он является ничем иным, как познающим. С познающим связано то, что мы и называем методом познания. Именно под него (разум) он и подводит математику.

Оказывается, что выделенные основания не есть то, что мы понимаем под типологией. Типологию физики выявил ещё великий Аристотель и положил её в виде четырёх первоначал, которыми являются земля, огонь, вода и воздух. Представим их на следующем рисунке:

Огонь Воздух

Вода Земля Рис.3.

Именно эти четыре первоначала составили типологию греческого физюса Аристотеля. В своей физике Аристотель представил их полный анализ. Но к ней мы вернёмся несколько позже, хотя будем, конечно, иметь и её ввиду. А пока рассмотрим, как использовали декартовские основания в физической науке. Укажем, что эти основания являются количественными основаниями нашего познания материи. У Аристотеля – это не основания познания, а первоначала самой природы.

Впервые использовал количественное описание материи в лоне её движения Г. Галилей. С помощью экспериментов он выявил, что падение тел, точнее их движение, зависит от пройдённого телом расстояния и времени, которое протекает, пока тело проходит это расстояние. Так он установил, что путь, пройдённый телом, тождественен (равен) квадрату времени.

И. Кеплер и Т. Браге решали проблему описания движения космических тел. Для описания тел они использовали математику и наблюдали за движением космических тел. Т. Браге составил таблицы движения космических светил, используя которые можно было соотнести их с тем или иным видом математических кривых. Это позволило И. Кеплеру выявить законы движения космических тел путём геометризации их движения. Так впервые удалось подвести под движение материи математику. Это означало, что движение тел можно геометризовать, представив в виде той или иной геометрической линии. Но понять, как и почему движутся тела именно таким образом, через геометризацию их движения так и не удалось. Эти проблемы движения удалось решить И. Ньютону и В. Лейбницу путём введения количества движения – скорости. Количество материи, которой является масса тела, к тому времени уже была известна. Об этом говорит то, что в своей основной работе И. Ньютон приводит формулу определения массы в самом начале своей книги, на самой первой странице, “Математические основания натуральной философии”. Масса определяется как произведение плотности и объем. Материя не изменяется, а только совершает движение. Определить то, что заставляется двигаться тела стало основной проблемой, решением которой занялся И. Ньютон. Он её блестяще разрешает путём введения в физическую науку понятия силы. Сила стала источником движения тел, а также и тем, что изменяет их движение. Но вследствие того, что тела совершают движение, она имеет отношение не только к движению тела, но и к нему самому, к его массе. Поиск И. Ньютоном источника силы привёл его к идеи изучения движение Луны вокруг Земли. Движение Луны вокруг Земли связано с тем, что Земля как – то действует на Луну, заставляет её совершать такое движение вокруг Земли. Она как бы притягивает к себе Луну, не давая ей оторваться. Но это означает, что при таком рассмотрении движения Луны мы берём в качестве центра мира и самого движения Землю. Система мира, центром которой является Земля, называется птолимеевской системой мира. Оказалось, что И. Ньютон положил в основу изучения движения геоцентрическую систему мира. Н. Коперник предлагает гелиоцентрическую систему мира, центром которой является Солнце, движение космических тел в такой системе совершаются вокруг Солнца. Именно используя эту систему мира Н. Коперника, И. Кеплер выявляет законы движения планет и космических тел. Но, как оказалось, восторжествовала все – таки геоцентрическая система мира, т.к. была подкреплена законами движения тел, которые выявил и представил миру И. Ньютон. Это привело к тотальному полаганию силы и породило направления поиска её новых видов. Сила стала той субстанцией, с помощью которой можно было описать весь мир. Так родилось силовое представление о мире, а потом и сам мир стал силовым.

Если рассмотреть типологию физической науки, то в силовом представлении мы имеем дело только с землёй, только с одним элементом типологии, который к тому же ещё положен тотально. Более того, этот элемент типологии несёт в себе уже вполне определенную форму, которой является тело. Земля из греческого первоначала превращается в тело, которое становится объектом – Землёй. Вследствие этого все элементы типологии несут в себе количественные атрибуты материи и становятся объектами. Так огонь становится Солнцем, вода становится материальной водой, или жидкостью, воздух – материальным воздухом, или газом. Типология Аристотеля, несущая в себе качественное состояние мира, превратилась в количественную типологию путём тотального полагания материи в её телесной форме, представляющие собой уже материальные (телесные) объекты. Земля как конкретное тело была вынесена из лона типологии и положена как тотальность в своей телесности. Поэтому в типологии Землю заменяет понятие тела. Представим эту типологию на следующем рисунке:

Свет Газ

Жидкость Тело

Рис. 4.

