Ограничения классической механики

Физика

К	2. Классическая механика. Физическая модель точечного тела в пустом пространстве. 4. Квантовая механика: особенности формирования, периодизация, специфика модели квантомеханического объекта. 16. Кризис физики и формирование неклассической физике на рубеже XIX-XX в.
М	1.Модельный подход к анализу научной теории: основные принципы и понятия (на примере ньютонианской модели в физике).
Н	6. «Новая» квантовая механика. Завершение формирования модели квантомеханического объекта. Волновая и матичная механика. Уравнение Шредингера.
О	13. Основные положения специальной теории относительности. 14. Основные положения общей теории относительности. 18. Основные гипотезы о происхождении Вселенной. Модель большого взрыва. 19. Общее представление о строении Вселенной. Виды звезд и их основные характеристики.
П	7. Парадоксы квантовой механики и их интерпретации. 8. Принцип неопределенности Гейзенберга: технический, физический и философский аспекты. 9. Проблема соотношения законов микро и макромира. Парадокс «кота Шредингера» и проблема единства физического мира. 10. Парадокс ЭПР и его интерпретации. Проблема соотношения квантовой механики и теории относительности. 11. Проблемы квантомеханической модели мира. Основные интерпретации квантовой механики. 15. Пространство и время в релятивистской механике. 17. Проблематизация наблюдателя в неклассической физике 20. Парадоксальные объекты современной космологии. «Черные дыры»: физические свойства. 26. Проблема механизмов наследования. Формирование генетики.
С	5. «Старая» квантовая механика. Основные проблемы и представители.
Ф	3. Формирование моделей сплошных сред. Гидро и электродинамика. 12. Фундаментальная роль принципа относительности в физике. Принцип относительности в классической и релятивисткой механике.

Биология

А	31. Абиогенез как основа современных научных представлений о происхождении жизни. Гипотеза Опарина и современные абиогенетические теории.
Б	23. Биология как естественная наука. Особенности наблюдения и эксперимента в науках о живом. 37. Болезнь как проблема медицины. Норма и патология. Методологический аспект медицинской диагностики, "стандартные" диагнозы.
В	30. Возникновение жизни как проблема биологии. Основные гипотезы возникновения жизни. 34. Вирусы и их место в системе представлений о живых объектах.
С	21. Сущность живого. Основные подходы к проблеме определения жизни в биологии. 22. Становление научной биологии. Роль ситематики и эволюционных идей. Эволюционная теория Ламарка. 27. Синтез дарвинизма и генетики. Формирование синтетических теории эволюции. 28. Синтетических теория эволюции: основные положения и представители. 29. Современный эволюционизм: основные особенности, отличия от классического дарвинизма, актуальные проблемы. 33. Современная классификация живого. Основные проблемы систематики. 35. Современные научные представления о происхождении человека. 36. Становление научной медицины в XIX в. Роль больниц и медицинской техники в формовании медицины современного типа.
Т	24. Теория эволюции Ч.Дарвина: формирование, основные особенности и проблемы. 25. Теория эволюции Ч.Дарвина и проблема происхождения человека. 32. Теория РНК-мира.
Э	38. Этические и правовые проблемы биологии и медицины. Клонирование человека, эвтаназия и другие дискуссионные проблемы.

1.Модельный подход к анализу научной теории: основные принципы и понятия (на примере ньютонианской модели в физике)

Очень часто развитие естественных наук (в первую очередь, физики, химии, биологии) представляют себе в виде следующей, восходящей к Ф.Бэкону цепочки эмпирико-индуктивных обобщений:

Еще в конце 18 в. Д. Юм и И. Кант показали невозможность в рамках эмпиризма сделать это: теоретические законы типа закона тяготения Ньютона - универсальны и всеобщи, они относятся ко всем телам, в то время как эмпирическая индукция Ф.Бэкона исходит из сколь угодно большого, но конечного числа эмпирических фактов (сколько бы раз мы ни видели на озере только белых лебедей из этого нельзя вывести закон, что все лебеди белые). Эта критика эмпиристского взгляда на науку была продолжена и в 19 и в 20 вв., тем не менее этот взгляд популярен и сегодня.

