Динамика и ньютона детерминизм кратко

Обновлено: 04.07.2024

В иерархии естественных наук физика занимает первую, базовую ступень.

В середине XVII в. астрономическая революция закономерно перерастает в физическую революцию, которую успешно совершил И. Ньютон. Он создал теорию классической механики (ньютоновской механики), открыл и точно сформулировал основные законы динамики и универсальный закон всемирного тяготения.

Первый закон Ньютона: всякое тело (материальная точка или Вселенная) продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока на него не действуют другие тела. Стремление тела сохранить состояние покоя или прямолинейного равномерного движения называется инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют законом инерции. Из первого закона вытекает следствие о существовании системы отсчета, в которой наша система двигается с постоянной скоростью. Такая система называется инерциальной.

Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое телом (материальной точкой), пропорционально вызывающей его силе, обратно пропорционально массе тела (материальной точки) и направлено по направлению действия силы.

а = F/т,

где F – равнодействующая всех сил, действующих на тело, т – его масса, а – ускорение, полученное телом под действием силы F.

Согласно второму закону, любое изменение естественного состояния покоя или равномерного прямолинейного движения имеет насильственный характер.

С проявлением второго закона Ньютона мы встречаемся на каждом шагу, например, отталкивая от берега с одинаковой силой пустую и груженую лодку, мы будем наблюдать более быстрое движение первой.

Третий закон Ньютона: закон равенства действия и противодействия – действие всякого тела на другое тело порождает равное ему по величине и обратное по направлению противодействие.

F₁ = –F₂

Например, когда мы приводим в движение любой предмет, мы всегда прикладываем усилие потому, что предмет как бы отталкивает нас.

Произведение массы тела на скорость его движения называют импульсом. В общем случае закон сохранения импульса: полный импульс замкнутой системы остается постоянным во времени. Из закона следует, что нельзя вызвать движение одного тела не вызвав одновременно противоположно направленного движения другого, взаимодействующего с первым, тела. Так, если из заряженной пушки, масса которой, произведен выстрел снарядом определенной массы, то согласно третьему закону Ньютона, пушка и снаряд должны двигаться в разные стороны.

Закон всемирного тяготения: все тела, независимо от их свойств и от свойств среды, в которой они находятся, испытывают взаимное притяжение, прямо пропорциональное их массам и обратно пропорциональное квадрату расстояния между ними:

F = G•т₁•m₂/r 2 ,

где F – сила всемирного тяготения; G – гравитационная постоянная (6,67•10 –11 м 3 с 2 кг –1 ; т₁, т₂ – взаимодействующие массы; r – расстояние между ними.

Этот закон описывает не только движение тел на Земле, он справедлив и для объяснения движения тел в космосе.

Длительное формирование новой точки зрения на мир нас окружающий, приведшее к созданию гелиоцентрической системы, вместо геоцентрической, классифицируют как вторую глобальную естественнонаучную революцию в естествознании.

Весь мир по теории атомизма, включая человека, воспринимался как совокупность мельчайших неделимых частиц-атомов и сформировалось представление о материи как вещественной дискретной субстанции. Ее составные части атомы (корпускулы) представлялись мельчайшими неделимыми частицами. Движение считалось основным свойством частиц. Согласно законам механики, все тела обладают внутренним врожденным свойством двигаться равномерно и прямолинейно. Мерой этого свойства является масса.

Пространство существует и будет существовать всегда.

Время в этом пространстве существует независимо от материи, оно одномерно – течет в одном направлении от прошлого к будущему, это лишь длительность процессов.

Сама Вселенная бесконечна в пространстве и времени и неизменна со дня ее сотворения. Жизни и разуму не отводится никакой качественной особенности.

При механистической картине окружающий нас мир, вся природа в целом понималась как гигантская механическая система, функционирующая по законам классической механики, в которой все последующие состояния точно и однозначно определялись предыдущим состоянием, т.к. все механические процессы подчинялись жесткому детерминизму – закономерной, необходимой взаимосвязи, полной определенности. Случайность в этом случае целиком исключалась из явлений природы. Развитие физических знаний показало ошибочность подобной абсолютизации и ограниченность принципа детерминизма.

