ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ НЬЮТОНА

<

112014 2017 1 ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ НЬЮТОНАПервой фундаментальной физической теорией, которая имеет высокий статус и в современной физике, является классическая механика, основы которой заложил И.Ньютон.

 Законы механики, сформулированные Ньютоном, не являются прямым следствием эмпирических фактов. Они появились как результат обобщения многочисленных наблюдений, опытов и теоретических исследований Галилея, Гюйгенса, Ньютона и др. в широком мировоззренческом, культурном контексте.

«Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние» — так Ньютон сформулировал закон, который сейчас называется первым законом механики Ньютона, или законом инерции.

Система отсчета, в которой справедлив закон инерции: материальная точка, когда на нее не действуют никакие силы (или действуют силы взаимно уравновешенные), находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения — называется инерциальной. Всякая система отсчета, движущаяся по отношению к ней поступательно, равномерно и прямолинейно, есть также инерциальная.

«Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует» — это второй закон Ньютона, который является основным законом динамики, в формулировке Ньютона (1687).

«Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе, взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны» — это третий закон механики Ньютона.

Законы Ньютона справедливы только для инерциальных систем. Однако ни одно реальное тело не может с идеальной точностью выполнять функцию такой системы, поскольку в реальности всегда присутствуют силы, нарушающие закон инерции и другие законы механики. По-видимому, это и привело Ньютона к понятию абсолютного пространства, для которого закон инерции и все другие законы механики имели бы абсолютную силу.

 Ньютон писал: «Абсолютное пространство в силу своей природы, безотносительно к чему-нибудь внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Относительное пространство представляет собой некоторое подвижное измерение или меру абсолютных пространств; его мы определяем с помощью своих чувств через взаимное расположение тел, его вульгарно и истолковывают как неподвижное пространство…»

«Абсолютное истинное или математическое время, — писал Ньютон, — само по себе и в силу своей внутренней природы течет одинаково, безотносительно к чему-либо внешнему и иначе зовется длительностью; относительное, кажущееся или обычное время представляет собой некоторого рода чувственную, или внешнюю (каким бы оно ни было точным и несравнимым), меру длительности, определяемую с помощью движения, которое обычно используется вместо истинного времени; это — часы, день, месяц, год…»

У Ньютона абсолютное время существует и длится равномерно само по себе, безотносительно к каким-либо событиям. Абсолютное время и абсолютное пространство представляют собой как бы вместилища материальных тел и процессов и не зависят не только от этих тел и процессов, но и друг от друга.

Сформулировав основные законы механики, Ньютон заложил фундамент физической теории. Однако построить на этом фундаменте стройное здание теории предстояло его последователям. Решающую роль для становления классической механики имело использование дифференциального и интегрального исчислений, аппарата математического анализа.

 

 

 

2. СТРОЕНИЕ ЯДРА АТОМА

 

Начало теории строения атомного ядра связано с именами Марии Склодовской-Кюри и Пьера Кюри, исследовавшими явление радиоактивности, в процессе которого вещество может испускать особые лучи. При этом происходит превращение одних химических элементов в другие. Впоследствии выяснилось (это связано с именем Э. Резерфорда), что радиоактивные лучи состоят из трех составляющих: 112014 2017 2 ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ НЬЮТОНА-лучи — являются потоком ионизированных (лишенных электронов) атомов гелия, 112014 2017 3 ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ НЬЮТОНА-лучи – это поток электронов, а 112014 2017 4 ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ НЬЮТОНА-лучи являются жестким (коротковолновым) электромагнитным излучением.

С помощью 112014 2017 5 ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ НЬЮТОНА-частиц в 1911 г. Э. Резерфорд «проникает» внутрь атома и доказывает существование положительно заряженного атомного ядра, в котором сосредоточена практически вся его масса. В 1919 г., облучая 112014 2017 6 ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ НЬЮТОНА-частицами легкие газы Резерфорд получает ионизированные ядра водорода, которые он назвал протонами, предположив, что протоны являются структурной частью всех более тяжелых ядер.

