Философский смысл законов сохранения механики

.

Это означает, что полная масса m частицы состоит из , т. е. массы покоя, и некоей малой добавки, связанной с движением частицы. Во всех процессах, происходящих с сохранением числа свободных частиц, меняется лишь малый второй член. Это дало повод академику В. А. Фоку ввести понятие "пассивной" (m₀) и "активной" ^m₀^v2/(2c²) масс. Однако он сразу подчеркивает, что это разделение условно, носит относительный характер, так как при одних процессах то ведет себя пассивно, но при других процессах, скажем, внутриядерного характера, она ведет себя так активно, что определяет собой весь процесс. Однако, подобная классификация массы не раскрывает сущности физического процесса и не является вполне корректной с философской точки зрения. Ведь изменения массы с необходимостью осуществляются при возникновении соответствующих условий. Несомненно, что масса покоя и масса движения тела физически различны. Можно предположить, что масса покоя характеризует не только связи между телами, находящимися в относительном покое, но и внутренние связи частиц, определяет его внутреннее состояние. Масса же движения определяет наряду с внутренними связями частицы и ее внешние связи, характеризующие ее новое физическое состояние, т. е. движение.

Масса является одним из решающих критериев устойчивости атомных  ядер: они являются устойчивыми, если разность между массовым числом и  зарядом ядра не выходит за узкие  границы. Устойчивость ядра характеризует  энергию связи нуклонов (ядерных  частиц - протонов и нейтронов) в  ядре. Энергия связи определяется тем, насколько отлична масса  ядра от суммы масс изолированных  нуклонов до их соединения в ядро. Следует  также указать на то, что если кванты поля, обмен которыми обеспечивает соответствующие взаимодействия, обладают массой покоя, то радиус действия сил  конечен, в случае же обмена частиц с m₀ = 0 радиус действия сил = ∞.

Из этого следует еще одно качественное различие между частицами, обладающими m₀, и частицами (фотоны и нейтрино), масса покоя которых равна нулю. О массе покоя нейтрино мы уже писали.

Все это свидетельствует о том, что масса - не случайный, малосущественный признак природных материальных объектов, а одно из их фундаментальных  свойств, связанное с существенными  особенностями их движения и относительной  устойчивостью. Современная физика пришла к выводу, что массы различных  физических объектов качественно различны; она стремится понять физическую природу массы на основе раскрытия сущности связи вещественных объектов с окружающими их полями.

2. Закон сохранения и превращения энергии как одна из форм выражения неуничтожимости движения

Очень важным для теории и практики, для материалистического мировоззрения  является закон сохранения и превращения  энергии. Этот закон занимает особое место среди законов сохранения, потому что энергия является одной  из важнейших характеристик движения. Сама история его открытия, применения и дальнейшего развития своеобразна  и поучительна.

Тысячи людей на протяжении веков  пытались создать так называемый perpetuum mobile - вечный двигатель, который давал бы возможность получать движение "из ничего". Но все их попытки были тщетны. Опыт привел к выводу о невозможности создания такого "вечного двигателя". На этой стадии своего познания закон сохранения и превращения энергии выступал в отрицательной форме.

Пользуясь этим принципом, Стевин выводит условия равновесия в механике. Количественная формулировка закона становится возможной лишь после работ Галилея, Кеплера и Гюйгенса. Из открытых ими правил движения падающих тел, планет, маятника можно было получить "закон сохранения силы". В 1668 г. Гюйгенс впервые указал, что произведение веса на квадрат его скорости сохраняет неизменную величину при столкновении двух тел. Затем Ньютон в своем трактате "Математические начала натуральной философии" (1687) впервые четко определил понятия массы, веса, силы, сформулировал основные законы механического движения и ввел во втором законе движения "величину движения"- mv² (вместо pv², которую предлагал Гюйгенс).

Даниил Бернулли в "Гидродинамике" принимает за "главный принцип" сохранение живых сил, или равенство  между ""действительным опусканием и возможным поднятием". В то же время Рене Декарт вводит иную характеристику движения - произведение массы на скорость, называет ее количеством движения и  провозглашает философский принцип, гласящий, что количество имеющегося в мире движения остается всегда одним  и тем же.

