Борис Иванович Мальчиков
Начала. Физические начала натурфилософии
Закончив с античной наукой вернемся к Великой научной революции, а именно к ее вершине – труду Ньютона «Математические начала натурфилософии» (1687 г). Именно в нем сформулирован знаменитый закон всемирного тяготения. В основу своих исследований Ньютон полагает три основных закона движения (иначе три аксиомы). Схема изложения» Математических начал Натурфилософии» была аналогична «Началам» Эвклида. Даны все определения, затем аксиомы и потом само изложение предмета.
В течение 250 лет сочинение Ньютона служит главным первоисточником дальнейших открытий в общей механике, небесной механике, в физике и технике. Ньютон не только сформулировал величайший закон природы, но и дал новый общий метод, который позволил решать задачи всех этих наук.
Структура изложения в труде такова:
Даются определения: 1) количество материи-масса, 2) количество движения, 3) сила инерции, 4) внешняя сила, 5) центростремительная сила, 6) абсолютная величина центростремительной силы, 7) движущая величина центростремительной силы.
Далее Ньютон поясняет в каком смысле употребляются в дальнейшем менее известные названия.
Время, пространство, место и движение составляют понятия общеизвестные. При этом отмечается, что эти понятия обыкновенно относятся к тому, что постигается нашими чувствами, от чего происходят некоторые неправильные суждения, для устранения которых необходимо вышеприведенные понятия разделить на абсолютные и относительные, истинные и кажущиеся, математические и обыденные.
Следующим этапом даются аксиомы или законы движения: Три закона Ньютона (движение по инерции, F=ma, действие равно противодействию)
Последнее звено – изложение основного доказательства.
За научной революцией средневековья следует революция начала 20-го века. Символом которой стал Эйнштейн. Его взгляд на окружающий мир сломал все предыдущие стереотипы. Специальная и Общая теории относительности вместе с развитием квантовой механики перевернули представления классической науки. Вот это и следует проанализировать.
Физике нужна была революция и она произошла на рубеже 19-го и 20-го веков. Этот перелом отметился рядом важнейших открытий, которые послужили толчком к развитию почти всех естественных наук. Каждое новое открытие рушило каноны классической физики, затрагивал механику и электродинамику. 19-ый век прославился обобщенными классическими теориями, а 20-ый стал эпохой экспериментаторов. Их опыты поставили под угрозу все устои классической физики. Три основных открытия начала 20-го века – это открытие электрона, как переносчика отрицательного электричества. Открытие квантов света и открытие радиоактивности. Это три революционные вехи, открывшие в 20-ом столетии огромные возможности для естественных наук и для невиданных темпов прогресса технических устройств, включая компьютеры. Они сразу дали толчок к появлению теории относительности Эйнштейна. При изучении движения электрона обнаружилось, что его масса неограниченно возрастает. (Данное утверждение требует очень тщательного рассмотрения. Следует проанализировать эксперимент из результатов, которого делается такой вывод). Рентгеновское излучение также было открыто при проведении опытов по движению электронов. Резерфорд создал первую рабочую модель атома и приоткрыл завесу тайны над атомным ядром. А квантовая физика вообще стала практически самостоятельно развивающейся областью.
Экспериментальные данные требовали теоретического осмысления, и оно стало рождаться. Квантовая теория Макса Планка 1900 г. Общая теория относительности (ОТО) – теория тяготения, описывающая тяготение, как проявление геометрии пространства-времени (1915) Альберта Эйнштейна. В этой теории постулируется, что гравитация и инерционные силы имеют одну природу. (Что странно? Инерция и кривизна пространства-времени? Замечание автора), Специальная теория относительности (СТО) – теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях движения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких к скорости света. Обобщение СТО для сильных гравитационных полей называется общей теорией относительности. Основным отличием СТО от классической механики является зависимость (наблюдаемых) пространственных и временных характеристик от скорости. Центральное место в СТО занимают преобразования Лоренца, позволяющие преобразовывать пространственно-временные координаты событий при переходе от одной инерционной системы отсчета к другой, когда одна из них движется относительно другой с определенной скорость. СТО создано Эйнштейном в работе в 1905 году «К электродинамике движущихся тел», Математический аппарат преобразований координат и времени между различными системами отсчета был ранее сформулирован французским математиком А. Пуанкаре.
Предпосылкой к созданию теории относительности явилось развитие в 20-ом веке электродинамики. Результатом обобщения и теоретического осмысления экспериментальных фактов и закономерностей в областях электричества и магнетизма стали уравнения Максвелла, описывающие свойства электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядом и токами. В электродинамике Максвелла скорость распространения электромагнитной волны в вакууме не зависит от скорости движения как источника этих волн, так и наблюдателя и равна скорости света. Основные понятия: Система отсчета, инерциальная система отсчета. Событием называется любой процесс, который может быть локализован.
Уравнения Максвелла сформулированы на основе накопленных к середине 19-гог века экспериментальных результатов. В 1820 году Эрстед обнаружил, что пропускаемый через провод электрический ток заставляет отклоняться магнитную стрелку компаса. В том же 1820 году Био и Савар экспериментально нашли выражение для порождаемой током магнитной индукции (закон Био-Савара). Ампер обнаружил также взаимодействие двух проводников с протекающими по ним токами. Макс Фарадей пришел к идее о том, что должно существовать обратное влияние магнита на ток. В 1831 году он открыл, что перемещение магнита возле проводника порождает в проводнике электрический ток. Это явление получило название электромагнитной индукции. Фарадей ввел понятие поля сил. Гаус, Риман и другие ученые высказали догадку, что свет имеет электромагнитную природу. В 1873 году Максвелл в Работе «Трактат об электричестве и магнетизме» заменил термин Фарадея «поле сил» на понятие напряженность поля и сделал его основным объектом своей теории. В 1855 г. в статье «О Фарадеевых силовых линиях» он впервые записал в дифференциальной форме систему уравнений электродинамики, но не ввел еще ток смещения. Такая система уравнений описывала все известные к тому времени экспериментальные данные, но не позволял связать между собой заряды и токи. Впервые ток смещения был введен в работе «О физических силовых линиях» (1861–62 гг.) Обобщая закон Ампера Максвелл вводит ток смещения, вероятно для того, чтобы связать токи и заряды уравнением непрерывности, которые уже были известны для других физических величин. В статье «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864 г.) Максвелл впервые сформулировал понятие электромагнитного поля как физической реальности. Оказалось, что не только ток, но и изменяющееся во времени электрическое поле порождает магнитное поле. (Здесь следует остановиться и уточнить отдельные детали. В слове «оказалось», как мне кажется скрывается логическая ошибка. Не изменяющееся во времени электрическое поле порождает магнитное поле, а движущийся заряд. Конечно движущийся заряд вызывает изменение электрического поля в конкретной точке, но не оно является источником магнитного поля. И пример тому электрофорная машина. Пока заряд копится на электрофорных шарах магнитное поле не возникает, а появляется лишь при разряде, когда между шарами протекает электрический ток. Почему на это не было обращено Максвеллом внимание является загадкой. Однако из этой, как нам кажется ошибки, последовали выводы, породившие фундаментальные выводы.)
В свою очередь в силу закона Фарадея изменяющееся магнитное поле порождает электрическое. (И здесь есть лукавство. Изменяющееся магнитное поле порождает не электрическое поле, а движение зарядов, что не одно и тоже. Так как заряды движутся не электрическим полем, а движимы силой Лоренца.) В результате в пустом пространстве (почему в пустом?) может распространяться электромагнитная волна. Из уравнений Максвелла следует, что ее скорость равна скорости света. Уравнения Максвелла сыграли важную роль при возникновении СТО. Джозеф Лармор (1900 г.) и независимо от него Хенрик Лоренс (1904 г.) нашли преобразования координат, пространства-времени электромагнитных полей, которые оставляют уравнения Максвелла инвариантными при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Они получили название преобразований Лоренца и стали математическим фундаментом СТО. Распространение электромагнитной волны со скоростью света первоначально интерпретировалось как возмущение некоторой среды в виде эфира. Пуанкаре высказал гипотезу о принципиальной невозможности обнаружить движение Земли относительно эфира (принцип относительности). Ему же принадлежит постулат о независимости скорости света от скорости его источника и вывод (вместе с Лоренцем), исходя из сформулированного так принципа относительности, о необходимости применения преобразований Лоренца. Как видно Пуанкаре с Лоренцем были предтечей для формулировок Эйнштейна. Их идеи легли в основу статьи Эйнштейна в 1905 г. В СТО преобразования Лоренца отражают общие свойство пространства и времени, а модель эфира оказалась ненужной, в чем сомневался Пуанкаре и не принимал Лоренц. Электромагнитное поле является самостоятельным объектом, существующим наравне с материальными частицами. Правда, почему-то никто не задался вопросом материальной природы не только электромагнитного поля, но и электрического и магнитного. Если относительно любого материального тела можно вести отсчет, то у поля нет ни одной материальной точки для ведения отсчета. Это заставляет насторожиться. Почему такое отличие? Электромагнитная волна движется в электромагнитном поле, а ее скорость предложено считать относительно источника. Почему? Да потому, что невозможно ее связать с электромагнитным полем по отмеченной чуть ранее причине. Вспомним о такой важный для формул Максвелла идее о сдвиговых токах, не движении магнитных или электрических полей, а именно токах, то есть движении зарядов, как это и было установлено законами электродинамики. Из сказанного возникает навязчивое подозрение о неполной адекватности законам природы электромагнитной модели Максвелла. Теперь эта червоточина так и буде сопровождать мои рассуждения в дальнейшем.