Появление этих онтологических сущностей связано с тем, что метод классической механики позволял определять, как рождается движение той или иной формы материи. Это приводит к появлению понятия рода в физической науке, которое несёт в себе то, что уже родилось. Так возникли переходные формы материи, такие как теплород, электрод, водород, флогистон, световод и т.д. и т.п. Эти формы материи позволили развить учение о строении тел, а затем и учение о строении вещества. Такое представление материи привело к тому, что для их описания стали использовать законы И. Ньютона. Переход от природы к роду привёл к рождению в его лоне вида, как составляющего его разнообразия. Отметим редукцию и самого понятия природа в понятие рода. Это есть уже количественное отражение понятий целого и части, составляющих некое целое. Определяющими особенностями вида стали является признаки предмета, которые отражали чисто внешние различие, сравниваемых между собой тел или предметов, а также и самих понятий. Вследствие того, что род является тем, что уже существует, что рождено, а вид то, что является нам, но может исчезать, его стали понимать как явление. Понятие явление стало нести в себе то, что может являться. Явления также стали изучать с помощью законов классической механики. Но рождающееся отражает в себе появление объективного и телесного, а являющееся – того, что появляется и исчезает. Поэтому можно сказать, что род связан с существованием в мире материи, а явление – с тем или иным её состоянием. Потому мы говорим о материи как о теле и о материи как о состоянии.

Успехи теории И. Ньютона в объяснении движения материи привели к тому, что универсальность силового подхода в объяснении и описании её движения была перенесена и на сами тела, а также на явления природы. Так с помощью силы стали объяснять электрические и магнитные явления, а также тепловые и световые явления. Познание этих явлений осуществлялось на реальных явлениях природы, к которым относятся молния, радуга, нагревание и охлаждение тел, смена дня и ночи, приливы и отливы и т.д. Применение силового подхода к изучению и объяснению явлений привело к тому, что их стали представлять как ту или иную форму движения материи. Вследствие этого многие виды взаимодействий в рамках явлений стали сходными со Всемирным тяготением, что привело к возникновению молекулярных, электрических, магнитных, световых и других видов сил. Подведение этих сил под силу Всемирного тяготения, а точнее, простое отождествление их с ней привело к тому, что эти силы стали математически ей тождественны и неразличимы с ней. После выявления сил природы, стало возможным описание и объяснение движение тел, которое осуществляется под действием этих сил. Так сила, являющаяся общей причиной движения материи, перешла в конкретный ранг описания движения различных видов материи. Это привело к рождению динамики материи, которую порождала сила. Второй закон движения стал основой метода описания движения тел под действием той или иной силы. Первый закон отражает в себе сам факт существования движения, а также, по отношению к чему может существовать само движение. Третий закон отражает в себе статику, т.к. движение в нем снимается с помощью понятия взаимодействия, которое осуществляется телами. Он есть способ отождествление любой силы с силой Всемирного тяготения, или с силой тяжести. Эти законы привели к рождению кинематики, динамики и статики классической механики. Поэтому методы описания и объяснения материи, а также её строения, строились на основе изучения движения, вследствие чего кинематика стала способом описания движения – статика – материи, а динамика – движущейся материи.

Сила Всемирного тяготения с учётом количественных характеристик Земли превратилась в силу тяжести, которая не только упростила описание и объяснение движение тел, но стала являться ещё и динамической силой. Динамика этой силы связана с тем, что в формулу её определения стала входит характеристика не только материи – масса, и протяжённости – расстояние, но и характеристика самого движения – ускорение. Сила тяжести имеет следующий вид:

      F=mg (31)

Где: m – масса, g – ускорение свободного падения.

Ускорение свободного падения определяется через массу и радиус Земли.

