Основная задача классической механики и границы ее применимости

Классическая механика Ньютона сыграла и играет до сих пор огромную роль в развитии естествознания. Она объясняет множество физических явлений и процессов в земных и внеземных условиях, составляет основу для многих технических достижений в течение длительного времени. На ее фундаменте формировались многие методы научных исследований в различных отраслях естествознания. Во многом она определяла мышление и мировоззрение. Вплоть до начала XX в. в науке господствовало механистическое мировоззрение, физическая сущность которого заключается в том, что все явления природы можно объяснить движениями частиц и тел. Примером большого успеха механистического представления физических процессов можно считать разработку молекулярно-кинетической теории вещества, позволившей понять тепловые процессы.

В основе классической механики лежит концепция Ньютона,  определившая лицо естествознания вплоть до XX в. Сущность концепции Ньютона наиболее кратко и отчетливо выразил  Эйнштейн: "Согласно ньютоновской системе, физическая реальность характеризуется понятиями  пространства,  времени,  материальной  точки  и  силы (взаимодействия материальных точек). В ньютоновской концепции под физическими событиями следует понимать движение материальных точек в пространстве, управляемое неизменными законами".

Согласно современным представлениям, классическая механика имеет свою область применения: ее законы выполняются для относительно медленных движений тел, скорость которых много меньше скорости света. В то же время практика показывает: классическая механика — безусловно истинная теория и таковой останется, пока будет существовать наука. Вместе с ней останутся и те общие и абстрактные "классические" образы природы — пространство, время, масса, сила и т.д., которые лежат в ее основе. По крайней мере, эти образы сохраняются в современной физике и во всем естествознании, только они стали четче и объемнее.

Принцип причинности и лапласовский детерминизм.

Возникло философское учение — механистический детерминизм, классическим представителем которого был Пьер Симон Лаплас (1749—1827), французский математик, физик и философ. Лапласовский детерминизм выражает идею абсолютного детерминизма — уверенность в том, что все происходящее имеет причину в человеческом понятии и есть непознанная разумом необходимость. Суть его можно понять из высказывания Лапласа:

"Современные события имеют с событиями предшествующими связь, основанную на очевидном принципе, что никакой предмет не может начать быть без причины, которая его произвела... Воля, сколь угодно свободная, не может без определенного мотива породить действия, даже такие, которые считаются нейтральными... Мы должны рассматривать современное состояние Вселенной как результат ее предшествующего состояния и причину последующего".

Дальнейшее развитие физики показало, что в природе могут происходить процессы, причину которых трудно определить. Например, процесс радиоактивного распада происходит случайно. Подобные процессы происходят объективно случайно, а не потому, что мы не можем указать их причину из-за недостатка наших знаний. И наука при этом не перестала развиваться, а обогатилась новыми законами, принципами и концепциями, которые показывают ограниченность классического принципа лапласовского детерминизма.

Становление специальной теории относительности

К концу XIX столетия в науке преобладала теория абсолютно неподвижного в мировом пространстве эфира. Эта теория в дальнейшем была развита нидерландским физиком X. Лоренцем и с тех пор носит его имя, хотя на самом деле она возникла значительно раньше. Однако до этого, в 1851 г. французским физиком Физо был проведен эксперимент, показавший, что свет частично захватывается движущейся средой.

Позже, в 1877 г. в 8 томе Британской энциклопедии появилась статья Максвелла, в которой обращалось внимание на возможность обнаружения эфирного ветра (ether drifto) на поверхности Земли, движущейся по орбите вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с.

А. Майкельсона построил в 1880 г. лабораторный крестообразный интерферометр с длиной оптического пути в 1,2 м и, к его удивлению, не получил ожидаемого смещения. Смещение было хаотическим и весьма малым. Прибор обнаружил высокую чувствительность ко всякого рода вибрациям. Поэтому Майкель-сон с помощью профессора Морли в 1886 г. построил второй интерферометр с длиной оптического пути в 11 метров и в нем были приняты меры против чувствительности к вибрациям: прибор был помещен на поплавок, плававший на ртути.

Однако и на этот раз смещение интерференционных полос было в сто раз меньше ожидавшегося, что соответствовало относительной скорости эфирного ветра на поверхности Земли не в 30 км/с, а всего лишь в 3 км/с, что никак не было объяснено.

