Создание классической механики Ньютоном. Ее приложение в современной науке

         Количество материи доступно  измерению,  будучи  пропорциональным  весу тела. Вес – это сила, с которой тело действует на опору, препятствующую  его свободному падению. Числено вес равен произведению массы тела  на  ускорение силы тяжести. Вследствие сжатия Земли  и  ее  суточного  вращения  вес  тела изменяется с  широтой  и  на  экваторе  на  0,5%  меньше,  чем  на  полюсах.

     Поскольку  масса  и  вес   строго   пропорциональны,   оказалось   возможным практическое измерение массы или количества  материи.  Понимание  того,  что вес является переменным воздействием на тело, побудило Ньютона установить  и внутреннюю характеристику  тела  –  инерцию,  которую  он  рассматривал  как присущую телу  способность  сохранять  равномерное  прямолинейное  движение, пропорциональную массе. Массу как меру  инерции  можно  измерять  с  помощью весов, как это делал Ньютон.

         В состоянии невесомости массу  можно измерять по инерции.  Измерение  по инерции является общим способом измерения массы. Но инерция и  вес  являются различными физическими понятиями. Их пропорциональность  друг  другу  весьма удобна в практическом отношении –  для  измерения  массы  с  помощью  весов.

     Таким образом, установление  понятий  силы  и  массы,  а  также  способа  их измерения позволило Ньютону сформулировать второй закон механики.

         Первый и второй законы механики  относятся соответственно  к движению материальной точки или одного  тела.  При  этом  учитывается  лишь  действие других тел на данное  тело.  Однако  всякое  действие  есть  взаимодействие.

     Поскольку в механике действие  характеризуется  силой,  то  если  одно  тело действует на другое с определенной силой, то второе действует  на  первое  с той же силой, что и фиксирует третий закон механики. В формулировке  Ньютона третий  закон  механики  справедлив  лишь   для   случая   непосредственного взаимодействия сил или при  мгновенной  передаче  действия  одного  тела  на другое. В случае передачи действия за  конечный  промежуток  времени  данный закон применяется тогда, когда временем передачи действия можно  пренебречь. 
 
 
 
 
 

     3. Закон всемирного  тяготения 

         Считается, что стержнем  динамики  Ньютона  является  понятие   силы,  а основная задача  динамики  заключается  в  установлении  закона  из  данного движения и, наоборот, в определении закона движения тел по данной  силе.  Из законов Кеплера Ньютон вывел  существование  силы,  направленной  к  Солнцу, которая была обратно пропорциональна квадрату расстояния планет  от  Солнца.

     Обобщив идеи, высказанные Кеплером,  Гюйгенсом,  Декартом,  Борелли,  Гуком, Ньютон придал им точную  форму  математического  закона,  в  соответствии  с которым утверждалось существование  в  природе  силы  всемирного  тяготения, обусловливающей  притяжение  тел.  Сила  тяготения   прямо   пропорциональна произведению  масс  тяготеющих  тел и обратно   пропорционально   квадрату расстояния между ними. Данный закон описывает взаимодействие любых тел – важно лишь то,  чтобы расстояние между телами было достаточно велико по сравнению с их  размерами, это позволяет принимать тела за материальные точки.  В  ньютоновской  теории тяготения принимается, что сила тяготения передается от  одного  тяготеющего тела к другому мгновенно, при чем без посредства каких бы то ни  было  сред.

