Механика Ньютона

Корпускулярная  теория

Открытое Ньютоном явление  дисперсии света и существование  простых цветов на первый взгляд подтверждало корпускулярную теорию света. Простые  лучи являются неизменными и представляют, можно сказать, атомы света, подобно  атомам вещества. Этот вывод казался  в хорошем согласии с корпускулярной теорией света. Действительно, неизменные атомы света, простые лучи, являются потоком и однородных частиц, которые, попадая в наш глаз, вызывают ощущение определенного цвета. Смесь же разнородных  световых частиц является белым светом. При прохождении через призму белый свет разлагается. Призма сортирует  световые частицы, отклоняя их на разный угол в соответствии с их цветностью. Открытие дисперсии было расценено  Ньютоном и большинством его современников  и последователей как факт, подтверждающий корпускулярную теорию света.

С точки зрения волновой теории трудно было объяснить открытие Ньютона, потому что теории распространения  волн еще не было. Понимание того, что цвет определяется периодом световой волны, пришло значительно позже. Но даже если бы кто и догадался об этом, то все равно нелегко было представить себе, почему при отражении  и преломлении период остается неизменным.

Таким образом, с точки  зрения волновой теории понять открытие Ньютона в то время было почти  невозможно. И не случайно Гюйгенс  в своей работе, о которой мы говорили выше, совсем обошел вопрос о  дисперсии света, хотя в 1690 г., когда  была опубликована его книга, он уже  знал о работах Ньютона по оптике.

Итак, Ньютон встал на точку  зрения корпускулярной теории света, на основе которой было легко понять открытое им явление дисперсии света. Но ведь, спросите вы, к этому времени  были уже известны явления из области  волновой оптики – интерференция  и дифракция. 3анимаясь исследованиями по оптике, Ньютон не мог пройти мимо них и должен был столкнуться  с задачей объяснения этих явлений  на основе корпускулярной теории. И  действительно, Ньютон не забыл об этих явлениях и попытался дать им объяснение. Что касается явления дифракции, то он более или менее легко, как  казалось, справился с указанной  задачей. Когда свет проходит мимо экрана, то между частицами, из которых состоит  экран, и световыми лучами (атомами  света) действуют силы притяжения. Вследствие этого лучи заходят в область  геометрической тени.

Приведенное объяснение было, конечно, неверным. Но в то время, когда  явление дифракции было еще недостаточно изучено, такое объяснение казалось убедительным.

Труднее обстояло дело с  объяснением явления интерференции. Его уже начали изучать. И сам  Ньютон сделал важный шаг в исследовании интерференции света в тонких пленках.

Ученый собрал специальную  установку для изучения этого  явления. Он взял линзу, положил ее на стеклянную пластинку и наблюдал темные и светлые кольца, которые  видны при освещении линзы  и пластинки монохроматическим  светом. Это так называемые кольца Ньютона.

Как можно объяснить появление  этих колец с точки зрения корпускулярной теории света? Падая сверху на линзу, световые лучи на определенных расстояниях  от центра либо отражаются, либо преломляются и проходят через установку. В  результате чего мы видим систему  светлых и темных колец. Но почему же на одних расстояниях от центра линзы свет отражается, а на других преломляется? На этот вопрос Ньютон ответил, что в одних местах световые лучи (световые частицы) испытывают “приступы легкого отражения”, а в других – “приступы легкого преломления”. Но почему это происходит, ученый не мог сказать.

Объяснение кольцам Ньютона  было дано в начале 19в. на основе волновой теории света английским ученым Юнгом. После Ньютона корпускулярная теория света становится общепризнанной. В течение всего 18 в. ее придерживались почти все физики.

Свет –  частица/волна?

Об атомных и еще  более мелких, субатомных, частицах очень трудно рассказывать главным  образом потому, что их свойствам  никаких аналогов в нашей повседневной жизни нет. Можно подумать, что  частицы, из которых состоят такие  маленькие атомы, удобно представлять себе в виде материальных точек. Но все оказалось гораздо сложнее.

Частица и волна… Казалось бы, даже сравнивать бессмысленно, настолько они различны.

Наверное, когда думаешь  о волне, то прежде всего представляешь себе волнующуюся морскую поверхность. Волны на берег приходят из открытого моря, длины волн - расстояния между двумя последовательными гребнями - могут быть разными. Легко наблюдать волны, имеющие длину порядка нескольких метров. При волнении, очевидно, колеблется масса воды. Волна охватывает значитель ное пространство.

Волна периодичнa во времени и в пространстве. Длина волны (?) - мера пространственной периодичности. Периодичность волнового движения во времени видна в повторяемости прихода гребней волн к берегу, а можно ее обнаружить, например, по колебанию поплавка вверх-вниз. Обозначим период волнового движения - время, за которое проходит одна волна, - буквой Т. Величина, обратная периоду, называется частотой ?= 1/Т. Самые простые волны (гармонические) имеют определенную частоту, которая не меняется во времени. Любое сложное волновое движение может быть представлено в виде совокупности простых волн (см. "Наука и жизнь" № 11, 2001 г.). Строго говоря, простая волна занимает бесконечное пространство и существует бесконечно долго. Частица, как мы ее себе представляем, и волна абсолютно не похожи.