Сэр Исаак Ньютон и три закона детерминизма

Формула Второго закона Ньютона выглядит так: F = m ∙ a , где F – величина внешней силы, m – величина инертной массы, a – величина ускорения тела.

Если переписать эту формулу в следующем виде: a = F/ m , то становится очевидно, что чем больше инертная масса тела, тем большее внешнее усилие следует приложить, чтобы вызвать одно и то же его ускорение. Фактически инертная масса здесь выступает, как мера собственного внутреннего сопротивления тела внешнему силовому воздействию.

Следует обратить внимание на тот факт, что в этих законах довольно прозрачно подразумевается присутствие в каждом отдельном материальном теле некоего особого собственного внутреннего детерминирующего механического начала, которое демонстрирует способность к самосохранению и сопротивлению внешним механическим воздействиям. До сегодняшнего времени объяснить феномен присутствия в каждом отдельном теле такого особого внутреннего детерминирующего начала пыталась лишь телеология . В рамках материализма объяснения этому не было.

Сегодня, с появлением концепции кольцевого детерминизма , становится возможным дать этому строгое научное объяснение и обобщить этот феномен на более широкий круг явлений. Концепция кольцевого детерминизма утверждает, что в случае случайного или намеренного замыкания концов участка какой-либо причинной сети и генерации замкнутого причинного контура может получиться новое устойчивое или квазиустойчивое природное формирование с непрерывно циркулирующим внутри него специфическим внутренним детерминирующим потоком. Идея состоит в том, что наличие этого непрерывного внутреннего потока ведет к порождению нового детерминирующего начала , которое позволяет новому формированию не только утвердить себя в качестве отдельного природного фактора с набором особых собственных свойств, но и противопоставить себя остальному миру и всевозможным внешним воздействиям в вещественном, энергетическом, силовом, информационном и иных аспектах.

Инерция является примером лишь механического проявления внутреннего детерминирующего начала. В общем случае проявления этого начала могут быть весьма многообразны. Это касается сферы электромагнитных явлений, феноменов и процессов в биологии, антропологии, политике, социологии, педагогике и прочих сферах. Но во всех случаях справедлив отмеченный сэром Ньютоном набор правил, который можно обобщить в виде трех следующих законов детерминизма .

Первый закон детерминизма : при отсутствии внешних воздействий отдельное природное формирование сохраняет неизменность своего состояния либо продолжает собственное движение, функционирование, поведение, развитие под влиянием собственного внутреннего детерминирующего начала.

Второй закон детерминизма : чем сильнее (мощнее, выпуклее) представлено (развито, выражено) в отдельном природном формировании собственное внутреннее детерминирующее начало, тем большее внешнее усилие требуется к нему приложить, чтобы вызвать в нем (его движении, бытии, поведении, развитии) требуемые изменения.

Третий закон детерминизма : любое внешнее воздействие на отдельное природное формирование вызывает с его стороны соответствующий обратный ответ, противодействие, во всяком случае, до тех пор, пока оно сохраняет свою структурную и функциональную целостность. Понятно, что этот ответ организуется, осуществляется и направляется именно собственным внутренним детерминирующим началом изнутри отдельного тела.

Под отдельным природным формированием следует подразумевать самый широкий спектр окружающих нас вещей, в том числе и таких экзотических, как временные социальные коллективы, масштабные атмосферные образования, компьютерные программные продукты, психологические установки и прочее.

Итак, обобщение позитивного опыта сэра Ньютона на самые широкие области нашего бытия дает возможность повсеместно внести конструктивное упорядочивающее начало. Попутно получает необходимое развитие и общая теория детерминизма.

В основе классической механики лежит концепция Ньютона, определившая лицо естествознания вплоть до XX в. Сущность концепции Ньютона наиболее кратко и отчетливо выразил А. Эйнштейн:

Согласно ньютоновской системе физическая реальность характеризуется понятиями пространства, времени, материальной точки и силы (взаимодействия материальных точек). В ньютоновской концепции под физическими событиями следует понимать движение материальных точек в пространстве, управляемое неизменными законами. Материальная точка есть единственный способ нашего представления реальности, поскольку реальное способно к изменению.