Эксперименты были продолжены Морли и Миллером на Кливлендских высотах (высота над уровнем моря 250 м) и в 1904— 1905 гг. были получены устойчивые данные по величине эфирного ветра в 3—3,5 км/с, что вновь не соответствовало ожидавшемуся значению в 30 км/с. На этом работы были временно отложены и продолжены только в 1921 году Миллером в обсерватории Маунт Вилсон на высоте около 1800 м, где им вместе с помощниками к 1925 г. была проведена громадная работа и не только получены устойчивые данные по скорости эфирного ветра, равной на этой высоте порядка 10 км/с, но и определено общее его направление. Оказалось, что эфирный ветер омывает Землю не в плоскости эклиптики, как ожидалось, а в направлении, почти перпендикулярном к нему, со стороны звезды «Дзета» созвездия Дракона, расположенной под углом 26 градусов к Полярной звезде. Но все это случилось уже после того, как Эйнштейном в 1905 г. была опубликована его знаменитая статья «К электродинамике движущихся тел».

Основные положения СТО

Эйнштейном введено не два, как об этом обычно пишут, а пять постулатов, и самым главным из них является постулат об отсутствии в природе эфира. В последующих статьях, особенно в статье «Принцип относительности и его следствия» (1910) Эйнштейн утверждает, что «нельзя создать удовлетворительную теорию, не отказавшись от существования некоей среды, заполняющей все пространство».

Вторым постулатом является упомянутый выше «принцип одновременности», непосредственно связавший факт одновременности событий со скоростью света.

Третьим постулатом является так называемый принцип относительности, гласящий, что все процессы в системе, находящейся в равномерном и прямолинейном движении, происходят по тем же законам, что и в покоящейся системе. Этот принцип относительно механических систем был выдвинут еще Галилеем, но Эйнштейн его распространил вообще на любые физические явления, в том числе и на электромагнитные. Этот постулат был бы невозможен, если бы эфир существовал: пришлось бы рассматривать процессы, связанные с движением тел относительно эфира. А раз эфира нет, то и рассматривать нечего.

Четвертым постулатом является принцип постоянства скорости света и независимости скорости света от скорости движения источника. Этот постулат можно было бы использовать, если бы было твердо установлено, что свет является волновым движением, поскольку всякая волна имеет постоянную скорость относительно среды, а не относительно источника ее создавшего. Но структура фотона не была установлена, и поэтому такое предположение является некоторой натяжкой.

И, наконец, пятым постулатом является инвариантность интервала, состоящего из четырех составляющих — трех пространственных координат и времени, умноженного на все ту же скорость света:

ds2=dх2 + dy2 + dz2 – c2dt2 = const.

Максимальная скорость передачи взаимодействий.

До начала XX века никто не сомневался, что время абсолютно. Два события, одновременные для жителей Земли, одновременны для жителей любой космической цивилизации. Создание теории относительности показало, что это не так.

Причиной  несостоятельности классических представлений о пространстве и времени является неправильное предположение о возможности мгновенной передачи взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую. Существование предельной конечной скорости передачи взаимодействий выбывает необходимость глубокого измерения обычных представлений о пространстве и времени, основаниях на повседневном опыте. Представление об абсолютном времени, которое течет раз и навсегда заданным темпом, совершенно независимо от материи и ее движения, оказывается неправильным.

Если допустить мгновенное распространение сигналов, то утверждение, что события в двух пространственно разделенных точках  произошли  одновременно,  будет иметь абсолютный смысл. Можно поместить в точки А и В часы и синхронизировать их с помощью мгновенных сигналов. Если такой сигнал отправлен из А, например, в О ч 45 мин и он в этот же момент времени по часам В пришел в точку В, то, значит, часы показывают одинаковое время, т. е. идут синхронно. Если же такого совпадения нет, то часы можно синхронизировать, подведя вперед те часы, которые показывают меньшее время в момент отправления сигнала.

Любые события, например два удара молнии, одновременны, если они происходят при одинаковых показаниях синхронизированных часов.

Для синхронизации часов естественно прибегнуть к световым или вообще электромагнитным сигналам, так как скорость электромагнитных волн в вакууме является строго определенной, постоянной величиной.

Именно этот способ используют для проверки часов по радио. Сигналы времени позволяют синхронизировать ваши часы с точными эталонными часами. Зная расстояние от радиостанции до дома, можно вычислить поправку на запаздывание сигнала. Эта поправка, конечно, очень невелика. В повседневной жизни она не играет сколько-нибудь заметной роли. Но при огромных космических расстояниях она может оказаться весьма существенной.

