Физическая теория И. Ньютона

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 36Следующая ⇒

Ньютон (1646—1727) родился в год смерти Галилея. Его научная деятельность была тесно связана с Лондонским Королевским обществом, сообществом талантливых людей, объединенных общим интересом к познанию природы. Среди них был Р. Гук, который за 80 лет до рождения Ламарка (1744—1829) высказал идеи, схожие с биологическими идеями последнего. Р. Гук интересовался многими проблемами. С открытием нидерландским ученым X. Гюйгенсом (1629—1625) центробежного ускорения многие в Лондонском Королевском обществе заинтересовались вопросом о силе, управляющей движением небесных тел. Кристофер Рэн, архитектор, обещал в качестве приза редкую книгу, стоимостью в 40 шиллингов, тому, кто найдет разгадку этого вопроса. Имеются сведения, что Р. Гук понял суть принципа квадрата расстояний при взаимодействии материальных тел, но отложил его оформление на будущее. Трактат «О движении» Ньютона, основа будущей его работы «Математические начала натуральной философии» (1687), поверг Р. Гука в шок. В кофейне, где члены Лондонского Королевского общества обсуждали трактат Ньютона «О движении», Р. Гук назвал Ньютона плагиатором, так как в своем приглашении на

заседание общества, которое он направил Ньютону, он изложил собственные

соображения о законе обратных квадратов.

В «Математических началах натуральной философии» Ньютон представил стройную систему понятий и принципов описания механического движения. Его заслуга состояла в том, что он первым в математической форме выразил общие идеи и мысли о механическом движении всех своих предшественников и современников.

Первый закон Ньютона. Тело движется в одном и том же направлении с неизменной быстротой, если на него не действует сила. Следовательно, если на тело не действует сила, то оно сколько угодно долго пребывает в состоянии покоя.

Первый закон Ньютона является обобщением принципа инерции Галилея. Ньютон использует понятие быстроты, т. е. ускорение, изменение скорости, по которому можно заметить действие силы на материальное тело. Далее, этот закон утверждает избирательное, важное значение инерциальных систем отсчета для изучения движения тел, следуя методологическому принципу «от простого к сложному».

Второй закон Ньютона. Ускорение, сообщаемое телу, прямо пропорционально величине силы, действующей на тело, и обрат-

но пропорционально его инертной массе: а = F/m, где а — ускорение, F— сила,

т — инертная масса. Ньютон определил массу тела как количество вещества, содержащееся в теле. Из опыта известно, что всякое тело «противится» изменению состояния своего движения и одинаковые силы, приложенные к различным телам, сообщают им разные ускорения. Следовательно, есть общее физическое свойство всех материальных тел, а именно способность материальных тел препятствовать изменению состояния их движения или покоя. Это свойство получило название инертной массы тела.

Третий закон Ньютона. Силы взаимодействия тел равны по величине и противоположны по направлению: F (AB) = -F(BA), где AB — тела, ДАВ) — сила, с которой А действует на В, и -F(BA) — сила, с которой тело В действует на тело А.

Третий закон Ньютона говорит о характере физического взаимодействия между материальными телами. В механическом взаимодействии силы возникают попарно, т. е. действию соответствует противодействие. Все эти три закона Ньютона лежат в основе классической механики.

Размышляя над проблемой свободного падения тел, установленного Галилеем, Ньютон попытался ответить на вопрос, какая сила заставляет материальные тела падать к поверхности Земли и не является эта сила той же физической природы, которая заставляет двигаться планеты вокруг Солнца по законам И. Кеплера (по эллипсам, а не по окружностям). Рассуждая чисто дедуктивно, он сформулировал закон всемирного тяготения: Земля имеет массу, яблоко тоже. По второму закону Ньютона сила прямо пропорциональна массе тела (F= та). В случае свободного падения яблока на Землю имеет место взаимодействие двух масс (яблока и Земли), следовательно, сила F должна быть пропорциональна произведению масс (т1т2), участвующих в физическом взаимодействии, названном свободным падением. Отсюда естественным является вопрос, будет ли меняться величина силы при увеличении расстояния между телами с массами т1 и т2.

