Пустое пространство было избрано Ньютоном в качестве всеобщей универсальной системы отсчета, относительно которой происходит механическое движение тел

Еще один фактор мироустройства однородное Время, как чистая длительность, присущая любому единичному независимому явлению. Оно также абсолютно.

Абсолютность пространства и времени означала неизменность их мерных отрезков: расстояний и интервалов времени (мировое время) и взаимную независимость.

Ньютон отказался от материальности наполненного эфиром пространства Аристотеля. В пустоте Ньютоновского пространства и времени по Кеплеровским орбитам перемещались небесные тела.

Первоначально, для описания движения планет им была создана простейшая модель, сформулированная в виде первого закона Ньютона: если на тело не влияют внешние силы или их действие компенсировано, то оно находится в состоянии покоя или равномерного или прямолинейного движения (по инерции).

По сути, это утверждение - обобщение выводов, полученных еще Галилеем: если на тело не действуют другие тела, то оно остается неподвижным или продолжает движение с постоянной скоростью.

Из первого закона Ньютона вытекает, в частности, что для равномерного и прямолинейного движения тело не нуждается в затратах энергии. Значит, в этом случае, тело может двигаться беспредельно долго!

Ньютон собственно, и ввел понятие инерции – равномерного и прямолинейного движения тела или инерциальной системы отсчета, в которой все тела двигаются только по инерции.

С одной стороны, ясно, что идеальных инерциальных систем и перемещений не существует. В самом деле, не может же перемещение тела в пространстве быть абсолютно изолированным от внешних воздействий каких-либо сторонних тел!

Но, с другой стороны, в качестве модели, такое допущение возможно. Например, в системе координат с нулевой точкой на Солнце и их продолжением по направлению к дальним звездам движение планет приближенно равномерно, из-за неразличимости их ускорений и торможений в громадном удалении от наблюдателя.

Правда, при ближайшем рассмотрении движения тела по эллиптической орбите, ясно, что его скорость не может быть одинаковой.

Для описания движения небесных тел по эллипсоидным орбитам, т.е. с ускорениями и торможениями Ньютоном был создан второй закон: если на тело массой (m) действует внешняя сила (F), то оно приобретает ускорение (a), так, что F=ma.

В тоже время, можно сказать, что если тело массой «m» приобрело ускорение «а», то это результат действия на него внешней силы «F».

Второй закон описывает поведение небесных тел при движении в поле внешних сил с ускорением и торможением.

Третий закон Ньютона рассматривает случай взаимодействия двух тел друг с другом: тела действуют друг на друга с силами, направленными вдоль одной прямой, равными по модулю и противоположными по направлению.

Третий закон объясняет, почему, например Луна не падает на Землю, несмотря на ее притяжение. Их силы взаимодействия уравновешиваются! Прочитайте еще раз формулировку третьего закона Ньютона!

Законы Ньютона формируют достаточно цельную, механистическую концепцию движения небесных тел, обобщая самые распространенные случаи: равномерное, равноускоренное движение, взаимодействие двух тел между собой.

Они же стали основой классической механики, учения, впервые позволившего описать с единых позиций различные процессы на Земле и создать теорию действия целого ряда механизмов.

Развивая космологические представления гелиоцентризма, прежде всего, концепцию движения небесных тел Кеплера, Ньютон поставил вопрос о непосредственных причинах упорядоченности в движении небесных тел во Вселенной. В качестве некоей объединяющей силы, определяющей взаимовлияние небесных тел Ньютон предложил, изучавшуюся еще Галилеем силу тяжести , распространив представления Галилея на другие планеты Солнечной системы и всей Вселенной.

В качестве модели, им были рассмотрены системы притяжения "Луна к Земле" и "Земля к Луне". В соответствии с принципом относительности механических систем Галилея, они равноправны. Третий закон Ньютона объясняет их устойчивость равенством противоположно направленных сил тяготения между Землей и Луной.

