Механика ньютона для чего нужна и где применяется

Ньютоновская механика

История…

Фундаментальные понятия
Пространство · Время · Масса · Сила Энергия · Импульс

Формулировки
Ньютоновская механика Лагранжева механика Гамильтонова механика

Разделы
Прикладная механика Небесная механика Механика сплошных сред Геометрическая оптика Статистическая механика

Учёные
Галилей · Кеплер · Ньютон Эйлер · Лаплас · Д’Аламбер Лагранж · Гамильтон · Коши

Класси́ческая меха́ника — вид механики (раздела физики, изучающей законы изменения положений тел и причины, это вызывающие), основанный на 3 законах Ньютона и принципе относительности Галилея. Поэтому её часто называют «Ньютоновской механикой». Важное место в классической механике занимает существование инерциальных систем. Классическая механика подразделяется на кинематику (которая изучает геометрическое свойство движения без рассмотрения его причин), статику (которая рассматривает равновесие тел) и динамику (которая рассматривает движение тел).

Классическая механика дает очень точные результаты в рамках повседневного опыта. Но для систем, движущихся с большими скоростями, приближающимися к скорости света, более точные результаты дает релятивистская механика, для систем микроскопических размеров — квантовая механика, а для систем, обладающих обеими характеристиками — квантовая теория поля. Тем не менее, классическая механика сохраняет свое значение, поскольку (1) она намного проще в понимании и использовании, чем остальные теории, и (2) в обширном диапазоне она достаточно хорошо приближается к реальности. Классическую механику можно использовать для описания движения таких объектов, как волчок и бейсбольный мяч, многих астрономических объектов (таких, как планеты и галактики), и даже многих микроскопических объектов, таких как органические молекулы.

Хотя классическая механика в общих чертах совместима с другими «классическими теориями», такими как классическая электродинамика и термодинамика, в конце 19 века были найдены несоответствия, которые удалось разрешить только в рамках более современных физических теорий. В частности, классическая электродинамика предсказывает, что скорость света постоянна для всех наблюдателей, что трудно совместить с классической механикой, и что привело к необходимости создания специальной теории относительности. При рассмотрении совместно с классической термодинамикой, классическая механика приводит к парадоксу Гиббса в котором невозможно точно определить величину энтропии и к ультрафиолетовой катастрофе, в которой абсолютно чёрное тело должно излучать бесконечное количество энергии. Попытки разрешить эти проблемы привели к развитию квантовой механики.

Содержание

Описание теории

Перейдем к изложению основных понятий классической механики. Для простоты, мы будем рассматривать только материальную точку, т. е. тело, размером которого можно пренебречь. Движение материальной точки характеризуется несколькими параметрами: её положением, массой, и приложенными к ней силами. Рассмотрим каждый из них по очереди.

В действительности, любое тело, которое подчиняется законам классической механики, обязательно имеет ненулевой размер. Настоящие материальные точки, такие, как электрон, подчиняются законам квантовой механики. Тела ненулевого размера могут испытывать более сложные движения, поскольку может меняться их внутренняя конфигурация, например, потому что теннисный мяч может двигаться, вращаясь. Тем не менее, мы сможем применить к подобным телам результаты, полученные для материальных точек, рассматривая такие тела, как совокупности большого количества взаимодействующих материальных точек. Мы сможем показать, что такие сложные тела ведут себя, как материальные точки, при условии, что они малы в масштабах рассматриваемой задачи.

Радиус-вектор и его производные

Радиус-вектор материальной точки указывает на её положение по отношению к произвольной точке, зафиксированной в пространстве, которая обычно называется началом координат, и обозначается O. Это вектор r соединяющий начало координат с частицей. В общем случае, материальная точка движется, поэтому r является функцией t, промежутка времени прошедшего с произвольного начального момента. Скорость изменения положения со временем, определяется так:

.

Ускорение, или скорость изменения скорости, это:

.

Вектор ускорения может меняться за счет изменения его направления, величины, или и того и другого. Если скорость уменьшается, иногда пользуются термином «замедление», но вообще, термин «ускорение» относится к любому изменению скорости.

Второй закон Ньютона

Второй закон Ньютона связывает массу и скорость частицы с векторной величиной, известной как сила. Пусть m — масса тела и F — векторная сумма всех приложенных к нему сил (то есть равнодействующая сила.) Тогда второй закон Ньютона выглядит так:

.

