Динамика 17 века в лице Галилея объявила сопротивление среды несущественной стороной своих законов. Следует отметить, что кроме принципов динамики, Галилей высказывал мысли и о динамическом обосновании статики, приходя к принципу рычага: «…Если две силы действуют на различные по длине плечи рычага первого рода, то в случае нарушения равновесия плечи рычага известным образом переместятся…». Продолжая анализ условий равновесия, Галилей рассматривает отношение между силой и перемещением для равновесия на наклонной плоскости, что позволяет ему фактически установить консервативный характер поля тяготения.
Таким образом, картина мира, нарисованная Г. Галилеем, была единой, охватывающей все мироздание картиной инерционных движений. В своем дальнейшем развитии теперь наука должна была показать космические ускорения и найти их причины. «Беседы и математические доказательства…» содержали некоторые необходимые для этого понятия земной механики, но Галилей не перенес их в космос. Его естественнонаучные идеи были далеко еще не слившимися элементами нового, более точного и конкретного представления о мире. Ближайшие поступательные шаги науки должны были объединить их с теорией ускоренного движения, и прежде всего, с теорией падения тяжелых тел, которая частично была изложена в «Беседах…». Для этого требовалось более точное определение скорости, представление о сохранении не только абсолютной скорости, но и направления инерционного движения.
Г. Галилей заложил лишь первые камни в фундамент нового здания, над возведением которого предстояло трудиться ещё многим поколениям учёных. Такая ситуация в общем не является исключительной - при анализе последующих этапов развития физического знания мы вновь сможем убедиться в том, что научные теории рождаются как результат исторического процесса деятельности многих учёных, входящих в сменяющие друг друга научные сообщества.
Таким образом, можно сделать вывод, что именно на стыке двух направлений - физического эксперимента и математического описания физических явлений - родилась классическая механика, а вместе с ней и был заложен фундамент механической картины мира. Её становление и последующее развитие, естественно, зависело от активности действий в обоих указанных направлениях.
Математическое направление в дальнейшем начало активно развиваться выдающимся французским философом, математиком, физиком Р. Декартом (1596 - 1650 г.г.). Он заложил основы аналитической геометрии, применил её аппарат к описанию перемещений тел. Декарт разработал понятия переменной величины и функции; это позволило выдвинуть на передний план выявление законов движения и изменения, установление закономерных связей между элементами движущихся объектов. Именно на этом пути были впоследствии открыты уравнения движения. Р. Декарт поправил и дополнил Галилея, сформулировав два исходных закона движения:"… однажды пришедшие в движение тела продолжают двигаться, пока это движение не задержится какими-либо встречными телами…", при этом "… каждая частица материи в отдельности стремится продолжать дальнейшее движение не по кривой, а исключительно по прямой". Соединённые вместе эти два положения позже (у И. Ньютона) приняли форму первого закона механики. Таким образом, определилась задача теоретического исследования: объяснить причины изменения основного состояния движения (т.е. причины изменения направления или величины скорости движения).
В физике Декарта нет места силам, действующим на расстоянии, через пустоту. Все явления мира сводятся к движениям и взаимодействиям соприкасающихся частиц: «… в мире нет ничего, кроме движущейся материи различного вида. Материя состоит из элементарных частиц, локальное взаимодействие которых и производит все природные явления…». Такое физическое воззрение получило название картезианского. Взаимодействие материальных частиц подчиняется у Декарта основным законам и правилам:
«1. Первое начало заключается в следующем: каждая частица материи в отдельности продолжает находиться в одном и том же состоянии до тех пор, пока столкновение с другими частицами не вынуждает ее изменить это состояние.
. В качестве второго правила я предполагаю следующее: если одно тело сталкивается с другим, оно не может сообщить ему никакого другого движения, кроме того, которое потеряет во время этого столкновения, как и не может отнять у него больше, чем одновременно приобрести.
. В виде третьего правила я прибавлю, что хотя при движении тела его путь чаще всего представляется в форме кривой линии и что хотя невозможно произвести ни одного движения, которое не было бы в каком-либо виде круговым, тем не менее, каждая из частиц тела по отдельности всегда стремиться продолжать его по прямой линии.
Картезианское воззрение сыграло огромную роль в эволюции физики, оно сохранилось и до нашего времени, хотя и видоизменяясь. Попытки построить единую теорию поля и вещества, например, некоторым образом повторяют попытки Декарта построить физическую картину мира с непрерывной материей.
Следует отметить, что в это же время значительных успехов добивается и экспериментальная физика. Это и исследование законов статики голландским ученым, инженером и математиком С. Стевином (1548 - 1620 г.г.), это и открытие атмосферного давления учеником Г. Галилея Э. Торричелли (1608 - 1647 г.г.), это и измерение атмосферного давления на различных высотах, произведенное французским физиком, философом и математиком Б. Паскалем (1623 - 1662 г.г.), это и превосходные микроскопы голландца Антонии ванн Левенгука (1632 - 1723 г.г.).
Таким образом, можно говорить о происшедшей в 17 веке научной революции, в результате которой возникла классическая физика с общими формами и методами познания, которые составляют основу и современной классической науки.
