Расстояния между ними.

Fт = G

Где Fт. – сила тяготения, G – гравитационная постоянная, равная Ньютон Это сила взаимногопритяжения двух тел, массой в 1 кг каждое на расстоянии 1 м.

Таким образом, каждая частица во Вселенной должна притягивать все остальные частицы и сама притягиваться ими.

Из закона всемирного Ньютон вывел и уточнил кеплеровы законы эллиптического движения планет; сделал вывод о единстве законов космических тел; предположил, что Земля не ровный шар, а шар сплюснутый у полюсов.

Распространив на всю Вселенную закон тяготения, подтвержденный тогда лишь для Солнечной системы, Ньютон рассмотрел возможную структуру гравитирующей Вселенной при двух противоположных допущениях – конечной и бесконечной Вселенной. Он пришел к выводу, что лишь во втором случае материя могла существовать в виде множества космических объектов – центров гравитации. В конечной же Вселенной все центры гравитации рано или поздно слились бы в единое тело в центре мира. Таким образом, уже само наблюдение бесчисленных звезд подсказывало мысль о бесконечности мирового пространства. Поэтому фундаментальной моделью Вселенной стало представление о бесконечном пространстве, в котором находятся бесчисленные материальные космические объекты, связанные друг с другом силой всемирного тяготения, определяющей характер их движения.

Итак, вселенная бесконечна в пространстве, но конечна или бесконечна она во времени?

Немецкий физик и астроном Г.Ольберс считал, что в бесконечной вселенной любой луч должен упираться в какую-нибудь звезду. Но тогда небо, даже ночью, должно ярко светиться как Солнце, т.к. свет, идущий к нам от далеких звезд, должен ослабляться из-за поглощения веществом, находящимся на его пути. В таком случае, это вещество должно было нагреться и ярко светиться как звезды.

Единственная возможность избежать вывода о ярком как Солнце светящемся небе – это предположить, что звезды сияли не всегда, а загорались в какой-то определенный момент времени. Тогда, поглощающее вещество, возможно, еще не успело разогреться. Таким образом, вселенная, скорее всего, возникла в некоторый момент времени в прошлом, но сразу такой, как ее видит современный наблюдатель. Такая модель вселенной называется «бесконечная статическая вселенная» (статическая означает – неизменная во времени).

Задумывался Ньютон и над проблемой происхождения такой упорядоченной Вселенной. Однако здесь он столкнулся с задачей, для решения которой еще не располагал научными фактами. Однако Ньютон понял, что одних только механических свойств материи для этого объяснения недостаточно. Он критиковал атомистов-механицистов (например, Р.Декарта), утверждая при этом, что из одних только неупорядоченных механических движений частиц не могла возникнуть вся сложность мирового порядка и богатство живых существ в мире. Обнаружив возмущения в движениях ряда планет и спутников (отклонения от законов Кеплера), Ньютон предположил, что эти возмущения со временем могут нарастать. Но это было лишь предположение. Оставалось прибегнуть лишь к некой более могучей, чем тяготение, организующей силе, каковою в эпоху Ньютона мыслился только Бог. Тайной для ученого оставалось и начало орбитального движения планет. Поэтому он допустил некий божественный “первотолчок”, благодаря которому планеты приобрели орбитальное движение. Гипотеза “вихрей” Декарта, согласно которой вихри являются источником движения планет, отвергалась Ньютоном как недоказуемая (“Гипотез не измышляю”).

Благодаря Ньютону утвердилось представление о существовании бесконечного пустого межпланетного и межзвездного мирового пространства. Сам Ньютон склонялся скорее к идее крайней разряженности мировой материи, не вызывающей заметного торможения планет. Однако, в борьбе с взглядами Р.Декарта, утвердился принцип дальнодействия – как передачи действия тяготения мгновенно и через пустоту. Ньютон же был более склонен предположить наличие некого передатчика этого действия, возможно даже нематериальной природы.

