РАЗДЕЛ 2. ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА И НАУКИ О ЗЕМЛЕ

5.

ТЕМА 5. МАКРОМИР.

5.1. Механическая картина мира.

5.2. Электромагнетизм. Поля и волны.

5.3. Термодинамика. Состояния вещества. Понятие о синергетике.

5.1.

Механическая картина мира

Механика – наука о движении физических тел

Основателем классической механики был Г. Галилей, который, заложил основы классической механики, открыл первый закон механики (сформулировал его И. Ньютон), построил телескоп, благодаря чему открыл четыре спутника планеты Юпитер и кратеры на Луне. С именем Галилея связывают прежде всего открытие закона движения свободно падающих тел, закон об инерциальном движении и установление принципа относительности в механике. Кроме того, Галилей первым применил экспериментальный метод исследования для доказательства научной истины, заменивший прежний натурфилософский способ, который вместо наблюдений и измерений предлагал придумывать умозрительные приемы и схемы.

Сущность принципа относительности состоит в следующем: во всех инерциальных системах отсчета ВСЕ законы природы одинаковы, и если движение тела можно описать в какой-то определенной системе координат, то его также можно описать в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой. Иными словами, находясь внутри системы, невозможно различить состояние покоя и прямолинейного равномерного движения.

Первый закон механики, открытый Г. Галилеем и сформулированный И. Ньютоном, называется законом инерции: без воздействия силы тело находится в состоянии покоя или прямолинейного равномерного движения, не изменяя скорости. Аристотель, кстати, считал, что тело может двигаться только под действием внешней силы.

Второй закон механики: под действием силы тела изменяют скорость и движутся с ускорением, при этом сила равна произведению массы тела на его ускорение. Работая над вторым законом механики, Ньютон создал дифференциальное исчисление: так удобнее было в математической форме выразить понятие ускорения как второй производной от расстояния по времени.

Третий закон механики: всякому действию можно сопоставить равное по величине, но противоположно направленное противодействие, проще говоря – действие равно противодействию.

Три с лишним века эти законы были незыблемы, они многократно подтверждались экспериментально. Но на рубеже ХIХ и ХХ веков выяснилось, что законы классической физики работают не всегда, а имеют ряд ограничений. Эти ограничения касались размеров и скорости объектов, а именно: их размеры должны бытьсущественно больше размеров молекул, а скорости – существенно меньше скорости света, т.е. объекты должны быть достаточно большими и двигаться не очень быстро. Мир этих объектов называется Макромиром, и границы его простираются от макромолекул до Солнечной системы.

Деление мироздания на Микро- ,Макро- и Мегамиры показано на рис. 4 – это структурные уровни организации материи.

Рис. 4. Структурные уровни организации материи.

Четвертый закон Ньютона называется законом Всемирного тяготения. В отличие от первых трех, он универсален, т.е. выполняется не только в макромире, а во всей Вселенной. Закон формулируется так: два любых тела во Вселенной притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Эта сила притяжения называется гравитацией. Следует подчеркнуть, что эта сила всегда положительна, т.е. гравитационного отталкивания не существует. Незадолго до работ И. Ньютона немецкий астроном И. Кеплер открыл и записал в математической форме законы движения планет вокруг Солнца. Ньютон вывел законы Кеплера из закона Всемирного тяготения. На основании этих законов французский астроном Жан Леверье (1811-1877) предсказал существование и теоретически определил местонахождение неизвестной до той поры планеты, а другой астроном – немец Иоганн Г. Галле (1812-1910), направив телескоп в предсказанную Ж. Леверье точку небосвода, в 1846 году открыл восьмую планету Солнечной системы – Нептун. Это было триумфом классической механики.

Итак, И. Ньютон впервые создал единую механику всех земных и небесных тел. Он впервые объединил в рамках единой теории процессы и явления, происходящие на Земле и во Вселенной. Прежние античное и средневековое представления о земном и небесном мирах, об их противоположности сменилось признанием их неразрывного единства. Именно в механике Ньютона впервые применены количественные математические методы описания природы. Как уже было сказано выше, его труды – это вторая революция в естествознании. В одной из своих последних работ И. Ньютон написал: «Я видел дальше других, потому что стоял на плечах гигантов», отдавая тем самым дань уважения своим предшественникам, у которых была менее счастливая, чем у него, научная и человеческая судьба.

У Ньютона наука выступает как активное начало взаимодействия человека с окружающим миром, благодаря чему он может более рационально организовать свою жизнь, использовать силы природы для облегчения своего труда.

Рубеж ХIХ и ХХ веков ознаменовался третьей революцией в естествознании. Это было связано с тем, что в конце ХIХ в экспериментальной физике был осуществлен ряд открытий, которые классическая физика не могла объяснить. Стало очевидно, что все мироздание не ограничивается макромиром, и объяснение вновь открытых экспериментов лежит за его пределами. Но о Микромире и Мегамире будет сказано позже, вернемся пока к макромиру.