Здесь развивается неэмпиристский взгляд на науку, утверждающий, что Г.Галилей (ровесник Ф.Бэкона) и И.Ньютон проложили совсем другой путь, по которому и развивается до сих пор физика и ориентирующиеся на нее другие естественные науки.

От геометрии Евклида к естественной науке Галилея. "Модельный взгляд": понятия "первичного идеального объекта" и "ядра раздела науки"

Ключом к пониманию структуры физики можно считать геометрию Евклида. Из этой классической математической теоретической системы Галилеем и Ньютоном было унаследовано очень многое.

Во-первых, это иерархичность. Последняя состоит в том, что в геометрии Евклида существуют исходные (первичные) понятия - точка, прямая, плоскость, из которых строятся все прочие "вторичные" идеальные объекты - геометрические фигуры. Последние легко определяются явным образом через первые (напр.: треугольник это фигура, образованная пересечением трех прямых). А вот с определением первых - точки, прямой, ... - дела обстоят не так просто. Долгое время их рассматривали как самоочевидные и неопределимые исходные понятия. Во второй половине XIX в. возникла проблема строгого определения оснований геометрии. Одно из наиболее распространенных решений этой проблемы дал в конце XIX в. Д.Гильберт: исходные (первичные) понятия геометрии - точку, прямую, расстояние, плоскость стали определять неявным образом и совместно через систему аксиом геометрии.

Аналогичную ситуацию мы имеем в классической механике и других разделах физики. Здесь тоже существуют "первичные идеальные объекты" (ПИО) - частицы, силы, поля, ..., из которых строятся модели различных явлений природы и глобальные картины мира. Динамика Ньютона рассматривает невообразимое множество механических систем, собираемых из различных тел (частиц) и приложенных к ним сил. Частицы и силы играют роль "первичных идеальных объектов", из которых собираются более сложные составные идеальные объекты - теоретические модели различных явлений природы. В классической механике ПИО долгое время после Ньютона рассматривали как самоочевидные и неопредилимые исходные понятия. Но после появления во второй половине XIX в. электродинамики Максвелла ситуация изменилась. Реализация антиньютонианской программы Фарадея-Максвелла поставила под вопрос казавшиеся до того большинству физиков достаточно очевидными ньютоновские определения массы, силы, частицы и ее характеристик. И здесь физика пошла по тому же пути, что и геометрия, через использование неявного типа определения. Соответствующая система понятий и постулатов (аналог системы аксиом геометрии) называется нами "ядром раздела науки" - ЯРН (в данном случае - физики). Понятия "первичного идеального объекта" (ПИО) и "ядра раздела науки" (ЯРН) -- основные понятия "модельного подхода" к науке.

Явное определение, примером которого может служить статья толкового словаря, выражает новое понятие (или объект) через другие. Явное определение последних сведет их к третьим и т.д.. Этот процесс должен где-то обрываться. То на чем он обрывается будет образовывать группу "первичных" понятий (или объектов). Декарт и его последователи предлагал в качестве последних интуитивно очевидные понятия. Но математика, физика, химия работали со все более сложными понятиями и во второй половине XIX в. многие из первичных понятий уже трудно было считать очевидными. Решением возникшей проблемы стал неявный тип задания первичных понятий.

Наличие "первичных" и "вторичных" идеальных объектов требует ввести еще одно очень важное различение - фиксацию двух фаз в развитии науки: фазы создания (С) новых первичных идеальных объектов (отвечающих на вопрос " ЧТО такое эти поля, микрочастицы и т.д.?") и фазы их использования (И) для построения моделей явлений природы или картины мира (отвечающей на вопрос о том "как устроен мир?"). Это различение фиксируется в предложенном Т.Куном делении на "нормальную" и "аномальную" фазы науки и в эйнштейновском различении на "конструктивные" и "фундаментальные" ("принципиальные") теории. Нам представляется, что в истории физики (и естественной науки вообще) наличие указанных двух фаз в развитии науки отражается в споре о том, в чем задача физики: "объяснять" или "описывать".