Величина mv называется импульсом. В большинстве случаев, масса m не изменяется со временем, и закон Ньютона можно записать в упрощенной форме

где a — ускорение, определенное выше. Не всегда выполняется условие независимости массы от времени. Например, масса ракеты уменьшается по мере использования горючего. В таких случаях последнее выражение неприменимо, и следует пользоваться полной формой второго закона Ньютона.

Второго закона Ньютона недостаточно для описания движения частицы. Дополнительно требуется описание силы F, полученное из рассмотрения сущности физического взаимодействия, в котором участвует тело. Например, сила трения может быть смоделирована как функция скорости частицы, а именно

где λ — некоторая положительная постоянная. Получив независимое выражение для каждой силы, действующей на тело, мы можем подставить его во второй закон Ньютона и получим дифференциальное уравнение, называемое уравнением движения. Продолжая наш пример, примем, что на тело действует только сила трения. Тогда уравнение движения будет иметь вид

.

Это можно интегрировать, что даст

где v₀ — начальная скорость. Это означает, что скорость тела экспоненциально уменьшается со временем до нуля. Проинтегрировав последнее выражение, мы можем получить радиус-вектор r тела, как функцию времени.

Важными силами являются сила всемирного тяготения и сила Лоренца для электромагнетизма. Помимо этого, для определения сил, действующих на тело, используется третий закон Ньютона: если мы знаем, что тело A действует с силой F на тело B, значит B должно действовать с равной по величине и противоположной по направлению силой реакции, −F, на A.

Энергия

Если сила приложена к частице, которая перемещается на , то работа, совершенная силой, определяется как скалярное произведение силы и вектора перемещения:

Если масса частицы постоянна, а W_total полная работа, совершенная частицей, определяемая как сумма работ совершенных приложенными к частице силами, то второй закон Ньютона примет вид:

где E_k называется кинетической энергией. Для материальной точки, кинетическая энергия определяется как работа силы, ускорившей точку от нулевой скорости до скорости v :

Для сложных объектов, состоящих из множества частиц, кинетическая энергия тела равна сумме кинетических энергий частиц.

Если все силы, действующие на частицу консервативны, и E_p является полной потенциальной энергий, полученной суммированием потенциальных энергий соответствующих каждой силе, тогда:

.

Этот результат известен как сохранение механической энергии и утверждает, что полная механическая энергия в замкнутой системе, в которой действуют консервативные силы

является постоянной относительно времени. Это очень полезно, потому что часто приходится сталкиваться с консервативными силами.

Источник

Классическая механика Ньютона

Вы будете перенаправлены на Автор24

Классическая механика Ньютона – это особое направление в науке, которое в последующем дало возможность ученым решать задачу о любой стадии движения, в отличие от предшествующих механических концепций.

Рисунок 1. Классическая механика Ньютона. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Великий английский физик Исаак Ньютон (1643–1727) разработал собственный вариант интегрального и дифференциального исчисления, применяемые непосредственно для решения главных проблем механики: вычисление мгновенной скорости как начальной от пути по времени движения, и – общего ускорения предметов как производной от скорости. Благодаря этому ученый смог сформулировать основные законы всемирного тяготения и динамики.

Теперь количественный метод при описании движения выступает в качестве центрального принципа, однако в середине XVII века это было крупнейшим открытием научной мысли.

Следовательно, можно сделать вывод, что учения Ньютона являются законченной механической системой, базирующейся на понятия количества материи и движения, включающие в себя три закона движения:

Основные определения классической механики детально изложены в знаменитом труде Ньютона под названием «Математические начала натуральной философии», который был выпущен в 1687 году. В своих экспериментах физик решил отказаться от применения всеобъемлющей картины нашей Вселенной и представил научному миру уникальный метод физического эксперимента, опирающийся исключительно на опыт, который ограничивается фактами и не претендует на познание истинных причин. Основной задачей механики Ньютона считается нахождение точного движения по силам, или, наоборот, определение действующих сил по движениям без первоначального анализа природы взаимосвязи.

Готовые работы на аналогичную тему

Основные закономерности в динамике

В 1667 Ньютон сформулировал и представил 3 главных закона динамики:

Рассмотренные 3 закона движения по Ньютону помогают установить начальное положение и скорость движения физических тел, используя для этого определенную координату в любой заданный момент времени.