Учитывая, что небесные тела движутся друг вокруг друга по орбитам, силу тяжести «F», Ньютон заменил на более общую внешнюю силу F, рассмотренную во втором законе приняв, что g = a, где - масса тяготения, а - инертная масса тела, а «а» - ускорение.

Применение второго закона ), позволило Ньютону расширить представление, о взаимодействии небесных тел перейдя от модели свободного падения Галилея к движению тел по орбитам друг вокруг друга с постоянным ускорением , где v – скорость движения тела, R – радиус орбиты. Отметим, что существующее ускорение обратно пропорционально расстоянию тел друг от друга.

Таким образом, существует прямая зависимость между величиной прилагаемой внешней силы и массой тела, и обратная зависимость этой силы от расстояния между телом и источником воздействия.

Этих соображений И. Ньютону оказалось достаточно, чтобы полуэмпирическим путем сформулировать закон Всемирного тяготения (1687): сила взаимного тяготения между взаимодействующими телами прямо пропорциональна массам этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

В математическом виде:

Любопытно, что изменение численных значений масс не ведет к исчезновению силы тяготения. Значит, она существует между любыми телами, обладающими массой!

В этом физический смысл универсальной гравитационной постоянной G. (Решите уравнение относительно G).

Позже из закона Всемирного тяготения был выведен третий закон Кеплера, что показало взаимосвязь между ними, а еще позже, был сделан достаточно строгий математический вывод самого закона тяготения.

В концепции Ньютона не учитывались размеры тел, а только их массы и расстояния между ними.

Основной идеей Ньютона была сила тяготения всеобъемлющая, определяющая упорядоченное движение небесных тел во Вселенной, ее едином общем, однородном и изотропном пространстве и едином, общем однородном времени.

На основе его законов, были разработаны системы расчетов, позволяющие определять положение небесных тел в разные моменты времени, интенсивность и характер их взаимодействия, скорости их движения и многое другое.

Долгое время, вплоть до 1905 года, учение Ньютона служило основополагающей космологической парадигмой.

Наиболее полно оно было изложено в фундаментальном труде "Математические начала натуральной философии", написанном в 1687 году. Фундаментальность учения Ньютона, стройность его теории строения Вселенной ознаменовали Вторую Научную революцию, происшедшую в конце ХVII века, ознаменовавшую эру механицизма! Ньютон завершил начатую Галилеем работу по созданию классической механики, формированию механистического подхода. В отличие от натурфилософии Аристотеля – Птолемея, все процессы во Вселенной, в частности движение, закономерны по своей природе и основаны на принципе инерции.

Ньютон создал новую исследовательскую программу, основанную на новых принципах научного исследования – наблюдении, эксперименте и творческом осмыслении.

В работе "Математические начала натуральной философии" он называет ее "экспериментальная философия" и указывает на решающее значение опыта, эксперимента в изучении природы.

Вопросы для самоконтроля

1. Опишите концепцию строения Вселенной по И. Ньютону.

2. Изложите представления Аристотеля о пространстве и времени.

3. Какой геометрией описывается Вселенная Ньютона?

4. Что означает термин «однородность» пространства?

5. Что означает термин «изотропность» пространства?

6. По Ньютону, пространство и время носят относительный или абсолютный характер?

7. Сформулируйте первый закон Ньютона и поясните его физический смысл.

8. Опишите, о каких видах движений говорится в первом законе Ньютона.

9. Сформулируйте второй закон Ньютона.

10. Какому типу движения посвящен второй закон Ньютона?

11. Сформулируйте третьий закон Ньютона.

12. Какой тип движения описывает третий закон?

13. Дайте формулировку закону всемирного тяготения и приведите его математическое выражение.

14. Каково значение закона всемирного тяготения И. Ньютона?

