Jaki proces w żywej przyrodzie jest nieodwracalny. Raport o nieodwracalności procesów w przyrodzie
Wyeliminowanie z termodynamiki „prawa” rosnącej entropii, czy nawet pojęcia entropii, nie wyeliminuje przesłanek, na podstawie których można uzyskać konsekwencje sprzeczne z materializmem dialektycznym. Jest jeszcze jedno stanowisko termodynamiki, które jest wątpliwe z punktu widzenia materializmu dialektycznego - twierdzenie, że procesy nierównowagi zachodzące w przyrodzie są nieodwracalne. Zgodnie z definicją „każdy proces, który przenosi izolowany system ze stanu 1 do stanu 2 jest procesem nieodwracalnym, jeśli proces, który ma jedyny wynik powrotu systemu ze stanu 2 do 1 jest niemożliwy” 3.
Założenie o nieodwracalności procesów naturalnych, połączone ze zrozumieniem, że całokształt wszystkich procesów naturalnych jest ruchem materii (Wszechświata), pociąga za sobą wniosek o nieodwracalnej ewolucji Wszechświata. Jeżeli przyjmiemy, że „nie da się w żaden sposób w pełni odwrócić procesu, w którym na skutek tarcia powstaje ciepło” 4, że „w istocie nie ma w przyrodzie procesów, którym nie towarzyszy tarcie” 1, to wniosek o stałym akumulacji we Wszechświecie nie da się uniknąć ciepła i ruchu Wszechświata w kierunku śmierci cieplnej.
W związku z tym, aby obalić wniosek o nieodwracalnej ewolucji materii, trzeba wykazać, że procesy transformacji form ruchu i materii nie są nieodwracalne. Aby obalić wniosek o przyszłej transformacji wszystkich form energii w ciepło, należy obalić pogląd, że proces wytwarzania ciepła przez tarcie jest nieodwracalny. Nie jest to trudne, jeśli weźmiemy pod uwagę jedną okoliczność, która dotyczy istoty nieodwracalności termodynamicznej.
„Z faktu, że sam proces nie idzie w przeciwnym kierunku, nie wynika jeszcze, że jest nieodwracalny”.
To, że jakiś proces jest nieodwracalny (odwracalny), nie może być oczywiste. Dlatego na kursach termodynamiki podaje się dowody na istnienie procesów nieodwracalnych. Dowód składa się z dwóch części. Po pierwsze udowadniają nieodwracalność szeregu procesów (wytwarzanie ciepła przez tarcie, rozszerzanie się gazu w pustkę, przenoszenie ciepła z ciała ogrzanego do zimnego, mieszanie gazu), opartych na postulatach Clausiusa czy Thomsona-Plancka oraz potem wyciągają wniosek:
„Ponieważ tak naprawdę nie ma w przyrodzie procesów, którym nie towarzyszyłoby tarcie lub przenoszenie ciepła na skutek przewodzenia ciepła, to wszystkie procesy naturalne są w rzeczywistości nieodwracalne…”.
Stąd wniosek, że wszystkie procesy transformacji skończonych form ruchu materii we Wszechświecie są wprost nieodwracalne, ponieważ są procesami rozwoju. Ale jednocześnie Wszechświat jako całość się nie zmienia - to jest światowy obieg.
Wniosek
Podsumowując, podsumujmy kilka wniosków:
Logiczne podstawy hipotezy śmierci cieplnej Wszechświata to:
Fałszywe stanowisko o niemożliwości całkowitego przekształcenia ciepła w inne formy ruchu;
Fałszywe stanowisko o niemożności zamiany ciepła na inne formy ruchu w stałej temperaturze i konieczności różnicowania temperatur dla takiej przemiany;
Fałszywe stanowisko o degradacji (utracie zdolności do dalszych przemian) energii w procesach naturalnych;
Fałszywe stanowisko o „drugorzędności” ciepła jako rodzaju energii, jego mniejszej, w porównaniu z innymi formami ruchu, zdolności do przekształcania się w inne formy ruchu (rodzaje energii);
Fałszywe stanowisko o nieuniknionym przejściu jakiegokolwiek izolowanego układu do równowagi;
Nie ma wyjątku „prawo” rosnącej entropii, które nie pozwala na wnioskowanie o procesach naturalnych, z wyjątkiem tego, że we wszystkich tych procesach entropia wzrasta;
Hipotetyczna teza o nieodwracalności procesów transformacji form ruchu zachodzących w przyrodzie.
Chciałbym też powiedzieć, że świat, w którym żyjemy, składa się z różnej skali systemy otwarte, którego rozwój przebiega według jednego algorytmu. Algorytm ten opiera się na wrodzonej zdolności materii do samoorganizacji, która przejawia się w: punkt krytyczny systemy. Największy z znany człowiekowi systemy to ewoluujący Wszechświat.
Ministerstwo Kolei Federacji Rosyjskiej
Daleki Wschód Uniwersytet stanowy sposoby komunikacji
Katedra „Chemii i Ekologii”
Raport
O rozliczeniach i pracach graficznych na ten temat:
Nieodwracalność procesów w przyrodzie i strzałka czasu
Ukończono: grupa studencka 318
Trofimets AA
Sprawdzone przez nauczyciela:
Dryutskaja S.M.