Так как масса 112014 2017 7 ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ НЬЮТОНА-частицы равна приблизительно четырем массам протона, а заряд равен заряду двух протонов, то Резерфорд предсказывает существование электрически нейтральной частицы, масса которой равна массе протона, получившей название нейтрона. В 1932 г. Дж. Чедвик открывает нейтрон в опыте по бомбардировке a-частицами бериллиевой мишени. После этого была предложена модель ядра атома, состоящего из протонов и нейтронов, которые удерживаются особым видом сил – ядерными силами, или сильными взаимодействиями. Они действуют как на протоны, так и на нейтроны, независимо от электрического заряда, но только на малых расстояниях в пределах атомного ядра. Действие этих сил превышает силы электростатического отталкивания между протонами, но на больших расстояниях они значительно ослабевают, уступая электростатическим силам.

Атомное ядро напоминает каплю воды, в которой частицы взаимодействуют лишь с соседними частицами, а частицы, находящиеся на поверхности капли, стремятся втянуться внутрь, создавая поверхностное натяжение. С увеличением числа частиц в ядре возрастает ее объем, удаленные друг от друга протоны не притягиваются друг к другу ядерными силами, но силы электростатического отталкивания становятся соизмеримыми с силами ядерного взаимодействия. Такие ядра становятся неустойчивыми, электростатические силы разрывают их, что является причиной радиоактивности.

<

Во время Большого взрыва вновь образовавшиеся частицы — протоны и нейтроны — смогли соединяться между собой, образуя a-частицу — ядро атома гелия. Ядра других химических элементов создались в недрах горячих звезд. Ядра присоединяли к себе электроны, — возникли нейтральные атомы.

Структура атома полностью определяется структурой ядра. Сформулируем несколько положений нашей модели по формированию элементов:

  • протоны, нейтроны и электроны формируются независимо друг от друга во вложенные друг в друга оболочки по принципу наименьшей потенциальной энергии;
  • протоны и нейтроны удерживаются в единой структуре — ядре — за счет сильного взаимодействия;
  • каждый электрон в атоме связан только с одним протоном ядра вихревой зарядовой трубкой;
  • шаровые сектора атома вращаются как твердые тела и все элементы этих секторов имеют одинаковую угловую скорость.

    Проще говоря, атом похож не на Солнечную систему, а на вылетевший из улья и повисший на дереве пчелиный рой: ядро, как пчела-матка, сверху и снизу окружено вращающимися вокруг своей оси роями электронов. Каждый электрон соединен вихревой зарядовой трубкой со своим протоном. Верхняя и нижняя части роя как целое вращаются вокруг общей оси в разные стороны.

    Нуклоны, как и электроны, — частицы со спином h/2, они также подчиняются статистике Ферми-Дирака и принципам запрета. Логично предположить, что при образовании ансамблей протонов и нейтронов их структура будет сходной со структурой электронных ансамблей. Другими словами, внутри ядра существует такая же Периодическая система, что и снаружи его.

    Основу структуры ядра составляют семь вложенных друг в друга ядерных энергетических оболочек, на которых размещаются нуклоны ядра. Состояние нуклонов в ядре характеризуется квантовыми числами:

    n — главное квантовое число или номер оболочки,

    l — орбитальный момент нуклона,

    j — полный момент нуклона,

    m — проекция j на выделенную ось.

    При заданном l квантовое число j принимает два значения j = l+1/2 соответственно параллельной и антипараллельной ориентации орбитального и спинового моментов нуклона.

    В оболочке протоны располагаются в двух шаровых секторах по одной оси координат, нейтроны собираются в двух шаровых секторах по другой оси координат. Частицы притягиваются друг к другу за счет сильного взаимодействия.

    Малый размер ядер атома (10-14 — 10-15 м.) и колоссальная плотность r ядерного вещества (r 1014 г/см3) обусловлены значительно большей энергией взаимодействия между составляющими их элементарными частицами (нуклонами) по сравнению с энергией электромагнитных сил взаимодействия электронов е
    с ядром ат
    ома.

    Ядро водорода — протон. При соединении протона с нейтронами образуются ядра изотопов водорода — дейтон и тритон. Все они устанавливаются на первую сферическую оболочку, представленную на рис.1. Протон размещается на оси протонов OZ, а нейтроны — на оси нейтронов OY.