Рисунок 2. Инвариантность второго закона Ньютона. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Открытие указанных концепций и гипотезы всемирного тяготения имеет огромное мировоззренческое значение и практическое воздействие.

Мировоззренческое значение выступает инструментом уникальности этих законов. Посредством данных закономерностей возможно дать объяснение множеству явлений: движение всех тел во Вселенной, их взаимодействие, скорость и так далее. На основе законов Ньютона появилась космология.

Практическое значение: без знаний законов технологии не возникло бы промышленной революции, которая имела место быть в 18 – 19 веках. В классической механике всегда существовала абсолютизация. Подход классической механики можно использовать и в настоящее время, но только в тех случаях, если скорости движения физических тел значительно меньше скорости света.

Закон Всемирного тяготения

Рисунок 3. Третий закон Ньютона. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Ньютоновская физика стала вершиной развития идей и взглядов в понимании сути природы, а работы великого ученого заложили прочную базу для классической науки Нового времени. Закон всемирного И. Ньютон открыл в начале 1682 года. В соответствии с данной гипотезой, между всеми физическими телами Вселенной постоянно действуют силы притяжения, которые направлены по определенным линиям, соединяющие центры масс. У любого элемента центр масс выглядит в виде однородного шара.

В последующие годы исследователь пытался обнаружить физическое объяснение закономерностям движения планет, открытых в начале XVII столетия И. Кеплером, и дать науке количественное определение для гравитационных сил. Так, зная, по какому принципу движутся планеты, Ньютон хотел установить, какие силы в основном на них действуют. Такой путь в физике называется обратной задачи механики.

Относительно данного закона можно сделать несколько важных замечаний. Его действие в явной форме воздействует на все материальные тела на Земле или в Космосе. Сила притяжения нашей планеты возле поверхности в равной мере влияет на физические тела, которые расположены в любой точке земного шара.

Принципы классической механики Ньютона

Натурфилософия Ньютона – это комплексный синтез разных методологических установок, основанных на идеях его предшественников и собранных в единую целостную гипотезу.

Механика Ньютона, которая в дальнейшем была развита в работах Лагранжа, Даламбера, Лапласа, Якоби и других исследователей, получает завершенную стройную форму, базирующуюся на определяющих научную картину мира теориях.

В ряде принципов учения Ньютона находятся: себе тождественность физического тела, детерминированность будущего поведения объекта и обратимость всех процессов в механической концепции.

Данные принципы являются результатам представлений о непрерывном времени и пустом пространстве, в которых реально выделить индивидуальное тело. Эти методы движущегося тела характеризуются непрерывным изменением окружающей среды. Благодаря таким взглядам, которые позволяют одновременно зарегистрировать существование физического тела и точно установить его скорость в каждой точке интервала, можно сделать вывод о том, что в природе существует одно и то же тело, само себе тождественное. Именно методология Ньютона стала основой для появления дифференциального и интегрального исчислений в Новое время, которые дают детализированное описание поведения элементарной частицы как в прошлом, настоящем, так и в будущем, то есть определяются свойствами детерминированности и обратимости.

Вследствие стремительного развития физики в начале XX столетия определилась сфера использования классической механики Ньютона: ее законы выполняются для определения движений, скорость которых значительно меньше скорости света. Ученые установили, что с ростом скорости масса физического тела автоматически возрастает. Вообще законы ньютоновского учения справедливы для случая инерциальных концепций отсчета. В случае неинерциальных систем отсчета ситуация совершенно иная, так как при ее ускоренном движении первый закон Ньютона не имеет места, – свободные элементы в ней будут постепенно менять свою скорость движения.

Источник

Ньютоновская механика для начинающих: разделы и сферы применения

Обновлено: 19 Марта 2021

Рассказываем, что такое «ньютоновская механика» и зачем она нужна человеку.

Что изучает механика?

Это раздел физики, который изучает движение и взаимодействие тел в пространстве. Само слово происходит от древнегреческого «мэханикэ», что значило «искусство построения машин», и именно это назначение науки стало толчком к зарождению во времена античности одного из разделов классической механики — статики.