15. Дайте оценку учению И. Ньютона

Лекция 13: «Учение об относительности Альберта Эйнштейна: специальная теория относительности»

Теория относительности Альберта Эйнштейна возникла в обстановке серьезного кризиса в физике 1890 – 1900 годов, связанного с попыткой объяснить результаты опытов Майкельсона и Морли, экспериментально доказавших отсутствие эфира – как считалось, основы мироздания, основного вещества Вселенной. И вот, его нет! Рухнули многие теории, построенные на концепции эфира. Физики были в полной растерянности.

Опыт Майкельсона – Морли был достаточно прост. Они хотели лишь подтвердить существование эфира – мировой субстанции, вещества, двигающегося как река во Вселенной, обтекая небесные тела, увлекая часть из них с собой. Эфир должен был, по существовавшей тогда теории, переносить с собой и свет. Естественно, скорость света по течению эфира должна была быть больше, чем против, или перпендикулярно течению.

Все процессы во Вселенной того времени хорошо описывались механикой И. Ньютона. Возникло даже мнение, что все возможное в физике уже открыто. Остались одни мелочи.

Для очередного подтверждения теории эфира, Майкельсон и Морли взяли источник света. Расположили передним одно полупроницаемое зеркало – способное пропускать свет и в обратном направлении. Дальше расположили два обычных зеркала: одно по течению эфира, другое перпендикулярно течению эфира. Схема эксперимента Майкельсона – Морли приведена на

рис 2.

ВСТАВИТ РИСУНОК

В качестве датчика использовали глаз человека.

Источник света производил вспышку. Свет двигался к полупроницаемому зеркалу, от зеркала луч расходился на две части: одна продолжала двигаться к обычному зеркалу, расположенному по ходу движения эфира, потом отражалась от этого зеркала и возвращалась обратно к наблюдателю; вторая часть луча, преломившись на полупрозрачном зеркале, направлялась к обычному зеркалу, но расположенному перпендикулярно движению эфира, отражалась от него и возвращалась к наблюдателю.

Ясно, что свет по ходу движения эфира двигался бы быстрее (ему помогал эфир), чем свет перпендикулярно движению эфира и наблюдатель увидел бы поочередно две отраженные зеркалами вспышки: первую по ходу движения эфира, вторую перпендикулярно его движению.

Но результат этого простого эксперимента ошеломил всех.

После многократных повторений и проверок, Майкельсон и Морли решились обнародовать полученные данные. У них получалось, что вместо двух последовательных вспышек (одна по ходу, другая перпендикулярно эфиру), они фиксировали всего одну вспышку. Иначе говоря, скорость света по ходу движения эфира и перпендикулярно ему была одинакова! Значит, эфир не влияет на скорость света. Но, это же всеобщая субстанция! Она не может не взаимодействовать со светом! Вернее может, только в случае, если она не существует вообще!

Крах теории эфира привел к полной растерянности среди физиков, астрономов, всего научного мира в целом.

Исчезла базовая концепция строения и функционирования Вселенной. Люди больше не знали, как устроен наш мир!

В 1905 году впервые была опубликована работа Альберта Эйнштейна о специальной теории относительности. Исходя из представлений И. Ньютона о пространстве и времени, автор, отказавшись от теории эфира, описал основные известные науке процессы во Вселенной, в том числе перемещение света в пространстве.

Прежде всего, А. Эйнштейн отказался от представлений Ньютона об абсолютном едином для всех пространстве и абсолютном, едином для всех времени.

В основу его теории был положен принцип относительной одновременности событий (пространственных и временных). Проще говоря, любое суждение об объекте носит не абсолютный, а относительный характер и определяется избранной системой отсчета (точкой зрения). Например, важнейшее понятие – движение по Эйнштейну носит относительный характер.

Человек в костюме идет по улице. Относительно домов он, конечно, движется, проходя дом за домом. А относительно своего костюма? Относительно костюма человек неподвижен. Он ведь не выскочил из него? Так где же истина? Согласно Эйнштейну, обе системы отсчета: дома и костюм абсолютно равноправны. Движение и покой – понятия относительные.