Введение силы тяжести привело и к тотальному утверждению геоцентрической системы мира. А это в свою очередь означает то, что объектом нашего познания становится Земля. Все взоры учёного мира были обращены на Землю, но уже не как на космический объект, а как на объект познания.

Ускорение свободного падения и сила тяжести стали той основой, с помощью которой можно было исследовать и описать различные виды движения земной материи. Космос отделился от Земли, а его познание отделилось от физической науки и привело к тому, что из её лона отпочковывается новая наука, называемая астрономией. Типологию астрономии образовали элементы, которые мы представим на следующем рисунке:

Звезды Туманности

Галактики Планеты

Рис. 5.

Отметим, что элементы типологии астрономии очень сходны с первоначалами Аристотеля.

Применение классической механики и динамической силы, которой является сила тяжести, привело к выявлению и определению множества других видов сил, которые создают все разнообразие движения тел на Земле. Они также проявляли себя в тех или иных явлениях природы. Понимание явлений природы стало возможно потому, что внутрь лона явления природы помещалась та или иная форма движения материи, через которую осуществлялось её изучение и познание. Явление в таком представлении стало выступать как материализованная форма проявления того или иного вида движения материи. Так, например, молнию стали связывать с движением зарядов, тепло – с движением молекул, свет – с движением волн и фотонов и т.д. Оказывается, что для изучения и объяснения движения необходимо выявить его некий носитель. В классической механике им является материальная точка – “маленькое тело”, частица, которая обладает массой. Такое представление движения привело к рождению способа моделирования движения через материю.

Поясним, с чем и что лежит в основе нашего моделирования материи и движения. Основу моделирования составляет наше абстрагирование от несущественных сторон познаваемого, тогда как моделирование есть утверждение самого существенного в познаваемом. Этим существенным является утверждение его тотальности. Так если мы берём и рассматриваем движение, то абстрагируемся от материи. Абстрагирование от материи приводит к тому, что мы представляем её как модель, минимизируя тем самым познаваемое до простейших геометрических объектов. Если же мы познаем и рассматриваем материю, то абстрагируемся от движения. В этом случае мы уже моделируем движение. Моделирование движения осуществляется простыми геометрическими линиями, которые представляют собой не что иное, как “течение” минимизированной материи, которое мы воспринимаем как её простую трансляцию. В конкретном виде это есть некое пробегание точки – массы по пространству, на котором она рисует геометрическую линию, которую мы и воспринимаем как траекторию движения тела. Такое представление познаваемого является необходимостью, а не нашими субъективными импровизациями. Мы идём на это потому, что не можем понять познаваемое как тотальность, несущую в себе свою самость. Поэтому используем для его познания нечто другое. Идя на сравнение одного познаваемого с другим только для того, чтобы отличить, их друг от друга, а ещё и для того, чтобы возник сам акт познания. Можно сказать, что познание есть такое состояние, в котором мы видим различие познаваемых. Это справедливо и в случае познания некой целостности, которую мы берём в виде составляющих её элементов. Именно по отношению к целому мы определяем различие его от некого другого, а также и его неких, выделенных нами частей. Мы сделали это небольшое отступление только для того, чтобы пояснить и показать, как осуществляется наше познание. А теперь продолжим анализ типологии.

Абстрагирование от материи приводит к тому, что мы тотально утверждаем движение. Но материя при этом не уходит в область потенциальности и потаённости. Поэтому она начинает проявлять себя в движении непонятным для нас образом. Так уже в рамках классического описания и познания мы имеем дело с неопределённостью, которая наиболее ярко себя проявляет в квантовой механике. В классической механике она “прячется” за свой основной атрибут – протяжённость. В квантовой механике, превращается в модель, которая выражена в виде так называемого принципа неопределённостей.

Первая физическая теория, представленная И. Ньютоном как учение о движущейся материи, была построена на основе новой типологической единице, которой стала является тело, или в определении И. Ньютона – натура. Мир небесных и земных тел, а также явления природы, приобретают телесную, натуральную форму своего выражения. Оставшиеся три элемента типологии – огонь, вода и воздух – также принимают телесную форму, но название их остаются прежними. Их материализация осуществляется через описания и познания явлений природы. Так материализация света осуществляется с помощью электрических и магнитных явлений, материализация тепла через газ, воды – через жидкость.