Творцы новых разделов физики: классической механики (Галилей, Ньютон с его знаменитым тезисом "гипотез не создаю"), электродинамики (Максвелл, Герц), специальной теории относительности (Мах, ранний Эйнштейн) в своей деятельности придерживались не "объяснительной", а "описательной" установке.

Нас интересует фаза создания нового "ядра раздела науки", в ходе которого создаются новые "первичные идеальные объекты". В центре этого процесса - теоретическая работа по созданию новых "первичных идеальных объектов" (ПИО). Опыты же дают некий исходный эмпирический материал в виде "эмпирических фактов" и "эмпирических закономерностей" - "эмпирический хаос" (в древнегреческом смысле слова "хаос") типа расплывчатых, нечетких образов движения, газа и др. Из этого "хаоса" посредством, главным образом, теоретической работы галилеевского типа создаются естественнонаучные "первичные идеальные объекты" (идеальное движение ньютоновского тела в пустоте, идеальный газ, электромагнитное поле и др.). Этот же "эмпирический хаос" часто служит поставщиком тех "явлений природы", модели которых создаются из уже готовых первичных идеальных объектов (в фазе их использования).

Итак мы приходим к следующей модели создания и функционирования разделов естественной науки нового времени. Существует эмпирический материал в виде различных эмпирических явлений и закономерностей. Этот материал накапливается в науке по-бэконовски и служит сырьем для формирования развитой науки, которая использует его двумя способами. 1)При создании нового ядра раздела науки и связанных с ним новых первичных идеальных объектов это - строительный материал. Эксперимент при этом выступает как инженерное действо, воплощающее теорию-проект в конкретный материал. Здесь эмпирическая материальная реализация является приближенным воплощением первичных идеальных объектов. 2)В рамках уже созданного раздела науки накопленные в слое эмпирического материала феномены являются предметом рассмотрения и объяснения с помощью создаваемых из имеющихся первичных идеальных объектов моделей этих явлений. В этом случае уже идеальная модель выступает как приближенное изображение эмпирического явления.

Образец работы И-типа по созданию нового ПИО ("пустоты") мы находим у Г. Галилея (1564-1642) в текстах его "Бесед...", где он, решая доставшуюся ему в наследство от Аристотеля (и считавшуюся очень важной все это время) задачу об описании падения тела, закладывает основу естественной науки Нового времени. Здесь проступает фактически схема противоположная бэконовской. Не из тщательного эмпирического исследования выводит он свою теорию падения тела (измерение времени падения тел с Пизанской башни, по-видимому миф [21]). В качестве исходного пункта его построений можно принять теоретическое утверждение, что природа "стремится применить во всяких своих приспособлениях самые простые и легкие средства.... Поэтому, когда я замечаю, - говорит Г. Галилей в своих "Беседах...", - что камень, выведенный из состояния покоя и падающий со значительной высоты, приобретает все новое и новое приращение скорости, не должен ли я думать, что подобное приращение происходит в самой простой и ясной для всякого форме? Если мы внимательно всмотримся в дело, то найдем, что нет приращения более простого, чем происходящего всегда равномерно..." [13, с. 238]. Схема работы Галилея, ярко продемонстрированная в задаче о брошенном теле ("4-й день" "Бесед…"), такова: 1)задается закон движения (тела падают равномерноускоренно); 2)в результате мысленных физических экспериментов происходит создание элементов физической модели идеального движения тела в пустоте и мешающей этому идеальному движению среды. На этом этапе, фактически "по определению", вводится взаимообусловленная пара понятий: "пустота" как такая совокупность условий, в которой галилеевское идеальное падение тела и реальное совпадают, и "среда" - то, что отклоняет реальное падение от идеального. Превращение этой еще натурфилософской модели в естественнонаучную происходит благодаря третьему шагу: 3)к созданному таким путем теоретическому построению - физической модели падения тела в пустоте - Галилей подходит как инженер к проекту, воплощая его в материал путем создания "гладких наклонных плоскостей" и других "конструктивных элементов" инженерной конструкции. Эта схема просматривается и в других разделах физики.