В самом деле, небесные тела движутся относительно покоящихся или двигающихся с меньшей скоростью тел. А, если рядом с ними с такой же скоростью как и у них, двигаются соседние тела? Тогда друг относительно друга они находятся в состоянии покоя.

Итак, любое суждение носит относительный характер и определяется избранной системой отсчета.

Все системы отсчета во Вселенной равноправны. Главной системы отсчета во Вселенной не существует.

Но независимость систем отсчета делает их как бы отделенными друг от друга. А Вселенная едина.

В качестве обобщающего фактора Эйнштейн использовал скорость света.

Скорость света величина постоянная, независимо от системы отсчета. Ее значение в вакууме 300000 км/с. Это позволяет сопоставлять независимые системы отсчета друг с другом.

Еще один постулат специальной теории относительности широко известен. Это математическое выражение где E – энергия объекта (тела, группы тел; m – масса тела, группы тел; c – скорость света.

Длина объекта во Вселенной носит относительный характер. Если космический корабль двигается в космосе с субсветовой скоростью, то его длина для космонавта, находящегося на корабле соответствует заявленным размерам при старте. Для наблюдателя, находящегося в относительном покое мимо которого с субсветовой скоростью проходит этот космический корабль, размеры корабля значительно меньше. Дело в том, что зафиксировать что-либо можно, если свет падает на объект, успевает отразиться от него и попасть на сетчатку глаза наблюдателя. Но корабль летит с субсветовой скоростью. Свет падает на точку «А» корабля, отражается от нее и летит к наблюдателю. Но корабль идет почти со скоростью света! Пока свет дошел до наблюдателя, корабль ушел вперед, так, что начальную точку корабля «А» наблюдатель видит, как срединную. А корабль, как разницу между серединной и конечной точками. Отсюда меньшие размеры – разница между серединой и концом.

Где же истина? Каковы истинные размеры корабля? С точки зрения специальной теории относительности А. Эйнштейна истинными являются обе величины. Все зависит от системы отсчета.

Равноправие систем отсчета означает отсутствие единой однонаправленной системы координат в пространстве, как считалось раньше по Ньютону и единого однонаправленного времени.

И действительно, неподвижный наблюдатель из вне для проведения, каких – либо действий с кораблем, например установления связи должен исходить из его размеров в системе отсчета «неподвижный наблюдатель из вне». Иначе его система отсчета, например планета Земля, не совпадет с системой отсчета «наблюдатель на корабле».

Для системы отсчета «наблюдатель на корабле» размеры корабля будут иными, определяемыми органами чувств космонавта.

Прежде всего, ответим на вопрос: «Что такое время?». Конечно это не часы – обычная колебательная система, использующаяся в качестве условного эталона отсчета колебаний маятника. Время это череда событий, характерная для данного объекта в данной системе отсчета.

Значит, при суждении о ходе времени на летящем с субсветовой скоростью космическом корабле, с точки зрения системы отсчета «неподвижный наблюдатель из вне», не все события будут зафиксированы наблюдателем. А если событий меньше, то для данной системы отсчета время течет медленнее.

Отсюда, для наблюдателя из вне, время на корабле будет течь медленнее (событий фиксирует меньше), чем для наблюдателя на корабле. Это явление известно в науке как «парадокс близнецов». Его очень любят использовать писатели – фантасты. Два брата близнеца: один улетел к далеким галактикам, а другой остался на Земле. Из полета космонавт вернулся достаточно молодым и застал своего брата глубоким стариком. Время на корабле текло медленнее, чем на Земле. Но, строго говоря, это с точки зрения системы отсчета «корабль – наблюдатель из вне».

Таким образом, время - величина субъективная и зависит от избранной системы отсчета.

