ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ
Лекция 5
Тема лекции:Физическая картина мира – 1
План лекции
Концепция детерминизма в классическом естествознании. Классическая механика и детерминизм Лапласа. Связь законов сохранения со свойствами симметрии пространства и времени. Динамические законы в классической механике.
Корпускулярные и континуальные подходы в естествознании. Дискретность и непрерывность в вопросе о строении материи. Концепции дальнодействия и близкодействия, материальные физические поля.
Колебательные и волновые процессы в природе.
Развитие представлений о природе света. Электродинамика Максвелла и концепция эфира. Опыты Майкельсона-Морли.
Концепция детерминизма в классическом естествознании.Своим авторитетом классическая наука обязана, прежде всего, ньютоновской механике, которая обобщила огромный эмпирический материал, накопленный многими поколениями ученых, дала в руки людей мощный инструмент однозначного предсказания будущего в широкой области объектов и явлений природы.
Эмпирические законы И. Кеплера убедительно показали существование «порядка» в движении планет Солнечной системы. Решающий же шаг в понимании причин этого порядка был сделан И. Ньютоном. Созданная им классическая механика в чрезвычайно лаконичной форме обобщила весь предшествующий опыт человечества в изучении движений. Оказалось, что все многообразие перемещений макроскопических тел в пространстве может быть описано всего лишь двумя законами: вторым законом Ньютона (F =ma) и законом всемирного тяготения (F=Gm1m2 /r2). И не только законы Кеплера, относящиеся к Солнечной системе, оказались следствием законов Ньютона, но и все наблюдаемые человеком в естественных условиях перемещения тел стали доступными аналитическому расчету. Точность, с которой такие расчеты позволяли делать предсказания, удовлетворяли любые запросы. Сильнейшее впечатление на людей произвело обнаружение в 1846 году ранее неизвестной планеты Нептун, положение которой было рассчитано заранее на основании уравнений Ньютона.
|
|
|
К середине XIX века авторитет классической механики возрос настолько, что она стала считаться эталоном научного подхода в естествознании. Широта охвата явлений природы, однозначная определенность (детерминизм) выводов, характерные для механики Ньютона, были настолько убедительны, что сформировалось своеобразное мировоззрение, в соответствии с которым механистический подход следует применять ко всем явлениям природы, включая физиологические и социальные, и что надо только определить начальные условия, чтобы проследить эволюцию природы во всем ее многообразии. Это мировоззрение часто называют «детерминизмом Лапласа», в память о великом французском ученом П. Лапласе, внесшем большой вклад в небесную механику, физику и математику. На основе механики Ньютона была создана первая научная картина мира – универсальная, детерминистическая и объективная.
|
|
|
Идеализированные представления о пространстве, времени и состоянии в классической механике.Прежде всего, следует отметить, что законы механики формулируются не для реальных, а для идеальных объектов и ситуаций, которые разворачиваются в “абсолютно” пустом пространстве и в “абсолютно” независимом от этого пространства времени. Однако самой важной идеализацией в механике является материальная точка - объект, не имеющий геометрических размеров, но, тем не менее, обладающей инертностью (массой). Положение в пространстве таких (и только таких!) объектов можно описать радиус-вектором r, конец которого описывает непрерывную линию, называемую траекторией.
Именно для анализа траекторий движения материальных точек Ньютоном и независимо от него Г. Лейбницем был разработан специальный математический аппарат - дифференциальное и интегральное исчисление, краеугольным понятием которого является производная, представляющая собой скорость изменения функции. Положение материальной точки в пространстве задается радиус-вектором 
. Производная радиус-вектора по времени называется в механике вектором скорости 
Этот вектор направлен по касательной к траектории и характеризует изменение радиус-вектора как по длине (модулю), так и по направлению. Аналогично, ускорение 
описывает изменение вектора скорости по модулю и по направлению.
|
|
|
Фундаментом классической механики является утверждение о том, что в инерциальных системах отсчета ускорение 
материальной точки с массой 
определяется силой 
, характеризующей ее взаимодействия с другими материальными объектами (второй закон Ньютона)
, или 
(2.1.1)
В уравнении (2.1.1) заключена вся классическая механика. С помощью этого уравнения решается основная задача динамики - определение траектории 
по заданным силам .