Со времен Ньютона  шел спор о природе света. Что  есть свет - совокупность частиц (корпускул, от латинского corpusculum - тельце) или волн? Теории долго конкурировали. Волновая теория победила: корпускулярная теория не могла объяснить экспериментальные факты (интерференцию и дифракцию света). С прямолинейным распространением светового луча волновая теория легко справилась. Немаловажную роль сыграло то, что длина световых волн по житейским понятиям очень мала: диапазон длин волн видимого света от 380 до 760 нанометров. Более короткие электромагнитные волны - ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи, а более длинные - инфракрасные, миллиметровые, сантиметровые и все остальные радиоволны.

К концу XIX века победа волновой теории света над корпускулярной казалась окончательной и бесповоротной. Однако ХХ век внес серьезные коррективы. Казалось, что свет или волны, или частицы. Оказалось - и волны и частицы. Для частиц света, для его квантов, как принято говорить, было придумано специальное слово - "фотон". Слово "квант" происходит от латинского слова quantum - сколько, а "фотон" - от греческого слова photos - свет. Слова, обозначающие название частиц, в большинстве случаев имеют окончание он. Как ни удивительно, в одних экспериментах свет ведет себя как волны, а в других - как поток частиц. Постепенно удалось построить теорию, предсказывающую, как, в каком эксперименте будет вести себя свет. В настоящее время эта теория всеми принята, разное поведение света уже не вызывает удивления.  

Принцип Близкодействия и дальнодействия

Для обозначения меры взаимодействия тел Ньютон ввел понятие приложенной  силы, которая определяет ускорение  тела. Причем среди взаимодействий можно выделить два типа:  
- близкодействие - непосредственный контакт или передача взаимодействия с помощью посредника, несущего в себе импульс, например, обмен, когда один человек бросает другому тяжелый предмет, оба ощущают отдачу; скорость изменения импульса и будет силой;  
- дальнодействие - передача взаимодействия через разделяющее тела пространство без материальных посредников.  
 
Ньютон был противником концепции дальнодействия, однако наличие в природе таких явлений, как гравитация, электричество и магнетизм, не укладывалось в концепцию близкодействия. Поэтому об их природе Ньютон предпочитал не рассуждать, оставляя эту проблему на долю потомков.  
 
Принцип дальнодействия гласит, что если тело А, находящееся в точке а, действует на другое тело В, то тело В, находящееся в точке Ъ, испытывает это воздействие в тот оке момент.  
Ньютон же считал необходимым наличие некоего передатчика этого действия, «агента», правда, допуская его, быть может, нематериальную природу. Но подобные тонкости уже не вдохновляли физиков века Просвещения, когда научная революция закончилась и набирало темпы развития экспериментальное естествознание.  
 
Критерии к результатам научных исследований на эволюционном этапе развития физики (по сравнению со временем ньютонианской революции) изменились — они стали более упрощенными, стандартизованными; при этом были нужны немедленный эффект и простейшее обоснование.

Трёхме́рное простра́нство

геометрическая  модель материального мира, в котором мы находимся. Это пространство называется трёхмерным, так как оно имеет три однородных измерения — высоту, ширину и длину, то есть трёхмерное пространство описывается тремя единичными ортогональными векторами.

Понимание трёхмерного  пространства людьми, как считается, развивается ещё в младенчестве, и тесно связано с координацией движений человека. Визуальная способность  воспринимать окружающий мир органами чувств в трёх измерениях называется глубиной восприятия.

В аналитической геометрии каждая точка трёхмерного пространства описывается как набор из трёх величин — координат. Задаются три взаимно перпендикулярных координатных оси, пересекающихся в начале координат. Положение точки задаётся относительно этих трёх осей заданием упорядоченной тройки чисел. Каждое из этих чисел задаёт расстояние от начала отсчёта до точки, измеренное вдоль соответствующей оси, что равно расстоянию от точки до плоскости, образованной другими двумя осями.

Также существуют другие системы координат, наиболее часто используются цилиндрическая и сферическая системы.

Другой взгляд даёт линейная алгебра, где важную роль играет понятие линейной независимости. Пространство трёхмерно по той причине, что высота коробки не зависит от её длины и ширины. На языке линейной алгебры пространство трёхмерно потому что каждая точка может быть задана комбинацией из трёх линейно независимых векторов. В этих терминах пространство-время четырёхмерно потому что положение точки во времени не зависит от её положения в пространстве.

Трёхмерное пространство имеет несколько свойств, которые  отличают его от пространств другой размерности. Например, это пространство наименьшей размерности, в котором можно завязать узел на куске верёвки. Многие законы физики, например многие законы обратных квадратов связаны с тем что размерность нашего пространства три

Нульмерное, одномерное и двухмерное пространства могут рассматриваться как располагающиеся в трёхмерном пространстве; само оно может считаться частью модели четырёхмерного пространства (четвёртым измерением континуума, как правило, называют время — неоднородное качество по отношению к пространственной мерности).^[

Поля

Магнитное поле одна из форм электромагнитного Поля. М. П. создается  движущимися электрическими зарядами и спиновыми магнитными моментами  атомных носителей магнетизма (электронов, протонов и др.) Полное описание электрических  и магнитных Полей и их взаимосвязь  дают уравнения Максвелла. Содержание четырех уравнений Максвелла  для электромагнитного Поля качественно  сводится к следующему:  

1) магнитное Поле порождается  движущимися зарядами и полем.  Электрическим Полем (током смещения): 
2) электрическое Поле с замкнутыми силовыми линиями (вихревое поле) порождается переменным Магнитным Полем; 
3) силовые линии магнитного Поля всегда замкнуты (это означает, что оно не имеет источников - магнитных зарядов, подобно электрическим); 
4) электрическое поле с незамкнутыми силовыми линиями (потенциальное Поле) порождается электрическими зарядами этого поля.