Пока ее основной задачей было решение проблем строительства, ремесленничества, судоходства и военного дела, долгое время это направление так и оставалось на уровне изобретения «простых машин». Однако благодаря нуждам наших предков мы узнали о правиле рычага, понятии центра тяжести и основах гидростатики.

Классическая механика разветвляется на 3 направления:

Почему механику называют «ньютоновской»?

Несмотря на то что движущиеся тела — это первое, на что человек обычно обращает внимание, разделы «динамика» и «кинематика» начали активно развиваться и изучаться только в 17 веке. Серьезный шаг в этих направлениях сделал Галилео Галилей открытием закона инерции и принципа относительности. Затем — Христиан Гюйгенс, чьи исследования теории колебаний привели к изобретению первых точных часов с маятником. И наконец — Исаак Ньютон, открывший закон всемирного тяготения и наиболее полно сформулировавший известные в то время физические законы. Так механика стала «ньютоновской».

Всегда ли применимы законы классической механики?

Нет, не всегда. Несмотря на то что физика считается точной наукой, у человека пока недостаточно знаний, чтобы полностью объяснить строение окружающего мира. На данный момент ученым известно как минимум 3 вида ситуаций, которые не вписываются в рамки классической механики:

Таким образом, «ньютоновская» механика действительна только для привычного нам макромира.

В этой статье мы разобрались только с общими понятиями механики, пока не уделяя внимания формулам и решению задач. Однако если у вас есть такая потребность, всегда можно обратиться за помощью к специалистам ФениксХэлп. Поможем, расскажем и объясним, как решить любую учебную задачу или контрольную работу по физике.

Источник

Механика Ньютона.

1. Механика Ньютона.

1.1. Законы движения Ньютона.

1.2. Закон всемирного тяготения.

1.3. Основная задача механики.

1.4. Границы применимости.

2. Современная модель эволюции Вселенной.

Полагая человека случайностью, механистическая наука не интересуется его судьбой, его целями и ценностями, ко­торые выглядят смешными нелепостями, мгновенной вспышкой сознания в грандиозной машине бессмысленной Вселенной. Субъективное перемалывается жерновами объективного. Мир выглядит как нечеловекоразмерный, бесстрастно уничтожающий все человеческое, да и просто не замечающий его.

В начале XX в. был сделан целый ряд открытий, в корне изменивших видение мира современным естествознанием. Теория относительности А. Эйнштейна, опыты Резерфорда с альфа-частицами, работы Нильса Бора, исследования в химии, биологии, психологии и других науках показали. что мир гораздо разнообразнее, сложнее, чем это представ­лялось механистической науке, и что сознание человека из­начально включено в само наше восприятие действительно­сти.

Нобелевский лауреат Илья Пригожин положил начало новому принципу ос­мысления действительности. В свете этого принципа, признающего за Вселенной первич­ную динамическую неопределенность, оказалось возмож­ным выработать новое понимание эволюции. Второй закон термодинамики не всесилен, ибо все существующие системы имеют прирожденную способность мутировать в направле­нии большей сложности. Одна и та же энергия, одни и те же принципы обеспечивают эволюцию на всех уровнях: от физико-химических процессов до человеческого сознания и социокультурной информации. Вселенная оказывается еди­ной во всех своих пластах, живой, развивающейся, восхо­дящей на новые ступени бытия.

1. Механика Ньютона.

Вершиной научного творчества И. Ньютона является его бессмертный труд «Математические начала натуральной философии», впервые опубликованный в 1687 году. В нем он обобщил результаты, полученные его предшественниками и свои собственные исследования и создал впервые единую стройную систему земной и небесной механики, которая легла в основу всей классической физики. Здесь Ньютон дал определения исходных понятий – количества материи, эквивалентного массе, плотности; количества движения, эквивалентного импульсу, и различных видов силы. Формулируя понятие количества материи, он исходил из представления о том, что атомы состоят из некой единой первичной материи; плотность понимал как степень заполнения единицы объема тела первичной материей. В этой работе изложено учение Ньютона о всемирном тяготении, на основе которого он разработал теорию движения планет, спутников и комет, образующих солнечную систему. Опираясь на этот закон, он объяснил явление приливов и сжатие Юпитера.

Концепция Ньютона явилась основой для многих технических достижений в течение длительного времени. На ее фундаменте сформировались многие методы научных исследований в различных областях естествознания.