Chabarowsk 2010
1. Wprowadzenie 3
2. ogólna charakterystyka i sformułowanie
Druga zasada termodynamiki 4
3. Pojęcie entropii 8
4. Strzałka czasu 10
5. Wniosek 11
6. Referencje 12
Wstęp
Prawo zachowania energii mówi, że ilość energii dla którejkolwiek z jej przemian pozostaje niezmieniona. Ale nie mówi nic o tym, jakie transformacje energetyczne są możliwe. Tymczasem wiele procesów, całkiem dopuszczalnych z punktu widzenia prawa zachowania energii, w rzeczywistości nigdy nie zachodzi.
Prawo zachowania energii nie zabrania doświadczane procesy nie zdarzają się:
- ogrzewanie cieplejszego ciała zimniejszym;
Spontaniczne kołysanie wahadła od spoczynku;
Zbieranie piasku w kamień itp.
Procesy w przyrodzie mają określony kierunek. Nie mogą spontanicznie płynąć w przeciwnym kierunku.
Druga zasada termodynamiki, będąca najważniejszym prawem natury, określa kierunek, w którym przebiegają procesy termodynamiczne, ustala możliwe granice konwersji ciepła na pracę w procesach kołowych, pozwala podać rygorystyczną definicję pojęć takich jak entropia , temperatura itp.
Ogólna charakterystyka i sformułowanie drugiej zasady termodynamiki
Procesy naturalne są zawsze ukierunkowane na osiągnięcie przez system stanu równowagi (mechanicznego, termicznego lub innego). Zjawisko to odzwierciedla druga zasada termodynamiki, która ma bardzo ważne oraz analizowanie pracy maszyn cieplnych i energetycznych. Zgodnie z tym prawem np. ciepło może samorzutnie przejść tylko z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Aby przeprowadzić proces odwrotny, trzeba włożyć trochę pracy. W związku z tym drugą zasadę termodynamiki można sformułować w następujący sposób: niemożliwy jest proces, w którym ciepło przeszłoby samoistnie z ciał zimniejszych do ciał cieplejszych(postulat Mikołaja, 1850).
Druga zasada termodynamiki określa również warunki, w których ciepło może być przekształcane w pracę tak długo, jak chcesz. W każdym otwartym procesie termodynamicznym, wraz ze wzrostem objętości, wykonywana jest pozytywna praca:
Gdzie jestem ostatnią pracą,
V1 i v2 - odpowiednio początkowa i końcowa objętość właściwa;
Ale proces ekspansji nie może trwać w nieskończoność, dlatego możliwość zamiany ciepła w pracę jest ograniczona.
Ciągłe przekształcanie ciepła w pracę odbywa się tylko w procesie lub cyklu okrężnym.
Każdy elementarny proces wchodzący w skład cyklu realizowany jest z doprowadzeniem lub odprowadzeniem ciepła dQ, towarzyszy wykonanie lub nakład pracy, wzrost lub spadek energii wewnętrznej, ale zawsze, gdy stan dQ = dU + dL oraz dq = du + dl, co pokazuje, że bez dostarczania ciepła ( dq = 0) praca zewnętrzna może być wykonywana tylko ze względu na energię wewnętrzną układu, a dopływ ciepła do układu termodynamicznego jest określony przez proces termodynamiczny. Integracja z zamkniętą pętlą daje:
/>, /> od />.
Tutaj QC oraz LC- odpowiednio ciepło zamienione w cyklu na pracę i pracę wykonaną przez płyn roboczy, co stanowi różnicę | L1 | - |L2 | pozytywne i negatywne prace procesów cyklu elementarnego.
Elementarną ilość ciepła można uznać za dostarczoną (dQ> 0) i wycofane (dQ z czynnika roboczego. Suma ciepła dostarczonego w obiegu | Q1 | oraz suma ciepła odebranego | Q2 |. Zatem,
LC= QC= | Q1 | - | Q2 |.
Doprowadzenie ilości ciepła Q1 do płynu roboczego jest możliwe w obecności zewnętrznego źródła o temperaturze wyższej niż temperatura płynu roboczego. To źródło ciepła nazywa się gorącym. Odprowadzenie ilości ciepła Q2 z płynu roboczego jest również możliwe w obecności zewnętrznego źródła ciepła, ale o temperaturze niższej niż temperatura płynu roboczego. To źródło ciepła nazywa się zimnem. Tak więc, aby zakończyć cykl, konieczne jest posiadanie dwóch źródeł ciepła: jedno o wysokiej temperaturze, drugie o niskiej temperaturze. W tym przypadku nie cała zużyta ilość ciepła Q1 może zostać zamieniona na pracę, ponieważ ilość ciepła Q2 jest przekazywana do zimnego źródła.
Warunki pracy silnika cieplnego są następujące:
Potrzeba dwóch źródeł ciepła (ciepłego i zimnego);
Cykliczna praca silnika;
Przeniesienie części ilości ciepła otrzymanego z gorącego źródła do zimnego bez zamieniania go w pracę.
W związku z tym drugą zasadę termodynamiki można podać jeszcze kilka sformułowań:
przeniesienie ciepła z zimnego źródła na gorące jest niemożliwe bez kosztów pracy;
niemożliwe jest zbudowanie działającej okresowo maszyny, która wykonuje pracę, a tym samym chłodzącego zbiornika ciepła;
natura ma tendencję do przemieszczania się od mniej prawdopodobnych stanów do bardziej prawdopodobnych.