Два любых события в точках А и В, одновременные в системе Ki, неодновременны в системе К, но в силу принципа относительности системы Ki и К совершенно равноправны. Ни одной из этих систем нельзя отдать предпочтение. Поэтому мы вынуждены прийти к заключению, что одновременность пространственно разделенных событий относительна. Причиной относительности одновременности является, как мы видим, конечность скорости распространения сигналов.

Одновременность событий относительна. Представить себе это наглядно, «почувствовать», мы не в состоянии из-за того, что скорость света много больше тех скоростей, с которыми движемся мы.

Из принципа относительности одновременности вытекает принцип конечности передачи взаимодействий – максимальной скорости, которую можно придать телу, равной скорости света в вакууме.

Единое пространство-время.

Для количественного описания движения сформировались представления о пространстве и времени, которые за длительный период развития естествознания претерпели существенные изменения.

В физике движение рассматривается в самом общем виде как изменение состояния или другой физической системы, и для описания состояния вводится набор измеряемых параметров, к которым со времен Декарта относятся пространственно-временные координаты, или точки пространственно-временного континуума, означающего непрерывное множество. В физике используются и другие параметры состояния систем: импульс, энергия, температура, спин и т. п.

В  строгом определении время выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого физического процесса или явления; оно универсально. Говорить о времени безотносительно к изменениям в каких-либо реальных телах или системах — с физической точки зрения бессмысленно.

В процессе развития физики с появлением специальной теории относительности возникло утверждение: абсолютное время не имеет физического смысла, оно — лишь идеальное математическое представление, ибо в природе нет такого реального физического процесса, пригодного для измерения абсолютного времени.

Во-первых, течение времени зависит от скорости движения системы отсчета. При достаточно большой скорости, близкой к скорости света, время замедляется, т. е. возникает релятивистское замедление времени. Во-вторых, поле тяготения приводит к гравитационному замедлению времени. Можно говорить только о локальном времени в некоторой системе отсчета. В этой связи время не есть сущность, не зависящая от материи. Течет оно с различной скоростью в различных физических условиях. Время всегда относительно.

Важная особенность времени выражена в постулате времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Хотя этот постулат кажется естественным и очевидным, его истинность относительна, так как его нельзя проверить на опыте даже с помощью самых совершенных, но реальных часов, поскольку: 1) они все же не идеальны и характеризуются своей мерой точности; 2) нет абсолютной уверенности в возможности создания совершенно одинаковых условий в природе в разное время. Вместе с тем длительная практика естественнонаучных исследований позволяет нам не сомневаться в справедливости данного постулата в пределах определенной точности, которая может быть сколь угодно высокой.

Концепция пространства, как и концепция времени, прошла длительный путь становления и развития. Первое представление о пространстве возникло из очевидного существования в природе и в первую очередь в микромире твердых физических тел, занимающих определенный объем. Из такого представления вытекало определение: пространство выражает порядок сосуществования физических тел. Первая законченная теория пространства — геометрия Евклида. Она была создана примерно 2000 лет назад и до сих пор считается образцом научной теории. Геометрия Евклида оперирует идеальными математическими объектами, которые существуют как бы вне времени, и в этом смысле пространство в этой геометрии — идеальное математическое пространство. Вплоть до середины XIX в., когда были созданы неевклидовы геометрии, никто из естествоиспытателей не сомневался в тождественности реального физического и Евклидова пространств.

По аналогии с абсолютным временем Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое может быть совершенно пустым и существует независимо от наличия в нем физических тел, являясь как бы мировой сферой, где разыгрываются физические процессы. Свойства такого пространства определяются Евклидовой геометрией. Такое представление о пространстве и до сих пор лежит в основе многих экспериментов, позволивших сделать крупные открытия.

Специальная теория относительности объединила пространство и время в единый континуум пространство—время. Основанием для такого объединения послужил и постулат о предельной скорости передачи взаимодействий материальных тел — скорости света, равной в вакууме примерно 300 000 км/с, и принцип относительности. Из данной теории следует относительность одновременности двух событий, происшедших в разных точках пространства, а также относительность измерений длин и интервалов времени, произведенных в разных системах отсчета, движущихся относительно друг друга. Все это означает, что для реального мира пространство и время имеет не абсолютный, а относительный характер.

При подготовке этой работы были использованы материалы с сайта http://www.studentu.ru