Учение о свете развивается в то же самое время, в которое происходит и развитие классического подхода описания явлений природы. И. Ньютон принимает в этом самое активное участие, выдвигая идею корпускулярной природы света. Х. Гюйгенс выдвигает новую идею о волновой природы света.

Физическая наука развивается в рамках только двух представлений о мире. Эти представления связаны с существованием двух систем мира – геоцентрической и гелиоцентрической. Но ничего существенного в объяснении и понимании самой природы света не произошло. Подведение математики под свет привело к тому, что возникла возможность управления его поведением с помощью устройств, которыми стали линзы и зеркала. Их появление связано с материализацией границ тел, на которых происходит изменение его поведения. Геометризация границ и последующая их материализация привели к появлению линз и зеркал. Так возникла практическая сфера применения света, которая ознаменовала собой развитие световой техники. Сам свет стали понимать, с одной стороны, как поток частицы, а с другой – как волну. Поэтому свет стали рассматривать как волну, в его тотальном полагании. Но в силу того, что развитие получила теория И. Ньютона, наше познание самой природы света осуществлялось очень медленно. Это связано с тем, что свет “ушёл” в лоно своей потаённости, а потому его развитие стало совершенствоваться в направлении его представления как некого потока частиц, который был положен тотально по отношению к его волновой природе. Это привело к рождению учения о свете как о потоке частиц и как учении о его волновой природе. Независимость описания этих двух представлений природы света связана ещё и с тем, что под их изучения и описания был подведён различный математический аппарат.

Но, кроме этого, развивается учение о теплоте, которую стали рассматривать как тепловую форму движения материи. В лоне учения о тепле выявляются количественные величины, характеризующие тепло. Ими стали количество теплоты, температура, количество частиц, удельная теплоёмкость и т.д. Тепловая материя полагалась невесомой вследствие того, что все попытки материализации тепла так ни к чему не привели. Даже не спасло отождествление тепла с материальным носителем тела – молекулой.

Тепловая форма материи также полагается тотально и изучается независимо от других форм существования материи. Параллельно учению о тепле развивается учение об электрических и магнитных явлениях. Электрические явления изучаются на основе природного явления – молнии. Электрические и магнитные явления начинают рассматривать независимо друг от друга. Для их объяснения и описания используются методы классической механики. Но их применение очень быстро себя исчерпывают на этих видах явлений природы. Физика явлений через материализацию и моделирование совершает переход от телесной формы к вещественной форме материи. Это приводит в тому, что явления природы овеществляются, становятся “вестниками” того, что содержит в себе та или иная телесная форма. А то, что не имеет формы и не овеществляемо, назвали полем. Вещество и поле становятся видами материи, а чуть позже и формами её существования. То, что поле невидимо, также очевидно как то, что вещество является видимой формой материи. Вещество потому есть то, из чего состоит телесная форма материи. Оказывается, что поле также является составляющей, входящей в телесную форму материи, но определяя форму через пространство, мы определяем вещество через материю, которая содержится внутри этой формы. Это приводит к возникновению понятия формы и содержания уже в лоне количественного описания и познания как материи, так и самой природы.

Открытие и изучение газов, привело к тому, что идея материализации воздуха породила представление о веществе не как о том, что составляет то или иное тело, а как о том, что может переходить из одного своего состояния в некое другое состояние. То же самое происходит, имеет место и по отношению к воде, или жидкости. Все это связано с тем, что при сообщении определенного количества теплоты вещество переходит из одного состояния в другое. Это привело к рождению учения о агрегатных состояниях вещества. Вещество стало той формой, с помощью которой мы могли бы удерживать переходы тела из одного состояния в другое. Так центр познания от телесной формы материи переместился к веществу, а точнее, к его конкретному виду – газу. Но параллельно с ним все ещё развивается и углубляется учение о электрических, магнитных и световых явлениях. Создаётся математический аппарат описания электрических и магнитных явлений, а также волновая теория света. Но учение о тепле становится центральным. Именно здесь происходит открытие закона сохранение энергии и разрабатывается учение о тепловых устройствах и тепловых машинах. Возникают дифференциальные и вариационные принципы описания движения материи. Но, все ещё господствует метафизический метод познания.