С именем Ньютона связано также введение в науку пространственно-временных характеристик. Понятие пространства возникло в процессе наблюдения людьми положения объектов, их протяженности, отношения друг к другу. Понятие времени основывалось на восприятии смены событий (у людей труд сменялся отдыхом, голод – сытостью, бодрствование – сном, а в природе день сменял ночь, зима – лето и т.п.). Ребенок с рождения начинает практически осваивать понятия верха-низа, переда-зада, права – лева, выше – ниже, дальше – ближе. Далее ребенок постигает смену дня и ночи, времен года.

Время можно измерять мерой пространства – расстоянием, а расстояние – мерой времени. Так, если человек идет в течение 2 часов, то он может предположить какое расстояние он прошел, а если он проходит по шоссе сколько-то километров, то может предположить, сколько прошло времени.

И.Ньютон пространство отождествлял с пустотой, рассматриваемой как непосредственное вместилище тел. Пространство подобно ящику, стенки которого раздвигаются бесконечно.

Пространство абсолютно, так как оно существует везде и всегда. Также пространство обладает следующими характеристиками: оно трехмерно, однородно, изотропно (равноправность всех направлений в пространстве), непрерывно, подчиняется геометрии Евклида. Пространство существует независимо от времени и материальных объектов (как сцена – пространство, декорации – время и актеры – материя: актеры, сыграв свои роли, уйдут, декорации и сцена останутся; декорации могут унести, и тогда останется одна сцена).

Пространство И.Ньютона.

Время, согласно Ньютону, абсолютно, оно протекает равномерно, не имеет отношения к чему бы то внешнему. Время есть условие всякого процесса. Время обладает следующими характеристиками: одномерность, однонаправленность, необратимость.

Существовали во времена Ньютона и другие точки зрения на пространство и время (например, точка зрения Г.В.Лейбница), однако взгляды Ньютона были общепризнанны и доминировали вплоть до начала ХХ века.

Трудно переоценить творческое наследие И.Ньютона. Так, дальнейшее развитие естествознания блестяще подтвердило закон всемирного тяготения в масштабах не только планетной и звездной, но и внегалактической Вселенной. А понятие гравитации, открытое Ньютоном, получило дальнейшее развитие в общей теории относительности А.Эйнштейна.

Лекция № 5. Электромагнитная картина мира.

В Х1Х веке физики разработали новый подход к ньютоновской теории тяготения. Они перенесли свое внимание с тел, обусловливающих гравитационное взаимодействие, на пространство между телами. Это произошло тогда, когда физики занялись изучением электромагнетизма. Начало этому изучению положили Майкл Фарадей (1791 – 1867) и Джеймс Максвелл (1831 – 1879). “Фарадей увидел среду там, где раньше не видели ничего, кроме расстояния… Фарадей искал суть явлений во взаимодействии со средой”, - писал Д.Максвелл.

Теория тяготения Ньютона представляла собой теорию частиц и их взаимодействий. При новом подходе и частицы, и создаваемые ими гравитационные поля играли одинаково важную и взаимодополняющую роль. Частицы служат источником гравитационных полей, которые в свою очередь воздействуют на частицы. Частицы не взаимодействуют друг с другом непосредственно на расстоянии, а каждая частица испытывает ускорение в результате действия на нее гравитационного поля в той точке, где она находится. Теория поля отвергает действие на расстоянии т.е. принцип дальнодействия Ньютона, а пустоту заменяет средой.

Таким образом, на место принципа дальнодействия Ньютона был поставлен принцип близкодействия, согласно которому, физическое действие может передаваться только от точки к точке и только с ограниченной скоростью. Пределом скорости распространения физического действия выступает скорость света в вакууме (с).

В физике принято, что число силовых линий, проводимых к точечной массе, должно быть пропорционально величине этой массы. Величина гравитационного взаимодействия в данной точке пространства пропорциональна плотности силовых линий в окрестности этой точки. Чем теснее изображены силовые линии, тем сильнее гравитационное поле в этой области, а там, где силовые линии отстоят далеко друг от друга, поле слабое.

