Материал: Тесты с ответами по естествознанию

в) Место есть часть пространства, занимаемая телом и, по отношению к пространству, бывает или абсолютным, или относительным.

г) Абсолютное движение есть перемещение тела из одного его абсолютного места в другое».

И далее то, как постулированы три фундаментальные закона движения, носящие имя Ньютона:

«I. Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

II. Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

III. Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе — взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противопоожные стороны».

Четвертым законом в «Началах» Ньютона стал закон всемирного тяготения. Анализируя законы Кеплера, Ньютон пришел к заключению, что между небесными телами действует сила притяжения, обратно пропорциональная квадрату расстояния между телами. Высказав предположение, что силы тяготения имеют всеобщий (всемирный) характер и что эти силы пропорциональны массам взаимодействующих тел, Ньютон установил закон, олицетворяющий первую теорию тяготения (гравитации):

Ньютону принадлежит доказательство того, что закон всемирного тяготения вместе с первым и вторым законами динамики достаточны для описания движения тел на поверхности и вблизи поверхности Земли. Законы движения и закон всемирного тяготения Ньютона принадлежат к числу фундаментальных физических принципов, и, подобно аксиомам Евклида в геометрии, они служат логической основой для получения других частных физических законов.

Итак, основное содержание или основные идеи классической механики таковы:

A) есть тела, которые следует наделить свойством массы;

Б) массы притягиваются друг к другу (закон всемирного тяготения);

B) тела могут сохранять свое состояние — покоиться или двигаться равномерно, не меняя своего направления движения (закон инерции, он же принцип относительности);

Г) при действии на тела сил они изменяют свое состояние: либо ускоряются, либо замедляются (второй закон динамики Ньютона);

Д) действие сил вызывает обратное равное ему противодействие (третий закон Ньютона).

Ньютону также принадлежит честь (вместе с немецким математиком Готфридом Лейбницем) создания великолепной математической теории — дифференциального и интегрального исчислений, лежащих в основании классического естествознания. Эта математическая теория стала одной из самых «используемых» теорий всеми учеными, работающими не только в области естествознания, но и в технических и в социально-экономических науках.

В XVIII-XIX веках знаменитыми математиками — швейцарцем (проработавшим большую часть своей жизни в России, а потому признаваемым как русский ученый) Леонардо Эйлером, французами Луи Лагранжем (1736-1813 гг.), Пьером Симоном Лапласом (1749-1827 гг.) и ирландцем Уильямом Роаном Гамильтоном (1805-1865 гг.), механике Ньютона были приданы изящные, математически строгие формы. Этих форм две, и их принято называть лагранжева и гамилътонова формы (часто это также характеризуют словами лагранжев и гамильтонов формализм). Они, эти великие математики, в этом нет никакого сомнения, завершили построение здания под названием классическая механика.

Теперь можно сформулировать основные научные положения механистической ньютоново-картезианской парадигмы или механистической картины мира, которые составляют, вместе с тем, основные принципы и закономерности классического механистического естествознания:

? мир состоит из массивных (материальных) объектов конечных объемов (размеров), видимые контуры которых являются их физическими границами;

? эти объекты движутся в пустом трехмерном евклидовом пространстве, евклидовыми также являются линии (траектории) их движения — прямые, окружности, эллипсы, параболы, спирали и другие линии;

? время — четвертая координата пространственно-временного континуума, независимая от пространственных координат;

? три закона динамики Ньютона управляют движениями (траекториями) материальных (наделенных массой или масссивных) объектов, заполняющих пространственно-временной континуум;

? поле тяготения (гравитация) распространяется в пространственно-временном континууме с бесконечной скоростью и никак не затрагивает течения времени;

? линейный характер ньютоновой динамики означает, что интенсивность следствия в мире механических явлений прямо пропорциональна интенсивности причины (так называемый лапласовский детерминизм).

Указанные фундаментальные положения классического формализма могут быть дополнены следующими эвристическими (методологическими) выводами:

1. Природных возможностей человеческого разума вполне достаточно для того, чтобы понять (выразить) мир механических явлений в понятиях и теориях.

2. Изучение мира механических явлений и процессов не оказывает существенного влияния на их течение.

3. Теоретический расчет движения реальных массивных объектов можно сделать сколь угодно точно, задавая экспериментальные так называемые начальные условия в какой-либо точке пространственно-временного континуума (начальные значения пространственных координат и скорости объекта в какой-либо его точке).

4. Уравнения динамики обратимы во времени, т. е. для них безразлично, куда развивается процесс из настоящего времени — в будущее или прошлое.

5. Точный численный расчет движений массивных объектов позволяет эффективно изменять и преобразовывать его по своему усмотрению.

