28 Апреля 1686 года – одна из величайших дат в истории человечества. В этот день Ньютон представил Лондонскому королевскому обществу свою новую всеобщую теорию – механику земных и небесных процессов.
В основе классической механики Ньютона лежит система взглядов на пространство и время.
Ньютон, раскрывая сущность времени и пространства, характеризует их как «вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве – в смысле порядка положения».
Классическая механика была изложена Ньютоном в книге «Математические начала натуральной философии». Ньютоновская концепция пространства и времени, на основе которой строилась физическая картина мира, оказалась господствующей вплоть до конца 19 века.
Основные положения этой картины мира заключаются в следующем.
Пространство считалось:
бесконечным,
плоским или евклидовым (его метрические свойства описывались геометрией Евклида).
пустым,
абсолютным (не зависящим от состояния движения тела отсчета),
однородным (нет выделенных точек),
изотропным (нет выделенных направлений).
Пространство выступало как «вместилище» материальных тел.
Время понималось:
однородным,
равномерно текущим (оно идет сразу и везде во всей Вселенной «единообразно и синхронно» и выступает как независимый от материальных объектов процесс длительности),
абсолютным (не зависящим от состояния движения тела отсчета).
В механике Ньютона время абсолютно, абсолютна и одновременность во всей Вселенной. Это послужило основой для теории дальнодействия. В качестве дальнодействующей силы выступало тяготение, которое мгновенно и прямолинейно распространяло силы на бесконечные расстояния.
Кроме основных представлений о пространстве и времени она содержала:
Понятия массы, силы, инерции, ускорения.
Основные законы движения материальной точки.
Закон всемирного тяготения.
Принцип относительности и закон сложения скоростей Галилея.
.
В механике Ньютона движение тела происходит по строго определенным траекториям, то есть всегда можно одновременно измерить его координаты и его скорость (или импульс).
Большинство явлений, происходящих в природе, подтверждали справедливость построенной Ньютоном механистической картины мира.
Подлинным триумфом ньютоновской теории и картины мира стало открытие в 1846 году восьмой планеты Солнечной системы – Нептун. Как это произошло? Еще в конце 18 века астрономы заметили, что траектория движения планеты Уран не совпадает с траекторией, предсказанной законом всемирного тяготения. Это несовпадение пытались объяснить по-разному: столкновением Урана с кометой или неточностью закона всемирного тяготения (даже были попытки изменить его). Наконец была высказана гипотеза о влиянии более далекой планеты. Два математика и астронома Джон Адамс11 и Урбен Леверье12 независимо друг от друга с помощью закона всемирного тяготения Ньютона рассчитали траекторию гипотетической планеты. 23 сентября 1846 г. берлинский астроном Готфрид Галле13 обнаружил ее.
Как очередное подтверждение ньютоновского подхода к вопросу об устройстве мира было первоначально воспринято физиками открытие, которое сделал французский военный инженер, впоследствии член Парижской АН Шарль Огюст Кулон (1736-1806). Оказалось, что положительный и отрицательный заряд притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной величине зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Создавалось впечатление, что закон всемирного тяготения может служить универсальным ответом на все задачи. Однако впоследствии стало ясно: появился первый закон электромагнетизма.
Механическая картина мира знала только один вид материи — вещество, состоящее из частиц, имеющих массу. Первоначально считалось, что тела взаимодействуют на расстоянии, без каких бы то ни было промежуточных материальных посредников. Затем была выдвинута новая точка зрения: взаимодействие передается с помощью особого материального посредника. В результате в естествознании начало утверждаться понимание того, что пространство между телами никогда не является пустым: оно заполнено материей в форме силового поля. Поле является переносчиком взаимодействия тел. Каждое тело «узнает» о существовании других тел только через окружающие его поля.
В XIX веке к числу свойств частиц стали прибавлять электрический заряд. И хотя масса, как считалось, была у всех частиц, а заряд — только у некоторых, обладание электрическим зарядом было признано таким же фундаментальным, важнейшим их свойством, как и масса. Между электрически заряженными телами, между намагниченными телами, между телами, по которым текут токи, действуют силы, называемые электромагнитными. В начале 19 века английский химик и физик Майкл Фарадей (1791-1867) ввел в науку понятие электромагнитного поля – материальной среды, являющейся переносчиком электромагнитного взаимодействия. Фарадею удалось показать опытным путем, что между магнетизмом и электричеством существует прямая динамическая связь. Тем самым он впервые объединил электричество и магнетизм, признал их одной и той же «силой» природы.
Математическую разработку идей Фарадея предпринял выдающийся английский ученый Джеймс Кларк Максвелл (1831-1879). Его основной работой, заключавшей в себе математическую теорию электромагнитного поля, явился «Трактат об электричестве и магнетизме», изданный в 1873 году.