Сравнивая ускорение свободного падения тела на Луне с ускорением свободного падения на Земле, Ньютон пришел к выводу, что в случае свободного падения Луна и Земля ведут себя как тела, масса которых сконцентрирована в их центре. Такое явление, как считал Ньютон, возможно лишь в случае, когда величина силы между взаимодействующими телами обратно пропорциональна

квадрату расстояния между ними: F= G (т1т2 /R2), где G гравитационная постоянная, вычисленная опытным путем т1 и т2 — массы тела, R — расстояние между телами. При т1 = 1 кг, т2 - 1 кг и R = 1 м величина G = 6, 67 • 10-11 Нм

/кг(где Н — сила (ньютон), которая, будучи приложенная к телу в 1 кг (массу),

сообщает ему ускорение а, равное 1 м/с2). Величина гравитационной постоянной

зависит от выбора системы отсчета.

Закон всемирного тяготения Ньютона говорит о наличии в природе универсальной силы физического взаимодействия между материальными телами, которая является объективной и независимой от настроений и желаний людей. Выраженная в этой математической формуле зависимость между значениями входящих в нее величин позволяет предсказывать действие этой силы взаимодействия во времени. Эту силу взаимодействия стали называть силой тяготения, гравитационным физическим взаимодействием между материальными телами.

Сила тяготения — это исторически первая сила физического взаимодействия, которая была открыта естествознанием. В формулировке закона всемирного тяготения Ньютон использовал понятие тяжелой массы тела. Тяжелая масса тела зависит от массы тела, находящегося с ним в гравитационном взаимодействии. Он полагал, что отношение между инертной и тяжелой массой тел является одинаковым и не зависит от природы материала, из которого тела созданы (железо, дерево и т. д.). Это предположение вызвало оживленную дискуссию о физической природе этого отношения. А. Эйнштейн предложил решение этого вопроса в общей теории относительности.

Содержательные допущения и следствия механики Галилея -

Ньютона

Спустя семь лет после выхода в свет «Математических начал натуральной философии» Ньютона молодой религиозный деятель Ричард Бэнтли (1662—1742) написал письмо великому физику, в котором попросил его ответить на вопрос, не может ли сила тяготения быть причиной образования звезд. Этот вопрос затрагивает тему отношения теоретических понятий физики Галилея — Ньютона

к реальному, материальному миру.

Данному вопросу можно придать современный смысл. Сила тяготения — это сила близкодействия? С какой скоростью она распространяется? С конечной или мгновенной бесконечной? Каким

образом свет распространяется в космическом пространстве? Реальное время течет от прошлого к будущему, которые имеют собственные, не сводимые друг к другу физические состояния, почему же тогда механическое движение обратимо

во времени? Как объяснить свободное падение тел? Почему инертная и гравитационная массы тела представлены разными формулами (формула F= та относится к инертной массе, формула F = G (m1m2 /R2) — к гравитационной)?

Ответы на эти вопросы можно разделить на две части: А — ответ самой физической теории Галилея — Ньютона и Б — трактовка проблем, лежащих в основе этих вопросов, самим Ньютоном в форме свободных рассуждений.

А. Механика Галилея — Ньютона

1. Сила тяготения является дальнодействующей силой и распространяется с бесконечной скоростью без соприкосновения между взаимодействующими телами.

2. Пространство и время заданы самим Богом и не наделены физическими свойствами.

3. Закон всемирного тяготения точно описывает специфику этого физического взаимодействия, но причины, которые вызывают это взаимодействие, неизвестны.

4. Сила тяготения не действует на свет, на его траекторию движения.

5. В мире возможны одновременные события, так как время — это абсолютная математическая длительность, мера определения движения тел в пространстве.

