Тема 3.

Классическая механика (макромир)

Механика – наука о движении физических тел. Первый закон ме-

ханики открыл Г. Галилей, а сформулировал И. Ньютон. Это закон

инерции: без воздействия силы тело находится в состоянии покоя

или прямолинейного равномерного движения, не изменяя скорости.

Такое движение называется движением по инерции. 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 за-

коном механики, Ньютон создал дифференциальное исчисление: так

удобнее было в математической форме выразить понятие ускорения

как второй производной от расстояния по времени. Третий закон:

всякому действию можно сопоставить равное по величине, но проти-

воположно направленное противодействие, проще говоря – действие

равно противодействию. Три с лишним века эти законы были незыб-

лемы, они многократно подтверждались экспериментально. Но на

рубеже XIX и ХХ веков выяснилось, что законы классической физики

работают не всегда, а имеют ряд ограничений. Эти ограничения ка-

сались размеров и скорости объектов, а именно: их размеры должны

быть существенно больше размеров атома, а скорости – существенно

меньше скорости света, т.е. объекты должны быть достаточно велики

и двигаться не очень быстро. Мир этих объектов называется МАК-

РОМИРОМ и границы его простираются от молекул до Солнечной

системы.

Четвертый закон Ньютона называется законом Всемирного тяго-

тения и формулируется так: два любых тела во Вселенной притяги-

ваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению

их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между

ними. Эта сила притяжения называется гравитацией. Следует под-

черкнуть, что эта сила всегда положительна, т.е. гравитационного

отталкивания не существует. Незадолго до работ И. Ньютона немец-

кий астроном И. Кеплер сформулировал законы движения планет

Разумова Е.Р.

14

вокруг Солнца. Ньютон вывел законы Кеплера из закона Всемирно-

го тяготения. Пример с открытием планеты Нептун. И. Ньютон

впервые создал единую механику всех земных и небесных тел. Как

уже было сказано выше, его труды – это вторая революция в естест-

вознании. 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, имевшим ме-

нее счастливую научную и человеческую судьбу.

Как уже было сказано ранее, на рубеже XIX и ХХ веков произошла

третья революция в естествознании. Она была связана с тем, что в

конце XIX века в экспериментальной физике был осуществлен ряд

открытий, которые не в состоянии была объяснить классическая фи-

зика. Стало очевидно, что все мироздание не ограничивается макро-

миром, и объяснение вновь открытых экспериментов лежит за его

пределами. Но о МИКРОМИРЕ и МЕГАМИРЕ будет сказано позже,

вернемся пока к макромиру.

Принцип детерминизма Лапласа

На основании законов классической механики И. Ньютона фран-

цузский ученый П. Лаплас вместе с немецким философом И. Кантом

создали механистическую модель Вселенной, в основе которой лежит

принцип детерминизма, т.е. определенности. Суть его состоит в сле-

дующем: если в какой-то точке известны координаты и скорость тела,

то по законам классической механики можно с одинаковой точно-

стью определить координаты и скорость этого тела в любой точке

Вселенной. В таком мире нет места случайности, все четко предо-

пределено, а Вселенную можно представить в виде гигантской за-

водной игрушки.

Понятие парадигмы

Парадигма – это исходное основополагающее утверждение, при-

нимаемое без доказательств, на котором строятся все дальнейшие

рассуждения. В математике парадигмы – это аксиомы. Парадигма

Ньютона касается пространства и времени. Вся классическая меха-

ника Ньютона основана на утверждении, что пространство и время

абсолютны и независимы друг от друга. Следует дать определение

этих параметров. Пространство – это порядок взаимодействия объек-

тов во Вселенной. Ньютоново пространство трехмерно, т.е. любой

объект имеет длину, ширину и высоту. Математическое описание

Концепции современного естествознания

15

этого пространства дал французский математик Р. Декарт, предло-

живший систему трех взаимно перпендикулярных координат, в ко-

торой можно описать положение любого тела. Время – это порядок

смены явлений. Время одномерно и направлено из прошлого в бу-

дущее. Измеряется время в долях Земного цикла, единицей его из-

мерения является секунда.

Свойства пространства и времени

и законы сохранения в классической механике

Пространство однородно, т.е. его свойства одинаковы во всех точ-

ках. Пространство изотропно, т.е. его свойства не зависят от направ-

ления. 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 со-

хранения момента импульса (момент импульса – это произведение

импульса на радиус-вектор, т.е. расстояние до точки или оси враще-

ния) особенно важен для вращательного движения и связан с изо-

тропностью пространства, т.к. механические свойства замкнутой сис-

темы 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 оз-

начает соразмерность, пропорциональность структуры, свойств, фор-

мы материального объекта относительно точки или оси его преобра-

зований. Симметрия относительно переносов в пространстве (транс-

ляция) связана с однородностью пространства, поворотная симмет-

рия – с изотропностью пространства, а симметрия во времени – это

эквивалентность различных моментов времени (однородность вре-

мени). Симметрия очень широко распространена в живой и неживой

природе (симметрия кристаллов, различных живых организмов, че-

ловеческого тела). Огромную роль симметрия играет в химии: боль-

шинство молекул (в особенности органических) симметрично, что

определяет многие их свойства.

Таким образом, уже к концу XVIII века на основании классической

механики Ньютона была построена логически завершенная механи-

ческая картина мира.

Разумова Е.Р.

16

Контрольные вопросы по Теме 3:

1. Что такое гравитация?

2. В чем сущность парадигмы Ньютона?

3. Каковы ограничения законов классической механики?

Литература: 21, 22. 23.