Итак, именно эти перечисленные выше концептуальные положения и выводы, именуемые как ньютоново-картезианская (Картезий — латинизированное имя Декарта) парадигма, являются методологической основой классического механистического и физического естествознания. Вместе с лапласовским детерминизмом ньютоново-картезианская парадигма создала основу классического естествознаний и всей классической науки, господствующих в мышлении людей с XVIII века, а во многих случаях, и до сих пор, хотя время их уже давно прошло.

Ключевые слова классического механистического этапа науки: абсолютное пространство, абсолютное время, масса, инерция, динамические законы Ньютона, лапласовский детерминизм, лагранжев формализм, гамилътонов формализм, объективность, абсолютная предсказуемость событий будущего.

Резюме

1. Классическая механика дала четкие ориентиры в понимании фундаментальных категорий — пространства, времени и движения материи.

2. Законы классической механики с большой точностью (но все же приближенно) отражают истинные законы природы. До сих пор с помощью законов, сформулированных И. Ньютоном, производится, например, расчет траекторий искусственных спутников Земли. Пределы применимости классических законов механики устанавливаются в другой теории, возникшей в XX веке — в специальной теории относительности Эйнштейна.

3. Формирование классической физики, начатое в XVII веке работами Галилея, завершилось в XIX веке созданием Дж. Максвеллом теории электромагнитного поля, положившему начало в XX веке новому этапу в науке — неклассическому.

Невообразимо широк спектр использования этой теории в науке, технике, быту.

3.4. Энергия, теплота, закон сохранения энергии и первое начало (принцип) термодинамики

Создание классической физики, начатое и осуществленное Галилеем и Ньютоном в XVII-XVIII веках, получило логическое завершение только в конце XIX века. Параллельно с развитием механики, в XVIII веке разрабатываются представления о тепле. Так, один из разделов в тепле — термометрия, получил развитие в начале XVIII века благодаря работам Реомюра, Цельсия, Фаренгейта.

Наибольшее распространение получила система (шкала) измерения температур по Цельсию, отправными реперами в которой послужили температуры замерзания и парообразования воды, принятые Цельсием за 0 и 100 градусов. Познание явлений, связанных с теплом, привело не только к новой ветви классического физического естествознания — термодинамической, но и позволило ввести и по-новому осмыслить ее такие ключевые понятия как теплота, энергия и их взаимосвязь.

Из всех физических терминов и понятий, пожалуй, самым известным является энергия (от греч. energia — деятельность). Это слово прочно вошло в обиход всех людей, и, естественно, употребляя слово «энергия», большинство не знает, что энергия является одним из самых фундаментальных понятий в физике и что с энергией связаны свойства пространства-времени. Среди множества законов природы своей универсальностью выделяются законы сохранения. Среди них один из самых фундаментальных законов — закон сохранения энергии. Как установили ученые, сохранение энергии связано с однородностью времени, что можно упрощенно и образно представить как неизменность темпа времени в разные моменты его течения.

Открытие закона сохранения энергии связывают с именами нескольких ученых, а именно, считают, что Р. Май-ер, Д. Джоуль, Г. Гельмгольц, Э. Ленц сформулировали закон сохранения и превращения энергии. Открытию закона сохранения и превращения энергии способствовали экспериментальные и теоретические работы в области тепловых процессов, физиологии и самой физики, что, в конечном итоге, привело к созданию науки, получившей название термодинамика. Одной из таких великих работ является труд французского физика и инженера Сади Карно (1796-1832 гг.) «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Работа Карно и явилась началом термодинамики, предложенный им термодинамический способ решения задач используется и в современной физике. В своей работе Карно практически дал формулировку закона сохранения энергии, используя понятие тепло: «Тепло не что иное, как движущая сила, вернее, движение, изменившее свой вид; это движение частиц тела.» Движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создается и не уничтожается.»». С этого момента времени тепло, теплота, тепловая энергия становятся предметом пристального внимания и изучения учеными многих специальностей — физиков, химиков, врачей и т. д.

Физиология того времени также отказывается от таинственных жизненных сил и пытается описать жизненные процессы естественным образом. В 1840 г. петербургский академик Герман Гесс формулирует положение о сохранении количества теплоты, выделяющейся при химических реакциях независимо от способов перехода, если только физическое состояние веществ не изменяется. Это положение означало, что химики уже практически подошли к открытию закона сохранения энергии.