Należy podkreślić, że druga zasada termodynamiki (podobnie jak pierwsza) jest formułowana na podstawie doświadczenia.
W większości ogólna perspektywa druga zasada termodynamiki może być sformułowana w następujący sposób: każdy prawdziwy spontaniczny proces jest nieodwracalny. Wszystkie inne sformułowania drugiego prawa są szczególnymi przypadkami najogólniejszego sformułowania.
W. Thomson (Lord Kelvin) zaproponował w 1851 roku następujące sformułowanie: niemożliwe jest uzyskanie pracy mechanicznej z jakiejkolwiek masy materii za pomocą środka nieożywionego poniżej temperatury najzimniejszego z otaczających obiektów.
M. Plank zaproponował sformułowanie, które było jaśniejsze niż sformułowanie Thomsona: niemożliwe jest zbudowanie maszyny pracującej okresowo, której całe działanie sprowadzałoby się do koncepcji pewnego obciążenia i chłodzenia źródła ciepła. Przez maszynę pracującą okresowo należy rozumieć silnik, który w sposób ciągły (cykliczny) zamienia ciepło w pracę. Rzeczywiście, gdyby można było zbudować silnik cieplny, który po prostu pobierałby ciepło z jakiegoś źródła i w sposób ciągły (cykliczny) zamieniał je w pracę, to przeczyłoby to twierdzeniu, że praca może być wykonywana przez system tylko wtedy, gdy nie ma równowagi ( w szczególności w odniesieniu do silnika cieplnego – gdy w układzie występuje różnica temperatur pomiędzy źródłami ciepła i zimna).
Gdyby nie było ograniczeń narzuconych przez drugą zasadę termodynamiki, to oznaczałoby to, że można zbudować silnik cieplny z tylko jednym źródłem ciepła. Taki silnik mógłby działać poprzez chłodzenie np. wody w oceanie. Proces ten mógł trwać, dopóki cała wewnętrzna energia oceanu nie zostanie zamieniona w pracę. Silnik cieplny, który miałby działać w ten sposób, został trafnie nazwany przez W.F. Ostwalda perpetuum mobile drugiego rodzaju (w przeciwieństwie do perpetuum mobile pierwszego rodzaju, która działa wbrew prawu zachowania energii). Zgodnie z powyższym sformułowanie drugiej zasady termodynamiki podanej przez Plancka można zmodyfikować w następujący sposób: realizacja maszyny perpetuum mobile drugiego rodzaju jest niemożliwa.
Należy zauważyć, że istnienie maszyny perpetum mobile drugiego rodzaju nie jest sprzeczne z pierwszą zasadą termodynamiki; w rzeczywistości w tym silniku praca byłaby wykonywana nie z niczego, ale dzięki energii wewnętrznej zawartej w źródle ciepła, tak że od strony ilościowej proces pozyskiwania pracy z ciepła do ta sprawa nie byłoby niewykonalne. Istnienie takiego silnika jest jednak niemożliwe z jakościowego aspektu procesu wymiany ciepła między ciałami.
Koncepcja entropii
Rozbieżność między przemianą ciepła w pracę a pracą w ciepło prowadzi do jednostronnej orientacji rzeczywistych procesów w przyrodzie, co odzwierciedla fizyczne znaczenie druga zasada termodynamiki w prawie istnienia i wzrostu w rzeczywistych procesach pewnej funkcji zwanej entropia
określający miara amortyzacji energii.
Druga zasada termodynamiki jest często przedstawiana jako połączona zasada istnienia i wzrostu entropii.
Zasada istnienia entropii jest sformułowana jako matematyczne wyrażenie entropii układów termodynamicznych w warunkach odwracalnego przepływu procesów:
Zasada zwiększania entropii sprowadza się do stwierdzenia, że entropia układów izolowanych niezmiennie wzrasta wraz ze zmianą ich stanu i pozostaje stała tylko przy odwracalnym przepływie procesów:
Oba wnioski o istnieniu i wzroście entropii wyprowadzane są na podstawie pewnego postulatu odzwierciedlającego nieodwracalność rzeczywistych procesów w przyrodzie. Najczęściej w dowodzie połączonej zasady istnienia i wzrostu entropii stosuje się postulaty R. Clausiusa, W. Thompsona-Kelvina, M. Plancka.
W rzeczywistości zasady istnienia i wzrostu entropii nie mają ze sobą nic wspólnego. Treść fizyczna: zasada istnienia entropii charakteryzuje termodynamiczne właściwości układów, a zasada zwiększania entropii jest najbardziej prawdopodobnym przebiegiem procesów rzeczywistych. Matematycznym wyrazem zasady istnienia entropii jest równość, a zasadą wzrostu jest nierówność. Obszary zastosowania: do badania wykorzystuje się zasadę istnienia entropii i wynikające z niej konsekwencje właściwości fizyczne substancje i zasada zwiększania entropii - do oceny najbardziej prawdopodobnego przebiegu zjawisk fizycznych. Filozoficzne znaczenie tych zasad jest również inne.
W związku z tym zasady istnienia i wzrostu entropii są rozpatrywane osobno, a ich matematyczne wyrażenia dla dowolnych ciał są uzyskiwane na podstawie różnych postulatów.