Великий русский ученый М. В. Ломоносов  в 1748 г. высказал в весьма общей форме  идею сохранения материи и движения. В письме к Л. Эйлеру он писал: "Все  изменения, совершающиеся в природе, происходят таким образом, что сколько к чему прибавилось, столько же отнимется от другого. Так, сколько к одному телу прибавится вещества, столько же отнимется от другого, сколько часов я употреблю на сон, столько же отнимаю от бдения и т. д. Этот закон природы является настолько всеобщим, что простирается и на правила движения: тело, возбуждающее толчком к движению другое, столько же теряет своего движения, сколько отдает от себя этого движения другому телу". Пользуясь этим законом сохранения, Ломоносов первым высказывает идеи, положенные им в основу кинетической теории теплоты. Однако механистичность господствовавшего в то время мировоззрения ограничивала дальнейшее развитие этой плодотворной идеи.

Несмотря на великое значение высказанной  Ломоносовым идеи сохранения материи  и движения, нам кажется неправильным поднимать его гениальную догадку  на уровень диалектико-материалистического  обобщения в вопросе о сохранении материи и движения. Можно согласиться  с утверждением академика С. И. Вавилова, что "Ломоносов на век вперед как бы взял в общие скобки все виды сохранения свойств материи. Глубочайшее содержание великого начала природы, усмотренного Ломоносовым, раскрывалось постепенно и продолжает раскрываться в прогрессивном историческом процессе развития науки о природе". Однако нет достаточных оснований утверждать, что принцип сохранения, выдвинутый Ломоносовым, простирается на материю, определение которой как философской категории впервые дал В. И. Ленин. Ломоносов использует скорее качественную сторону этого закона, поскольку как мера движения у него фигурирует в основном декартово количество движения. Все это свидетельствует о том, что высказанные им соображения о сохранении движения являются скорее гениальной догадкой, нежели открытием основного закона природы.

Вплоть до середины XIX в. большинство  высказываний о неуничтожимости движения относится, по существу, к его механической форме и "закон сохранения силы" формулируется в применении к механическим явлениям. В то же время к середине XIX в. был накоплен большой опыт промышленного развития. Изобретение паровой машины революционизировало все производство. Интенсивно изучались электрические и магнитные явления. Это не могло не привести к революционному скачку и в науке. Таким истинно величайшим открытием было открытие закона сохранения энергии.

Честь открытия закона сохранения и  превращения энергии принадлежит  ряду ученых, и среди них прежде всего Майеру, Джоулю и Гельмгольцу, которые пришли к этому открытию независимо друг от друга.

Р. Майер выводит закон сохранения и превращения "силы" из опытных  наблюдений и с помощью рассуждений  о причинной связи явлений. У  него отчетливо выражена мысль о  возможности превращения механического  движения в тепло, причем количество его считается пропорциональным исчезнувшему движению. "Причина  равна действию" - вот основной постулат Майера. Сохранение силы прямо вытекает из неразрушимости причины. Силы могут проявляться в различных формах - теплоты, "химической резкости", органических процессов, и каждая из них может превратиться в любую другую в строгом количественном отношении. Таким образом, заслуга Майера состоит не только в открытии превращения сил, но и в идее механического эквивалента тепла и в вычислении его.

У него раздельно существуют закон  сохранения массы и закон сохранения силы; "если причиной является вещество, то в качестве действия получается также таковое же, если причиной является некоторая сила, то в качестве действия будет также некоторая  сила".

Майер первый четко различил "физическую силу"- энергию и "математическую силу"- силу в современном смысле. Он сознавал фундаментальный характер понятия энергии ("сила") по сравнению  с понятием силы ("свойства"). Из фактов "неорганического образования тепла при затрате механической работы" следует, что "не существует никаких нематериальных материй вроде теплорода, флогистона... мы хотим вместе с невесомыми жидкостями,- писал Р. Майер,- изгнать из учения о природе все, что осталось от богов Греции, однако мы знаем также, что природа в ее простой истине является более великой и прекрасной, чем любое создание человеческих рук, чем все иллюзии современного духа". Майер уже заметил разницу между кинетической и потенциальной энергией.

Работы Джоуля носили по преимуществу экспериментальный характер. В 1843 г. он писал, что из его опытов по определению количества теплоты, выделяющегося в цепи электрического генератора, "вытекал совершенно ясный вывод, что теплота и механическая сила обратимы одна в другую, и, следовательно, столь очевидно, что теплота является либо живой силой, либо некоторым состоянием притяжения или отталкивания, способным порождать живую силу". Далее последовали опыты по нагреванию различных жидкостей трением, по изменению температуры газа при разрежении и сжатии.