6. Ритм времени одинаков в каждой точке Вселенной и по всем ее направлениям.

7. Пространство — это своеобразная арена, сцена, на которой происходят физические события.

8. Математическая теория пространства Евклида правильно отражает метрику

пространства при механическом движении: два прямолинейно движущихся тела никогда не пересекутся в своем движении на просторах Вселенной.

9. Часы, установленные на движущемся теле, не замедляют и не ускоряют свой ход, величина массы тела также остается неизменной в механическом движении тел.

Б. Ответ Ньютона в форме свободного рассуждения 1. Если бы все вещество нашего Солнца и все вещество Вселенной было бы равномерно рассеяно в небесных глубинах, и если

бы каждая частица имела врожденное тяготение ко всем остальным частицам,

и если бы, наконец, пространство, в котором рассеяна вся материя Вселенной, было конечным, то все вещество снаружи этого пространства в силу тяготения влеклось бы ко всему веществу, которое находится внутри этого пространства, и тем самым создало бы внутри пространства огромную сферическую массу.

В этом рассуждении Ньютон говорит о гравитационной неустойчивости Вселенной, т. е. при отсутствии силы отталкивания, противоположной силе тяготения, тяготение приведет к скручиванию массы всех тел во Вселенной в одном центре. Этот эффект называется коллапсом (падение внутрь), заимствовано

из латинского языка.

2. Если пространство бесконечно и вещество Вселенной равномерно распределено в этом пространстве, то вещество Вселенной сгущалось бы в точках пространства, создавая бесконечное число массивных тел. Именно в бесконечном пространстве из вещества (частиц) могло образоваться наше Солнце и другие небесные тела под действием силы тяготения.

В своих рассуждениях Ньютон отмечает важность свойств самого пространства (замкнутое, открытое) для физических процессов образования материальных тел во Вселенной. Как и Галилей, он считал, что в материальном мире все состоит из вечных, нестареющих частиц, некоторые из них имеют светящуюся природу. Из них состоят звезды.

Ньютону принадлежит интересная гипотеза о том, что «жар Солнца» и звезд сохраняется большим их весом и высокой плотностью окружающих их атмосфер, оболочек, сжимающих их со всех сторон. В последние годы своей жизни Ньютон уделял большое внимание изучению оптических явлений.

Физическая природа света. Физическая природа света была предметом исследования многих мыслителей времени Ньютона. Р. Гук рассматривал свет как волновое явление, движение волн. Это означало, что пространство между небесными телами заполнено эфиром, особым физическим материальным агрегатным состоянием. По мере изучения свойств распространения света эфир наделялся рядом фантастических физических свойств: невесомый, разряженный, всепроникающий и т. п.

Гипотеза Ньютона о корпускулярной природе света как потока частиц,

подверженных колебательному движению, не была попу-

лярна в его время. Невозможно было в XVII в. и осуществить метод Галилея для измерения скорости света, который он предложил в работе «Беседы о математическом доказательстве» (1638). Астроном X. Кассини (1625—1712) утверждал, что скорость света конечна, однако приводимым им доказательствам

не поверили. «Трактат о свете» (1690 г. — дата публикации) X. Гюйгенса (1629—

1693) считался наиболее авторитетным трудом в то время. В нем приводились доказательства волновой физической природы света.

В конце XIX в. и в первом десятилетии ХХ в. проблема физической природы света приобрела вновь актуальное значение в работах Г. Герца (1857—1894) и А. Эйнштейна, который обратился к корпускулярной гипотезе света И. Ньютона.

Механическая картина мира

Популяризация идей механики И. Ньютона связана с именем французского философа Вольтера (1694—1778). При его активном содействии работа Ньютона

«Математические начала натуральной философии» была переведена с латинского языка на французский язык. Затем Вольтер написал популярное изложение механики Ньютона под названием «Элементы учения Ньютона». В философии Вольтера большое место занимала критика церкви, борьба за общественный прогресс и образование. Механика Ньютона представлялась ему образцом человеческого творчества, проникающего в глубины тайн устройства природы. Популяризация механики Ньютона способствовала возникновению механистической физической картины мира, в которой Вселенная представлялась

в виде мировой машины или механизма, подчиняющегося законам механического движения.