К середине XIX века наука стояла на пороге открытия закона сохранения энергии. Английский физик Джеймс Джоуль (1818-1889) в 1841 г., а российский академик физик и электротехник Эмилий Ленц (1804-1865 гг.) в 1842 г., изучая тепловое действие электрического тока, открывают независимо друг от друга закон о количестве выделяющегося тепла, который получил впоследствии имя Джоуля-Ленца. Более того, хотя Ленц не сформулировал, как таковой, закон сохранения энергии, он неявно этот закон использовал в своих исследованиях. В 1845 г. немецкий врач и ученый Роберт Майер (1814-1878 гг.) написал работу, в которой подробно исследовал различные виды сил (энергий): механическую силу, силу падения (не до конца осознавая, что она является некоторым видом потенциальной энергии), теплоту, электричество, химическую силу. Он составил таблицу всех рассмотренных сил и описал 25 случаев перехода одной формы движения (силы, энергии) в другую, анализируя их на основе закона сохранения. (Кстати, Р. Майер высказал фундаментальную гипотезу о том, что основным источником энергии на Земле является Солнце. С его точки зрения, любое растение является химической лабораторией, в которой происходит преобразование солнечной энергии в химическую. Это явление, получившее название фотосинтеза, было успешно изучено российским ученым Климентием Тимирязевым).

В 1851 г. Майер пишет работу «Замечания о механическом эквиваленте теплоты», в которой, в частности, защищает свой приоритет перед Джоулем в открытии закона сохранения и превращения энергии. Дело в том, что Джоуль, параллельно с Р. Майером и выдающимся немецким ученым-энциклопедистом Германом Гельмгольцем, работал над законом сохранения энергии в экспериментальном плане. Многочисленные опыты Джоуля показали, что механическая энергия превращается в теплоту, и определили механический эквивалент теплоты. Из работ Джоуля следовало, что теплота не является веществом, что она состоит в движении частиц. И в этом месте повествования об энергии поставим простой, даже примитивный вопрос: Что это такое — энергия? Такого же простого ответа дать невозможно.

Энергия существует во всевозможных формах. Есть энергия, связанная с движением (кинетическая энергия); энергия, связанная с гравитационным взаимодействием (энергия тяготения); тепловая, электрическая и световая энергии; энергия упругости в пружинах, химическая энергия, ядерная энергия и, наконец, энергия, которой обладает частица (всякое тело) в силу своего существования -эта энергия пропорциональна массе и рассчитывается по знаменитой формуле Эйнштейна Е = тс2 (формула возникла в механике специальной теории относительности Эйнштейна, см п. 4.1).

Итак, существует много видов энергии, и ученые выяснили достаточное количество информации об их взаимосвязи. Например, сейчас мы знаем, что тепловая энергия тела это есть, по сути, кинетическая энергия хаотического движения частиц в теле. Упругая энергия и химическая энергия имеют одинаковое происхождение -электромагнитное взаимодействие между атомами и молекулами. Очевидно, с каждым из четырех видов фундаментальных взаимодействий (гравитационным, электромагнитным, слабым и сильным) можно связать соответствующую энергию, но, вероятно, энергетические соотношения являются даже более универсальными, чем взаимодействия. Эйнштейн считал, что гравитация порождается энергией, в силу того, что энергия эквивалентна массе, а масса ответственна за гравитацию (будет изложено в пп. 4.1 и 4.4). Более того, сильное (оно же ядерное) взаимодействие имеет обменный характер, и, опосредованно, через массы виртуальных частиц, энергия «проникает» и в сильное взаимодействие. Поразительно другое: мы знаем множество разных видов энергии, очевидно, много еще не знаем, но абсолютно уверены в том, что эта величина (энергия) при различных процессах и превращениях в точности сохраняется.

Сравним закон сохранения энергии с законом сохранения электрического заряда. Закон сохранения заряда — наиболее простой и наиболее понятный закон сохранения. Дело в том, что в природе существует минимально возможный (дискретный, квантованный, если угодно) заряд, он равен заряду электрона. Поэтому, если в некоторой системе до взаимодействия был известен суммарный заряд (т. е. число этих минимальных «кирпичиков» заряда), то в процессе взаимодействия сохранение заряда системы просто означает неизменность числа этих «кирпичиков». Для энергии таких «кирпичиков» не существует, но, тем не менее, мы уверены, что во всех мыслимых и немыслимых процессах энергия сохраняется.

Интересный пример использования закона сохранения энергии, даже правильней будет сказать, пример мощи закона сохранения энергии, демонстрирует реакция распада нейтрона на протон, электрон и нейтрино. Сначала думали, что нейтрон превращается в протон и электрон. Но когда измерили энергию всех частиц, оказалось, что энергия протона и электрона меньше энергии нейтрона. Даже великий Нильс Бор засомневался тогда в точном выполнении закона сохранения энергии и предположил, что этот закон сохранения выполняется только в среднем, статистически. Но оказалось правильным другое объяснение. Энергии не совпадают потому, что при реакциях возникает еще какая-то частица (позднее она была названа великим итальянским физиком Энрико Ферми нейтрино), которая и уносит с собой часть энергии. Предположение это высказал австрийский физик Вольфганг Паули и тем самым «спас» закон сохранения энергии.