Решающий вклад в становление механической картины мира внёс великий английский ученый И. Ньютон (1642 - 1727 г.г.). Именно в ньютоновской научной программе фундаментальная роль была отведена эксперименту. Он ввёл понятие силы как причины изменения состояния движения, т.е. причины, вызывающей изменение скорости движения по величине или по направлению (или одновременно по величине и направлению).
В механике И. Ньютона источниками и точками приложения сил являются материальные точки. Представление о материальной точке также введено И. Ньютоном. Он сформулировал также понятие основного закона механики и систему из трёх основных законов, названных его именем (Галилей и Декарт лишь приблизились к их формулировке). Выдающейся заслугой И. Ньютона явилось установление конкретного вида закона, определяющего величину действующей силы для случая гравитационного взаимодействия - закона всемирного тяготения. Ньютону принадлежит также открытие, имеющее принципиальное методологическое значение - законы движения существенно связаны с законами сохранения. Фундаментальный труд И. Ньютона "Математические начала натуральной философии" является своеобразной энциклопедией физической (механической) картины мира. Кроме уже обсуждённых законов этот труд содержал и рассуждения об исчислении бесконечно малых величин, а вместе с Лейбницем Ньютон делит славу создателя интегрального и дифференциального исчисления.
Механика И. Ньютона - своеобразный узел, в котором сошлись нити из прошлых веков и из которого берут начало нити, протянувшиеся в будущие века. С одной стороны, он сделал решающий, можно сказать завершающий, шаг на пути становления классической механики. До Ньютона механика ещё только создавалась, после Ньютона - она уже существует. С другой стороны, Ньютон предопределил дальнейшее бурное развитие физической науки вообще и механики в частности. Особую стройность ньютоновская механика приобретает в трудах Эйлера и Лагранжа. Кроме этого, следует подчеркнуть, что И. Ньютон был последовательным сторонником атомизма, поэтому не случайно атомизм становится основным течением в вопросах строения вещества (Гюйгенс, Ломоносов, Бойль).
Формирование механической картины мира потребовало нескольких столетий, практически оно завершилось лишь к середине 19 века. Эту картину надо рассматривать как важную ступень в познании человеком окружающего мира. Каким же представлялся этот мир? Все тела - твёрдые, жидкие, газообразные - состоят из атомов и молекул, находящихся в никогда не прекращающемся тепловом движении. Взаимодействие тел происходит как при их непосредственном контакте (силы упругости, трения), так и на расстоянии (силы тяготения). Всё пространство заполняет всепроникающий эфир. Атомы воспринимаются как некие цельные, неделимые "кирпичики" вещества, сцепляясь друг с другом, они образуют молекулы и, в конечном счёте, все тела. Природа такого сцепления не исследуется, предполагается чисто механическое сцепление. Существуют разнообразные модели эфира: абсолютно несжимаемый, твёрдый, состоящий из "шестерёнок" и т.д.
Обычно историки выделяют 4 принципиальных момента в характеристике механической картины мира:
1. Мир в этой картине имеет прочный фундамент - это законы механики Ньютона. Все наблюдаемые в природе превращения, в том числе и тепловые явления, сводились к механике атомов и молекул - их перемещениям, столкновениям, сцеплениям, разъединениям. После открытия закона сохранения и превращения энергии, все виды энергии стали сводиться к энергии механического движения. Мир представлялся гигантской машиной, построенной и функционирующей по законам механики.
2. Механическая картина исходила из представления, что микромир аналогичен макромиру. Как движутся и сталкиваются микротела, точно также движутся и сталкиваются атомы. Считалось, что как живая, так и неживая материя сконструирована из одних и тех же деталей, различающихся размерами. Характерная для механического мировоззрения привычка видеть в малом то же, что имеется в большом, но лишь в меньших размерах, порождала представления о мире, похожем на вставленные одна в другую матрёшек.
. В механической картине отсутствует развитие - мир в целом такой, каким он был всегда. Все наблюдаемые явления и превращения не более чем механические перемещения и столкновения атомов, то есть всё происходящее - исправное функционирование природного механизма. Таким образом, механическая картина мира фактически отвергала качественные изменения, сводя всё к изменениям чисто количественным. В этом виделся залог незыблемости природы.
. В механической картине все причинно-следственные связи являлись однозначными (лапласовский детерминизм). Полагали, что возникновение вероятности того или иного хода процесса связана не с закономерностями материи, а с нашим незнанием такого сложного механизма как природа в целом в отдельных его деталях. Говоря об одинаковом характере движения молекул воздуха и тел на земной поверхности, Лаплас отмечал:"… между ними лишь та разница, что налагается нашим неведением…"
Таковы основные черты механической картины мира, господствовавшей в естествознании практически до середины 19 века. По самой своей сути эта картина являлась метафизической. В ней отсутствовали внутренние противоречия, то есть было невозможно качественное изменение, всё происходящее в мире представлялось жёстко предопределённым, всё многообразие процессов и явлений сводилось к механике.