    112014 2017 8 ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ НЬЮТОНА

    Рис. 1. Схема ядра трития

    Момент импульса и открытая вихревая трубка заряда протона направлены наружу, вдоль оси OZ, а моменты импульса нейтронов направлены внутрь ядра вдоль оси OY. Все три частицы показаны в разрезе. По направлениям потоков (указано стрелками), видно, что соседние вихри имеют одинаковое направление вращения, т.е. между ними существует сильное взаимодействие, притягивающее их друг к другу. Однако здесь эти силы более слабые, чем в элементарных частицах, так как кольцевые вихри нейтронов лишь часть времени находятся в одной плоскости с кольцевыми вихрями протона. Поэтому прочность связи частиц в ядрах меньше прочности самих частиц.

    Изменение структуры ядра превращает атом в другой химический элемент. Ядра, отличающиеся только количеством нейтронов, называются изотопами. Если же изменяется число протонов, то мы получаем новый элемент периодической таблицы Менделеева, обладающий совсем другими химическими свойствами. Помимо радиоактивности ядерные реакции могут происходить при бомбардировке вещества другими частицами (например a-частицами). Особенно удачной оказывается бомбардировка нейтронами, которые электрически нейтральны и поэтому не отталкиваются протонами атомного ядра. Даже медленные нейтроны могут беспрепятственно приблизиться к ядру на расстояние, при котором начинают действовать ядерные силы.

    Нейтрон придает ядру дополнительную энергию, после чего ядро может стать нестабильным и «развалиться» на более простые составляющие, которые отталкиваются друг от друга кулоновскими (электрическими) силами. При этом осколки ядра приобретают высокую энергию, которая в настоящее время используется как в мирных (атомные электростанции), так и в военных (атомная бомба) целях. Такие ядерные реакции называются реакциями деления.

     

     

     

     

    3. АЛГОРИТМЫ ОПТИМАЛЬНОСТИ. РОЖДЕНИЕ ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ

     

    Если не считать, что камень заранее «просчитывает» траекторию своего движения, приходится признать, что природа из всех возможных законов выбрала только те, которые подчиняются вариационным принципам. Это положение можно назвать принципом оптимальности законов природы. Этот закон действует на всех уровнях мироустройства. Например, одной из аксиом, на которых строится современная экология, является третий закон Коммонера: природа знает лучше.

    Под оптимальным можно понимать такое состояние системы в целом, которое практически не изменяется или изменяется минимально возможным образом при различных вариациях внутренней структуры (такое состояние еще называется равновесным). Наиболее показательным в этом смысле является именно принцип наименьшего действия. Так если среди возможных путей, соединяющих исходную и конечную точки траектории (рис.6), провести несколько траекторий и просчитать по каждой из них величину действия, а затем чуть изменить (поварьировать) каждую из этих траекторий, то практически для всех траекторий величина действия существенно изменится, и только для параболической (то есть верной) траектории величина действия окажется практически той же. Это напоминает решение задачи математического анализа по нахождению экстремума (оптимума) функции, только функция в данном случае имеет интегральный характер и называется функционалом, и минимальное значение функционал принимает не при каком-то значении аргумента, а при какой-то форме траектории (в данном случае).

    Типичным проявлением принципа оптимальности является, по-видимому, принцип роста энтропии (второй закон термодинамики), который в данном случае можно сформулировать следующим образом: любая система стремится к состоянию, в котором любые вариации данного состояния не приводят к существенному изменению энтропии, которая в данном состоянии принимает значение, близкое к максимально возможному.

    Резонно возникает вопрос: если в любой момент времени природа реализует только оптимальные состояния и процессы, почему же в мире так много абсурда, ошибок, далеких от понятия оптимальности? Разве есть какая-то оптимальность в поведении мухи, бьющейся о стекло? Оказывается, есть, так как в данном случае муха задействует один из самых эффективных алгоритмов поиска оптимального решения, метод случайного поиска, который гарантирует, что решение рано или поздно будет найдено, если оно в принципе возможно. Природа очень часто задействует подобные алгоритмы оптимизации. Без определенной доли ошибки, абсурда, случайности природа не смогла бы развивать и усложнять свои формы. Системы, структура которых лишена ошибки, не способны развиваться (находить оптимум). Поэтому они довольно быстро разрушаются (накапливают ошибку).