В конце июля 1847 г. в Берлине с  докладом "О сохранении силы" выступил Гельмгольц. Основываясь на принципе невозможности perpetuum mobile, он доказывает сохранение всех "сил", а отсюда делает вывод о том, что все силы сводятся к центральным силам притяжения и отталкивания. Рассматривая переход (механический) системы взаимодействующих тел из одного состояния в другое, он показывает, что количество работы при прямом и обратном переходе одно и то же и не зависит от пути перехода. Отсюда следует, что запас живых сил L равен работе А, произведенной действующими силами плюс некоторое постоянное количество работы. Заменяя работу силами напряжения U = -А, получаем обобщенный закон сохранения

.

Он указывал, что во всех случаях  движения свободных материальных точек  под влиянием сил притяжения и  отталкивания, интенсивность которых  зависит только от расстояния, потеря в количестве силы напряжения всегда равна приращению живой силы, а  приращение первой - потере второй. Следовательно, сумма всех живых сил и сил  напряжения является всегда величиной  постоянной. Таким образом, здесь  вводится понятие потенциальной  энергии, таящее в себе возможность  перехода к механическим силам взаимодействия и входящее как составная часть  в величину энергии (энергия - термин, введенный в 1807 г. Т. Юнгом, но вошедший во всеобщее употребление в 1853 г.), которая  сохраняется при всех превращениях, происходящих с замкнутой системой. Следовательно, механическая, по существу, концепция Гельмгольца содержала  в себе начало конца механистической  физики.

Закон сохранения и превращения  энергии был как бы итогом развития механики. Благодаря практике, экспериментальным  и теоретическим исследованиям  все больше и больше раскрывалось его глубокое- содержание как "всеобщего закона природы. Это позволило быстрыми темпами развить теорию тепловых процессов, что привело к появлению термодинамики. Но особо важную роль закон сохранения и превращения энергии сыграл в изучении электрических и магнитных явлений. Благодаря работам Клаузиуса, Томсона, Максвелла, Больцмана, Гиббса и других начиная с 60-х годов прошлого столетия закон сохранения и превращения энергии стал признанным орудием научного исследования. Вставала необходимость более полного физического, а также философского осмысления этого фундаментального закона природы. Физический анализ его был блестяще осуществлен М. Планком в вышедшей в 1887 г. книге "Принцип сохранения энергии", а философская трактовка его была дана Ф. Энгельсом в работах "Анти-Дюринг" и "Диалектика природы".

Остановимся сначала на анализе, проведенном  Планком. Прежде всего он дает определение понятия энергии, не включающее в себя факт ее сохранения (впервые эта идея была высказана Томсоном): "Определим энергию (способность производить работу) материальной системы в некотором определенном состоянии как измеряемую в механических единицах работы величину всех действий, которые совершаются вне системы, когда последняя переходит любым образом из своего состояния в произвольно фиксированное нулевое состояние". Далее закон сохранения энергии формулируется в следующей форме: "Энергия материальной системы в определенном состоянии, взятая в отношении к другому определенному "нулевому" состоянию, имеет однозначное значение", т. е. является независимой от способа перехода.

Из этой формулировки видно, что  закон сохранения и превращения  энергии представляет собой опытный  закон, ибо он непосредственно может  быть проверен сравнением работы всех внешних действий при различных  способах перехода системы из одного определенного состояния в другое. Заметим, что именно определение  энергии как функции состояния  системы, т. е. величины, не зависящей  от пути перехода из одного состояния  в другое, лежит в основе термодинамики.

Сформулированный закон выводится  из экспериментального факта невозможности  создания работы из ничего (perpetuum mobile) и ее уничтожения - из того, что "положительная работа не может ни возникать из ничего, ни исчезать в ничто".

Затем закон представляется в форме  сохранения энергии: "Энергия материальной системы, определенная в отношении  к произвольному нулевому состоянию, не изменяется, если при выполнении какого-либо процесса не совершаются  никакие внешние действия, или, другими  словами, если в системе имеют  место только внутренние действия". Это дает возможность трактовать энергию, содержащуюся в системе, уже "как величину, которая по своему смыслу независима от внешних действий. Система обладает известным количеством энергии, которая при фиксированном нулевом состоянии полностью определяется мгновенным состоянием... Это количество остается постоянным, будет сохраняться, пока система не передаст вовне и соответственно не получит извне никаких действий, внутренние же действия изменяют только ее форму, но не величину". Это понимание чрезвычайно удобно для непосредственного представления благодаря своей аналогии с сохранением массы, которая также может превращаться в различные формы, но не изменяется по своему количеству.