Очевидно, начальный момент времени может быть выбран произвольно. Поэтому мгновенное положение и мгновенная скорость полностью и однозначно определяет траекторию движения материальной точки. Именно поэтому говорят, что состояние материальной точки полностью определяется ее положением и скоростью.
|
|
|
Аналогично, состояние системы материальных точек в классической механике описывается заданием в данный момент времени координат и скоростей материальных точек, входящих в систему. Зная координаты и скорости материальных точек в начальный момент времени и силы, действующие на материальные точки, решая уравнения динамики, можно рассчитать состояние системы (координаты и скорости материальных точек) во все последующие моменты времени. В классической механике существует строгая причинная зависимость координат частицы (материальной точки) − положения её в пространстве – от времени. Это положение и получило название лапласова детерминизма, суть которого состоит в признании точного и однозначного определения состояния системы её предыдущим состоянием.
Детерминизм – положение об объективной закономерной взаимосвязи и взаимообусловленности явлений материального мира. Идея детерминизма состоит в том, что все явления и события в мире не произвольны, а подчиняются объективным закономерностям. В классической механике нет случайностей. В ней все закономерно. Если эти законы установлены, они формулируются в однозначной форме. Если воспроизвести условия, в которых существовала причина некоторого явления, то повторится то же самое следствие. Одна и та же сила, действующая на тела одинаковой массы, в идентичных условиях всегда вызовет у них одно и то же ускорение.
Важнейшим положением детерминизма является понятие причинности. Причинность – это генетическая связь между отдельными состояниями видов и форм материи в процессе её движения и развития. Для причины характерны следующие признаки:
- причина по времени всегда предшествует следствию;
- одна и та же причина в аналогичных условиях всегда обусловливает одно и то же следствие;
- причина – это активный агент, производящий действие.
Таким образом, законы классической механики однозначно связывают причину и следствие. Все предсказания носят определенный, однозначный характер. Такие законы называются динамическими. Детерминизм в классической механике тесно связан с понятием обратимости механических явлений.
С серьезными проблемами столкнулись ученые при попытке применить математический аппарат ньютоновской механики к описанию очень быстрых движений. И в этом случае источником «неприятностей» стала математическая идеализация задачи о движении, в соответствии с которой взаимодействие между отдельными материальными точками определяется мгновенным расстоянием между ними, причем неявно предполагается «бесконечно» большая скорость передачи информации об изменении взаимного расположения этих точек. Решение этих проблем оказалось возможным в рамках специальной и общей теории относительности, где вместо классических представлений об «абсолютном» пространстве и «абсолютном» времени используются релятивистские концепции единого 4-х мерного неевклидова пространства-времени.
Наконец, применение ньютоновской механики оказалось совершенно невозможным для описания движения в масштабах микромира (молекулы, атомы, элементарные частицы). Отказ от основных классических идеализаций (материальная точка, траектория, сила и др.) потребовал полной смены не только математического аппарата, но и самой формулировки задачи о движении, которая из динамической «превратилась» в статистическую.
Связь законов сохранения с фундаментальной симметрией пространства и времени.Несмотря на то, что ничего принципиально нового в механике, кроме уравнения (2.1.1) нет, за прошедшие почти три века было предложено много различных приемов решения этого уравнения, когда не требуется знать траекторию , а нужно только «предсказать», может ли материальная точка переместиться из одного положения в пространстве в другое. Среди этих приемов выделяются те, которые основаны на законах сохранения, имеющих огромное значение не только в механике, но и во всем естествознании. Законы сохранения позволяют проанализировать возможные изменения состояния материальных точек без непосредственного расчета их траекторий. В классической механике таких законов три: законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.