По сути Г. Галилей создал четкую многослойную структуру естественной науки, зафиксировал закон равномерно-ускоренного падения тела. Затем он ввел еще один теоретический слой - "модельный слой" или слой "физических моделей" (Мод), состоящий из таких элементов как "тело", "пустота", "среда", а также измеримые величины - время, скорость, расстояние. Этот двухслойный теоретический блок (Т) дополняется третьим нетеоретическим операционным (О) блоком, содержащим две части: "приготовительную" часть < П |, включающую необходимые для приготовления самой системы и ее исходного состояния "конструктивные элементы" типа наклонных плоскостей (с их помощью в материале создается система и ее начальное состояние); "измерительную" часть |И>, включающую процедуры измерения и эталоны для измеримых величин, фигурирующих в слое "физических моделей" (Сх.1.1).

Такой же структурой:

<приготовление (П)| - описываемое теорией изменение (T) - |измерение (И)}> обладает любой эксперимент (эксперимент, в отличие от наблюдения, предполагает наличие теоретической части).

Особое место в нашей схеме занимают процедуры измерения. По своему происхождению и смыслу измерение это сравнение с эталоном - образцом измерения, фактически, является измерение расстояния с помощью эталонного метра. Процедуры измерения расположены вне теоретической части. Это практическое действие, а не объект теории в качестве явления "взаимодействия измерительного прибора с исследуемой системой".

То, что важно зафиксировать здесь - это принципиальное несовпадение между эмпиристским понятийным аппаратом, с помощью которого рассуждают О НАУКЕ, и тем как работают В НАУКЕ при создании НОВЫХ разделов науки.

2 (1-ый вариант - краткий) Классическая механика. Физическая модель точечного тела в пустом пространстве.

Классическая механика складывается вокруг "первичного идеального объекта" (ПИО) - механической частицы (материальной точки, тела) в пустоте, обладающей массой, движущейся по определенной траектории с определенной скоростью, зависящей от действующих на нее сил.

Понятие пустоты и силы во многом аналогично понятиям пустоты и среды у Галилея. Пустота связана с выделенным "естественным" движением системы (равноускоренным у Галилея и прямолинейным и равномерным у Ньютона), а сила (подобно среде Галилея) несет ответственность (является причиной) за отклонение от этого "естественного" движения. Так связаны между собой понятия частицы, пустоты и силы. С другой стороны, понятие частицы в механике неразрывно связано с понятием о соответствующем множестве состояний. Состояния, в свою очередь, связаны с уравнением движения , и с входящим в последнее понятие массы, а также математических образов частицы-системы и ее состояний.

Под состоянием частицы в механике имеется в виду значение ее координаты (x) и скорости (v). Это связано с тем, что в силу уравнений движения Ньютона (так называемых обыкновенных дифференциальных уравнений 2-го порядка) следует, что знания координаты и скорости тела в некий момент времени t достаточно, чтобы 1) ответить на вопрос о любой характеристике механического движения тела в этот момент (т.е. о производных от скорости любого порядка) и 2) во все другие моменты времени (отсюда вытекает механический детерминизм). Поэтому значения и координат и скоростей всех тел (частиц), составляющих механическую систему, отвечают приведенному выше понятию состояния физической системы в классической механике.

