1.2 Электромагнитная картина мира

Во второй половине XIX в. на основе исследований М. Фарадея и Д. Максвелла возникла электромагнитная картина мира.

Сформированную после механического представления о мире новую электромагнитную картину мира можно рассматривать как промежуточную по отношению к современной естественнонаучной. Отметим некоторые общие характеристики этой парадигмы. Она включает не только представления о полях, но и появившиеся к тому времени новые данные об электронах, фотонах, ядерной модели атома, закономерностях химического строения веществ и расположения элементов в Периодической системе Д. И. Менделеева и ряд других результатов познания природы.

В эту же концепцию вошли идеи квантовой механики и теории относительности.

Электрические и магнитные явления были известны им давно, но изучались обособленно друг от друга. Дальнейшее их исследование показало, что между ними существует глубокая взаимосвязь, что заставило ученых искать эту связь и создать единую электромагнитную теорию. Действительно, датский ученый Эрстед (1777-1851), поместив над проводником, по которому идет электрический ток, магнитную стрелку, обнаружил, что она отклоняется от первоначального положения. Это привело ученого к мысли, что электрический ток создает магнитное поле. Позднее английский физик Майкл Фарадей (1791- 1867), вращая замкнутый контур в магнитном поле, открыл, что в нем возникает электрический ток. На основе опытов Фарадея и других ученых английский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) создал свою электромагнитную теорию. Таким путем было показано, что в мире существует не только вещество в виде тел, но и разнообразные физические поля. Одно из них было известно и во времена Ньютона и теперь называется гравитационным полем, а раньше рассматривалось просто как сила притяжения, возникающая между материальными телами. После того как объектом изучения физиков наряду с веществом стали разнообразные поля, картина мира приобрела более сложный характер. Тем не менее это была картина классической физики, которая изучала знакомый нам макромир. Положение коренным образом изменилось, когда ученые перешли к исследованию процессов в микромире. Здесь их ожидали новые необычайные открытия и явления.

2. Законы сохранения, термодинамики, закон всемирного тяготения и основные законы механики (ньютон).

Зако́нсохране́нияи́мпульса (Зако́нсохране́ния количества движения) - векторная сумма импульсов всех тел системы есть величина постоянная, если векторная сумма внешних сил, действующих на систему, равна нулю.

В классической механике закон сохранения импульса обычно выводится как следствие законов Ньютона. Из законов Ньютона можно показать, что при движении в пустом пространстве импульс сохраняется во времени, а при наличии взаимодействия скорость его изменения определяется суммой приложенных сил.

Как и любой из фундаментальных законов сохранения, закон сохранения импульса связан, согласно теореме Нётер, с одной из фундаментальных симметрий, — однородностью пространства^[1].

Закон сохранения импульса впервые был сформулирован Р. Декартом^[2]

Зако́нсохране́нияэлектри́ческогозаря́да гласит, что алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.

Закон сохранения заряда выполняется абсолютно точно. На данный момент его происхождение объясняют следствием принципа калибровочной инвариантности^[1][2]. Требование релятивистской инвариантности приводит к тому, что закон сохранения заряда имеет локальный характер: изменение заряда в любом наперёд заданном объёме равно потоку заряда через его границу. В изначальной формулировке был бы возможен следующий процесс: заряд исчезает в одной точке пространства и мгновенно возникает в другой. Однако такой процесс был бы релятивистски неинвариантен: из-заотносительности одновременности в некоторых системах отсчёта заряд появился бы в новом месте до того, как исчез в предыдущем, а в некоторых — заряд появился бы в новом месте спустя некоторое время после исчезновения в предыдущем. То есть был бы отрезок времени, в течение которого заряд не сохраняется. Требование локальности позволяет записать закон сохранения заряда в дифференциальной и интегральной форме.

Зако́нсохране́нияэне́ргии — фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что для изолированнойфизической системы может быть введена скалярная физическая величина, являющаяся функцией параметров системы и называемая энергией, которая сохраняется с течением времени. Поскольку закон сохранения энергии относится не к конкретным величинам и явлениям, а отражает общую, применимую везде и всегда, закономерность, то его можно именовать не законом, а принципом сохранения энергии.