1.1. Законы движения Ньютона.

Если кинематика изучает движение геометрического тела, который не обладает никакими свойствами материального тела, кроме свойства занимать определенное место в пространстве и изменять это положение с течением времени, то динамика изучает движение реальных тел под действием приложенных к ним сил. Установленные Ньютоном три закона механики лежат в основе динамики и составляют основной раздел классической механики.

Непосредственно их можно применять к простейшему случаю движения, когда движущееся тело рассматривается как материальная точка, т.е. когда размер и форма тела не учитывается и когда движение тела рассматривается как движение точки, обладающей массой. В кипятке для описания движения точки можно выбрать любую систему координат, относительно которой определяются характеризующие это движение величины. За тело отсчета может быть принято любое тело, движущееся относительно других тел. В динамике имеют дело с инерциальными системами координат, характеризуемыми тем, что относительно них свободная материальная точка движется с постоянной скоростью.

1.2. Закон всемирного тяготения.

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.

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.

1.3. 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. Например, можно вычислить скорость спутника Земли.

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.

1.4. Границы применимости.

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. Вот простой пример нарушения третьего закона Ньютона в таких условиях: если заряженная частица удаляется от проводника, по которому течет ток, и соответственно вокруг него создано магнитное поле, то результирующая сила, действующая со стороны заряженной частицы на проводник с током в точности равна нулю.

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.

2. Современная модель эволюции Вселенной.

Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивист­ской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 го­ду. В основе этой модели лежат два предположения: 1) свойства Все­ленной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направления (изотропность); 2) наилучшим известным описанием гравитацион­ного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так на­зываемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, — ре­лятивистская.

Важным пунктом данной модели является ее нестационар­ность. Это определяется двумя постулатами теории относительнос­ти: 1) принципом относительности, гласящим, что во всех инерцион­ных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с ка­кими скоростями, равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; 2) экспериментально подтверж­денным постоянством скорости света.

Из принятия теории относительности вытекало в качестве следствия (первым это заметил петроградский физик и математик Александр Александрович Фридман в 1922 году), что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расши­ряться, или сжиматься. На этот вывод не было обращено внимания вплоть до открытия американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения».

Красное смещение — это понижение частот электромагнит­ного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний, восприни­маемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соот­ветственно увеличивается. При излучении происходит «покрасне­ние», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных крас­ных волн.

Так вот, для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т. е. о расширении Метагалактики — видимой части Вселенной.

Красное смещение надежно подтверждает теоретический вы­вод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными разме­рами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении по мень­шей мере нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна прост­ранства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой.

Возникает интересный вопрос: из чего же образовалась Все­ленная? Чем было то, из чего она возникла. В Библии утверждается, что Бог создал все из ничего. Зная, что в классической науке сформу­лированы законы сохранения материи и энергии, религиозные фи­лософы спорили о том, что значит библейское «ничего», и некоторые в угоду науке полагали, что под ничем имеется в виду первоначаль­ный материальный хаос, упорядоченный Богом.

Как это ни удивительно, современная наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что все могло создаться из ничего. «Ни­чего» в научной терминологии называется вакуумом. Вакуум, кото­рый физика XIX века считала пустотой, по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях «рождать» вещественные частицы.

Современная квантовая механика допускает (это не противо­речит теории), что вакуум может приходить в «возбужденное состо­яние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) — вещество.

Рождение Вселенной «из ничего» означает с современной на­учной точки зрения ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация. Если число фотонов равно нулю, то напряженность поля не имеет опреде­ленного значения (по «принципу неопределенности» Гейзенберга): поле постоянно испытывает флуктуации, хотя среднее (наблюдае­мое) значение напряженности равно нулю.

Флуктуация представляет собой появление виртуальных час­тиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуациям, вакуум приобретает особые свойства, про­являющиеся в наблюдаемых эффектах.

Итак, Вселенная могла образоваться из «ничего», т. е. из «воз­бужденного вакуума». Такая гипотеза, конечно, не является решаю­щим подтверждением существования Бога. Ведь все это могло про­изойти в соответствии с законами физики естественным путем без вмешательства извне каких-либо идеальных сущностей. И в этом случае научные гипотезы не подтверждают и не опровергают рели­гиозные догмы, которые лежат по ту сторону эмпирически под­тверждаемого и опровергаемого естествознания.