Wniosek o istnieniu temperatury bezwzględnej T i entropii s jako funkcji termodynamicznych stanu dowolnych ciał i układów jest główną treścią drugiej zasady termodynamiki i dotyczy wszelkich procesów - odwracalnych i nieodwracalnych.
Strzałka czasu
We wszystkich procesach istnieje dedykowany kierunek, w którym procesy same przechodzą od stanu bardziej uporządkowanego do mniej uporządkowanego.
Im więcej porządku w systemie, tym trudniej go przywrócić z nieporządku. Nieporównywalnie łatwiej jest rozbić szkło niż zrobić nowe i włożyć je w ramę. O wiele łatwiej jest zabić żywą istotę niż przywrócić ją do życia, jeśli to w ogóle możliwe. „Bóg stworzył małego robaka. Jeśli ją zmiażdżysz, umrze ”takim epigrafem umieścił amerykański biochemik Saint Györgyi w swojej książce„ Bioenergetyka ”.
Podkreślony kierunek czasu („strzałka czasu”), postrzegany przez nas, jest oczywiście związany właśnie z kierunkiem procesów w świecie.
Wniosek
Z uwagi na fakt, że ciągła produkcja pracy z ciepła jest możliwa tylko wtedy, gdy część ciepła pobranego z gorącego źródła jest przekazywana do zimnego źródła, należy podkreślić ważną cechę procesów termicznych: prace mechaniczne, prace elektryczne, prace magnetyczne itp. można przekształcić w ciepło bez pozostałości. Jeśli chodzi o ciepło, tylko jego część może zostać przekształcona w okresowo powtarzającym się procesie w prace mechaniczne i inne; inna jego część musi nieuchronnie zostać przeniesiona do zimnego źródła. Ten najważniejsza cecha procesy termiczne określają szczególną pozycję, jaką zajmuje proces uzyskiwania pracy z ciepła wszelkich innych metod uzyskiwania pracy (na przykład uzyskiwania Praca mechaniczna kosztem energia kinetyczna ciało, wytwarzanie energii elektrycznej poprzez pracę mechaniczną, wytwarzanie pracy pole magnetyczne z powodu elektryczności itp.). W przypadku każdej z tych metod konwersji część energii musi zostać wydana na nieuniknione nieodwracalne straty, takie jak tarcie, opór elektryczny, lepkość magnetyczna itp., podczas konwersji na ciepło.
Bibliografia:
G.Ya. Myakishev, A.Z. Siniakow. Fizyka molekularna i termodynamika. Podręcznik Fizyki Zaawansowanej, 2002
Kirillin V.A. i inne Termodynamika techniczna: Podręcznik dla uniwersytetów - wyd. 4, poprawione - M .: Energoatomizdat, 1983.
Podstawy ciepłownictwa / V.S. Okhotin, V.F. Zhidkikh, V.M. Lavygin i inni - M.: Szkoła podyplomowa, 1984.
Porshakov B.P., Romanov B.A. Podstawy termodynamiki i ciepłownictwa), Moskwa: Nedra, 1988.
Ciepłownictwo / wyd. W I. Krutov - M .: Inżynieria mechaniczna, 1986
Energetyka cieplna i ciepłownictwo. Pytania ogólne (podręcznik) .- M .: Energiya, 1980.
Prawo zachowania energii mówi, że energia w przyrodzie nie powstaje z niczego i nie znika bez śladu, ilość energii pozostaje niezmienna, a tylko przechodzi z jednej postaci w drugą. Co więcej, niektóre procesy, które nie są sprzeczne z prawem zachowania energii, nigdy nie występują w przyrodzie.
Przedmioty o wyższej temperaturze schładzają się i jednocześnie oddają swoją energię zimniejszym otaczającym ciałom. Ale w naturze nigdy nie zachodzi proces odwrotny: spontaniczny transfer ciepła z zimnego ciała do cieplejszego, chociaż nie jest to sprzeczne z prawem zachowania energii. Na przykład na stole postawiono czajnik z wrzącą wodą. Czajnik stopniowo schładzając się oddaje część swojej energii wewnętrznej do powietrza w pomieszczeniu. W rezultacie powietrze się nagrzewa. Ten proces będzie trwał tylko do momentu wyrównania się temperatury czajnika i powietrza w pomieszczeniu. Po tym nie będzie żadnych zmian temperatury.
Inny przykład. Drgania huśtawki, wyjęte z położenia równowagi, są wilgotne, jeśli nie są kołysane. Energia mechaniczna huśtawki spada na skutek ujemnej pracy siły oporu powietrza, a wzrasta energia wewnętrzna huśtawki i otoczenia. Spadek energii mechanicznej jest równy wzrostowi energii wewnętrznej. Prawo zachowania energii nie wyklucza procesu odwrotnego: przejścia energii wewnętrznej powietrza i huśtawki w energię mechaniczną huśtawki. Wtedy amplituda oscylacji huśtawki wzrosłaby z powodu spadku temperatury otoczenia i samej huśtawki. Ale ten proces nigdy się nie dzieje. Energia wewnętrzna nigdy nie przechodzi w wewnętrzną. Energia uporządkowanego ruchu ciała jako całości jest zawsze zamieniana na energię nieuporządkowanego ruchu termicznego jego cząsteczek składowych, ale nie odwrotnie.
