Модель Вселенной Ньютона
Согласно модели Ньютона, все физические явления происходят в трехмерном пространстве, которое описывается евклидовой геометрией. Как утверждал Ньютон: «Само абсолютное пространство, без учета внешних факторов, всегда остается неизменным и неподвижным… Абсолютное, истинное математическое время по своей сущности течет с постоянной скоростью, не подвергаясь внешним воздействиям».
По представлениям Ньютона, в неподвижном и неизменном пространстве двигаются материальные частицы – атомы, маленькие, твердые и неразрушимые предметы, из которых состоит вся материя. Отличие представлений Ньютона от представлений Демокрита заключалось в том, что, по Ньютону, между материальными частицами действуют силы взаимодействия, очень простые и по сути зависящие только от масс и расстояний между частицами. Анализируя многочисленные данные наблюдений движения планет, Ньютон открыл закон всемирного тяготения, который явился одной из вершин классической физики.
В своей книге «Оптика» Ньютон писал:
Мне кажется вероятным, что Бог вначале сотворил материю в виде твердых, обладающих массой, цельных, непроницаемых и подвижных частиц, наделенных такими размерами, пропорциями, формами и другими качествами, которые наилучшим образом отвечают той цели, для которой Он сотворил их, и что эти частицы, будучи цельными, несравненно плотнее любого пористого тела, из них составленного; и они настолько плотны, что никогда не изнашиваются и не разбиваются, и ни одна сила не может разделить то, что Бог сотворил единым при своем первотворении (3).
Для того чтобы дать строгое математическое описание силы тяжести или гравитации, вызывающей взаимное притяжение материальных частиц, Ньютон использовал абсолютно новые понятия и математические операции дифференциального исчисления. Ньютоновские уравнения движения – основы классической механики. Считалось, что они отражают незыблемые законы, управляющие движением материальных частиц, а значит, и всеми природными явлениями. По мнению Ньютона, Бог создал материальные частицы, силы между ними и фундаментальные законы движения. Таким образом, вся Вселенная была запущена в движение и движется до сих пор подобно хорошо отлаженному механизму.
Сам Ньютон при помощи своей теории объяснил движение планет и основные свойства Солнечной системы. Тем не менее его планетарная модель была сильно упрощенной и не учитывала, например, гравитационного взаимодействия планет. Из-за этого Ньютон обнаружил в своей модели некоторые несообразности, которые он сам не мог объяснить. Однако он решил проблему достаточно просто, придя к выводу, что Бог всегда присутствует во Вселенной и исправляет эти несообразности.
Итак, основными постулатами модели Ньютона являются:
1. Пространство и время Вселенной абсолютны, но они не зависят от материальных объектов и процессов.
2. Пространство и время метрически бесконечны, однородны (свойства одинаковы во всех точках) и изотропны (независимость свойств физических объектов от назначения).
3. Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяются системы, но не мир в целом.
1. Гравитационный: если Вселенная бесконечна, с бесконечным числом небесных тел, то сила тяготения будет бесконечно большой и Вселенная в результате должна сколлапсировать.
2. Фотометрический: если существует бесконечное число небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, а этого нет.
Великий математик Лаплас поставил перед собой честолюбивую задачу: уточнить и усовершенствовать подсчеты Ньютона «и предложить окончательное описание механики Солнечной системы и настолько приблизить теорию к наблюдениям, чтобы в астрономических таблицах не осталось белых пятен».
Результатом его усилий была большая работа в пяти томах, «Небесная механика», в которой Лаплас успешно и подробно описал движение планет, лун и комет, причины приливов и других гравитационных явлений. Опираясь на ньютоновские законы движения, он показал, что Солнечная система неподвижна. Когда Лаплас продемонстрировал Наполеону первое издание своей книги, тот, как рассказывают, заметил: «Месье Лаплас, мне сказали, что этот грандиозный труд об устройстве Вселенной не содержит ни одного упоминания о Творце». На что Лаплас резко ответил: «Сир, я не нуждаюсь в этой гипотезе».