Кризис механической картины мира
Первоначально основные представления классической механики, а вместе с ними исходные образы механической картины мира развивались, оттачивались и демонстрировали свои успехи прежде всего в области небесной механики. Вообще основное понятие механической картины мира - материальная точка, перемещающаяся в пространстве - возникло в силу ассоциации со зрительными образами небесных тел как ярких светящихся точек на фоне темноты космического пространства. В то же время важная мировоззренческая идея единства небесного и земного, которая неоднократно встречается в трудах Г. Галилея и И. Ньютона, все в большей мере побуждает применять фундаментальные образы механической картины мира ко всей совокупности явлений, окружающих человека.
В 19 веке новый, принципиально важный этап в развитии механической картины мира оказался связанным с применением ее основных представлений к созданию теории, объясняющей свойства газов, а затем жидкостей и твердых тел. Возникновению этой теории предшествовал довольно длительный период накопления эмпирических знаний о свойствах вещества, в частности газов. О закономерностях рождения нового знания, как результата коллективных усилий большого числа ученых разных поколений, как процесса последовательного приближения к истине, наглядно свидетельствуют основные этапы развития знаний о свойствах газов.
В 1643 году ученик Галилея Э. Торричелли обнаружил, что ртуть в запаянной сверху стеклянной трубке, опущенной открытым концом в сосуд со ртутью, устанавливается на высоте примерно 76 сантиметров. Он смог дать правильное истолкование этому явлению - давление воздуха уравновешивается весом столбика ртути. В результате этого открытия наука получила в свое распоряжение прибор для измерения давления газа. Почти через 20 лет Р. Бойль установил, что при уменьшении объема газа в замкнутом сосуде давление возрастает, при увеличении объема - соответственно уменьшается, так что произведение давления на объем остается величиной постоянной для данной массы газа. Через 14 лет Э. Мариотт повторил и подтвердил результаты этих опытов. В 1787 году Ж, Шарль экспериментально доказал, что в замкнутом сосуде с изменением температуры на один градус давление газа изменяется по линейному закону. Через 14 лет Ж. Гей-Люссак определил также опытным путем, что объем данной массы газа меняется линейно с изменением температуры при постоянном давлении. Через 5 лет он убедился и в наличии обратной зависимости.
Таким образом, усилиями нескольких поколений ученых более чем за полтора столетия была установлена целая серия эмпирических законов, отражающих зависимости между параметрами, характеризующими состояние газа в замкнутом сосуде. В ходе этих экспериментальных исследований перед учеными вырисовалась целая область своеобразных явлений, в которой центральную роль играли такие понятия, как «температура», «давление», «объем». К ним добавилось важное понятие «работа» (например, нагревание газа в сосуде с подвижным поршнем давало возможность перемещать грузы). Чтобы перейти от экспериментальных фактов к теории, описывающей поведение газов, необходимо было использовать либо теоретические представления механики, либо найти какие-то другие фундаментальные образы. Но это уже означало бы поиски и новой картины мира, в отличие от механической.
Непосредственной предпосылкой перехода к теоретическим обобщениям явилось техническое применение свойств газов. Появились первые тепловые и паровые машины. Для описания перехода тепла во всех тепловых процессах использовалась так называемая вещественная теория, или теория «теплорода». Согласно этой теории, тепло переходит от одного тел к другому, сохраняя свое общее количество, подобно жидкости, перетекающей из одного сосуда в другой. В 1824 году, примерно через 40 лет после появления усовершенствованной тепловой машины Уатта, французский инженер С. Карно анализирует связь между термодинамическими параметрами и производимой газом работой. В результате этих исследований возникает образ идеальной тепловой машины и возникает новая теоретическая наука - термодинамика.
Если в начале 19 века только что родившаяся термодинамика выступала как механическая теория теплоты, то на склоне века она представляла собой весьма общую теорию, выходящую за рамки собственно тепловых явлений, приложимую ко всем физическим и химическим процессам, происходящим в веществе, в различных системах. Важным достижением на пути этого процесса интеграции знаний стало открытие фундаментального закона природы - закона сохранения и превращения энергии.
Открытие закона сохранения и превращения энергии обычно связывают с именами Р. Майера, Д. Джоуля, Г. Гельмгольца. Причем, интересно, что никто из них не был профессиональным физиком. Майер и Гельмгольц - по образованию врачи; Джоуль - инженер, в прошлом пивовар. Поэтому к открытию они шли совершенно разными путями. Вообще термин «энергия» был введен Т. Юнгом еще в 1807 году, но прижился не сразу: под энергией Юнг понимал произведение массы тела на квадрат его скорости. Уже в конце 18 века, можно сказать, был вынесен приговор «теплороду», когда Б. Румфорд продемонстрировал закипание воды в сосуде, где производилось сверление канала в металлическом цилиндре. В этом опыте наблюдалось нагревание вследствие трения: работа превращалась в теплоту. Однако, идея теплорода смогла просуществовать еще несколько десятилетий. Даже один из основателей термодинамики С. Карно пользовался представлением о теплороде, а вместо энергии использовал термин «движущая сила». Им высказано положение об этой движущей силе: «…движущая сила существует в природе в неизменном количестве, она никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, то вызывает то один род движения, то другой…»