Морозова Елена Германовна , кандидат химических наук Введение в естествознание (учебное пособие) Рецензент: кандидат геолого-минералогических наук, священник Константин Буфеев Учебное пособие представ

Эту неподвиж­ную форму энергии называют потенциальной энергией, как бы подчеркивая, что эта энергия потенциально может пе­рейти в энергию движения. Самый простой способ запасти такую энергию — это поднять груз на высоту. Когда груз падает, запасенная потенциальная энергия превращается в кинетическую. И наоборот, когда, например, мы испытыва­ем усталось, поднимаясь на высокую горку, или же по сту­пенькам на верхний этаж здания, связано это с тем, что мы постоянно совершаем работу по увеличению потенциальной энергии своего тела, поднимая его на соответствующую высоту.

Таким образом, работа может быть определена как мера изменения энергии. В случае механического дви­жения передача энергии происходит в форме работы в про­цессе взаимодействия тел. Закон сохранения энергии при­менительно к механическом процессам звучит следующим образом: полная энергия замкнутой консервативной систе­мы тел, равная сумме их потенциальной и кинетической энер­гии, остается величиной постоянной.

То есть всякое измене­ние потенциальной и кинетической энергии есть превраще­ние потенциальной энергии в кинетическую, а кинетической в потенциальную. Всякий физический закон имеет границы примени­мости. Это, в первую очередь, относится к закону сохране­ния механической энергии. Первое важное ограничение это­го закона состоит в требовании изолированности системы рассматриваемых тел от внешних воздействий. Такую сис­тему мы называем замкнутой.

Второе ограничение связа­но с тем, что не всегда работа однозначно определяется из­менением потенциальной энергии тела при перемещении его из одной точки поля в другую. Однозначное определение ра­боты как меры изменения потенциальной энергии имеет место лишь для потенциальных полей. Примерами таких полей могут служить гравитационное поле или электроста­тическое.

Потенциальными считаются поля, работа сил ко­торых не зависит от траектории движения тела в поле. Со­ответственно силы этих полей называют консервативными. В случае, если работа сил зависит от формы пути, или силы зависят от скорости движения, механическая энергия сис­темы не сохраняется. К сожалению, силы трения, которые не являются консервативными, присуствуют во всех случа­ях.

Следовательно, закон сохранения механической энергии имеет смысл лишь применительно к идеализированным си­туациям. Майер распространил закон сохранения механичес­кой энергии как на «мертвую» (включающую физические и химические процессы), так и на «живую» природу. Широкая формулировка закона Гельмгольцем позволяла выйти за рамки механики и придать впоследствии закону сохранения уни­версальный характер.

Ограниченность представлений о материи в рамках механических моделей Механистические взгляды на материальный мир господ­ствовали в естествознании не только в XVII и XVIII вв., но и в течение почти всего XIX в. В целом природа понима­лась как гигантская механическая система, функционирую­щая по законам классической механики. Считалось, что в силу неумолимой необходимости, действующей в природе, судьба даже отдельной материальной частицы заранее пред­решена на все времена.

Ученые-естествоиспытатели виде­ли в классической механике прочную и окончательную ос­нову естествознания. В предисловии к своему знаменитому труду «Математические начала натуральной философии» И. Ньютон высказал следующую установку на будущее: «Было бы желательно вывести из начал механики и осталь­ные явления природы, ...ибо многое заставляет меня пред­полагать, что все эти явления обуславливаются некоторыми силами, с которыми частицы тел вследствие причин, пока неизвестных, или стремятся друг к другу и сцепляются в правильные фигуры, или же взаимно отталкиваются и уда­ляются друг от друга.

Так как эти силы неизвестны, то до сих пор попытки философов объяснить явления природы ос­тавались бесплодными. Я надеюсь, однако, что или благо­даря этому способу рассуждения, или другому, более пра­вильному, изложенные здесь основания доставят некоторое освещение» [11]. Многие естествоиспытатели вслед за Нью­тоном старались объяснить исходя из начал механики са­мые различные явления природы.

При этом они распростра­няли законы, установленные для механической сферы явле­ний, на все процессы окружающего мира. В торжестве законов Ньютона, считавшихся всеобщими и уникальными, черпали веру в успех ученые, работавшие в астрономии, физике, химии. Длительное время теории, объяснявшие за­кономерности соединения химических элементов, опирались на идею тяготения между атомами.

Существенной харак­теристикой ньютоновского мира было трехмерное простран­ство евклидовой геометрии, которое абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время представлялось как вели­чина, не зависящая ни от пространства, ни от материи. Дви­жение рассматривалось как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами ме­ханики.

Считалось, что все физические процессы можно све­сти к перемещению материальных точек под действием силы тяготения, которая является дальнодействующей. Итогом ньютоновской картины мира явился образ вселенной как ги­гантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий. Отсюда и вера в то, что теоретически можно точно реконструировать любую прошлую ситуацию во вселенной или предсказать будущее с абсолютной опре­деленностью.

Механистический подход к описанию приро­ды оказался необычайно плодотворным. Вслед за ньюто­новской механикой были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других, в русле которых физи­ка достигла огромных успехов. Однако, в конце XVIII - начале XIX вв. появились эле­менты абсолютизации классической механики.

Возникло фи­лософское учение — механистический детерминизм, клас­сическим представителем которого был Пьер Симон Лаплас (1749-1827), французский математик, физик и философ. Лап­лас был убежден, что к закону всемирного тяготения сво­дятся все явления, известные ученым. Исходя из этого, он работал над созданием, — в дополнение к механике небес­ной, созданной Ньютоном, — новой, молекулярной механи­ки, которая, по его мнению, была призвана объяснить хими­ческие реакции, капиллярные явления, феномен кристалли­зации, а также то, почему вещество может быть твердым, жидким или газообразным.

Лаплас видел причины всего это­го во взаимном притяжении между молекулами, которое счи­тал он, есть только «видоизменение всемирного тяготения». Лапласовскии детерминизм выражает идею абсолютного детерминизма — уверенность в том, что все происходящее имеет причину в человеческом понятии и есть непознанная разумом необходимость. Суть его можно понять из выска­зывания Лапласа: «Современные события имеют с событи­ями предшествующими связь, основанную на очевидном принципе, что никакой предмет не может начать быть без причины, которая его произвела...

Воля, сколь угодно сво­бодная, не может без определенного мотива породить дей­ствия, даже такие, которые считаются нейтральными... Мы должны рассматривать современное состояние вселенной как результат ее предшествующего состояния и причину пос­ледующего. Разум, который для какого-нибудь данного мо­мента знал бы все силы, действующие в природе и относи­тельное расположение ее составных частей, если бы он, кро­ме того, был достаточно обширен, чтобы подвергнуть эти данные анализу, обнял бы в единой формуле движения са­мых огромных тел во вселенной и самого легкого атома; для него не было бы ничего неясного, и будущее, как и про­шлое, было бы у него перед глазами...

Кривая, описываемая молекулой воздуха или пара, управляется столь же строго и определенно, как и планетные орбиты: между ними лишь та разница, что налагается нашим неведением». С этими сло­вами перекликается убеждение А. Пуанкаре: «Наука детерминистична, она является таковой a priori (изначально), она постулирует детерминизм, так как она без него не могла бы существовать.

Она является таковой и a posteriori (из опы­та); если она постулировала его с самого начала как необхо­димое условие своего существования, то она затем строго доказывает его своим существованием, и каждая из ее по­бед является победой детерминизма». Дальнейшее разви­тие физики показало, что в природе могут происходить процессы, причину которых трудно определить.