Pod wpływem sił zewnętrznych kamień może w końcu rozpaść się w piasek, ale piasek nigdy nie „zbierze się” w kamień bez wpływów zewnętrznych.
Przejście energii z ciała gorącego do zimnego, przekształcenie energii mechanicznej w wewnętrzną, niszczenie ciał w czasie to przykłady procesów nieodwracalnych. Procesy nieodwracalne to takie, które bez wpływów zewnętrznych przebiegają tylko w jednym określonym kierunku; w przeciwnym kierunku mogą postępować tylko jako jedno z ogniw w bardziej złożonym procesie. Możesz ponownie podnieść temperaturę schłodzonego czajnika i znajdującej się w nim wody, ale nie dzięki wewnętrznej energii powietrza, ale przekazując mu energię z ciał zewnętrznych, na przykład z palnika kuchenki elektrycznej. Możesz ponownie zwiększyć amplitudę huśtawki, popychając ją rękoma. Piasek można stopić, a po zamrożeniu zamienia się w kamień. Ale wszystkie te zmiany nie mogą zajść spontanicznie, ale stać się możliwe w wyniku dodatkowego procesu, w tym oddziaływania siły zewnętrznej.
Takich przykładów jest wiele. Wszyscy twierdzą, że pierwsza zasada termodynamiki nie uwzględnia pewnego kierunku procesów w przyrodzie. Wszystkie procesy makroskopowe w przyrodzie przebiegają tylko w jednym określonym kierunku. Nie mogą same płynąć w przeciwnym kierunku. Wszystkie procesy zachodzące w przyrodzie są nieodwracalne, a najtragiczniejsze z nich to starzenie się i śmierć organizmów.
Pojęcie nieodwracalności procesów jest treścią drugiej zasady termodynamiki, która wskazuje kierunek przemian energetycznych w przyrodzie. Prawo to zostało ustanowione przez bezpośrednie uogólnienie faktów doświadczalnych. Ma kilka równoważnych sformułowań, które pomimo powierzchownych różnic wyrażają w istocie to samo. Niemiecki naukowiec Rudolf Clausius sformułował drugą zasadę termodynamiki w 1850 r. W następujący sposób: niemożliwe jest przenoszenie ciepła z zimniejszego układu do cieplejszego przy braku innych jednoczesnych zmian w obu układach lub w otaczających ciałach.
Niezależnie od Claesiusa, w 1851 r. brytyjski fizyk William Thomson (Lord Calvin) doszedł do tego samego wniosku: „Niemożliwy jest proces okrężny, którego jedynym skutkiem byłoby wytworzenie pracy poprzez ochłodzenie zbiornika ciepła”.
Z powyższych sformułowań wynika, że jeśli zachodzi proces przenoszenia energii z ciała zimnego do gorącego, to w otaczających ciałach zachodzą pewne zmiany. W szczególności taki proces odbywa się w agregacie chłodniczym: energia jest przenoszona z komory chłodniczej do środowiska o wyższej temperaturze, ale proces ten jest realizowany, gdy wykonywane są prace nad płynem roboczym, a jednocześnie pewne zmiany występują w środowisko.
Znaczenie tego prawa polega przede wszystkim na tym, że nieodwracalność można rozszerzyć z procesu wymiany ciepła na dowolne procesy zachodzące w przyrodzie. Gdyby ciepło w niektórych przypadkach mogło samorzutnie przejść z ciał zimnych do gorących, to umożliwiłoby to odwracalność innych procesów.
Wszystkie procesy spontanicznie przebiegają w jednym określonym kierunku. Są nieodwracalne. W każdym razie ciepło przechodzi z ciała gorącego do zimnego, a energia mechaniczna ciał makroskopowych przechodzi w energię wewnętrzną ich cząsteczek.
Kierunek procesów w przyrodzie określa się za pomocą drugiej zasady termodynamiki.
O co tu chodzi? W chęci przekonania! Takie metody nie mają nic wspólnego z nauką!
Współczesna nauka, rozwijająca się zgodnie ze swoimi obiektywnymi prawami, osiągnęła ogromne wyniki, o czym świadczą osiągnięcia techniki. Nauka stosowana opiera się na nauce fundamentalnej, która z kolei poszerza swoje możliwości poprzez tworzenie i wdrażanie nowych, bardziej zaawansowanych instrumentów, a nawet metod badawczych. To jest obiektywna rzeczywistość. Ale nie można nie zrozumieć, że możliwości nauki w zrozumieniu świata są ograniczone, jak wspomniano wcześniej. A każde przekroczenie prowadzi do błędu. Niestety, chęć przekonywania w niektórych przypadkach jest silniejsza niż wiarygodność naukowa. Podręcznik astronomii jest doskonałym przykładem różnorodnej mieszanki fakty naukowe i „śmiałe hipotezy”.