С величинами расстояния, времени, скорости (x,v,t) в созданной Ньютоном классической механике особых проблем не возникает ни в теоретических слоях, ни при введении процедур измерения (т.е. сравнения с эталоном). А вот о том, "что такое масса и сила и как их измерять?" во второй половине XIX в. возникают жаркие споры [16].

Начнем с силы. Здесь Ньютон, как мы уже сказали, по сути, воспроизвел ход Галилея при введении понятия среды - сила это то, что отклоняет движение тела от равномерного и прямолинейного (постулируя это, как и Галилей):

"Закон I. Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние" [38, с. 39]. "Определение IV. Приложенная сила есть действие, производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Сила проявляется единственно только в действии и по прекращению действия в теле не остается" [38, с. 26].

Далее, как и у Галилея, Ньютоном выбирается самый простой - линейный закон связи между силой и скоростью изменения скорости (т.е. ускорением):

"Закон II. Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует" [38, с. 40], где, согласно "Определению II", "количество движения есть мера такового, устанавливаемая пропорционально скорости и массе" [38, с. 24].

Ньютоновское определение массы, которое утверждает, что "количество материи (масса) есть мера такового, устанавливаемая пропорционально плотности и объему ее"("Определение I"), "неоднократно вызывало возражения. Многие видели в нем порочный круг... Э.Мах утверждал, например, что формулировка Ньютона равносильна констатации, что "масса есть масса", а А.Зоммерфельд называл ньютоново определение "бессодержательным".... (Но) в трактате "О тяжести и равновесии жидкостей", ... мы находим следующее определение плотности: "Тела являются более плотными: если их инерция более сильная..."" [19, с. 316-317]. Т.е. Ньютон здесь очень близко подошел к строгой процедуре определения инертной массы, которую нетрудно осуществить, используя 3-й закон-постулат Ньютона, гласящий: "Действию всегда есть равное и противоположно направленное противодействие, иначе - взаимодействие двух тел друг на друга между собою равны и направлены в противоположные стороны". Действительно, из 2-го и 3-го законов Ньютона следует закон сохранения количества движения (импульса) при столкновениях тел. Следовательно, выбрав некоторое тело в качестве эталона, сталкивая с ним другие тела и измеряя скорости тел до и после соударения, мы получаем процедуру измерения инертной массы.

Третий сложный вопрос - об определения инерциальной системы отсчета Ньютон обходил с помощью тезиса об абсолютном пространстве. Фактически же эта проблема решалась Ньютоном (и решается сегодня) путем введения для силы соответствующей физической модели - сила (как позже энергия) должна иметь определенную природу, определенный источник. Исходной конкретной реализацией силы для Ньютона была сила тяжести. Потом по аналогии с ней появились электрическая и магнитная силы, а также близкодействующие силы упругости и т.д. Если для всех сил удается ввести подобную физическую модель, то появляется критерий отсутствия сил и, соответственно, критерий для выяснения степени инерциальности данной системы отсчета. На этом основана довольно проработанная процедура самосогласования и вытекающая из нее последовательность практических кандидатов в инерциальные системы: земная поверхность, центр масс Солнца, система удаленных звезд. К этому следует добавить использование привычных преобразования Галилея при переходе от одной инерциальной системы (O) к другой (O'), при которых расстояния, интервалы времени, понятие одновременности не меняются, и имеет место простое сложение скоростей системы отсчета и тел (частиц).

В результате мы определили все измеримые величины в модельном слое и соответствующие им эталоны и процедуры сравнения, инерциальные системы отсчета в "операциональном" слое, определили систему и внешнее воздействие. Определив понятие силы -- внешнего воздействия на одночастичную систему, это понятие используют для построения системы взаимодействующих между собой частиц. Из частиц, межчастичных сил взаимодействия и внешних сил строится все многообразие рассматриваемых в ньютоновской механике механических систем.

Математическими образами системы служат распределение масс и сил, связанных с материальными точками в декартовой системе координат. Уравнением движения является второй закон Ньютона, а состояние определяется значениями координат и импульсов (скоростей) в произвольный момент времени.

