?

Log in

No account? Create an account

Противоположности и противоречия в физике. Механика - a_gorb — LiveJournal

Dec. 4th, 2011

11:13 am - Противоположности и противоречия в физике. Механика

Previous Entry Share Flag Next Entry

(Написано и размещено в сообществе dia_logic. Здесь приведено с сокращениями и несущественными изменениями.)

Механика. Движение и покой. Начнем с механики и здесь под движением будем понимать чисто механическое движение. Первая противоположность, которая тут возникает, есть противоположность между движением и покоем. Покой и движение различны. Но движение и покой не существуют сами по себе, отдельно друг от друга. Механика вообще, как раз интересуется двумя проблемами. Как возникает движение, каковы условия и законы движения? И как возможен покой, каковы условия покоя? На первые вопросы отвечает динамика, на вторые статика. Долгое время они развиваются достаточно независимо, причем интересно отметить, что правильные законы статики (например, условие равновесия рычага) были открыты значительно раньше, чем законы динамики. Последние в форме законов Ньютона, правда, уже содержат в себе и законы статики.

На вопрос об отношении движения и покоя отвечали в том смысле, что одно от другого заведомо отличимо. В частности, это было одним из аргументов Птолемея в пользу неподвижности Земли: «Земля, вследствие ее движения … должна в кратчайший срок совершить такой огромный поворот, что все, что на ней не закреплено, должно быть воспринято как движущееся в направлении, противоположном движению Земли.» [Спасский Б.И. История физики. М. 1977. Ссылки на тексты, скопированные из нее, я далее буду помечать так – [ИФ]] Такое же различие между покоем и движением наблюдается у Аристотеля. Он считал, что все тела делятся на два класса: небесные тела и земные. Движение небесных тел совершенно и осуществляется по кругу, не имеет начала и конца, вечно и неизменно. Движение земных тел в свою очередь опять делится на два типа: насильственное и естественное. Естественное движение вызывается стремлением самих тел занять свои места, происходит само собой, не требует приложения силы. Так, тела, состоящие из элементов Земли, стремятся вниз. Насильственное же движение происходит под действием силы. При прекращении действия силы, прекращается и движение. Т.е. тут у него опять четко можно отделить движение от покоя. (Это деление на насильственные и естественные движения может показаться уж совсем надуманным, однако к нему еще вернемся, но гораздо позже.)

Но постепенно возникает принцип относительности движения и покоя, который состоит по существу в понимании движения и покоя не как обособленных характеристик, которые относятся не к движению тела самого по себе, а как к способу наблюдения этого движения. Без этого принципа система Коперника невозможна. Он пишет: «И почему нам не считать, что суточное вращение для неба является видимостью, а для Земли действительно? И все это так и обстоит, как сказал бы Вергилиев Эней: «В море из порта идем, и отходят и земли и грады»». Таким образом, не только система Коперника противоречит системе Птолемея, и но и физические основы этой системы противоречат Аристотелевой механике.

Принцип относительности движения более четко и явно понимается Галилеем, который уже явно противоречит Аристотелю. Принцип относительности движения у него связан с принципом инерции. Он пишет: «Когда тело движется по горизонтальной плоскости, не встречая никаких сопротивлений движению, то … движение его является равномерным и продолжалось бы постоянно, если бы плоскость простиралась в пространство без конца». Опираясь на этот принцип, он показывает, почему мы не замечаем движение Земли. Как поясняющий пример, Галилей рассматривает падение камня с мачты движущегося судна, когда камень по инерции продолжает движение по горизонтали вместе с судном. Также Галилей утверждает, что находясь внутри закрытой каюты на судне никакими наблюдениями нельзя установить движется оно равномерно или стоит неподвижно. Таким образом, тут исчезает всякое различие между движением и покоем, но для этого понадобился принцип инерции, если от него отказаться, то вновь появляется возможность отличить движение от покоя.

Еще более отчетливое понимание инерции появляется у Ньютона, первый закон которого звучит так: «Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние.» [Ньютон И. Математические начала натуральной философии. Далее – Начала…]. Однако немедленной расплатой за этот принцип является необходимость введения абсолютного пространства. А с введением такого пространства опять возникают абсолютное движение и абсолютный покой. Но от абсолютного пространства некуда не деется, т.к. закон инерции (как и второй закон) выполняется только в абсолютном пространстве или в пространствах, которые движутся равномерно и прямолинейно относительно абсолютного: «Истинное абсолютное движение не может ни произойти, ни измениться иначе, как от действия сил, приложенных непосредственно к самому движущемуся телу, тогда как относительное движение тела может быть и произведено и изменено без приложения сил к этому телу; достаточно, чтобы силы были приложены к тем телам, по отношению к которым это движение определяется.» [Начала…] По существу Ньютон логически вынужден ввести это абсолютное пространство, как такое пространство, в котором выполняется принцип инерции, т.к. он уже знает, что это принцип действует не везде. Соответственно, не везде будет выполняться принцип относительности движения и покоя. Например, Ньютон отмечает, что движение по кругу может быть обнаружено по наличию центростремительной силы без всякого наблюдения движения по отношению к другим телам. То, что Ньютон называет абсолютным пространством мы сейчас называем инерционными системами отсчета, т.е. такими системами, в которых выполняется принцип инерции и соответственно покой и движение могут быть только относительными. (Несколько подробнее об этом написано у меня здесь.)

Таким образом, как мы видим, противоположность покоя и движения дает интересный результат: относительность равномерного движения и покоя приводит к необходимости постулировать абсолютное пространство с абсолютным движением и абсолютным покоем. Вообще говоря, механика Ньютона отнюдь не свободна от внутренних логических противоречий, просто при ее преподавании в школе на эти противоречия не обращают внимания. В частности, законы Ньютона выполняются в абсолютном пространстве, или говоря современным языком, в инерциальных системах отсчета. А инерциальные системы отсчета, это такие системы, где выполняются законы Ньютона. Порочный логический круг замкнулся. Все это позволило Эйнштейну заявить, что это «обнаруживает серьезную трудность в классической физике. Мы имеем законы, но не знаем, каково то тело отсчета, к которому следует их отнести, и все наше физическое построение оказывается возведенным на песке.»[подчеркнуто мной] (подробности здесь). Так то, классическая механика не является логически строгой дедуктивной теорией, т.к. «возведена на песке»! Вот куда завела противоположность между движением и покоем и стремление эту противоположность понять. (О противоречиях в механике Ньютона разговор еще продолжится, в частности еще и потому, что бы понять какие положения теории общепринято именовать законами.)

Эйнштейн, отчетливо сформулировав проблему, также дал и ее решение в виде Общей теории относительности (ОТО). Она как раз на новой ступени вводит движения, в чем-то аналогичные естественным движениям Аристотеля, но позволяет окончательно (как сейчас кажется) решить вопрос об относительности покоя и движения. Правда, это тоже достается не даром. Но разговор о Теории относительности я отложу на более позднее время.

Для диалектики также интересно отметить, что в механики существуют методы решения задач динамики, путем сведения их к статике, и наоборот, решение задач статики, способом введения виртуальных перемещений (движений).

Продолжение следует….