Классическая механика имеет огромное значение в истории развития науки и естествознания. На ее фундаменте появились многие научные направления, поэтому в течение длительного времени это учение является основой технического прогресса. Особое влияние механика оказала на становление философии и формирование правильного мировоззрения. Причем именно в мировоззренческой области данный раздел физики остается незаменимым мостом для человеческого мышления, а также ассоциативного осмысления происходящих на Земле и ее пределами явлений.
Фундаментом классической механики является базовая теория Ньютона, которая характеризует физическую реальность определениями времени, пространства, точки и силы как комплексного взаимодействия материальных тел. Все физические явления в этой концепции определяются как движение физических элементов, управляемое постоянными неизменными законами Ньютона.
Закон распространения света и принцип относительности в классической механике совместимы, поэтому данное положение составляет базу специальной гипотезе относительности.
При детальном описании физических процессов ученые всегда используют какую-либо систему отсчета. Например, движение материальных частиц чаще всего рассматривают относительно Земли, условно принимая земной шар за неподвижный элемент. Таким образом, принцип относительности, разработанный Галилеем, показал, что в условиях нашей планеты действует закон инерции. Согласно этому закону, влияние на тело сил проявляется в мгновенных изменениях скорости; для поддержания же взаимосвязи с неизменной по величине скоростью присутствия сил не требуется.
Концепция относительности пространства – времени
Рисунок 1. Концепция относительности пространства – времени. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В механистической картине мира определения времени и пространства всегда рассматривались вне зависимости от свойств движущейся материи. Пространственный показатель в ней выступает в качестве универсального вместилища для движущихся материальных тел, а время - не учитывает никак реальные изменения, которые происходят с ними, и поэтому выступает обычным параметром. Другими словами, в механике исследуются только обратимые процессы, что существенно упрощает реальность.
Недостатком такой картины выступает то, что в концепции относительности пространство и время как формы существования материи характеризуются обособленно и отдельно, в результате чего их взаимосвязь остается неопределенной. Современная система физического пространства - времени кардинально изменила естественнонаучные представления, ставшие ближе к действительности. Поэтому первое знакомство с классической механикой необходимо начинать с гипотезы пространства - времени в том виде, как она выглядит в настоящее время.
Принцип относительности в классической механике
Впервые принцип относительности был сформулирован Галилеем, но окончательную версию это учение получило лишь в механике Ньютона. Для его понимания требуется ввести понятие концепции отсчета или координат. Как известно, нахождение движущегося тела в любой момент времени определяется только по отношению к другому физическому объекту, которое в физике называется системой отсчета.
С материальным телом напрямую связана соответствующая методология координат, например, известная всем декартова система. На определенной плоскости движение физической точки определяется такими основными координатами:
- абсциссой х – демонстрирующей точное расстояние точки от начала координат по горизонтальной оси;
- координатой у - измеряющей расстояние точки от начала координат по вертикальной оси.
- показатель z – добавляется в пространстве к двум предыдущим показателям.
Среди систем отсчета исследователи особо выделяют инерциальные системы, находящиеся друг относительно друга или в равномерном движении, или в покое. Значимая роль указанных концепций состоит в том, что для них всегда используется принцип относительности. Принцип относительности означает, что в инерциальных системах абсолютно все механические явления происходят аналогичным образом. В таких условиях закономерности движения материальных тел выражаются математической формой и являются ковариантными.
Теория относительности и ее роль в науке
Рисунок 2. Следствия из постулатов теории относительности. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Теория относительности – гипотеза пространства-времени, которая детально описывает все свойства физических процессов.
Когда в естествознании и науке в целом существовала тенденция сводить трактовку всех процессов природы к законам механики, принцип относительности был главным и не подвергался никакому сомнению. Положение внезапно изменилось, когда ученые вплотную начали исследовать электрические, магнитные и оптические явлений. Максвелл смог в результате объединить все эти процессы в пределах единой электромагнитной гипотезы. С появлением данной теории для исследователей стала очевидной несовершенство классической механики для точного описания природных явлений. В связи с этим автоматически возник вопрос: возможно ли использовать принцип относительности для электромагнитных систем?
Создатель теории относительности Альберт Эйнштейн указывает на два главных аргумента, которые свидетельствовали в пользу комплексности этого принципа:
- такой метод с большой точностью выполняется в механике, поэтому его возможно считать правильным и в электродинамике;
- если инерциальные системы отсчета неравноценны для детального описания явлений природы, то получается, что все законы проще всего описать с помощью одной концепции.
Это означает, что в любой системе отсчета, которая связана с движущимся телом, механические явления описываются гораздо сложнее, чем в концепции, отнесенной к общему положению этих элементов.
Еще более показателен пример, если рассматривается движение планеты вокруг Солнца со скоростью примерно 30 километров в секунду. Если бы теория относительности в таком случае не выполнялась, то законы движения физических тел непосредственно зависели бы от пространственной ориентировки Земли. Однако в физической неравноценности других направлений не было обнаружено. Здесь и появляется несовместимость принципа относительности с хорошо установленным методом определения постоянства и скорости света в пустоте
У ученых возникла дилемма: отказаться от гипотезы постоянства световой скорости, либо от принципа относительности. Первый метод был установлен настолько однозначно и точно, что отказ от него стал бы неоправданным. Не меньшие трудности возникают и при отрицании действия теории относительности в сфере постоянных электромагнитных процессов.
Такое противоречие принципа относительности к закону постоянства появилось в результате того, что классическая механика опиралась "на две ничем не подтвержденные идеи":
- промежуток временного пространства между двумя определенными событиями не зависит от состояния движения материального тела;
- пространственное расстояние между двумя физическими очками твердого вещества не зависит от состояния отсчета.
Исходя из этих гипотез, классическая механика полностью признавала, что показатели промежутка расстояния и времени имеют абсолютные значения и находятся вне зависимости от состояния движения тела отсчета. Аналогично этому утверждению считалось, что пространственные размеры материальных тел в спокойных и движущихся системах отсчета всегда остаются одинаковыми. И хотя эти теории с точки зрения привычного сознания и так называемого здравого разума кажутся вполне очевидными, тем не менее, они не могут согласоваться с результатами многочисленных экспериментов, подтверждающих выводы абсолютно новой теории относительности.
