Источник: Никеров В.А. Физика: Учебник и сборник задач, 2-е изд., перераб. и доп. ИТК Дашков и К. 2022. 580 стр. Одобрен Минобрнауки РФ.
Основы классической механики созданы в значительной мере итальянским ученым Галилео Галилеем (1564-1642) и английским ученым Исааком Ньютоном (1643-1727). Им удалось усилить многовековые методы физики, базировавшиеся в основном на созерцании и философском осмыслении, и существенно дополнить их экспериментами, формулами и теорией нового уровня. При этом Галилей сформулировал преобразования Галилея для координат в движущихся системах отсчета и принцип относительности Галилея для движения, а также получил ряд важных частных формул ускоренного движения. В свою очередь Ньютон обобщил идеи Галилея и сформулировал три закона Ньютона с двумя фундаментальными формулами для ускорения тела и сил взаимодействия тел.
Выделим среди законов Ньютона Второй закон Ньютона, который можно назвать основным законом физики, да и мироздания в целом.
Законы Ньютона существуют столетия в почти неизменном виде. На мой взгляд, формулировка основного закона физики, да и вообще законов Ньютона нуждается в некоторой модернизации. Немецкий философ Иммануил Кант утверждал, что в науке столько науки, сколько в ней математики. Особенно это касается такой сложной и глобальной науки как физика. Среди законов Ньютона формулами представлены только Второй и Третий законы, а Первый закон в определенной степени является философским утверждением и частным случаем Второго закона.
Поэтому в прагматичном 21 веке считаю логичным включить Первый закон в формулировку Второго закона Ньютона в виде еще более глобального Закона ускорения тел: Существуют системы отсчета, называемые инерциальными, в которых ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом), прямо пропорционально векторной сумме приложенных сил и обратно пропорционально массе тела. Третий закон Ньютона (Закон взаимодействия тел) наряду с Законом ускорения тел является фундаментальным законом механики и физики.
Из законов Ньютона могут быть выведены все остальные законы механики, в частности законы сохранения импульса и энергии, законы вращательного движения, а также условия равновесия.
Следует отметить, что законы Ньютона не являются самым глубоким уровнем формулирования классической механики. Так в рамках Лагранжевой механики имеется единственная формула (определение действия, равного интегралу по времени от разности между кинетической энергией и потенциальной энергией) и единственный постулат (тела движутся по той траектории, где действие минимально), и из этого можно вывести все три закона Ньютона.
Особо следует отметить роль релятивистской механики. В 21 веке релятивистская механика усилила свои позиции как раздел механики и общей физики в целом. С одной стороны, это связано с тем, что возросла роль явлений и технологий, в основе которых движение частиц при скоростях, сравнимых со скоростью света. С другой стороны, среди специалистов усилилось понимание ключевой роли релятивистской механики как основы электродинамики. При этом – вопреки мнению некоторых скептиков – релятивистская механика многократно подтвердила свою достоверность, как новыми экспериментами с быстрыми частицами, так и традиционными исследованиями электродинамики.
В конце 19 века в опыте Майкельсона было показано, что скорость света в вакууме одинакова в разных системах отсчета, что противоречит преобразованиям Галилея. Для решения этого противоречия пришлось обобщить преобразования Галилея, и в работах А. Пуанкаре и А. Эйнштейна были сформулированы два постулата релятивистской механики:
1). Принцип относительности: Никакими физическими опытами нельзя установить, покоится ли данная система отсчета, либо движется равномерно и прямолинейно. Другая формулировка: Все законы природы одинаково формулируются для всех инерциальных систем отсчета.
2). Принцип постоянства скорости света: Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источника и приемника света.
Факт постоянства скорости света привел к выводам, что вопреки классической механике время в разных системах отсчета течет по-разному, меняется и расстояние между точками. Однако постоянным является так называемый релятивистский интервал, что позволило обобщить преобразования Галилея, заменив их на преобразования Лоренца. В свою очередь преобразования Лоренца позволяют обобщить понятия импульса тела и кинетической энергии, а также Второй закон Ньютона.
При этом вводятся полезные определения полной энергии и не зависящей от скорости энергии покоя, которая выражает принцип эквивалентности массы и энергии Эйнштейна. Физические эксперименты показывают, что закон сохранения энергии выполняется именно для полной энергии системы тел, причем кинетическая энергия может переходить в массу и наоборот. Связь между полной энергией и импульсом позволяет получить не зависящее от выбора системы отсчета соотношение, называемое релятивистским инвариантом. Из экспериментально установленного факта о неизменности скорости света при переходе из одной системы в другую следует, что скорость любого тела не может превышать скорости света.
В выражениях для релятивистского импульса и полной энергии масса домножается на зависящий от скорости фактор Лоренца. Это дало повод части физиков называть это произведение релятивистской массой, которая зависит от скорости. Но вопрос, зависит ли масса от скорости скорее терминологический, поскольку включение в массу фактора Лоренца не меняет вида физических законов.
Из всех релятивистских формул в пределе малых скоростей получаются классические аналоги. По этому поводу в науке сформулирован принцип соответствия: любая новая физическая теория должна в старом пределе воспроизводить результаты старой проверенной теории.
Перейдем теперь к молекулярной физике, которая изучает физические свойства тел на основе рассмотрения их молекулярного (микроскопического) строения. Молекулярная физика исследует движение и взаимодействие частиц (атомов, молекул, ионов), составляющих физические тела, дополняя законы механики методами статистической физики, термодинамики и физической кинетики. Статистическая физика изучает методами теории вероятностей поведение систем частиц в равновесном или неравновесном состоянии. Термодинамика изучает соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. Физическая кинетика - микроскопическая теория, изучающая процессы столкновений, а также неравновесные процессы переноса энергии, импульса, и вещества в различных средах.
Основное положение молекулярно-кинетической теории заключается в том, что вещество состоит из молекул, которые находятся в постоянном беспорядочном тепловом движении и обмениваются при столкновениях импульсами и энергией. Простейшей моделью вещества является идеальный газ, молекулы которого могут быть приняты за материальные точки, взаимодействующие между собой и со стенками сосуда посредством упругих столкновений. При этом обычно считается, что молекулы идеального газа гораздо чаще сталкиваются между собой, чем со стенками сосуда. Очевидно, что для идеального газа расстояния между молекулами должны намного превосходить размеры молекул.
Наиболее важные равновесные распределения частиц по кинетической и потенциальной энергии задаются экспоненциальной функцией, что обычно связано с изотропией пространства. Однако в условиях сильной неравновесности характерным является степенной вид распределения, и функция распределения может убывать с ростом энергии по квадратичной или кубической зависимости. Это обычно имеет место при торможении быстрых частиц, например при торможении пучков ускоренных электронов в различных средах. При этом степенной вид убывания распределения определяется степенными вероятностями потери энергии и связан с трехмерностью пространства. Здесь стоит отметить еще аналогичный степенной вид на интервале многих порядков энергетического распределения космических лучей.
В термодинамике важную роль играет закон о равномерном распределении энергии по степеням свободы и особенности его применения для различных степеней свободы молекул. Можно упомянуть и неравенство Клаузиуса, утверждающее, что энтропия замкнутой системы возрастает (в случае необратимых процессов), либо остается постоянной (в случае обратимых процессов).
Стоит отметить, что развитие высоких технологий на основе применения пучков фотонов и ускоренных частиц в последние десятилетия повышает важность понимания физических процессов при транспортировке таких пучков в различных средах. Уже разработано немало физических моделей транспортировки в различных приближениях для оптимизации технологий. В частности, речь идет о прямолинейном и диффузионном приближениях.