Законы сохранения в классической механике

Закон сохранения импульса (импульс – это произведение массы тела на его скорость) связан с однородностью пространства, поскольку механические свойства замкнутой системы не изменяются при любом параллельном переносе системы как целого.

Закон сохранения момента импульса (момент импульса – это произведение импульса на радиус-вектор, т.е. расстояние до точки или оси вращения) особенно важен для вращательного движения и связан с изотропностью пространства, т.к. механические свойства замкнутой системы не изменяются при любом повороте системы как целого.

Закон сохранения механической энергии связан с однородностью времени, в силу того, что механические свойства системы не изменяются при любом переносе системы во времени. Здесь следует коснуться также понятия симметрии. Это слово имеет греческое происхождение и означает соразмерность, пропорциональность структуры, свойств, формы материального объекта относительно точки или оси его преобразований. Симметрия относительно переносов в пространстве (трансляция) связана с однородностью пространства, поворотная симметрия – с изотропностью пространства, а симметрия во времени – это эквивалентность различных моментов времени (однородность времени). Симметрия очень широко распространена в живой и неживой природе (симметрия кристаллов, различных живых организмов, человеческого тела). Огромную роль симметрия играет в химии: большинство молекул (в особенности органических) симметрично, что определяет многие их свойства.

Таким образом, уже к концу ХVIII века на основании классической механики Ньютона была построена логически завершенная механическая картина мира.

5.2.

Электромагнитная картина мира. Поля и волны

С электричеством люди были знакомы с древних времен. Еще древние греки знали, что если кусок янтаря потереть шерстью, то он начинает притягивать легкие предметы. Слово «электрон» по-гречески означает янтарь. До ХVIII в наука электричеством не занималась.

Первым ученым, начавшим изучать заряженные тела, был французский ученый Шарль Кулон (1736-1806), открывший основной закон электростатики – науки о неподвижных электрических зарядах (именно его именем названа единица измерения заряда).

Поначалу электрические явления никак не связывали с магнетизмом (последний был известен еще средневековым китайцам, которые изобрели компас). На рубеже ХVIII и ХIХ веков датский физик Ганс Христиан Эрстед (1777-1851) и французский ученый Андре Ампер (1775-1836) продемонстрировали на опыте, что проводник с током порождает эффект отклонения магнитной стрелки. Ампер стал творцом нового раздела физики – электродинамики, его именем названа единица измерения силы тока.

Эстафету изучения электромагнетизма далее принял великий английский экспериментатор Майкл Фарадей (1781-1867), с 1824 года – иностранный почетный член Санкт-Петербургской Академии наук, открывший закон электромагнитной индукции – явления возникновения электрического тока в проводнике, находящемся в магнитном поле, а также законы электролиза. Именем Фарадея названа единица измерения электроемкости. Открытия Фарадея завоевали широчайшее признание во всём научном мире; его именем впоследствии были названы законы, явления, единицы физических величин и т.д. Русский физик А.Г. Столетов так охарактеризовал значение Фарадея в развитии науки: «Никогда со времен Галилея свет не видал стольких поразительных и разнообразных открытий, вышедших из одной головы». В честь Майкла Фарадея Британское химическое общество учредило медаль Фарадея – одну из почётнейших научных наград.

Кулон, Эрстед, Ампер и Фарадей были великими экспериментаторами, добывшими колоссальный фактический материал по электромагнитным явлениям.

Теорию электромагнетизма разработал выдающийся английский физик и математик Джеймс Максвелл (1831-1879). Он вывел четыре уравнения, которые можно записать в дифференциальной и интегральной форме, т.е. использовал весь аппарат высшей математики. Другим важным открытием Максвелла было установление того факта, что свет имеет электромагнитную природу.

Как передаются электрические и магнитные силы?. Первые попытки объяснения этого связаны с гипотезами о невесомых электрических и магнитных жидкостях. Эти гипотезы были связаны с распространением механических концепций на явления, принципиально отличающиеся от механических. Передачу теплоты также пытались объяснить перетеканием невесомой жидкости (теплорода).

Сильнейший удар по механическим попыткам объяснения электромагнитных явлений нанесли опыты Эрстеда и Ампера, доказавших

отклонение магнитной стрелки вблизи проводника с током, а затем открытие М. Фарадеем закона электромагнитной индукции. Место невесомых электрических и магнитных жидкостей заняло понятие электромагнитного поля.