     Закон всемирного тяготения вызвал продолжительные и яростные дискуссии.  Это не было случайно, поскольку этот закон  имел  важное  философское  значение. Суть заключалась в том, что до  Ньютона  целью  создания  физических  теорий было выявление и представление механизма  физических  явлений  во  всех  его деталях. В тех случаях, когда это сделать не удавалось, выдвигался  аргумент о  так  называемых  "скрытых  качествах",  которые  не  поддаются  детальной интерпретации.  Бэкон  и  Декарт  ссылки  на  "скрытые  качества"   объявили ненаучными. Декарт считал, что понять суть явления природы можно лишь в  том случае, если его  наглядно  представить  себе.  Так,  явления  тяготения  он представлял с помощью эфирных вихрей. В  условиях  широкого  распространения подобных представлений закон всемирного тяготения Ньютона, несмотря  на  то, что демонстрировал соответствие произведенных на его основе  астрономическим наблюдениям  с  небывалой  ранее  точностью,  подвергался  сомнению  на  том основании, что взаимное притяжение  тел  очень  напоминало  перипатетическое учение  о  "скрытых  качествах".  И   хотя   Ньютон   установил   факт   его существования на основе математического анализа и экспериментальных  данных, математический анализ еще  не  вошел  прочно  в  сознание  исследователей  в качестве достаточно надежного метода. Но стремление ограничивать  физическое исследование фактами,  не  претендующими  на  абсолютную  истину,  позволило Ньютону завершить формирование физики как самостоятельной науки  и  отделить ее от натурфилософии с ее претензиями на абсолютное знание.

         В законе всемирного тяготения  наука получила образец закона  природы как абсолютно точного, повсюду применимого  правила,  без  исключений,  с  точно определенными следствиями. Этот закон был включен Кантом  в  его  философию, где  природа  представлялась  царством  необходимости  в   противоположность морали - царству свободы.

         Физическая концепция Ньютона  была своеобразным венцом физики XVII века. Статический подход к Вселенной был заменен  динамическим.  Эксперементально - математический метод исследования, позволив решить  многие  проблемы  физики XVII века, оказался пригодным для решения физических проблем еще в течение двух веков. 
 
 
 
 
 

     4. Основная задача механики 

         Результатом развития  классической  механики  явилось  создание  единой механической картины мира, в рамках которой  все  качественное  многообразие мира  объяснялось  различиями  в   движении   тел,   подчиняющемся   законам ньютоновской механики. Согласно механической картине мира,  если  физическое явление мира можно было объяснить  на  основе  законов  механики,  то  такое объяснение признавалось научным.  Механика  Ньютона,  таким  образом,  стала основой  механической  картины  мира,  господствовавшей  вплоть  до  научной революции на рубеже XIX и XX столетий.

         Механика Ньютона, в отличие  от предшествующих  механических  концепций, давало  возможность   решать   задачу   о   любой   стадии   движения,   как предшествующей,  так  и  последующей,  и  в  любой  точке  пространства  при известных фактах, обусловливающих это  движение,  а  также  обратную  задачу определения величины и направления действия этих факторов в любой точке  при известных основных элементах  движения.  Благодаря  этому  механика  Ньютона могла   использоваться   в   качестве   метода    количественного    анализа механического  движения.  Любые  физические  явления  могли  изучаться  как, независимо от вызывающих их факторов. 

         Законы ньютоновской  механики  связывали  силу  не  с   движением,  а  с изменением    движения.   Это   позволило   отказаться    от    традиционных представлений о том, что для поддержания  движения  нужна  сила,  и  отвести трению,  которое  делало  силу  необходимой  в  действующих  механизмах  для поддержания движения, второстепенную роль. Установив динамический взгляд  на мир вместо традиционного статического, Ньютон свою динамику  сделал  основой теоретической физики. Хотя  Ньютон  проявлял  осторожность   в  механических истолкованиях природных явлений, все равно считал желательным  выведение  из начал механики остальных явлений природы. Дальнейшее развитие  физики  стало осуществляться  в  направлении  дальнейшей  разработки   аппарата   механики применительно  к  решению  конкретных  задач,  по   мере   решения   которых механическая картина мира укреплялась. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     5. Приложение классической  механики Ньютона  в современной  науке 

         Вследствие развития  физики  в  начале  XX  века  определилась  область применения  классической  механики:  ее  законы  выполняются  для  движений, скорость которых много  меньше  скорости  света.  Было  установлено,  что  с ростом скорости масса тела возрастает. Вообще законы  классической  механики Ньютона  справедливы  для  случая  инерциальных  систем  отсчета.  В  случае неинерциальных  систем  отсчета  ситуация  иная.  При  ускоренном   движении неинерциальной системы координат относительно  инерциальной  системы  первый закон Ньютона (закон инерции) в этой системе не  имеет  места,  –  свободные тела  в ней будут с течением времени менять свою скорость движения.