Первый закон Ньютона: всякая материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит её изменить это состояние.

Стремление тела сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью, или инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют также законом инерции.

Для количественной формулировки второго закона динамики вводятся понятия ускорения а, массы тела m и силы F. Ускорением характеризуется быстрота изменения скорости движения тела. Масса тела – физическая величина – одна из основных характеристик материи, определяющая её инерционные (инертная масса) и гравитационные (тяжёлая или гравитационная масса) свойства. Сила – это векторная величина, мера механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате которого тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры.

Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом), пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально массе материальной точки (тела):

а = F / m

Второй закон Ньютона справедлив только в инерциальных системах отсчёта. Первый закон Ньютона можно получить из второго. Действительно, в случае равенства нулю равнодействующих сил (при отсутствии воздействия на тело со стороны других тел) ускорение также равно нулю. Однако первый закон Ньютона рассматривается как самостоятельный закон, а не как следствие второго закона, так как именно он утверждает существование инерциальных систем отсчёта.

Взаимодействие между материальными точками (телами) определяется третьим законом Ньютона: всякое действие материальных точек (тел) друг на друга носит характер взаимодействия; силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки, всегда равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей эти точки:

F12 = - F21

где F12 – сила, действующая на первую материальную точку со стороны второй;

F21 – сила, действующая на вторую материальную точку со стороны первой.

Эти силы приложены к разным материальным точкам (телам), всегда действуют парами и являются силами одной природы. Третий закон Ньютона позволяет осуществить переход от динамики отдельной материальной точки к динамике системы материальных точек, характеризующихся парным взаимодействием.

Законы Ньютона позволяют решить многие задачи механики – от простых до сложных. Спектр таких задач значительно расширился после разработки Ньютоном и его последователями нового для того времени математического аппарата – дифференциального и интегрального исчисления, весьма эффективного при решении многих динамических задач и особенно задач небесной механики.

Причинное объяснение многих физических явлений, т.е. реальное воплощение зародившегося еще в древности принципа причинности в естествознании, привело в конце XVIII – начале XIX в. к неизбежной абсолютизации классической механики. Возникло философское учение – механистический детерминизм, классическим представителем которого был Пьер Симон Лаплас (1749–1827), французский математик, физик и философ. Лапласовский детерминизм выражает идею абсолютного детерминизма – уверенность в том, что всё происходящее имеет причину в человеческом понятии и есть непознанная разумом необходимость.

Список использованных источников

2. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для студентов вузов. – 11-е изд., перераб. и доп.– М.: КНОРУС, 2012. – 670 с.

4. Френкель, Е.Н. Концепции современного естествознания : физические, химические и биологические концепции : учеб. пособие / Е.Н. Френкель. – Ростов н/Д : Феникс, 2014. – 246 с.

Физические явления в механике, электромагнетизме и теории относительности в основном подчиняются, так называемым динамическим закономерностям. Динамические законы отражают однозначные причинно-следственные связи, подчиняющиеся детерминизму Лапласа.

Динамические законы - это законы Ньютона, уравнения Максвелла, уравнения теории относительности.

Классическая механика Ньютона

Основу механики Ньютона составляют закон инерции Галилея, два закона открытые Ньютоном, и закон Всемирного тяготения, открытый также Исааком Ньютоном.

1. Согласно сформулированному Галилеем закону инерции, тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не выведет его из этого состояния.

Первый закон Ньютона: всякая материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит её изменить это состояние.

Стремление тела сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью или инерцией.Поэтому первый закон Ньютона называют также законом инерции

2. Этот закон устанавливает связь между массой тела, силой и ускорением.

Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом), пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально массе материальной точки (тела)

Второй закон справедлив только в инерциальных системах отсчета. Первый закон можно получить из второго.

3. Устанавливает связь между силой действия и силой противодействия.

Третий закон Ньютона: всякое действие материальных точек (тел) друг на друга носит характер взаимодействия; силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей эти точки.