Исходя из относительности пространственных размеров и времени, А. Эйнштейн создал единую четырехмерную систему координат «пространство – время» (три пространственные координаты и одна временная), показав, что изменения в пространстве обязательно ведут к изменениям во времени. Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна создала новый подход к трактовке организации Вселенной, как пространства - времени, введя субъективизм систем отсчета и уровняв эти системы отсчета в правах.

В 1905 году перед учеными всего мира возникла Вселенная, в которой поведение небесных тел, двигающихся в пустоте, определяется избранной системой отсчета, основная система координат: «пространство – время» в которой изменяются размеры объектов и текущее на них время, максимально возможная скорость – скорость света, независимо от системы отсчета. Масса и энергия тел стали практически синонимами ().

Отсюда , т.е. постоянство скорости света определяет постоянство соотношения массы и энергии для любого объекта во Вселенной.

Итак, кроме относительности покоя и движения, множественности равноправных систем отсчета в единых координатах «пространство – время», наличия положительного и отрицательного перемещения в пространстве – времени, при чем, для каждой системы координат оно свое, концепция СТО включает в себя постулат о единстве массы и энергии. Отсюда следует утверждение о единстве двух видов материи: массы и энергии.

Эйнштейн постулировал, что величина скорости света в вакууме постоянна независимо от системы отсчета, т.е. является своеобразным эталоном, позволяющим сопоставлять различные системы отсчета.

В этой теории для описания движения небесных тел нет места эфиру. Эра эфира в 1905 году закончилась.

Многие приняли эту теорию по началу, в штыки. Но многочисленные эксперименты и теоретические исследования доказали ее правильность, позволили определить границы ее применения.

Мы можем сейчас говорить о мире Эйнштейна, о Вселенной Эйнштейна, в которой нам до сих пор, честно говоря, не все понятно.

Представленная научной общественности в 1905 году специальная теория относительности (СТО), стала базовой теорией движения небесных тел. Позже, она была распространена на структурные элементы микро мира.

Вопросы для самоконтроля

1. Изложите основную идею концепции эфира.

2. В чем состоит опыт Майкельсона – Морли?

3. Каково значение его результатов для науки?

4. В чем состоял кризис науки начала 1900-х годов?

5. В чем состоит принцип относительной одновременности СТО?

6. Как удалось А. Эйнштейну уйти от концепции эфира?

7. Какая система отсчета была признана А. Эйнштейном главной?

8. Что связывает, по А. Эйнштейну, равноправные системы отсчета?

9. Скорость света носит относительный характер в рамках СТО?

10. Почему теория А. Эйнштейна называется «теория относительности»?

11. Какие факторы влияют, в рамках СТО, на размер космического корабля во Вселенной?

12. Какие факторы влияют, в рамках СТО, на длительность времени?

13. Приведите математическое выражение, отражающее единство массы и энергии во Вселенной.

14. Опишите систему координат, предложенную А. Эйнштейном, в рамках СТО.

15. Каково значение СТО для мировой науки?

Лекция 14 «Учение об относительности Альберта Эйнштейна: общая теория относительности»

Несмотря на новую концепцию движения (СТО), не требующую для своего существования эфира и позволившую представить Вселенную как материальное пространство, общего понимания строения Вселенной так и не возникло.

В 1925 году Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности (ОТО), в которой изложил основные принципы строения и функционирования Вселенной.

Основной созидательной силой Эйнштейн, вслед за Ньютоном избрал тяготение. А важнейшие процессы во Вселенной – гравитационные.

Согласно ОТО, каждое физическое тело во Вселенной благодаря наличию гравитационного поля, способно искривлять по отношению к себе часть окружающего пространства. Напомним, что такое поле существует у любого объекта, обладающего массой. Конечно, речь идет о бесконечном множестве физических тел.

Таким образом, Вселенная представляет собой вогнуто – выпуклую структуру, в центральных точках которой располагаются физические тела - центры тяготения, а в периферических – пограничные точки соприкосновения полей тяготения разной мощности.