2 (2-ой вариант - длинный) Классическая механика. Физическая модель точечного тела в пустом пространстве.

Класси́ческая меха́ника — вид механики (раздела физики, изучающего законы изменения положений тел в пространстве со временем и причины, это вызывающие), основанный на законах Ньютона и принципе относительности Галилея. Поэтому её часто называют «Ньютоновской механикой».

Классическая механика подразделяется на:

· статику (которая рассматривает равновесие тел)

· кинематику (которая изучает геометрическое свойство движения без рассмотрения его причин)

· динамику (которая рассматривает движение тел).

Классическая механика даёт очень точные результаты, если её применение ограничено телами, скорости которых много меньше скорости света, а размеры значительно превышают размеры атомов и молекул. Обобщением классической механики на тела, двигающиеся с произвольной скоростью, является релятивистская механика, а на тела, размеры которых сравнимы с атомными — квантовая механика. Квантовая теория поля рассматривает квантовые релятивистские эффекты.

Тем не менее, классическая механика сохраняет своё значение, поскольку:

1. она намного проще в понимании и использовании, чем остальные теории

2. в обширном диапазоне она достаточно хорошо описывает реальность.

Классическую механику можно использовать для описания движения таких объектов, как волчок и бейсбольный мяч, многих астрономических объектов (таких, как планеты и галактики), и иногда даже многих микроскопических объектов, таких как молекулы.

Классическая механика является самосогласованной теорией, то есть в её рамках не существует утверждений, противоречащих друг другу. Однако, её объединение с другими классическими теориями, например классической электродинамикой и термодинамикой приводит к появлению неразрешимых противоречий. В частности, классическая электродинамика предсказывает, что скорость света постоянна для всех наблюдателей, что несовместимо с классической механикой. В начале XX века это привело к необходимости создания специальной теории относительности.

Классическая механика оперирует несколькими основными понятиями и моделями. Среди них следует выделить:

· Пространство. Считается, что движение тел происходит в пространстве, являющимся евклидовым, абсолютным (не зависит от наблюдателя), однородным (две любые точки пространства неотличимы) и изотропным (два любых направления в пространстве неотличимы).

· Время — фундаментальное понятие, постулируемое в классической механике. Считается, что время является абсолютным, однородным и изотропным (уравнения классической механики не зависят от направления течения времени).

· Система отсчёта состоит из тела отсчёта (некоего тела, реального или воображаемого, относительно которого рассматривается движение механической системы), прибора для измерения времени и системы координат.

· Масса — мера инертности тел.

· Материальная точка — модель объекта, имеющего массу, размерами которого пренебрегают в решаемой задаче^[1]. Тела ненулевого размера могут испытывать сложные движения, поскольку может меняться их внутренняя конфигурация, например, тело может вращаться или деформироваться. Тем не менее, в определённых случаях к подобным телам применимы результаты, полученные для материальных точек, если рассматривать такие тела, как совокупности большого количества взаимодействующих материальных точек. Материальные точки в кинематике и динамике обычно описывают следующими величинами:

· Радиус-вектор — вектор, проведённый из начала координат в точку расположения тела, характеризует положение тела в пространстве^[1]

· Скорость является характеристикой темпа изменения положения тела со временем, определяется как производная радиус-вектора по времени^[1]

· Ускорение — скорость (темп) изменения скорости, определяется как производная скорости по времени^[1]

· Импульс (устаревшее название — количество движения) — векторная физическая величина, равная произведению массы материальной точки на её скорость^[2]

· Кинетическая энергия — энергия движения материальной точки, определяемая как половина произведения массы тела на квадрат её скорости^[3]

· Сила — физическая величина, характеризующая степень взаимодействия тел между собой. Представляет собой функцию координат и скорости материальной точки, определяющую производную её импульса по времени^[4].