Вдохновленные блестящим успехом ньютоновской механики в астрономии, физики использовали ее для описания непрерывного течения жидкостей и колебаний упругих тел и вновь добились успеха. Даже теория теплоты получила механистическое обоснование, согласно которому теплота представляет собой энергию, порожденную сложным хаотическим движением молекул вещества. Так, при повышении температуры воды подвижность молекул возрастает до тех пор, пока они не преодолеют силы взаимного притяжения и не разделятся. При этом вода превращается в пар. Напротив, при охлаждении термическое движение замедляется, между молекулами возникает более прочная связь и образуется лед. Подобным же образом можно с чисто механической точки зрения объяснить много других температурных явлений.
Ньютоновская механика пережила свой расцвет в XVIII–XIX веках. Триумф механики Ньютона убедил физиков в том, что ее законы управляют движением всей Вселенной и являются основными законами природы и что явления природы не могут иметь другого объяснения. Тем не менее по прошествии менее ста лет стало очевидно, что ньютоновская модель не может объяснить новые открытия, а ее закономерности действуют не всегда.
А началось все с открытия и исследования явлений электричества и магнетизма, которые свидетельствовали о существовании сил неизвестной природы и не допускали механистического толкования. Это неизвестное до сих пор взаимодействие было названо полем.
Источник
§ 6. Вселенная Ньютона
Несмотря на свой знаменитый девиз «Гипотез не измышляю», Ньютон как мыслитель крупнейшего масштаба не мог не задумываться и над проблемами предельно широкими, касающимися устройства Вселенной в целом (да и механизма тяготения, между прочим). Но и здесь он применял метод индукции: не давая волю фантазии, анализировал прямые логические следствия уже установленных законов. Так, сформулировав закон всемирного тяготения как универсальный закон природы, справедливый для всей Вселенной (хотя он был тогда согласован с наблюдениями лишь в пределах Солнечной системы), Ньютон рассмотрел (в переписке с английским теологом Р. Бентли в 1692—1693 гг.) возможную структуру гравитирующей Вселенной при двух альтернативных допущениях — конечной и бесконечной Вселенной. Он пришел к выводу, что лишь во втором случае рассеянная в начальный момент материя могла образовать множество космических объектов, так как только в бесконечной Вселенной могут существовать многочисленные равноправные центры гравитации. Б конечном же объеме все эти отдельные тела рано или поздно слились бы в единое тело в центре мира. Уже само наблюдение бесчисленных звезд (которые к тому времени считались «солнцами») подсказывало вывод о бесконечности мирового пространства. Поэтому фундаментом для всех последующих гравитационных (ньютонианских) моделей Вселенной стало представление о бесконечном пространстве, в котором находятся бесчисленные космические объекты, связанные друг с другом силой всемирного тяготения, определяющей характер движения этих объектов.
Ньютон задумывался и над проблемой происхождения такой упорядоченной Вселенной. Однако здесь он столкнулся с задачей, для решения которой не располагал научными фактами. Вместе с тем он первым отчетливо понял, что одних только механических сил для этого мало. Предшественником Ньютона в этом можно назвать. Аристотеля. Ньютон также критиковал концепции атомистов-механистов, справедливо утверждая, что из одних только неупорядоченных механических движений частиц не могла возникнуть вся сложность мирового порядка и богатство существ в мире. Убедившись в неизбежности возмущений в движениях планет и спутников (т. е. отклонений от кеплеровых законов), которые могли иметь и вековой характер, нарастая со временем, Ньютон в то же время не имел никаких оснований для уверенности в устойчивости, сохранении уже имевшихся гравитирующих систем, например планетной. Оставалось прибегнуть лишь к некой более могучей, чем тяготение, организующей силе, каковою в его эпоху мыслился только бог. Тайной оставалось и начало орбитального движения планет. Поэтому Ньютон традиционно допускал некий божественный «первый толчок», благодаря которому планеты приобрели орбитальное движение, а не упали на Солнце. Объяснив упорядоченное движение планет естественной физической причиной — законом всемирного тяготения, он тем не менее вынужден был сделать вывод о необходимости время от времени подправлять (тем же божественным вмешательством) расшатываемый взаимными возмущениями механизм планетных движений, заводить «мировые часы» (образ введен Лейбницем).
Источник
Вселенная Ньютона
Наши нынешние представления о движении тел восходят к Галилею и Ньютону. До них люди верили Аристотелю, утверждавшему, что естественное состояние тела — покой, а движется оно только под влиянием силы или импульса. Отсюда следовало, что тяжелое тело должно падать быстрее легкого, потому что оно сильнее притягивается к Земле.
Аристотелевская традиция провозглашала также, что все законы, управляющие Вселенной, можно вывести путем чистого умозрения, без экспериментальной проверки. Поэтому до Галилея никто не дал себе труда удостовериться, действительно ли тела различной массы падают с разной скоростью.
Говорят, что Галилей демонстрировал ложность утверждения Аристотеля, бросая предметы с накренившейся башни в итальянском городе Пиза. Эта история, скорее всего, выдумана, но Галилей все же делал нечто подобное: он скатывал шары разной массы по гладкой наклонной плоскости. Это аналогично вертикальному падению тел, но благодаря меньшим скоростям в подобном эксперименте легче выполнять наблюдения.
Измерения Галилея показали, что скорость движения тел возрастала одинаково независимо от их массы. Например, если вы пустите шар по наклонной плоскости, которая понижается на один метр каждые десять метров, то независимо от массы через секунду он будет двигаться со скоростью примерно один метр в секунду, через две секунды — два метра в секунду и так далее.
Конечно, тело из свинца падает быстрее перышка, но только потому, что падение пера замедляется сопротивлением воздуха. Два тела, не испытывающих существенного воздушного сопротивления, например два свинцовых груза разной массы, будут падать с одним и тем же ускорением. (Мы скоро узнаем почему.) На Луне, где нет воздуха, замедляющего падение, астронавт Дэвид Р. Скотт провел эксперимент, бросая перышко и кусок свинца, и убедился, что они одновременно упали на грунт.
Ньютон положил измерения Галилея в основание своих законов движения. В экспериментах Галилея тело скатывалось с наклонной плоскости под действием постоянной силы, придававшей ему постоянное ускорение. Этим демонстрировалось, что реальный эффект от действия силы — изменение скорости тела, а не приведение его в движение, как считалось ранее. Также отсюда следовало, что, пока тело не подвергается действию какой либо силы, оно перемещается по прямой линии с постоянной скоростью. Данная идея, впервые отчетливо высказанная в «Началах» (1687), известна как первый закон Ньютона .
Поведение тела под действием силы описывается вторым законом Ньютона. Он утверждает, что тело будет ускоряться, то есть изменять свою скорость в темпе, пропорциональном величине приложенной силы. (Например, ускорение увеличится вдвое, если вдвое возрастет сила.) Кроме того, ускорение тела тем меньше, чем больше его масса, то есть количество вещества. (Одна и та же сила, действующая на тело вдвое большей массы, дает половинное ускорение.) Всем, кто имел дело с автомобилями, известно: чем мощнее двигатель, тем больше ускорение, а при одной и той же мощности двигателя более тяжелая машина ускоряется медленнее.
В дополнение к законам движения, описывающим реакцию тел на действие сил, ньютоновская теория тяготения описывает, как определить величину одного конкретного вида сил — гравитации. Как уже было сказано, согласно этой теории любые два тела притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной их массам. То есть сила притяжения между двумя телами возрастает вдвое, если удвоить массу одного из тел, например тела А (рис. 4). Это вполне естественно, поскольку можно рассматривать новое тело А как два тела, каждое из которых обладает первоначальной массой и притягивает тело В с первоначальной силой. Таким образом, полная сила взаимного притяжения тел А и В будет вдвое больше первоначальной. А если бы масса одного из тел возросла в шесть раз, или масса одного вдвое, а другого — втрое, то сила притяжения между ними выросла бы в шесть раз.
Теперь можно понять, почему все тела падают с одинаковым ускорением. Согласно закону всемирного тяготения то из двух тел, чья масса вдвое больше, вдвое сильнее притягивается Землей. Но в соответствии со вторым законом Ньютона из за вдвое большей массы его ускорение окажется вдвое меньше на единицу силы. Таким образом, эти два эффекта компенсируют друг друга, и ускорение свободного падения не зависит от массы тела.
Закон тяготения Ньютона также гласит, что чем дальше друг от друга находятся тела, тем слабее их притяжение. По Ньютону, тяготение далекой звезды будет ровно вчетверо слабее притяжения такой же звезды, находящейся вдвое ближе. Этот закон позволяет с высочайшей точностью предсказывать траектории движения Земли, Луны и планет. Если бы гравитационное притяжение звезды уменьшалось с расстоянием быстрее или медленнее, орбиты планет не были бы эллиптическими, а имели бы форму спирали, сходящейся к Солнцу или расходящейся от него.
Рис. 4. Гравитационное притяжение составных тел.
Если масса одного из тел возрастает в два раза, удваивается и сила притяжения между телами.
Важнейшее различие между учением Аристотеля и идеями Галилея и Ньютона состоит в том, что Аристотель считал покой естественным состоянием любого тела, к которому оно стремится, если не испытывает действия некоей силы или импульса. В частности, Аристотель полагал, что Земля пребывает в состоянии покоя. Но из законов Ньютона следует, что нет никакого уникального стандарта покоя.
Можно сказать, что тело А находится в состоянии покоя, а тело В перемещается относительно него с постоянной скоростью, или что тело В пребывает в покое, а тело А перемещается, и оба утверждения будут одинаково верны.
Например, если забыть на мгновение, что Земля вращается вокруг своей оси и обращается вокруг Солнца, то в равной мере можно говорить, что Земля находится в состоянии покоя, а поезд движется по ней на север со скоростью девяносто миль в час или что поезд находится в состоянии покоя, а Земля движется на юг со скоростью девяносто миль в час.
Если провести в поезде эксперименты с движущимися телами, все законы Ньютона подтвердятся. Например, играя в пинг понг в вагоне поезда, убеждаешься, что шарик повинуется законам Ньютона точно так же, как и шарик на столе у дороги. Так что невозможно узнать, что именно движется — поезд или Земля.
Как проверить, кто прав — Ньютон или Аристотель? Вот один из возможных экспериментов. Вообразите, что вы находитесь внутри закрытого контейнера и не знаете, стоит ли он на полу вагона в движущемся поезде или на твердой поверхности Земли, стандарте покоя согласно Аристотелю. Можно ли определить, где вы? Если можно, Аристотель, вероятно, был прав: состояние покоя на Земле является особым. Однако это невозможно. Эксперименты, выполненные внутри контейнера в движущемся поезде, будут протекать точно так же, как и те, что проделаны внутри контейнера на «неподвижном» перроне (мы считаем, что поезд не испытывает толчков, не поворачивает и не тормозит). Играя в пинг понг в вагоне поезда, можно обнаружить, что шарик ведет себя точно так же, как и шарик на столе у дороги. И если, находясь внутри контейнера, вы играете в пинг понг, при разных скоростях поезда относительно Земли — 0,50 или 90 миль в час — шарик всегда будет вести себя одинаково. Так устроен мир, что и отражено в уравнениях законов Ньютона: не существует способа узнать, что движется — поезд или Земля. Понятие движения имеет смысл, только если оно задано относительно других объектов.
Действительно ли существенно, кто прав — Аристотель или Ньютон? Идет ли речь о различии взглядов, философских систем, или это проблема, важная для науки? Отсутствие абсолютного стандарта покоя имеет в физике далеко идущие последствия: из него вытекает, что нельзя определить, случились ли два события, которые имели место в разное время, в одном и том же месте.
Чтобы уяснить это, давайте предположим, что некто в поезде вертикально бросает теннисный шарик на стол. Шарик отскакивает вверх и через секунду снова ударяет в то же место на поверхности стола. Для человека, бросившего шарик, расстояние между точками первого и второго касания будет равно нулю. Но для того, кто стоит снаружи вагона, два касания будут разделены приблизительно сорока метрами, потому что именно столько пройдет поезд между двумя отскоками шарика. Согласно Ньютону оба человека имеют равное право считать, что находятся в состоянии покоя, так что обе точки зрения одинаково приемлемы. Ни один из них не имеет преимущества перед другим, в противоположность тому, что считал Аристотель. Места, где наблюдаются события, и расстояния между ними различны для человека в поезде и человека на платформе, и нет никаких причин предпочесть одно наблюдение другому.
а я уверен в том что мальчик который стоит и смотрит на движущийся поезд в котором происходят действия с прыгающим шариком также находится в движении хотя и стоит т.е. находится в состоянии покоя.
Источник