Содержательные допущения и следствия механики Галилея -

Ньютона

Спустя семь лет после выхода в свет «Математических начал натуральной философии» Ньютона молодой религиозный деятель Ричард Бэнтли (1662—1742) написал письмо великому физику, в котором попросил его ответить на вопрос, не может ли сила тяготения быть причиной образования звезд. Этот вопрос затрагивает тему отношения теоретических понятий физики Галилея — Ньютона

к реальному, материальному миру.

Данному вопросу можно придать современный смысл. Сила тяготения — это сила близкодействия? С какой скоростью она распространяется? С конечной или мгновенной бесконечной? Каким

образом свет распространяется в космическом пространстве? Реальное время течет от прошлого к будущему, которые имеют собственные, не сводимые друг к другу физические состояния, почему же тогда механическое движение обратимо

во времени? Как объяснить свободное падение тел? Почему инертная и гравитационная массы тела представлены разными формулами (формула F= та относится к инертной массе, формула F = G (m1m2 /R2) — к гравитационной)?

Ответы на эти вопросы можно разделить на две части: А — ответ самой физической теории Галилея — Ньютона и Б — трактовка проблем, лежащих в основе этих вопросов, самим Ньютоном в форме свободных рассуждений.

А. Механика Галилея— Ньютона

1. Сила тяготения является дальнодействующей силой и распространяется с бесконечной скоростью без соприкосновения между взаимодействующими телами.

2. Пространство и время заданы самим Богом и не наделены физическими свойствами.

3. Закон всемирного тяготения точно описывает специфику этого физического взаимодействия, но причины, которые вызывают это взаимодействие, неизвестны.

4. Сила тяготения не действует на свет, на его траекторию движения.

5. В мире возможны одновременные события, так как время — это абсолютная математическая длительность, мера определения движения тел в пространстве.

6. Ритм времени одинаков в каждой точке Вселенной и по всем ее направлениям.

7. Пространство — это своеобразная арена, сцена, на которой происходят физические события.

8. Математическая теория пространства Евклида правильно отражает метрику

пространства при механическом движении: два прямолинейно движущихся тела никогда не пересекутся в своем движении на просторах Вселенной.

9. Часы, установленные на движущемся теле, не замедляют и не ускоряют свой ход, величина массы тела также остается неизменной в механическом движении тел.

Б. Ответ Ньютонав форме свободного рассуждения 1.Если бы все вещество нашего Солнца и все вещество Вселенной было бы равномерно рассеяно в небесных глубинах, и если

бы каждая частица имела врожденное тяготение ко всем остальным частицам,

и если бы, наконец, пространство, в котором рассеяна вся материя Вселенной, было конечным, то все вещество снаружи этого пространства в силу тяготения влеклось бы ко всему веществу, которое находится внутри этого пространства, и тем самым создало бы внутри пространства огромную сферическую массу.

В этом рассуждении Ньютон говорит о гравитационной неустойчивости Вселенной, т. е. при отсутствии силы отталкивания, противоположной силе тяготения, тяготение приведет к скручиванию массы всех тел во Вселенной в одном центре. Этот эффект называется коллапсом (падение внутрь), заимствовано

из латинского языка.

2. Если пространство бесконечно и вещество Вселенной равномерно распределено в этом пространстве, то вещество Вселенной сгущалось бы в точках пространства, создавая бесконечное число массивных тел. Именно в бесконечном пространстве из вещества (частиц) могло образоваться наше Солнце и другие небесные тела под действием силы тяготения.

В своих рассуждениях Ньютон отмечает важность свойств самого пространства (замкнутое, открытое)для физических процессов образования материальных тел во Вселенной. Как и Галилей, он считал, что в материальном мире все состоит из вечных, нестареющих частиц, некоторые из них имеют светящуюся природу. Из них состоят звезды.

Ньютону принадлежит интересная гипотеза о том, что «жар Солнца» и звезд сохраняется большим их весом и высокой плотностью окружающих их атмосфер, оболочек, сжимающих их со всех сторон. В последние годы своей жизни Ньютон уделял большое внимание изучению оптических явлений.

Физическая природа света.Физическая природа света была предметом исследования многих мыслителей времени Ньютона. Р. Гук рассматривал свет как волновое явление, движение волн. Это означало, что пространство между небесными телами заполнено эфиром, особым физическим материальным агрегатным состоянием. По мере изучения свойств распространения света эфир наделялся рядом фантастических физических свойств: невесомый, разряженный, всепроникающий и т. п.

Гипотеза Ньютона о корпускулярной природе света как потока частиц,

подверженных колебательному движению, не была попу-

лярна в его время. Невозможно было в XVII в. и осуществить метод Галилея для измерения скорости света, который он предложил в работе «Беседы о математическом доказательстве» (1638). Астроном X. Кассини (1625—1712) утверждал, что скорость света конечна, однако приводимым им доказательствам

не поверили. «Трактат о свете» (1690 г. — дата публикации) X. Гюйгенса (1629—

1693) считался наиболее авторитетным трудом в то время. В нем приводились доказательства волновой физической природы света.

В конце XIX в. и в первом десятилетии ХХ в. проблема физической природы света приобрела вновь актуальное значение в работах Г. Герца (1857—1894) и А. Эйнштейна, который обратился к корпускулярной гипотезе света И. Ньютона.

Механическая картина мира

Популяризация идей механики И. Ньютона связана с именем французского философа Вольтера (1694—1778). При его активном содействии работа Ньютона

«Математические начала натуральной философии» была переведена с латинского языка на французский язык. Затем Вольтер написал популярное изложение механики Ньютона под названием «Элементы учения Ньютона». В философии Вольтера большое место занимала критика церкви, борьба за общественный прогресс и образование. Механика Ньютона представлялась ему образцом человеческого творчества, проникающего в глубины тайн устройства природы. Популяризация механики Ньютона способствовала возникновению механистической физической картины мира, в которой Вселенная представлялась

в виде мировой машины или механизма, подчиняющегося законам механического движения.

Триумфом механики И. Ньютона стали открытия астрономов. В 1781 г. была открыта планета Уран, в 1846 г. — Нептун, в 1930 г. — Плутон. Каждому из этих астрономических открытий предшествовали вычисления на основе закона всемирного тяготения Ньютона.

Механика Ньютона стала научной основой создания первых концепций строения Вселенной и образования структур в ней. И. Кант (1724—1804) и П. Лаплас (1749—1827) — авторы небулярной гипотезы (лат. nebula — туман). Ньютону принадлежит приоритет в вычислении орбит искусственных спутников Земли. На расстоянии 40 тыс. километров спутник синхронно движется

относительно определенной точки поверхности Земли (постоянно находится над ней).

Открытие силы гравитации поставило перед естествознанием ряд загадочных вопросов:

1. Как эта сила возникает? В реальности человек ощущает действие этой силы?

2. Как она распространяется: в виде волн или особых частиц (гравитонов) и с какой скоростью?

3. Сила гравитации, по Ньютону, ослабевает с увеличением расстояния между телами. Поэтому возникает вопрос, нет ли таких мест во Вселенной, где ее величина равна нулю. Иначе говоря, она является универсальной или где-то во Вселенной она ослабевает настолько, что физическое ее действие не играет никакой роли?

4. Можно ли экранировать действие силы гравитации? Это обстоятельство имеет большое значение для космических путешествий.

5. Как связано действие силы гравитации с пространством и временем?

6. Можно ли использовать силу гравитации для изучения строения Земли? Такого рода вопросы-загадки стали ориентиром в развитии новых физических теорий, следовавших за механикой Галилея — Ньютона.

7. Существуют ли гравитоны, частицы, которые позволяют силе тяготения распространяться с мгновенной скоростью? Швейцарский ученый Фотье дю Дюийе (1664—1753) высказал гипотезу о существовании гравитонов в связи с обсуждением теории Ньютона.

ВЫВОДЫ

1. Механика Галилея - Ньютона рассматривала законы движения вещества,

материальных тел, имеющих массу. Понятия физического поля появляются лишь в XIX

в.

2. В этой механике время и пространство заданы как бы от Бога и не имеют физического содержания, т. е. временной ритм и пространство являются абсолютными условиями существования физических тел. Физического воздействия на тела они не оказывают.

3. Принцип детерминизма всей классической механики исключает возможность событий случайного физического характера (самоорганизации, са-

моразвития). Случайность события связывается с недостаточным знанием о нем.

Но этот недостаток в принципе можно устранить в изучении события, исследуя его бесконечно долго.

4. Физические события в закрытых механических системах являются обратимыми,

поскольку время имеет математический, а не физический смысл.

5. В закрытых механических системах действуют физические законы сохранения

(импульса, энергии, массы и т. п.), т. е. однажды качнувшийся маятник Фуко будет в замкнутой системе качаться вечно, точно повторяя траекторию своего движения слева

направо.

6. Для объяснения причинно-следственных связей в мире классическая механика косвенно использует понятие времени:следствие не может предшествовать причине,

причина и следствие не могут быть одновременными, отдаленная причина определяется

через последовательность событий во времени,

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И СЕМИНАРОВ

1. В чем выражается суть метода Галилея в изучении явления свободного падения тела?

2. Как трактуется время и пространство в механике Галилея - Ньютона?

3. Почему в закрытых механических системах физические события являются обратимыми?

4. Какие открытия в области астрономии были созданы на основе механики Ньютона?

5. Принцип детерминизма (его физический смысл, содержание).