4. В качестве IV закона выступает закон всемирного тяготения.

Два любых тела притягиваются друг к другу с силой пропорциональной массе сил и обратно пропорциональной квадрату расстояния между центрами тел.

Уравнения Максвелла - наиболее общие уравнения для электрических и магнитных полей в покоящихся средах. В учении об электромагнетизме они играют такую же роль, как законы Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле связано с порождаемым им магнитным, т. е. электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом - они образуют единое электромагнитное поле.

Из уравнений Максвелла следует, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами

(электрическими токами), либо переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных.

Уравнения теории относительности.

Специальная теория относительности, принципы которой сформулировал в 1905 г. А.Эйнштейн, представляет собой современную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и в классической ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно. Специальная теория часто называется релятивистской теорией, а специфические явления, описываемые этой теорией - релятивистским эффектом (эффект замедления времени).

В основе специальной теории относительности лежат постулаты Эйнштейна:

принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой;

принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Первый постулат, являясь обобщением механического принципа относительности Галилея на любые физические процессы, утверждает таким образом, что физические законы инвариантны

по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а уравнения, описывающие эти законы, одинаковы по форме во всех инерциальных системах отсчета. Согласно этому постулату, все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, т. е. явления механические, электродинамические, оптические и др. во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково.

Согласно второму постулату, постоянство скорости света в вакууме - фундаментальное свойство природы.

Общая теория относительности, называемая иногда теорией тяготения - результат развития специальной теории относительности. Из нее вытекает, что свойства пространства-времени в данной области определяются действующими в ней полями тяготения. При переходе к космическим масштабам геометрия пространства-времени может изменятся от одной области к другой в зависимости от концентрации масс в этих областях и их движения.

Детерминисты считают, что все происходящее в мире рассматривается как следствие действия объективных однозначных законов, а случайность является выражением непознанной необходимости. Возникло философское учение механический детерминизм, классическим представителем которого был Пьер Симон Лаплас (1749-1827) - французский математик, физик и философ. Лапласовский детерминизм выражает идею абсолютного детерминизма - уверенность в том, что всё происходящее имеет причину в человеческом понятии и есть непознанная разумом необходимость. Концепция детерминизма по Лапласу, предполагает однозначность и предопределенность будущего, это вытекает из признания жесткой причинно-следственной связи между событиями и явлениями и отрицает объективность случайности. В мире все объективно предопределено и детерминировано. Не может быть никаких "либо, либо". Будущее также однозначно, как и прошлое. Механический детерминизм объединяет в единое целое такие понятия, как "материя", "информация", "пространство" и "время". Все эти понятия должны рассматриваться как разные проявления единого нечто, которое условно может быть названо абсолютом.

1. Ввиду однозначности динамических законов природы, будущее также однозначно как и прошлое. Не существует никаких случайных событий, случайность - это непознанная необходимость.

2. Время - это средство реализации причинно-следственных связей, а так как причина всегда предшествует следствию, то течение времени всегда однозначно и однонаправлено.

3. Перемещение во времени возможно только от причины к следствию. Поэтому перемещение в прошлое из будущего возможно только в том случае, если это перемещение исключает возможность какого-либо активного вмешательства в течение прошлого.

4. Вместе с тем возможно пассивное перемещение, как в прошлое, так и в будущее, при условии только наблюдения за

происходящим и невозможности активного воздействия на него. Возможно только пассивное созерцание картин происходившего и будущего.

5. Течение времени может происходить в разных координатных системах, не совпадающих друг с другом, однако переход из одной - в другую, не может привести к нарушению причинно-временных связей и однозначности будущего.