Galileo Galilei
Galileo Galilei urodził się 15 lutego 1564 w Pizie w zubożałej rodzinie szlacheckiej, zmarł 3 stycznia 1642 w Arcetri. Został pochowany we Florencji obok Michała Anioła Buanarottiego i Dantego Alighieri. Naukowcy muszą się urodzić, nauka dla wielkich ludzi to nie zawód, ale sposób na życie. Dlatego słowa Vincenzo Vivianiego (1622 - 1703), ucznia Galileusza, że Galileusz odkrył prawo stałości okresu kołysania wahadła, obserwując kołysanie się lampy ikonowej w katedrze w Pizie i mierząc czas przez bicie własnego tętna, są niewątpliwie prawdziwe (choć sceptycy uważają to za legendę).
Ojciec przyszłego naukowca był wybitnym teoretykiem muzyki i matematykiem. Jako nastolatek w szkole przyklasztornej we Florencji Galileusz po raz pierwszy zapoznał się z dziełami autorów greckich i łacińskich. W 1581 roku Galileusz rozpoczął studia medyczne na Uniwersytecie w Pizie. Tam samodzielnie studiuje fizykę Arystotelesa, dzieła Euklidesa i Archimedesa. W 1589 został już mianowany profesorem na uniwersytecie w Pizie i od razu manifestuje niezależność swojego myślenia. W traktacie „O ruchu”, napisanym po łacinie, obala panujący w nauce pogląd Arystotelesa o pustce i teorii ruchu wspomaganego powietrzem. Jeśli środowisko, pisze Galileusz, w którym poruszają się ciała, nie jest powietrzem, lecz wodą, to niektóre ciała, np. drzewo, stają się jasne i zmieniają kierunek swojego ruchu. W konsekwencji poruszają się w górę lub w dół w zależności od ich ciężaru właściwego w stosunku do otoczenia. Ponadto w obecności uczniów Arystotelesa (perypatetyków) Galileusz z wielką powagą udowodnił w eksperymentach na Krzywej Wieży w Pizie, że prędkość spadających ciał nie zależy od ich ciężaru. Eksperymenty te stały się „klasyczne” i były powtarzane przez wielu przyrodników: D.B. Bagliani, V. Ranieri itp. Wynalezienie „bilanchetty” - wagi hydraulicznej do pomiaru gęstości należy do okresu Pizy ciała stałe oraz badanie środków ciężkości, które przyniosły Galileuszowi sławę doświadczonego geometra. Ale, jak to często bywa w życiu, wszystko to spowodowało nieprzyjazny stosunek do naukowca, więc zaczął szukać dla siebie wygodniejszego miejsca.
W 1592 roku Galileusz został awansowany na profesora matematyki na uniwersytecie w Padwie, gdzie przebywał przez 18 lat; te lata były najbardziej spokojne i produktywne w jego burzliwym życiu. Galileusz wykładał geometrię, astronomię, mechanikę dla teologów, filozofów i lekarzy. W tym okresie opracowano traktat „O nauce mechanicznej i korzyściach, jakie można uzyskać z narzędzi mechanicznych”. Ponadto do tego okresu należy również eksperyment z termoskopem, prototyp termometru. Przed Galileuszem sama możliwość pomiaru stopnia ciepła i zimna wydawała się niesamowita, ponieważ zimno i ciepło wydawały się być różnymi właściwościami zmieszanymi w materii.
Podział właściwości na pierwotne i wtórne jest charakterystyczną cechą naukowej pozycji Galileusza, za którą był krytykowany, zarzucając mu filozoficzny dualizm. Podobnego stanowiska zajął Demokryt, którego cytował Galileusz w swoich pracach.
Pod koniec 1608 na początku 1609 w Wenecji rozeszły się pogłoski o wynalezieniu teleskopu. Galileo w tym czasie w dziedzinie optyki miał niewielkie przeszkolenie, niemniej jednak zajął się produkcją tego instrumentu. Talent i obserwacja naukowca (zwiedzanie warsztatów szklarskich swojego przyjaciela Magagnati na Murano) pozwoliły Galileuszowi osiągnąć sukces również w tej dziedzinie, o czym opowiedział w „Gwiezdnym Biuletynie”. Niewątpliwie wynalezienie teleskopu przez Galileusza (choć jego początkowy wzrost wynosił 3, a potem 32) ogromnie rozszerzyło możliwości badania otaczającego go świata. Galileusz odkrył w obłokach Drogi Mlecznej gromadę gwiazd, które wcześniej wydawały się być małymi mlecznymi plamkami. Następnie zbadał powierzchnie Księżyca i Słońca (odkryte plamy słoneczne, udowodnił, że Słońce obraca się wokół własnej osi), odkrył satelity w pobliżu Jowisza i fazy w pobliżu Wenus, wyjaśnił „światło popiołu” Księżyca, wykazał, że Księżyc, Ziemia i wszystkie planety świecą odbitym światłem... Ponadto Galileusz przekonał się o prawdziwości heliocentrycznego systemu świata kopernikańskiego.
Ogromna sława, jaką jego „Gwiezdny Posłaniec” przyniósł Galileuszowi, pozwoliła mu zająć miejsce pierwszego matematyka Uniwersytetu w Pizie bez obowiązku zamieszkania tam i prowadzenia wykładów. Dlatego Galileusz osiadł w Arcetri, niedaleko Florencji. Tam kontynuował obserwacje astronomiczne i badania fizyczne. Wykazano na różne sposoby, że powietrze ma wagę (tak też argumentował Arystoteles, ale jego komentatorzy uznali za konieczne skorygowanie tej opinii!). Galileo uzyskał stosunek ciężaru właściwego powietrza do ciężaru właściwego wody 1:400. Jego współcześni krytycy uznali eksperymentalną sztukę naukowca za bardzo nieistotną, a dla nas, biorąc pod uwagę eksperymentalne możliwości tamtych czasów, ta dokładność wydaje się niezwykła. Dokładniejszą wartość uzyskał pół wieku później Boyle, który w tym czasie posiadał już pompę pneumatyczną.