На этом удивительное в современной физике не кончается. Отвечая на просьбу журналиста изложить суть теории относитель­ности в одной фразе, Эйнштейн сказал: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время со­хранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время». Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.

Отметим, что теория относительности соответствует двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства-времени отрицательна или в пределе равна нулю; в этом варианте все расстояния со временем неограни­ченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна поло­жительна, пространство конечно, и в этом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относи­тельности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным расширением Вселенной.

Досужий ум неизбежно задается вопросами: что же было тог­да, когда не было ничего, и что находится за пределами расшире­ния. Первый вопрос, очевидно, противоречив сам по себе, второй выходит за рамки конкретной науки. Астроном может сказать, что как ученый он не вправе отвечать на такие вопросы. Но поскольку они все же возникают, формулируются и возможные обоснования ответов, которые являются не столько научными, сколько натур­философскими.

Так, проводится различие между терминами «бесконечный» и «безграничный». Примером бесконечности, которая не безгранична, служит поверхность Земли: мы можем идти по ней бесконечно долго, но тем не менее она ограничена атмосферой сверху и земной корой снизу. Вселенная также может быть бесконечной, но ограниченной. С другой стороны, известна точка зрения, в соответствии с которой в материальном мире не может быть ничего бесконечного, потому что он развивается в виде конечных систем с петлями обратной связи, которыми эти системы создаются в процессе преобразования среды.

Но оставим эти соображения области натурфилософии, по­тому что в естествознании в конечном счете критерием истины яв­ляются не абстрактные соображения, а эмпирическая проверка гипотез.

С развитием науки, все полнее раскрывающей физические процессы, происходящие в окружающем нас мире, большинство ученых постепенно перешло к материалистическим представлениям о бесконечности Вселенной. Здесь огромное значение имело открытие И. Ньютоном (1643 – 1727) закона всемирного тяготения, опубликованного в 1687 г. Одним из важных следствий этого закона явилось утверждение, что в конечной Вселенной все ее вещество за ограниченный промежуток времени должно стянуться в единую тесную систему, тогда как в бесконечной Вселенной вещество под действием тяготения собирается в некоторых ограниченных объемах (по тогдашним представлениям – в звездах), равномерно заполняющих Вселенную.

Большое значение для развития современных представлений о строении и развитии Вселенной имеет общая теория относительности, созданная А.Эйнштейном (1879 – 1955). Она обобщает теорию тяготения Ньютона на большие массы и скорости движения, сравнимые со скоростью света. Действительно, в галактиках сосредоточена колоссальная масса вещества, а скорости далеких галактик и квазаров сравнимы со скоростью света.

Есть ли она ещё где-нибудь кроме нашей планеты? Окончательные и полные ответы на эти вопросы пока отсутствуют.

Вселенная неисчерпаема. Неутомима и жажда знания, заставляющая людей задавать всё новые и новые вопросы о мире и настойчиво искать ответы на них.

1. Астахова В.Г, Дубровский Е.В. и др. «Мир вокруг нас: Беседы о мире и его законах» – М.: Политиздат, 1983 г.

2. «Материалистическая диалектика и пути развития естествознания» / Под ред. А.М. Мостапенко – Л.: Издательство ленинградского университета, 1987

3. Кохановский В.П. «Философия» – Р.: Феникс, 1996

4. Дубровский Е.В. «Разум побеждает» – М.: Политиздат, 1989

5. «Философия, естествознание и современность» / Под ред. И.Т. Фролова и Л.И. Грекова – М.: Мысль, 1991 г.

6. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1965.

7. Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. М., 1989.

8. Краткий миг торжества. М., 1989.

9. Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. М.: ЮНИТИ, 1998.

10. Ньютон и философские проблемы физики XX века. Коллектив авторов под ред. М.Д. Ахундова, С.В. Илларионова. М.: Наука, 1991.

11. Гурский И.П. Элементарная физика. М.: Наука, 1984.

12. Большая Советская Энциклопедия в 30 томах. Под ред. ПрохороваА.М., 3 издание, М., Советская энциклопедия, 1970.

13. ДорфманЯ.Г. Всемирная история физики с начала XIX до середины XX вв. М., 1979.

Источник