Детерминизм- учение о причинной материальной обусловленности природных, социальных и психических явлений. Сущностью детерминизма является идея о том, что все существующее в мире возникает и уничтожается закономерно, в результате действия определенных причин.
Индетерминизм - учение, отрицающее объективную причинную обусловленность явлений природы, общества и человеческой психики.
В современной физике идея детерминизма выражается в признании существования объективных физических закономерностей и находит свое более полное и общее отражение в фундаментальных физических теориях.
Фундаментальные физические теории (законы) представляют собой совокупность наиболее существенных знаний о физических закономерностях. Эти знания не являются исчерпывающими, но на сегодняшний день они наиболее полно отражают физические процессы в природе. В свою очередь, на основе тех или иных фундаментальных теорий формулируются частные физические законы типа закона Архимеда, закона Ома, закона электромагнитной индукции и т.д.
Ученые-науковеды едины во мнении, что основу любой физической теории составляют три главных элемента:
1) совокупность физических величин, с помощью которых описываются объекты данной теории (например, в механике Ньютона - координаты, импульсы, энергия, силы); 2) понятие состояния; 3) уравнения движения, то есть уравнения, описывающие эволюцию состояния рассматриваемой системы.
Кроме того, для решения проблемы причинности важное значение имеет подразделение физических законов и теорий на динамические и статистические (вероятностные).

1й Закон Ньютона: Всякая материальная точка сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие сл стороны других тел не заставит изменить это состояние.

2й закон Ньютона: Ускорение, приобретаемое материальной точкой, пропорционально вызвавшей его силе и обратно пропорционально массе материальной точки.

3й закон Ньютона: Всякое действие материальных точек друг на друга носит характер взаимодействия; сила, с которой действуют друг на друга материальные объекты всегда равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей эти точки.

Динамический закон - это физический закон, отображающий объективную закономерность в форме связи физических величин, выражаемых количественно. Динамической теорией является физическая теория, представляющая совокупность динамических законов. Исторически первой и наиболее простой теорией такого рода явилась классическая механика Ньютона. Она описывала механическое движение, то есть перемещения в пространстве с течением времени любых тел или частей тел относительно друг друга.

Законы механики, сформулированные Ньютоном, относятся к физическому телу, размерами которого можно пренебречь, материальной точке.

В современной физике под классической механикой понимают механику материальной точки или системы материальных точек и механику абсолютно твердого тела.

Для расчета движения должна быть известна зависимость взаимодействия между частицами от их координат и от скоростей. Тогда по заданным значениям координат и импульсов всех частиц системы в начальный момент времени второй закон Ньютона позволяет однозначно определить координаты и импульсы в любой последующий момент времени. Это позволяет утверждать, что координаты и импульсы частиц системы полностью определяют ее состояние в механике. Любая механическая величина (энергия, момент импульса и т.д.), выражается через координаты и импульс. Таким образом, определяются все три элемента фундаментальной теории, какой является классическая механика.

Электродинамика Максвелла. Здесь объектом исследования является электромагнитное поле. Тогда уравнения Максвелла представляют собой уравнения движения для электромагнитной формы материи. При этом структура электродинамики повторяет структуру механики Ньютона. Уравнения Максвелла позволяют по заданным начальным значениям электрического и магнитного полей внутри некоторого объема определить электромагнитное поле в любой последующий момент времени.

Другие фундаментальные теории динамического характера имеют ту же структуру, что и механика Ньютона, и электродинамика Максвелла. К их числу относятся: механика сплошных сред, термодинамика и общая теория относительности (теория гравитации).

Метафизическая философия считала, что все объективные физические закономерности (и не только физические) имеют точно такой же характер, что и динамические законы.

Абсолютизация динамических закономерностей и, следовательно, механического детерминизма, обычно связывается с П.Лапласом.

Необходимость отказа от классического детерминизма в физике стала очевидной после того, как выяснилось, что динамические законы не универсальны и не единственны и что более глубокими законами природы являются не динамические, а статистические законы, открытые во второй половине XIX века, особенно после того, как выяснился статистический характер законов микромира.

Начальные параметры любых механических систем невозможно фиксировать с абсолютной точностью, поэтому точность предсказания физических величин со временем уменьшается. Для каждой механической системы существует некоторое критическое время, начиная с которого невозможно точно предсказать ее поведение.

Лапласовский детерминизм с определенной степенью идеализации отражает реальное движение тел и в этом отношении его нельзя считать ложным. Но абсолютизация его как совершенно точного отображения действительности недопустима.

Читайте также: