В классической механике Ньютона, как казалось Ньютону, можно построить всевозможные материальные объекты и, таким образом, дать теоретическое объяснение любых механических явлений, встречающихся в природе. В основу классической механики были положены следующие постулаты:
1) Для инерциальных систем отсчета справедлив принцип относительности Галилея, согласно которому все механические процессы протекают одинаково в любой инерциальной системе отсчета. Из этого следует равномерное прямолинейное движение центра масс любой системы материальных объектов.
2) Пространство классической механики является однородным и изотропным. Из этого следуют законы сохранения импульса и момента импульса.
3) Независимость хода времени от материальных тел, находящихся в пространстве, ведет к однородности времени, а следовательно, и к закону сохранения энергии.
4) Физическое пространство и время существуют сами по себе и не зависят от материальных тел, которые находятся в пространстве.
5) Взаимодействие между любыми физическими объектами, находящимися на произвольном расстоянии друг от друга, осуществляется мгновенно (силы взаимодействия зависят от положений материальных точек в этот же момент времени). Это означает, что скорость передачи взаимодействия в механике Ньютона считается бесконечно большой.
6) Масса материальной точки, которая фигурирует в выражении для второго закона Ньютона, не зависит от скорости ее движения.
7) Все кинематические и динамические переменные (координаты, проекции импульса, момента импульса и т.д.) можно измерить в принципе сколь угодно точно. Следствием этого является возможность характеризовать движение любой материальной частицы с помощью понятия траектории.
Однако постепенно выявилась ограниченность приведенных постулатов и соответственно всего здания классической механики. Практически оказалось, что все вышеприведенные пункты тем или иным способом могут нарушаться. КУ
Строго говоря, законы Ньютона справедливы только в инерциальных системах отсчета. Если мы честно запишем уравнение движения тела в неинерциальной системе отсчета, то оно будет по виду отличаться от второго закона Ньютона и практически ничем не будет отличаться от уравнений движения в общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна. Однако часто, для упрощения рассмотрения, вводят некую фиктивную "силу инерции", и тогда эти уравнения движения переписываются в виде, очень похожем на второй закон Ньютона. Математически здесь всё корректно (правильно), но с точки зрения физики новую фиктивную силу нельзя рассматривать как нечто реальное, как результат некоторого реального взаимодействия. Ещё раз подчеркнём: «сила инерции» — это лишь удобная параметризация того, чем отличаются законы движения в инерциальной и неинерциальной системах отсчета.
Замечание. В общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна силы инерции получают свою реальность, в т.ч. и как гравитационные силы.
При произвольном движении неинерциальной системы относительно инерциальной системы первый закон Ньютона (закон инерции) в этой системе не имеет места – свободные тела в ней будут с течением времени менять свою скорость движения. Второй закон Ньютона также необходимо модифицировать с учетом сил инерции. Третий закон Ньютона будет верен локально (или контактно), для разнесенных в пространстве взаимодействующих тел ее применение будет усложнено или даже невозможно в связи с усложнением определения прямой линии между объектами взаимодействия.
Термодинамика – еще одна область, в которой классическая механика терпит неудачу. Оно связано с тем, что невозможно абсолютно точно определить состояние системы с большим количеством (в пределе – континуумом) степеней свободы в произвольный момент прошлого и будущего. Согласно классической доктрине, состояние системы полностью определено начальными условиями. Но в сложных системах невозможно абсолютно точно описать текущее состояние большого числа объектов и предсказать состояние каждого элементарного объекта в произвольный момент будущего. Здесь для этого имеются как субъективные, так и объективные причины. Согласно законам термодинамики, состояние больших сложных систем в будущем определено только статистически: система стремится перейти в состояние с максимальной энтропией с некоторыми средними значениями параметров.
Описание движения волновых процессов – здесь законы Ньютона также терпят неудачу. Несмотря на то, что описать сам процесс волнового движения и рассчитать ее параметры возможно в рамках механики Ньютона, изучая процесс распространения возмущения в сплошной среде, окончательное уравнение волнового движения оказывается не ковариантным относительно галилеевых преобразований координат. В это уравнение явно войдет скорость движения фоновой сплошной среды, в котором распространяется волна, или необходимо рассматривать волновое движение в АИСО среды.. Например, скорость распространения возмущения c', т.е. фронта волны, в с.о., движущейся относительно среды, будет равна c' = c - v, где v – скорость с.о., а эта скорость явно входит в волновое уравнение
К тому же эта скорость не изотропна. Получается, что для каждого направления распространения должно писаться отдельное волновое уравнение. Сплошная среда нарушает принцип эквивалентности ИСО.
Другое открытие, пошатнувшее устои классической механики, было создание теории электромагнитного поля. Классическая механика пыталась свести все явления природы к силам, действующим между частицами вещества, – на этом основывалась концепция электрических жидкостей. В рамках этой концепции реальными были лишь субстанция и ее изменения – здесь важнейшим признавалось описание действия двух электрических зарядов с помощью относящихся к ним понятий. Описание же поля между этими зарядами, а не самих зарядов было весьма существенным для понимания действия зарядов. Вот простой пример нарушения третьего закона Ньютона в таких условиях: если заряженная частица удаляется от проводника, по которому течет ток, и соответственно вокруг него создано магнитное поле, то результирующая сила, действующая со стороны заряженной частицы на проводник с током в точности равна нулю.
Созданной новой реальности места в механической картине мира не было. В результате физика стала иметь дело с двумя реальностями – веществом и полем. Если классическая физика строилась на понятии вещества, то с выявлением новой реальности физическую картину мира приходилось пересматривать. Попытки объяснить электромагнитные явления с помощью эфира оказалось несостоятельными. Несмотря на то, что моделью при создании теории электромагнитного поля был именно "некий эфир". Эфир экспериментально обнаружить не удалось. Точнее, эфир оказался просто ненужным для объяснения линейной теории электромагнитных явлений. Это привело к созданию теории относительности, заставившей пересмотреть представления о пространстве и времени, характерные для классической физики.
Вследствие развития физики в начале XX века еще более сузилась область применения классической механики: ее законы (КМН) выполняются для движений, скорость которых много меньше скорости света. Было установлено, что с ростом скорости масса тела возрастает. При последовательном рассмотрении этого факта оказалось, что и свойства пространства-времени-материи становятся не классическими взаимно независимыми, а тесно связанными. Эта связь усматривается в специальной и общей теории относительности, открытыми Альбертом Эйнштейном.
Следующее несоответствие в классической механике связано с открытием микромира. В классической механике перемещения в пространстве и определение скорости изучались вне зависимости от того, каким образом эти перемещения реализовывались. Применительно к явлениям микромира подобная ситуация, как выяснилось, невозможна принципиально. Здесь пространственно-временная локализация, лежащая в основе кинематики, возможна лишь для некоторых частных случаев, которые зависят от конкретных динамических условий движения. В макромасштабах использование кинематики вполне допустимо. Для микромасштабов, где главная роль принадлежит квантам, кинематика, изучающая движение вне зависимости от динамических условий, теряет смысл.
Для масштабов микромира и второй закон Ньютона оказался несостоятельным – он справедлив лишь для явлений большого масштаба. Выяснилось, что попытки измерить какую-либо величину, характеризующую изучаемую систему, влечет за собой неконтролируемое изменение других величин, характеризующих данную систему: если предпринимается попытка установить положение в пространстве и времени, то это приводит к неконтролируемому изменению соответствующей сопряженной величины, которая определяет динамическое состояние системы. Так, невозможно точно измерить в одно и то же время две взаимно сопряженные величины. Чем точнее определяется значение одной величины, характеризующей систему, тем более неопределенным оказывается значение сопряженной ей величины. Это обстоятельство повлекло за собой существенное изменение взглядов на понимание природы вещей.
Более общей наукой, описывающей такие движения, является квантовая механика, согласно которой неопределенность в знании значений координат и импульса определяется соотношением неопределенности Гейзенберга
В применении к обычным телам, например к футбольному мячу весом 0,5 кг, движущемуся со скоростью 30 м/сек, с хорошей точностью применима механика классическая. Так, если мы не знаем скорость с точностью выше, чем ΔU = 10-² мкм/с (то есть ΔxΔp ³ /2 - огромная точность), а Δx = 10-³ мкм (10 Å), то ΔxΔ p » 5*10-¹⁹ Дж·сек ³ ħ/2, где ħ = 1,054571800(13) ⋅10−³⁴ Дж·с (кг·м2·с−¹) - приведённая постоянная Планка (h = 2πħ =6,626 070 15⋅10−³⁴ Дж·с). Таким образом, классическая механика Ньютона изучает медленные движения макроскопических тел.
Несоответствие в классической механике исходило из того, что будущее в известном смысле полностью содержится в настоящем – этим и определяется возможность точного предвидения поведения системы в любой будущий момент времени. Такая возможность предлагает одновременное определение взаимно сопряженных величин. В области микромира это оказалось невозможным, что и вносит существенные изменения в понимание возможностей предвидения и взаимосвязи явлений природы: раз значение величин, характеризующих состояние системы в определенный момент времени, можно установить лишь с долей неопределенности, то исключается возможность точного предсказания значений этих величин в последующие моменты времени, т.е. можно лишь предсказать вероятность получения тех или иных величин.
Таким образом, две концепции – теория относительности и теория квантов – стали фундаментом для новых физических концепций.
Если хотите узнать, что обозначает слово или словосочетание, в ОПЕРЕ выделите это слово(сочетание), нажмите правую клавишу мыши и выберите "Искать в ...", далее - "Yandex". Если это текстовая ссылка – выделите ее, нажмите правую клавишу мыши, выберите "перейти …". Все! О-ля-ля!
Если вам понравилась статья, то поставьте "лайк" и подпишитесь на канал! Если не понравилась – все равно комментируйте и подписывайтесь. Этим вы поможете каналу.
Ссылка на мою статью Как написать формулы в статье на Дзен?
Мои странички на Дзен: https://zen.yandex.ru/id/5e036c95fc69ab00aecfe6e9