Закон сохранения энергии – один из наиболее фундаментальных законов природы: полная энергия изолированной системы тел остаётся неизменной с течением времени (сохраняется) при любых взаимодействиях между телами; при этом она может переходить из одной формы в другую. Закон сохранения энергии является строгим законом природы, справедливым для всех известных взаимодействий. Он связан с однородностью времени.
В классической механике справедлив закон сохранения механической энергии: полная механическая энергия замкнутой системы, в которой отсутствуют диссипативные силы, остаётся неизменной (сохраняется) с течением времени; является следствием однородности времени. Так как полная механическая энергия, по определению, равна сумме потенциальной энергии П и кинетической энергии Т, то закон сохранения полной механической энергии может быть записан в виде:
Т + П = const. (2.1.2)
Следует отметить, что при движении в поле непотенциальных сил (например, силы трения) полная механическая энергия не сохраняется.
Закон сохранения импульса формулируется для замкнутой системы материальных точек. Закон сохранения импульса – закон механики, в соответствии с которым векторная сумма импульсов тел замкнутой системы остается постоянной при любых взаимодействиях этих тел между собой:
(2.1.3)
Импульс может только перераспределяться между телами системы в результате их взаимодействия. В механике этот закон выводится из законов Ньютона. За пределами механики закон сохранения импульса нужно рассматривать как самостоятельный опытный принцип, не сводящийся к законам Ньютона. Он справедлив и в теории относительности. Закон сохранения импульса есть следствие однородности пространства. Даже в квантовой механике, где импульс уже не равен произведению массы на скорость (так как понятие скорости в квантовой механике вообще отсутствует в обычном понимании этого термина), закон сохранения импульса, по-прежнему, имеет место. Этот закон, с одной стороны, «запрещает» некоторые движения, с другой стороны, открывает возможность реализации некоторых нетривиальных способов увеличения скорости (реактивное движение).
Закон сохранения момента импульса имеет большое значение, прежде всего, в связи с движением тел в поле центральных сил (например, в гравитационном поле), а также при вращении тел. Закон сохранения момента импульса – один из фундаментальных законов природы: момент импульса замкнутой механической системы относительно любой неподвижной точки не изменяется с течением времени; является следствием изотропности пространства. Для незамкнутой системы: если момент внешних сил относительно оси вращения равен нулю, то момент импульса системы относительно той же оси остаётся неизменным с течением времени.
В соответствии с этим законом происходит движение планет вокруг Солнца. Импульс планеты 
все время меняется, но момент импульса 
остается неизменным. Именно с сохранением момента импульса связан второй закон Кеплера, в соответствии с которым радиус-вектор планеты за одинаковые промежутки времени описывает равные площади. В случае вращающегося твердого тела его суммарный импульс равен нулю, однако момент импульса отличен от нуля и в отсутствие моментов внешних сил остается постоянным.
Триумф небесной механики в XVIII - XIX в.в. был связан именно с применением законов сохранения, а не с непосредственным решением дифференциальных уравнений.
В 1918 г. немецкий математик Эмми Нетер сформулировала замечательную теорему, согласно которой для физической системы, движение которой описывается некоторым дифференциальным уравнением, каждому непрерывному преобразованию симметрии координат и времени соответствует определенный закон сохранения и наоборот. Согласно теореме Нетер, из однородности времени вытекает закон сохранения энергии, из однородности пространства - закон сохранения импульса, а из изотропности пространства - закон сохранения момента импульса.
Таким образом, являясь следствием ньютоновских уравнений движения, законы сохранения приобретают онтологический смысл, отражая метафизическое представление о пространстве и времени, которые либо свидетельствуют о вечности и бесконечности нашего мира, либо вообще «отрываются» от него, становясь схоластическими понятиями.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 471; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!