С фундаментальной точки зрения, согласно теореме Нётер, закон сохранения энергии является следствием однородности времени, то есть независимостью законов физики от момента времени, в который рассматривается система. В этом смысле закон сохранения энергии является универсальным, то есть присущим системам самой разной физической природы. При этом выполнение этого закона сохранения в каждой конкретно взятой системе обосновывается подчинением этой системы своим специфическим законам динамики, вообще говоря различающимся для разных систем.

В различных разделах физики по историческим причинам закон сохранения энергии формулировался независимо, в связи с чем были введены различные виды энергии. Говорят, что возможен переход энергии одного типа в другой, но полная энергия системы, равная сумме отдельных видов энергий, сохраняется. Ввиду условности деления энергии на различные виды, такое деление не всегда может быть произведено однозначно.

Для каждого вида энергии закон сохранения может иметь свою, отличающуюся от универсальной, формулировку. Например, в классической механике был сформулирован закон сохранения механической энергии, в термодинамике — первое начало термодинамики, а в электродинамике — теорема Пойнтинга.

С математической точки зрения закон сохранения энергии эквивалентен утверждению, что система дифференциальных уравнений, описывающая динамику данной физической системы, обладает первым интегралом движения, связанным с симметричностью уравнений относительно сдвига во времени.

Закон сохранения энергии

Энергия – это универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. Энергия, отданная одним телом другому, всегда равна энергии, полученной другим телом. Для количественной оценки процесса обмена энергией между взаимодействующими телами в механике вводится понятие работы силы, вызывающей движение.

Кинетическая энергия механической системы – это энергия механического движения этой системы. Сила, вызывающая движение тела, совершает работу, а энергия движущегося тела возрастает на величину затраченной работы. Как известно, тело массой m, движущееся со скоростью v,обладает кинетической энергией E = mv²/2.

Потенциальная энергия – это механическая энергия системы тел, которые взаимодействуют посредством силовых полей, например посредством гравитационных сил. Работа, совершаемая этими силами, при перемещении тела из одного положения в другое не зависит от траектории движения, а зависит только от начального и конечного положения тела в силовом поле.

Такие силовые поля называют потенциальными, а силы, действующие в них, –консервативными. Гравитационные силы являются консервативными силами, а потенциальная энергия тела массой m, поднятого на высоту hнад поверхностью Земли, равна

Е_пот = mgh,

где g – ускорение свободного падения.

Полная механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергии:

E = Е_кин + Е_пот

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:

Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами.

Первое начало термодинамикион же первый закон термодинамики -закон сохранения энергии втермодинамической системе,

 согласно которому работа может совершаться только за счет теплоты или какой-либо другой формы энергии. 

Первое начало термодинамики можно формулировать также какневозможность существования вечного двигателя (1 рода), который совершал бы работу, не черпаяэнергии извне.

ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ ВТОРОЙ

фундаментальный закон, согласно которому процессы, связанные с превращениями энергии, могутпроисходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы врассеянную (например, тепло горячего предмета самопроизвольно стремится рассеяться в более холоднойсреде). Другая его формулировка: поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виденедоступной для использования тепловой энергии, эффективность самопроизвольного превращениякинетической энергии (например, света) в потенциальную (например, энергию химических соединенийпротоплазмы) 

всегда меньше 100%. Важнейшая термодинамических характеристика организмов, экосистеми биосферы в целом — способность создавать и поддерживать высокую степень внутреннейупорядоченности,

 т. е. состояние с низкой энтропией. Система обладает низкой энтропией, если в нейпроисходит непрерывное рассеяние легко используемой энергии (например, энергия света или пищи) ипревращение ее в энергию, используемую с трудом (например, в тепловую). Упорядоченность экосистемы,т. е. сложная структура биомассы, поддерживается за счет дыхания всего сообщества, которое, по Ю.Одуму (1975), как бы “откачивает из сообщества неупорядоченность”. Второму закону термодинамикиподчиняется принцип экологических пирамид, а также из него вытекает Закон Линдемана.

1.2. Закон всемирного тяготения.

Закон всемирного тяготения был сформулирован Исааком Ньютоном (1643-1727) и опубликован в 1687 году. В соответствии с этим законом, два тела притягиваются друг к другу с силой, которая прямо пропорциональна массам этих тел m₁ и m₂ и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Здесь r − расстояние между центрами масс данных тел, G − гравитационная постоянная, значение которой, найденное экспериментальным путем, составляет  . 