Основные положения и выводы теории Максвелла :
•Изменение во времени электрического поля ведет к появлению магнитного поля и наоборот. Следовательно, существуют электромагнитные волны.
•Передача электромагнитной энергии
происходит с конечной скоростью.
Скорость передачи электромагнитных
колебаний равна скорости
света
.
Из этого следовала принципиальная
тождественность электромагнитных
и оптических явлений.
Введение Фарадеем понятия электромагнитного поля и математическое определение его законов, данное в уравнениях Максвелла, явились самыми крупными событиями в физике со времен Галилея и Ньютона. Эта теория существенно изменила представления о картине электрических и магнитных явлений, объединив их в единое целое.
Решающую роль в победе максвелловской теории сыграл немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857-1894). Именно ему по поручению Гельмгольца14 (Герц был его любимым учеником) довелось проверить экспериментально теоретические выводы Максвелла. В 1886 году Герц продемонстрировал «беспроволочное распространение» электромагнитных волн. Он смог также доказать принципиальную тождественность полученных им электромагнитных переменных полей и световых волн.
С тех пор механические представления о мире были существенно поколеблены. Ведь любые попытки распространить механические принципы на электрические и магнитные явления оказались несостоятельными. Поэтому естествознание вынуждено было, в конце концов, отказаться от признания особой, универсальной роли механики. Механическая картина мира начала сходить с исторической сцены, уступая место новому пониманию физической реальности.
1 Удельный вес – вес единицы объема вещества.
2 Мухаммед Тарагай Улугбек – (1394 – 1449) – внук Тимура (Тамерлана – (1336 – 1405) среднеазиатский государственный деятель, полководец, эмир с 1370 г. Создатель государства со столицей в Самарканде. Разгромил Золотую Орду. Совершал грабительские походы в Иран, Закавказье, Индию, М.Азию и др.). Среднеазиатский государственный деятель, ученый, просветитель. Убит по приказу сына Абдуллатифа.
3 Христофор Колумбом (1451 – 1506). Родился в Генуе (Италия).
4 Васко да Гама (1469 – 1524). Португальский мореплаватель.
5 Фернан Магеллан (1480 – 1521) родился в Португалии.
6 Николай Коперник (1473 – 1543) –польский астроном. Совершил переворот в естествознании, отказавшись от принятого в течение многих веков учения о центральном положении Земли. Объяснил видимые движения небесных тел вращением Земли вокруг оси и обращением планет (в том числе и Земли) вокруг Солнца. Свое учение изложил в сочинении «Об обращениях небесных сфер» (1543 г.), запрещенном католической церковью с 1616 по 1828 гг.
7Галилео Галилей (1564 – 1642) – итальянский ученый. Один из основателей точного естествознания. Заложил основы современной механики.
8 Иоганн Кеплер (1571 – 1630) – немецкий астроном. Открыл законы движения планет. Заложил основы теории затмений. Изобрел телескоп, в котором объектив и окуляр – двояковыпуклые линзы.
9 Исаак Ньютон (1643 – 1727) – английский математик, механик, астроном и физик. Создатель классической механики. С 1672 г. член, а с 1703 г. президент Лондонского королевского общества. Разработал (независимо от Лейбница) дифференциальное и интегральное исчисление. Открыл дисперсию света, хроматическую аберрацию. Исследовал интерференцию и дифракцию света. Развивал корпускулярную теорию света. Построил зеркальный телескоп.
10 Тихо Браге (1546 –1601) – датский астроном. Доказал, что кометы – небесные тела, более далекие, чем Луна. На основе его наблюдений Марса Кеплер вывел законы движения небесных тел.
11 Адамс Джон Кауч (1819 – 1892) – английский астроном. Иностранный чл.-к Петербургской АН (1864). Исследовал вековое ускорение Луны. Независимо от У. Леверье вычислил орбиту и координаты планеты Нептун (1845).
12 Леверье Урбен Жан Жозеф (1811 –1877) – французский астроном. Иностранный чл.-к Петербургской АН (1848). Основные труды по теории движения больших планет, устойчивости Солнечной системы. На основании исследований возмущений Урана вычислил (1846) орбиту и положение планеты Нептун.
13 Галле Иоган Готфрид (1812 – 1910) – немецкий астроном. Уточнил солнечный параллакс по наблюдению астероидов, открыл три кометы, обнаружил Нептун.
14Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821 – 1894) – немецкий ученый. Автор фундаментальных трудов по физике, биофизике, физиологии, психологии. Впервые математически обосновал закон сохранения энергии, показав его всеобщий характер. Разработал термодинамическую теорию химических процессов.Ввел понятия свободной и связанной энергий. Заложил основы теорий вихревого движения жидкости и аномальной дисперсии. Автор основополагающих трудов по физиологии слуха и зрения. Обнаружил и измерил теплообразование в мышце, изучил процесс сокращения мышц, измерил скорость распространения нервного импульса.