Через тепло, путём выявления его способности совершать работу, удалось установить изменения, которые происходят с тем или иным состоянием тела. Так рождается учение о движении тепла – термодинамика. Установление эквивалентности тепла и работы привело к рождению закона сохранения энергии. Заметьте, что мы говорим не о явлениях, а о процессах. Тепло стало “работать”, и это составило основу конструирование устройств и машин, способных совершать работу за счёт поглощение тепла. Тепло, совершая работу приводило, в движение механические устройства и машины. Выявление и изучение механического эквивалента тепла стало основой, с помощью которой осуществляется перевод тепловой энергии в механическую энергию и механической энергии в тепловую энергию. Единичной мере тепла была поставлена в соответствие определенная мера механической энергии, выраженной количеством совершенной работы. Под механической работой стали понимать работу, которую совершает тепло над газом, который совершает её при своём расширении и сжатии. Мы здесь говорим о работе, которая определяется через произведение давления на изменение объёма. В тепловых машинах все это представлено уже в материализованном виде, которыми являются элементы и части тепловой машины. Основными элементами тепловой машины является нагреватель, рабочее тело и холодильник. В рамках учения о тепловых машинах работа и тепло отождествились, но и то только в лоне количества. Работа тепловых машин стала возможна ещё и потому, что с помощью термодинамики удалось выявить направленность тепла, которая связана с его движением от более нагретого тела к менее нагретому. В тепловых машинах рождение движения связано с тем, что материя в процессе совершения работы просто уничтожается. Механизм создания движения требует затраты, уничтожения материи. Но это присуще не только тепловым механизмам. Любой механизм является устройством, которое преобразует материю в движение, путём её уничтожения. В реальных явлениях не происходит уничтожения материи. Происходит её переход из одного состояния в другое. Обратный процесс приводит к тому, что мы приносим в жертву движение, чтобы получить материю. Уничтожая движение, мы получаем материю. Если мы не различаем виды движения, то мы не можем различить и виды материи. Именно так обстоит дело с движением и материей в физической науке и на сегодняшний день. Это имеет отношение и к физике элементарных частиц. Частицы различны, а движение, которое они совершают, одинаковы, а потому различие самих частиц связаны только с различием их масс.

В явлениях, связанных с теплом, телесной формой материи является вещество. Вещество выступает уже в конкретном виде как по отношению к материи, так и по отношению к её форме, которым является тело. Тело является веществом с точки зрения своего строения того, что в нем содержится, как форма, оно есть материя, являясь содержанием этой формы. Поэтому тело выступает как форма материи, состоящее из вещества. Вследствие чего вещество и определяют как дискретное образование, имеющее массу покоя.

Далее типологию физической науки уже образуют явления, к которым относятся электричество, магнетизм, тепло и свет. Виды этих явлений содержат в себе реальные явления природы, которые есть уже сами природные реальности. Но оказывается, что их не очень много, а потому можно представить в виде типологии, которая очень сходна с типологией Аристотеля. Типологию, указанных выше явлений, представим с помощью следующего рисунка

Свет Тепло

Магнетизм Электричество

Рис. 6.

Такое представление элементов указанной выше типологии связано с тем, что для их изучения и познания вводятся уже некие материализованные носители. Так для объяснения тепловых явлений и самого тепла вводится понятие молекулы, электрических – заряд и его конкретный носитель электрон, магнитных – движущийся заряд, световых – волны или фотоны.

Вследствие того, что явления есть определенные состояния материи, а потому и самой природы, они тотально динамичны. Для их понимания вводится статическое представление, выраженное в понятии рода. Явления в статике представляют собой формы материи. Представим их на рисунке.

Светород Теплород

Магнитород Электрород

Рис. 7.

Типологические единицы, представленные на рисунке есть некие переходные состояния и самого нашего познания. Но это есть и переход от явлений природы к её материализованным субстанциям, которыми станут позже просто материальными объектами. Это подчёркивают имена элементов типологии в которых отражено качество рождённого, а не рождающегося. В рамках рода, его существующее разнообразие выражается через понятие вида, позволяющий выявить видимые различия, которые несут в себе те или иные материальные объекты. Этими объектами являются тепло, электричество, магнетизм и свет. Позже произойдёт их минимизация и материализация, которая будет уже отражать себя через понятия молекулы, электрона, тока и фотона.