В соответствии с принципом минимума энергии, структура Вселенной имеет наиболее выгодную шарообразную форму и похожа внешне на скомканный клочок бумаги с его впадинами и выступами. Абсолютно ровных поверхностей и прямолинейных участков практически нет.

Значит, все перемещения во Вселенной могут быть только криволинейными. Иначе говоря, движение космического корабля представляет собой череду подъемов и спусков по мере попадания и выхода из полей тяготения того или иного небесного тела.

Для описания этого движения Эйнштейном был сформулирован принцип эквивалентности, согласно которому ma=mg, т.е. движение с ускорением по прямой (ma) на самом деле представляет собой постоянные перемещения вверх и вниз (mg). Вспомните второй закон Ньютона ( и уравнение свободного падения ).

Визуально полет космического корабля во Вселенной приблизительно похож на то, как по волнам океана плывет, перекатываясь с волны на волну обычный корабль.

Принципы ОТО распространяются и на свет. Луч света искривляется в поле тяготения, т.е. он тоже распространяется во Вселенной криволинейно.

Искривление проходящего рядом светового луча от звезды в поле тяготения Солнца было экспериментально зафиксировано во время полного Солнечного затмения в Австралии группой ученых, специально направленных туда для проверки положений ОТО.

Для геометрического описания Вселенной Эйнштейна линейная геометрия Евклида подходит лишь приближенно, на малых расстояниях.

Для максимально точного отражения пространства Эйнштейна используется нелинейная геометрия Лобачевского – Римана, в которой отсутствуют прямые линии. Любые геометрические фигуры, например, треугольник, имеет только вогнутые или выпуклые стороны. Соответственно сумма углов будет меньше двух дэ (< 2d) или больше двух дэ (> 2d). Объединение вогнутой и выпуклой стороны дает волнообразную кривую, отражающую характер движения физического тела во Вселенной.

Альберт Эйнштейн первоначально считал, что криволинейная шарообразная (напоминающая скомканный клочок бумаги) Вселенная стационарна, т.е. не изменяет своей геометрической формы. Советский академик Фридман в 1927 году направил ему письмо, где указал на то, что, по его мнению, Вселенная постоянно и непропорционально расширяется.

А. Эйнштейн признал правоту советского академика и внес в ОТО соответствующие дополнения.

Сегодня Вселенная считается пульсирующей. Ее расширение должно смениться соответствующим сжатием, после чего снова начнется расширение и так без конца. Пульсационные процессы, вообще характерны для разнообразных природных явлений.

К основным положениям общей теории относительности относится гравитационное поле, как всеобщая, формирующая сила;

наличие и глобальная размещенность во Вселенной центров тяготения;

ее искривленность;

принцип эквивалентности поступательного движения вертикальному вверх и вниз движению по криволинейной поверхности Вселенной;

криволинейность перемещения не только физических тел, но и всех видов излучений;

использование для геометрического описания строения Вселенной нелинейной геометрии Лобачевского – Римана; способность Вселенной к расширению и, как сейчас считается, к сужению. Словом, к периодической пульсации.

Вопросы для самоконтроля

1. Что означает «общая теория относительности», чем она отличается от специальной?

2. Какая сила формирует Вселенную, с точки зрения ОТО?

3. Какое влияние оказывает гравитация на пространственную конфигурацию Вселенной?

4. Что называется «центром гравитации»?

5. Каков геометрический характер движения в пространстве, с точки зрения А. Эйнштейна?

6. Какая геометрия позволяет описать движение тела в пространстве ОТО, кто ее создатели?

7. Приведите математическое выражение принципа эквивалентности.

8. Каков его физический смысл?

9. Чем объясняется криволинейность распространения во Вселенной луча света?

10. Как, в самом общем виде, представить себе Вселенную Эйнштейна?

11. В чем состоит уточнение советского академика Фридмана о границах Вселенной?