Триумфом механики И. Ньютона стали открытия астрономов. В 1781 г. была открыта планета Уран, в 1846 г. — Нептун, в 1930 г. — Плутон. Каждому из этих астрономических открытий предшествовали вычисления на основе закона всемирного тяготения Ньютона.

Механика Ньютона стала научной основой создания первых концепций строения Вселенной и образования структур в ней. И. Кант (1724—1804) и П. Лаплас (1749—1827) — авторы небулярной гипотезы (лат. nebula — туман). Ньютону принадлежит приоритет в вычислении орбит искусственных спутников Земли. На расстоянии 40 тыс. километров спутник синхронно движется

относительно определенной точки поверхности Земли (постоянно находится над ней).

Открытие силы гравитации поставило перед естествознанием ряд загадочных вопросов:

1. Как эта сила возникает? В реальности человек ощущает действие этой силы?

2. Как она распространяется: в виде волн или особых частиц (гравитонов) и с какой скоростью?

3. Сила гравитации, по Ньютону, ослабевает с увеличением расстояния между телами. Поэтому возникает вопрос, нет ли таких мест во Вселенной, где ее величина равна нулю. Иначе говоря, она является универсальной или где-то во Вселенной она ослабевает настолько, что физическое ее действие не играет никакой роли?

4. Можно ли экранировать действие силы гравитации? Это обстоятельство имеет большое значение для космических путешествий.

5. Как связано действие силы гравитации с пространством и временем?

6. Можно ли использовать силу гравитации для изучения строения Земли? Такого рода вопросы-загадки стали ориентиром в развитии новых физических теорий, следовавших за механикой Галилея — Ньютона.

7. Существуют ли гравитоны, частицы, которые позволяют силе тяготения распространяться с мгновенной скоростью? Швейцарский ученый Фотье дю Дюийе (1664—1753) высказал гипотезу о существовании гравитонов в связи с обсуждением теории Ньютона.

ВЫВОДЫ

1. Механика Галилея - Ньютона рассматривала законы движения вещества,

материальных тел, имеющих массу. Понятия физического поля появляются лишь в XIX

в.

2. В этой механике время и пространство заданы как бы от Бога и не имеют физического содержания, т. е. временной ритм и пространство являются абсолютными условиями существования физических тел. Физического воздействия на тела они не оказывают.

3. Принцип детерминизма всей классической механики исключает возможность событий случайного физического характера (самоорганизации, са-

моразвития). Случайность события связывается с недостаточным знанием о нем.

Но этот недостаток в принципе можно устранить в изучении события, исследуя его бесконечно долго.

4. Физические события в закрытых механических системах являются обратимыми,

поскольку время имеет математический, а не физический смысл.

5. В закрытых механических системах действуют физические законы сохранения

(импульса, энергии, массы и т. п.), т. е. однажды качнувшийся маятник Фуко будет в замкнутой системе качаться вечно, точно повторяя траекторию своего движения слева

направо.

6. Для объяснения причинно-следственных связей в мире классическая механика косвенно использует понятие времени: следствие не может предшествовать причине,

причина и следствие не могут быть одновременными, отдаленная причина определяется

через последовательность событий во времени,

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И СЕМИНАРОВ

1. В чем выражается суть метода Галилея в изучении явления свободного падения тела?

2. Как трактуется время и пространство в механике Галилея - Ньютона?

3. Почему в закрытых механических системах физические события являются обратимыми?

4. Какие открытия в области астрономии были созданы на основе механики Ньютона?

5. Принцип детерминизма (его физический смысл, содержание).

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 678 9 10 11 Следующая ⇒