W 1632 roku we Florencji ukazało się słynne dzieło Galileusza „Dialog na temat dwóch głównych systemów świata – Ptolemeusza i Kopernika”. Ten utwór składa się z czterech dialogów, z których każdy ma miejsce w ciągu jednego dnia. W dialogu uczestniczą trzy osoby, z których jedna reprezentuje samego Galileusza, druga (perypatytyczna) broni filozofii wyznawców Arystotelesa, trzecia to osoba oświecona z zdrowy rozsądek, który jest niejako bezstronnym sędzią. „Dzień pierwszy” poświęcony jest głównie omówieniu doktryny o niezmienności i niezniszczalności świata niebieskiego, w szczególności plam słonecznych, górzystej powierzchni Księżyca. Jednocześnie drugi rozmówca zaprzecza wszelkim osiągnięciom naukowym i odkryciom. „Dzień drugi” poświęcony jest głównie omówieniu zagadnienia ruchu Ziemi. Tutaj kładzione są fundamenty współczesnej dynamiki: zasada bezwładności i klasyczna zasada względności. Zasada bezwładności jest udowodniona za pomocą rozumowania, przypominającego dowód „przez sprzeczność” w matematyce. Zasada względności Galileusza (lub transformacja Galileusza) nie straciła w naszych czasach ogromnego znaczenia, zajmując mocne i honorowe miejsce w fizyce klasycznej. „Wielki naukowiec powoli i szczegółowo opisuje swoją zasadę: wycofaj się z jednym ze swoich przyjaciół w przestronnym pokoju pod pokładem statku, zaopatrz się w muchy, motyle i inne latające owady, pozwól mieć statek z pływającymi rybami; u góry zawieś wiadro, z którego woda będzie spływać kroplami do innego naczynia z wąską szyjką, umieszczonego na dole. Podczas gdy statek stoi, obserwuj uważnie! ...choć nie masz wątpliwości, że statek jest nieruchomy. Teraz spraw, aby statek poruszał się z dowolną prędkością (tylko bez szarpania i kołysania), w ten sam sposób ryby będą pływać obojętnie w dowolnym kierunku, owady lecą z tą samą prędkością w różnych kierunkach, krople wpadną do wąskiej dziury, jak poprzednio! We wszystkich tych zjawiskach nie znajdziesz najmniejszej zmiany! A powodem spójności wszystkich tych zjawisk jest to, że ruch statku jest wspólny dla wszystkich znajdujących się w nim obiektów ... ”. Nie mogło być lepiej! Język nowoczesny Bardziej zwięźle i „przetłumaczone” na język matematyki: zasada względności oznacza niezmienność praw mechaniki w stosunku do transformacji Galileusza, ale niespieszna „muzyka” oryginału zadziwia do dziś.
„Dzień trzeci” zaczyna się od długiej dyskusji o nowej gwieździe z 1604 roku Główny temat- o rocznym ruchu Ziemi. Obserwacje ruchu planet, faz Wenus, satelitów Jowisza, plam na Słońcu – wszystkie te argumenty pozwalają Galileuszowi wykazać rozbieżność między naukami Arystotelesa a danymi z obserwacji astronomicznych oraz uzasadnić możliwość heliocentrycznego układu świata z obu geometryczne i dynamiczne punkty widzenia.
„Dzień Czwarty” poświęcony jest przypływom i odpływom morza, które Galileusz błędnie kojarzy z ruchem Ziemi, chociaż w tym czasie istniała już hipoteza o występowaniu przypływów i odpływów pod wpływem Księżyca i Słońce. W tym przypadku naukowiec uznał działanie Księżyca i Słońca za „okultystyczną właściwość przyciągania ciał niebieskich” i nie podzielił się nią.
Publikacja Dialogu – źródła nieszczęść całego jego późniejszego życia – jest znaczącym wydarzeniem w dziejach wszelkiej myśli ludzkiej. Walka światopoglądów to walka na śmierć i życie!
Kolejne wielkie dzieło „Rozmowy i dowody matematyczne dotyczące dwóch nowych dziedzin nauki związanych z mechaniką i ruchem lokalnym”, które sam Galileusz słusznie nazwał arcydziełem, zostało opublikowane w Lejdzie w 1638 roku. Stanowiło ono systematyczną prezentację wszystkich odkryć Galileusza w tej dziedzinie mechaniki... Praca jest również napisana w formie dialogu pomiędzy tymi samymi uczestnikami. Ale ogólny ton pracy jest spokojniejszy, jakby nie było już przeciwników - zwolenników idei Arystotelesa i triumfował nowy światopogląd.
