Границы применимости классической механики Ньютона, СТО и ОТО

Законы Ньютона рассматривают обычно как систему взаимосвязанных законов.

I Закон инерции: всякая материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит ее изменить это состояние (стремление тела сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения – инертность или инерция).

II Закон: ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом), пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально массе мат. точки (тела): a=F/m (закон справедлив только в инерциальных сис темах отсчета).

Взаимодействие между материальными точками определяется III Законом: всякое действие материальных точек друг на друга носит характер взаимодействия; силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки, всегда равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей эти точки: F₁₂=-F₂₁. Этот закон позволяет осуществить переход от динамики отдельной материальной точки к динамике системы материальных точек, характеризующихся парным взаимодействием.

Специальная теория относительности включает два постулата:

принцип относительности: никакие опыты, проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой;

принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источников света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Здесь пространство и время носят относительный характер. Из данной теории следуют необычные пространственно-временные свойства: относительность длин и промежутков времени, относительность одновременности событий.

Общая теория относительности, или теория тяготения, - результат развития специальной теории относительности. Из нее вытекает, что св-ва пространства-времени зависят от поля тяготения. При переходе к космическим масштабам геометрия пространства-времени может изменяться от одной области к другой в зависимости от концентрации масс материальных объектов и их движения. В поле тяготения пространство-время обладает кривизной. Слабой кривизне соответствует обычная ньютоновская гравитация. Однако в сильных гравитационных полях, создаваемых массивными космическими объектами, искривление пространства-времени становится существенным. Если подобный объект совершает колебательное или вращательное движение, кривизна периодически изменяется. Распространение таких изменений в пространстве рождает гравитационные волны. Квантовые гравитационные волны соответствуют гравитону – частице с нулевой массой покоя. Ни гр. волны, ни гравитоны экспериментально не обнаружены.       

Связь законов сохранения со свойствами пространства и времени.

Для понимания законов природных явлений и процессов весьма важен принцип инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени,  т.е. параллельных переносов начал координат и отсчета времени. Он формулируется так: смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов. Инвариантность структуры, свойств, формы материального объекта относительно его преобразований называется симметрией. Из принципа инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени следует симметрия пространства и времени, называемая однородностью. Она заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого ее физические св-ва и законы не изменяются. Для количественного описания движения тел используется понятие импульса. Импульс определяется произведением массы тела на его скорость. Из св-ва однородности пространства следует закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени. Этот закон справедлив не только для объектов классической физики, но и для замкнутых и незамкнутых систем. Закон сохранения импульса носит универсальный характер и является фундаментальным законом природы. Однородность времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени. Из однородности времени следует закон сохранения механической энергии: в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, т.е. не изменяется со временем. Энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой. В этом заключается физическая сущность закона сохранения и превращения энергии – неуничтожимость материи ее движения, т.к. энергия – универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. Еще одно важное св-во симметрии пространства – его изотропность. Изотропность пр-ва означает инвариантность физических законов относительно выбора направления осей координат системы отсчета. Из изотропности про-ва следует фундаментальный закон природы – закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени.                

Немецкий математик Эмми Нутерю сформулировала и доказала сл. теорему: из однородности пространства и времени следуют законы сохранения соответственно импульса и энергии, а из изотропности пространства – закон сохранения момента импульса.