Считается, что стержнем динамики Ньютона является понятие силы, а основная задача динамики заключается в установлении закона из данного движения и, наоборот, в определении закона движения тел по данной силе. Из законов Кеплера Ньютон вывел существование силы, направленной к Солнцу, которая была обратно пропорциональна квадрату расстояния планет от Солнца. Обобщив идеи, высказанные Кеплером, Гюйгенсом, Декартом, Борелли, Гуком, Ньютон придал им точную форму математического закона, в соответствии с которым утверждалось существование в природе силы всемирного тяготения, обусловливающей притяжение тел. Сила тяготения прямо пропорциональна произведению масс тяготеющих тел и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.

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, причем 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.

В законе всемирного тяготения наука получила образец закона природы как абсолютно точного, повсюду применимого правила, без исключений, с точно определенными следствиями. Этот закон был включен Кантом в его философию, где природа представлялась царством необходимости в противоположность морали - царству свободы.

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.

Основные законы механики.

«ВСЯКОЕ ТЕЛО ПРОДОЛЖАЕТ УДЕРЖИВАТЬСЯ В СВОЕМ СОСТОЯНИИ ПОКОЯ ИЛИ РАВНОМЕРНОГО И ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ, ПОКА И ПОСКОЛЬКУ ОНО НЕ ПОНУЖДАЕТСЯ ПРИЛОЖЕННЫМИ СИЛАМИ ИЗМЕНИТЬ ЭТО СОСТОЯНИЕ» - ТАК НЬЮТОН СФОРМУЛИРОВАЛ ЗАКОН, КОТОРЫЙ СЕЙЧАС НАЗЫВАЕТСЯ ПЕРВЫМ ЗАКОНОМ МЕХАНИКИ НЬЮТОНА, ИЛИ ЗАКОНОМ ИНЕРЦИИ.

СИСТЕМА ОТСЧЕТА, В КОТОРОЙ СПРАВЕДЛИВ ЗАКОН ИНЕРЦИИ: МАТЕРИАЛЬНАЯ ТОЧКА, КОГДА НА НЕЕ НЕ ДЕЙСТВУЮТ НИКАКИЕ СИЛЫ (ИЛИ ДЕЙСТВУЮТ СИЛЫ ВЗАИМНО УРАВНОВЕШЕННЫЕ), НАХОДИТСЯ В СОСТОЯНИИ ПОКОЯ ИЛИ РАВНОМЕРНОГО ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ - НАЗЫВАЕТСЯ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ. ВСЯКАЯ СИСТЕМА ОТСЧЕТА, ДВИЖУЩАЯСЯ ПО ОТНОШЕНИЮ К НЕЙ ПОСТУПАТЕЛЬНО, РАВНОМЕРНО И ПРЯМОЛИНЕЙНО, ЕСТЬ ТАКЖЕ ИНЕРЦИАЛЬНАЯ.

«ИЗМЕНЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ДВИЖЕНИЯ ПРОПОРЦИОНАЛЬНО ПРИЛОЖЕННОЙ ДВИЖУЩЕЙ СИЛЕ И ПРОИСХОДИТ ПО НАПРАВЛЕНИЮ ТОЙ ПРЯМОЙ, ПО КОТОРОЙ ЭТА СИЛА ДЕЙСТВУЕТ» - ЭТО ВТОРОЙ ЗАКОН НЬЮТОНА, КОТОРЫЙ ЯВЛЯЕТСЯ ОСНОВНЫМ ЗАКОНОМ ДИНАМИКИ, В ФОРМУЛИРОВКЕ НЬЮТОНА (1687).

«ДЕЙСТВИЮ ВСЕГДА ЕСТЬ РАВНОЕ И ПРОТИВОПОЛОЖНОЕ ПРОТИВОДЕЙСТВИЕ, ИНАЧЕ, ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДВУХ ТЕЛ ДРУГ НА ДРУГА МЕЖДУ СОБОЙ РАВНЫ И НАПРАВЛЕНЫ В ПРОТИВОПОЛОЖНЫЕ СТОРОНЫ» - ЭТО ТРЕТИЙ ЗАКОН МЕХАНИКИ НЬЮТОНА.