Dzień pierwszy rozpoczyna się dyskusją o prędkości światła. W rzeczywistości doświadczenie opisane w tej pracy zostało powtórzone przez Fizeau po 250 latach. Galileusz nie był w stanie w tym czasie przeprowadzić tego złożonego eksperymentu, ale jego zasługa w sformułowaniu tego eksperymentalnego i teoretycznego problemu jest niepodważalna. Ponadto rozważane są problemy ruchu, badane są drgania wahadeł i omawiane są zjawiska akustyczne: wytwarzanie dźwięku za pomocą oscylacji, których częstotliwość określa wysokość dźwięku, propagację fal w powietrzu, zjawisko rezonans i interwały akustyczne. W ten sposób Galileo położył podwaliny pod nowoczesną akustykę.
„Dzień drugi” poświęcony jest odporności materiałów na różne metody oddziaływania na nie. I chociaż te argumenty nie mają obecnie praktycznego zastosowania, ich wartość naukowa jako prototypu nauki o wytrzymałości materiałów jest bezdyskusyjna. Kolejnym etapem, który przechodzi w trzeci i czwarty dzień, jest dynamika. Zwrot „o najstarszym przedmiocie tworzymy najnowszą naukę” brzmi uroczyście. Pokrótce rozważany jest ruch jednostajny, ruch przyspieszony jest szczegółowo i ciekawie badany. Uwzględniono prawa proporcjonalności prędkości i czasu opadania oraz sformułowano zasadę (zwaną później zasadą Torricellego) dotyczącą ruchu środka ciężkości układu mechanicznego. Ponadto oryginalna praca nad ruchem ciał wzdłuż równia pochyła i o ruchu „porzuconych” ciał. Po raz pierwszy pokazano, że w tym przypadku trajektoria ruchu jest parabolą i udowodniono szereg twierdzeń.
Stosowana dotychczas chronologiczna metoda prezentacji pozwoliła ukazać głębię i rozpiętość zainteresowań naukowych Galileusza oraz fundamentalne odkrycia. Ale być może jeszcze ważniejszy jest nowy sposób myślenia, który Galileusz wprowadził do badania przyrody.
Kiedy mówią, że Galileusz był twórcą metody eksperymentalnej, należy to rozumieć nie tylko jako użycie eksperymentu do poznania przyrody (w przybliżonej formie eksperymenty były inscenizowane od starożytności), ale jako rodzaj filozoficznego koncepcji, która polega na bezstronności ocen i obowiązkowej weryfikacji prawdziwości wyniku. Czyli to, co obecnie nazywamy rzetelnością naukową i sumiennością naukową (od słowa sumienie).
Zadaniem fizyka jest więc wymyślenie eksperymentu, powtórzenie go kilka razy, z wyłączeniem lub zmniejszeniem wpływu czynników zakłócających, wyłapanie niedokładności (ponieważ dokładność każdego eksperymentu zależy od jego metodologii, a nie może być „absolutnie” dokładne wyniki) dane eksperymentalne prawa matematyczne, łączące wielkości charakteryzujące to zjawisko, zapewniają nowe eksperymenty w celu potwierdzenia - w granicach możliwości eksperymentalnych - sformułowanych praw, a po znalezieniu potwierdzenia idź dalej za pomocą metody dedukcyjnej i znajdź nowe konsekwencje z tych praw, które z kolei podlegają weryfikacji. (Niektórzy filozofowie, czysto teoretyczni, opracowali metody eksperymentalne, których żaden fizyk nigdy nie zastosował).
Galileo nigdzie nie przedstawia abstrakcyjnej prezentacji swojej metody eksperymentalnej. Całe to podejście podane jest w konkretnym zastosowaniu do badania poszczególnych zjawisk przyrodniczych. We wszystkich jego badaniach można wyróżnić cztery punkty. Pierwszym z nich jest doświadczenie zmysłowe, które kieruje naszą uwagę na badanie natury, ale nie ustanawia jej praw. Drugi to aksjomat lub hipoteza robocza. W tym momencie centralnym jest moment twórczego zrozumienia tego, co zobaczył, na podobieństwo intuicji artysty, niepoddającego się teoretycznemu uzasadnieniu. Po trzecie - rozwój matematyczny - znajdowanie logicznych wzorców i konsekwencji. Czwarta to weryfikacja eksperymentalna jako najwyższe kryterium dla całej ścieżki rozwoju.
Człowieka takiego jak Galileusz, kierującego się tak różnymi motywami, tak uwolnionego od brzemienia tradycji, nie da się wcisnąć w jakiś sztywny schemat. Kwestia poglądów filozoficznych Galileusza była i jest obecnie dyskutowana. Nazywano go wyznawcą Platona, Demokryta, Kanta, pozytywistą itd. On sam na okładce swoich zebranych dzieł chciał zobaczyć słowa: „Stąd z niezliczonych przykładów okaże się, jak przydatna jest matematyka we wnioskowaniu o tym, co oferuje nam natura i jak niemożliwa jest prawdziwa filozofia bez pomocy geometrii, zgodnie z zasadą prawda głoszona przez Platona”.
Bibliografia
1. Mario Llozziego. Historia fizyki. Moskwa, Mir, 1970.-464 s.
2. M. Laue. Historia fizyki. Moskwa., Państwo. wydawnictwo literatury technicznej i teoretycznej, 1956. -230 s.
3. Sztuczna inteligencja Eremeeva., F.A. Cycyn. Historia astronomii. Moskwa, Wydawnictwo Uniwersytetu Moskiewskiego, 1989. -349s.
itp.................
