Структура раздела науки в физике. Классическая механика Ньютона

Часть 2. Концепции современного естествознания

2.1. Структура раздела науки в физике. Классическая механика Ньютона.

В п. 1.9, исследуя решение Галилеем задачи о падении тела нами было введено представление о "первичных идеальных объектах" (ПИО) трехслойная модель структуры "ядра раздела науки" (ЯРН), состоящая из двухслойной теоретической части и нетеоретического слоя "эмпирического материала" (ЭМ). "Ядро раздела науки" - структура, необходимая для задания "первичных идеальных объектов" (ПИО), например, частиц и сил в механике Ньютона, из которых состоят все прочие идеальные объекты данного раздела науки. Эти два связанных друг с другом понятия - "первичные идеальные объекты и "ядро раздела науки" - лежат в основе развиваемой нами модели естественной науки. Обычно освоение "первичных идеальных объектов" при обучении в школе или вузе происходит в ходе решения конкретных задач в рамках того или иного естественнонаучного курса. В данном же тексте они будут вводиться в другом контексте в контексте истории их возникновения и  в контексте структуры "ядра раздела науки". Оба эти контекста слабо зависят от обсуждавшихся в Части 1 позиций (но от последних зависит решение возникающих вокруг того или иного раздела науки споров, ярким примером которых является дискуссия Эйнштейна и Бора вокруг основ квантовой механики). Поэтому непринятие конструктивизма не влияет на принятие или непринятие структурной модели науки, лежащей в основе изложения Части 2.

Специфика позиции автора здесь проявляется в другом, в том, что акцент делается не на "законах природы", а на моделях, что позволяет (в первом приближении) на уровне понимания сосредоточиться на модельном слое, отделенном от математического слоя. Многие ученые (а вслед за ними и науковеды), в первую очередь физики-теоретики, зачастую отождествляющие разделы математики, входящие в так называемую математическую физику, с физикой,  отрицают саму возможность подобной "изоляции" математики. Автор, основываясь на собственном многолетнем опыте работы в теоретической физики, утверждает, что это не только возможно, но дает дополнительные степени свободы как  для работы непосредственно в сфере науки, так и в сфере философии науки.

В частности, предлагаемая структурная модель задает определение физики, единое для многочисленных ее разделов, позволяет несколько усложнив, по сравнению с обычным способам, изложение классической ньютоновской механики, сделать значительно более доступным понимание традиционно считающихся чрезвычайно сложными "неклассичскоих" разделов физики - квантовой механики (нерелятивистской и релятивистской) и специальной и общей теории относительности. На фоне структурной модели физики, которая вводится на материале классической механики, можно четче увидеть различие на уровне различных наук, другими примерами которых в данном тексте являются химия, синергетика и биология.

Итак, перейдем к конкретизации полученной из анализа работы Галилея трехслойной модели  "ядра раздела науки" для случая физики. Эту работу мы произведем в ходе анализа структуры классической механики Ньютона., где была задана структура описания "движения-перемещения" (в классификации Аристотеля), которое было представлено как изменение состояния.

Собственно древние греки тоже понимали движение как изменение состояния. Только состоянием для них было стояние, т.е. состояние покоя. Из этого следовали знаменитые парадоксы Зенона,  доказывающие, что движение нельзя помыслить, т.е. теоретически описать. 

У Ньютона этот парадокс преобразован в определение - в его первом законе-постулате:

"Закон I. Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние".

Ньютон в качестве естественного состояния тела рассматривает состояние прямолинейного равномерного движения (постулируя это, как и Галилей). Переход из одного такого состояния в другое совершается под действием силы, опять же по определению:

"Определение IV. Приложенная сила есть действие, производимое над телом,  чтобы изменить его состояние покоя  или равномерного прямолинейного движения.

Сила проявляется единственно только в действии,  и по прекращению действия в теле не остается".

Далее, как и у Галилея, выбирается самый простой - линейный закон связи, у Ньютона - связи между силой и скоростью изменения скорости (т.е. ускорением):

"Закон II. Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует", где, согласно "Определению II": "количество движения есть мера такового, устанавливаемая пропорционально скорости и массе".

I и II законы-постулаты Ньютона почти полностью определяют силу как новую измеримую величину (конкретной реализацией силы для Ньютона была сила тяжести). Не хватает только определения коэффициента пропорциональности - массы тела.

Определение массы у Ньютона опирается на понятие веса тела.

"Определение I: Количество материи (масса) есть мера таковой