    Чтобы понять, как происходит рождение такой механики, точнее, рождение закона природы, целесообразно рассмотреть поведение сложных систем, таких как биосистемы. Так одним из законов экологии является принцип соответствия строения организмов требованиям окружающей среды. Особенно интересен феномен конвергенции (сходимости) морфологических признаков различных видов животных, обитающих в одинаковых условиях среды. Например, такие различные по происхождению животные, как рыбы (например акула), птицы (например пингвин) и млекопитающие (например дельфин), обитая в сходных условиях приобретают схожие формы.

    Естественный отбор в живом мире приводит к тому, что вид рано или поздно «нащупает» наиболее оптимальный вариант собственной структуры. Как сказал по этому поводу П. Тейяр де Шарден, жизнь, размножаясь во множестве, заполняет собой все возможные варианты, поэтому рано или поздно оптимальный  вариант будет обязательно найден. Таким образом жизнь делает себя неуязвимой от наносимых ей ударов. Значительную роль при этом имеет право жизни на ошибку. Порождая разного рода мутантов, которые в основной своей массе оказываются нежизнеспособными, жизнь иногда нащупывает то, что является оптимумом. Какими бы ни были стартовые точки процесса поиска оптимума (рыба, птица, млекопитающее и т.п.), результат поиска в принципе оказывается предсказуем, то есть при данных конкретных условиях количество экстремумов любой целевой функции оказывается ограниченным, наиболее часто экстремум только один.

    Нечто подобное происходит, по-видимому, и в неживой природе. Конечно, нельзя строить прямые аналогии от законов, по которым развивается живой мир на природу вообще. Жизнь изначально асимметрична, неживая природа подчинена принципам симметрии. Тем не менее, даже суть тех явлений, которые мы традиционно относим к неживым, костным (по терминологии Вернадского), мы понять до конца не можем, что говорит о присутствии в них асимметричной составляющей.

    Именно нарушение симметрии приводит в конечном итоге к рождению Вселенной. Так в первые мгновения после Большого взрыва количество позитронов почему-то оказалось чуть меньше, чем электронов (разница всего в одну частицу на каждые 100 миллионов пар частица-античастица), антипротонов – чуть меньше чем протонов и т.п. Это нарушение симметрии мира, но именно поэтому мир выглядит так, а не иначе, именно поэтому он вообще существует, а не исчез в полной взаимной аннигиляции. Значит то, что отличает живое от неживого, в примитивном виде присутствует уже на самых нижних этажах мироздания. Значит «законы жизни» справедливы и на субквантовом уровне.

    Может быть, в том и состоит суть рождения законов природы, что на всех уровнях природных систем от элементарных частиц до галактик действует механика принципа естественного отбора?  Ответ на этот вопрос призвана дать нарождающаяся в настоящее время новая научная парадигма (фундамент), в основу которой положен так называемый системный подход.

     

     

     

    СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

     

  1. Акимов О. С. Естествознание. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2004.
  2. Горелов А. А. Концепции современного естествознания. — М.: Центр, 2002.
  3. Горелов А.А. Экология (курс лекций). Учебное пособие. — М.: Центр, 2003
  4. Горохов В.Г. Концепции современного естествознания. — М. : ИНФРА-М, 2004.
  5. Дубнищева Т.Я. и др. Современное естествознание. — М.: Маркетинг, 2000.
  6. Лаптин А.И. Основания современного естествознания: Модельный взгляд на физику, синергетику, химию. — М.: Вузовская книга, 2001.
  7. Петросова Р.А. Естествознание и основы экологии. — М. : Академия, 2000.
  8. Соломатин В.А. История и концепции современного естествознания. -Яросл., ДИА-Пресс, 2000.
  9. Тарасов Л.В., Современная физика. М.: Просвещение, 1990.
  10. Чебраков Б.Ю., Чебураков С.Ю. Концепции современного естествознания. Краснодар, 2003.

     

     

     

     

     

     

     

     


     

<

Комментирование закрыто.

MAXCACHE: 0.92MB/0.00095 sec

WordPress: 22MB | MySQL:120 | 1,522sec