Ранее ученые считали, что электричество и магнитизм не связаны между собой. Но однажды датский физик Х.К.Эрстед (1777-1851), показывая опыт с электрическим током, заметил, что каждый раз, когда по проволочному контуру проходит электрический ток, стрелка, лежащего рядом компаса, вздрагивала. Эрстед обнаружил, что электрический ток создает магнитное поле. Изменяющееся (переменное) электрическое поле создавало магнитное поле.

Фарадей показал, что при прохождении магнита через виток провода, в нем возникает электрический ток. Это означало, что изменение магнитного поля (переменное магнитное поле) создает электрическое поле. Была доказана единая природа электрического и магнитного поля.

М.Фарадей ввел в науку понятие электромагнитного поля как особой среды взаимодействия.

Математическую обработку теории электромагнитизма создал Д.Максвелл. Он начал с рассмотрения четырех основных фактов об электричестве и магнитизме:

1. Электрические заряды отталкиваются или притягиваются с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними;

2. Движущийся электрический заряд или ток создает магнитное поле;

3. Движущийся магнит создает ток, т.е. электрическое поле;

4. Электрический ток в одной цепи может наводить ток в соседней цепи (электромагнитная индукция).

Создавая теорию электромагнитизма, Максвелл принял аналогию между силовыми линиями поля и представлениями о потоке в гидродинамике. Так, скорость течения «электрической жидкости» соответствовала силе тока, а разница давлений жидкостей – разности электрических потенциалов.

В основе описания всех электрических и магнитных явлений лежать четыре уравнения Максвелла.

Первое уравнение. Магнитное поле порождается движущимися электрическими зарядами или переменным электрическим током (т.е.током смещения) в соответствии с формулой:

rotH = J +

где rot H – ротор вектора напряженности магнитного поля;

rot (ротер) – это математический термин, обозначающий вихрь векторного поля, т.е. характеризует вращательное движение в данной точке векторного поля.

J – это вектор плотности электрического тока;

D – это вектор тока смещения или вектор электрической индукции;

T – время.

Второе уравнение. Электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (вихревое поле) порождается переменным магнитным полем по формуле:

rotE = .

где rotЕ – ротор вектора напряженности электрического поля;

В – это вектор индукции магнитного поля;

с – скорость света в вакууме.

Третье уравнение. Не существует магнитных зарядов, способных вызывать магнитное поле:

divB = 0;

где divB – дивергенция вектора индукции магнитного поля.

div (расхождение) – математическое число, характеризующее величину изменения потока векторного поля в каждой точке этого поля.

divB =0 означает, что линии магнитного поля не расходятся, а всегда замкнуты, а поэтому магнитное поле не имеет магнитных зарядов в качестве своего источника.

Четвертое уравнение. Электрическое поле с незамкнутыми силовыми линиями порождается электрическими зарядами – источниками этого поля: divD = ;

где divD – дивергенция вектора индукции электрического поля. p – плотность свободных электрических зарядов в данной точке поля.

Но самым неожиданным для Максвелла оказалось то, что электромагнитное поле может существовать самостоятельно; оно отрывается от колеблющегося заряда и распространяется в пространстве. Таким образом, Максвелл постулировал существование электромагнитных волн, определив, что они распространяются со скоростью света. Он открыл, что свет – это электромагнитная волна.

С точки зрения современных физических взглядов представление Максвелла устарело. Электрическое и магнитное поле в ходе своего изменения взаимно возбуждают друг друга, в результате чего возникают электромагнитные волны, которые распространяются со скоростью света в вакууме.

Через 10 лет после смерти Максвелла, в 1889 году немецкий физик Генрих Герц (1857 – 1894)обнаружил электромагнитные волны неоптического диапазона – радиоволны. Сегодня физикам известен целый спектр электромагнитных волн: радиоволны, микроволны, инфракрасные волны, видимый свет (оптический диапазон), ультафиолетовые волны, рентгеновские волны, гамма-излучения, и др.

Законы Ньютона, и особенно его теория тяготения, а также последовавшая за ней теория электромагнетизма заложили фундамент для дальнейшего развития представлений о мире.