         Первое несоответствие в  классической  механике  было  выявлено,  тогда когда  был  открыт  микромир.  В   классической   механике   перемещения   в пространстве и определение  скорости  изучались  вне  зависимости  от  того, каким образом эти  перемещения  реализовывались.  Применительно  к  явлениям микромира подобная ситуация, как выявилось, невозможна принципиально.  Здесь пространственно-временная  локализация,   лежащая   в   основе   кинематики, возможна лишь для некоторых частных случаев, которые зависят  от  конкретных динамических условий движения. В макро  масштабах  использование  кинематики вполне  допустимо.  Для  микро  масштабов,  где  главная  роль   принадлежит квантам, кинематика, изучающая  движение  вне  зависимости  от  динамических условий, теряет смысл.

         Для масштабов микромира и  второй закон Ньютона оказался  несостоятельным – он справедлив лишь для явлений большого масштаба. Выявилось,  что  попытки измерить какую-либо величину, характеризующую изучаемую систему, влечет  за собой неконтролируемое  изменение  других  величин,  характеризующих  данную систему: если предпринимается попытка установить положение в пространстве  и времени, то  это  приводит  к  неконтролируемому  изменению  соответствующей сопряженной величины, которая  определяет  динамическое  состояние  системы.

     Так, невозможно точно измерить в одно и то же время две взаимно  сопряженные величины. Чем точнее определяется значение одной  величины,  характеризующей систему,  тем  более  неопределенным  оказывается  значение  сопряженной  ей величины.  Это  обстоятельство  повлекло  за  собой  существенное  изменение взглядов на понимание природы вещей.

         Несоответствие в классической  механики исходило из того, что  будущее  в известном смысле полностью содержится в  настоящем  –  этим  и  определяется возможность точного предвидения поведения системы  в  любой  будущий  момент времени. Такая  возможность  предлагает  одновременное  определение  взаимно сопряженных величин. В области микромира это оказалось  невозможным,  что  и вносит  существенные  изменения  в  понимание  возможностей  предвидения   и взаимосвязи  явлений  природы:   раз   значение   величин,   характеризующих состояние системы в определенный момент времени,  можно  установить  лишь  с долей неопределенности,  то  исключается  возможность  точного  предсказания значений этих  величин  в  последующие  моменты  времени,  т.е.  можно  лишь предсказать вероятность получения тех или иных величин.

         Другое открытие пошатнувшее  устои классической механики, было  создания теории поля. Классическая механика пыталась свести  все  явления  природы  к силам,  действующим  между  частицами  вещества,  –  на  этом   основывалась концепция электрических жидкостей. В рамках этой  концепции  реальными  были лишь субстанция и ее  изменения  –  здесь  важнейшим  признавалось  описание действия двух электрических зарядов с помощью  относящихся  к  ним  понятий.

     Описание  же поля между этими  зарядами,  а  не  самих  зарядов  было  весьма существенным для понимания действия зарядов.

         Созданной новой реальности места  в механической картине мира  не было. В результате физика стала иметь  дело  с  двумя  реальностями  –  веществом  и полем.  Если  классическая  физика  строилась  на  понятии  вещества,  то  с выявлением   новой   реальности   физическую   картину   мира    приходилось пересматривать. Попытки объяснить электромагнитные явления с  помощью  эфира оказалось несостоятельными. Эфир  экспериментально  обнаружить  не  удалось.

     Это привело к  созданию  теории  относительности,  заставившей  пересмотреть представления  о  пространстве  и  времени,  характерные  для   классической физики.  Таким  образом,  две  концепции   –   теория   квантов   и   теория относительности – стали фундаментом для новых физических концепций. 

     Заключение