· Если работа силы не зависит от вида траектории, по которой двигалось тело, а определяется только его начальным и конечным положениями, то такая сила называется потенциальной. Взаимодействие, происходящее посредством потенциальных сил, может описываться потенциальной энергией. По определению, потенциальной энергией называется функция координат тела такая, что сила, действующая на тело равна градиенту от этой функции, взятой с обратным знаком:

Основным принципом, на котором базируется классическая механика является принцип относительности, сформулированный на основе эмпирических наблюдений Г. Галилеем. Согласно этому принципу существует бесконечно много систем отсчёта, в которых свободное тело покоится или движется с постоянной по модулю и направлению скоростью. Эти системы отсчёта называются инерциальными и движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Во всех инерциальных системах отсчёта свойства пространства и времени одинаковы, и все процессы в механических системах подчиняются одинаковым законам. Этот принцип можно также сформулировать как отсутствие абсолютных систем отсчёта, то есть систем отсчёта, каким-либо образом выделенных относительно других^[5].

Основой классической механики являются три закона Ньютона.

Первый закон устанавливает наличие свойства инертности у материальных тел и постулирует наличие таких систем отсчёта, в которых движение свободного тела происходит с постоянной скоростью (такие системы отсчёта называются инерциальными).

Второй закон Ньютона вводит понятие силы как меры взаимодействия тела и на основе эмпирических фактов постулирует связь между величиной силы, ускорением тела и его инертностью (характеризуемой массой). В математической формулировке второй закон Ньютона чаще всего записывается в следующем виде:

где — результирующий вектор сил, действующих на тело; — вектор ускорения тела; m — масса тела.

Второй закон Ньютона может быть также записан в терминах изменения импульса тела :

В такой форме закон справедлив и для тел с переменной массой, а также в релятивистской механике.

Второго закона Ньютона недостаточно для описания движения частицы. Дополнительно требуется описание силы , полученное из рассмотрения сущности физического взаимодействия, в котором участвует тело.

Третий закон Ньютона уточняет некоторые свойства введённого во втором законе понятия силы. Им постулируется наличие для каждой силы, действующей на первое тело со стороны второго, равной по величине и противоположной по направлению силы, действующей на второе тело со стороны первого. Наличие третьего закона Ньютона обеспечивает выполнение закона сохранения импульса для системы тел.

Закон сохранения импульса является следствием законов Ньютона для замкнутых систем, то есть систем, на которые не действуют внешние силы или действия внешних сил скомпенсированы и результирующая сила равна нулю.

Закон сохранения энергии является следствием законов Ньютона для замкнутых консервативных систем, то есть систем, в которых действует только консервативные силы (силы, работа которых не зависит от формы траектории, а зависит только от начальной и конечной точки приложения сил).

Гипотеза квантов.

Истоки квантовой физики можно найти в исследованиях процессов излучения тел. Еще в 1809 г. П. Прево сделал вывод, что каждое тело излучает независимо от окружающей среды. Благодаря развитию спектроскопии в XIX в. при изучении спектров излучения начинают обращать внимание и на спектры поглощения. При этом выясняется, что между излучением и поглощением тела существует простая связь: в спектрах поглощения отсутствуют или ослабляются те участки спектра, которые испускаются данным телом. Этот закон получил объяснение только в квантовой теории.

Г. Кирхгоф в 1860 г. сформулировал новый закон, который гласит, что для излучения одной и той же длины волны при одной и той же температуре отношение испускательной и поглощательной способностей для всех тел одинаково. Кирхгоф ввел понятие абсолютно черного тела как тела, поглощающего все падающие на него лучи.

Л. Больцман показал, что полная энергия излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его температуры. Однако задача конкретного определения вида функции Кирхгофа оказалась весьма трудной, и исследования в этом направлении, основанные на термодинамике и оптике, не привели к успеху.

Опыт давал картину, не объяснимую с точки зрения классических представлений: при термодинамическом равновесии между колеблющимися атомами вещества и электромагнитным излучением почти вся энергия сосредоточена в колеблющихся атомах и лишь ничтожная часть ее приходится на долю излучения, тогда как согласно классической теории практически вся энергия должна была бы перейти к электромагнитному полю.

Для энергии излучения абсолютно черного тела В. Вин в 1896 г., Дж. Рэлей и Дж. Джине в 1900 г. предложили две различные формулы. Как показали экспериментальные результаты, формула Вина асимптотически (т.е. с увеличением количества проведённых экспериментов) верна в области коротких волн и дает резкие расхождения с опытом в области длинных волн, а формула Рэлея – Джинса асимптотически верна для длинных волн, но не применима для коротких.

В 1900 г. М. П л а н к предложил новую формулу для распределения энергии в спектре черного тела. Эта формула полностью соответствовала опыту, но ее физический смысл был не вполне понятен. Дополнительный анализ показал, что она имеет смысл только в том случае, если допустить, что излучение энергии происходит не непрерывно, а определенными порциями – квантами (ε). Этo вело к признанию наравне с атомизмом вещества атомизма энергии или действия, дискретного, квантового характера излучения, что не укладывалось в рамки представлений классической физики.

Новым шагом в развитии квантовой гипотезы было введение понятия квантов света. Эта идея была разработана в 1905 г. Эйнштейном и использована им для объяснения фотоэффекта. В 1909 г. Эйнштейн показывает, что свет обладает одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами. Становилось все более очевидно, что корпускулярно-волновой дуализм светового излучения нельзя объяснить с позиций классической физики.

Суть проблемы

Согласно общей теории относительности, черная дыра проявляет себя только одним свойством - интенсивностью гравитационного поля, зависящей от массы звезды, которая коллапсировала в данную черную дыру Это означает, что если черная дыра поглощает какой-то материальный объект (не обладающий электрическим зарядом и моментом импульса), то все его свойства, кроме массы, полностью исчезают в черной дыре, единственное изменение которой при этом состоит в том, что она увеличивает интенсивность своего гравитационного поля пропорционально поглощенной массе. Это противоречит законам квантовой механики, согласно которым квантовые числа объектов (такие как барионный и лептонный заряды) должны сохраняться. К примеру, если одна черная дыра поглощает некоторое количество вещества (с нулевым электрическим зарядом и нулевым моментом импульса), а другая черная дыра, обладающая такой же интенсивностью гравитационного поля, поглощает такое же количество антивещества (также с нулевым электрическим зарядом и нулевым моментом импульса), то различить их невозможно ником образом, хотя вещество и антивещество имеют противоположные барионный и лептонный заряды.

Тем не менее, это еще не является проблемой, пока мы остаемся в рамках общей теории относительности. Проблемы начинаются тогда, когда мы учитываем квантовое излучение черных дыр, открытое английским физиком-теоретиком Стивеном Хокингом в 1973 году. Согласно Хокингу, виртуальные частицы вакуума могут резонировать на сфере Шварцщильда и расходиться в разные стороны на любое расстояние, вплоть до бесконечного. При этом одна из частиц уходит во внешнее пространство черной дыры и выходит из сферы ее тяготения, а другая частица ускоряется в сторону сингулярности. В результате черная дыра теряет массу, испаряется до тех пор, пока полностью не исчезнет из нашей Вселенной. Такое испарение тем более интенсивно, чем меньше масса черной дыры. В случае полного испарения черной дыры мы получаем нарушение законов сохранения квантовых чисел (поскольку парные значения этих чисел исчезают вместе с черной дырой). Получается, что черная дыра уничтожила информацию. Прежде всего, информацию о свойствах звезды, которая коллапсировала в данную черную дыру. Но что еще более интересно - информацию о свойствах объектов, которых поглотила данная черная дыра.

Ква́нтовое бессме́ртие — мысленный эксперимент, вытекающий из мысленного эксперимента с квантовым самоу