Всем привет, продолжаем грызть фундамент физики вместе со Стивеном Хокингом.

Суть научных теорий и вселенная Ньютона.

Прошлый пост мы закончили тем, что естественные границы Птолемея разрушились, и людям нужно было искать новые, или убедится в их отсутствии. И делать это нужно было при помощи научных теорий. Давайте разберём что же это такое.

Научная теория – модель вселенной или некой её части, а так же наборы правил, которые помогают соотнести абстрактные величины и практические наблюдения. Любая теория хороша, если она удовлетворяет двум требованиям:

1. Точно описывает большой класс наблюдений, включая при этом в себя мало начальных произвольных переменных.

2. Предсказывает результаты будущих наблюдений.

Например, Аристотель верил в теорию Эмпидокла, которая гласила что всё сущее состоит из 4-х основных элементов земли, воды, воздуха и огня. Достаточно простая теория, однако не имеющая никакой предсказательной силы. Закон всемирного тяготения Ньютона основывается на ещё более простой модели, что тела притягиваются прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояний между ними. Но в отличии от стихийной теории, способен предсказать движения Солнца, луны и планет.

Чем больше наблюдений доказывают теорию, тем больше к ней доверие. И единственное наблюдение не согласующееся с теорией способно её опровергнуть.

Довольно часто новая теория вытекает из предыдущей. Например, общая теория относительности Эйнштейна дополняет и расширяет законы Ньютона. Кстати на практике при расчетах траекторий планет, до сих пор используют законы Ньютона, а не теории относительности. Расхождение очень невелики, а с законами Ньютона легче работать.

Конечной целью современной науки является изобрести такую теорию, которая могла бы описать всю вселенную. На данный момент на практике эта задача разбивается на две. Первая – придумать законы описывающие как вселенная изменяется со временем. Вторая – описать начальное состояние вселенной. Некоторые учёные считают, что вторую часть вообще нельзя описать, творец создал вселенную по своему разумению и нечего туда лезть.

Но даже с первой частью много проблем. Крайне трудно оказалось махом придумать теорию всего. Потому на практике теорию бьют на части, каждая из которых описывает свою область, и не обращает внимания на остальные. Например, законы Ньютона работают не взирая на процессы протекающие внутри звёзд.

Сегодня вселенная описывается в двух основных частных теориях. Общая теория относительности и квантовая механика. Первая описывает действие гравитации и крупномасштабную структуру вселенной. Квантовая механика напротив, имеет дело с очень маленькими частицами. Одной из главных задач физики на сегодняшний день поиск новой теории, которая могла бы объединить нынешние две – теории квантовой гравитации. И если вселенная не хаотична, то должен быть способ это сделать. Создать теорию, которая могла бы описать всё во вселенной.

Стоит отметить, что частные теории, которыми человечество располагает уже сегодня, довольно точно могут описать практически любое событие (за исключением самых экстремальных). Так что возможно открытие единой завершённой теории вселенной, ни как не повлияет на нашу жизнь.

Сегодня в вопросах движения тел, мы опираемся на труды Ньютона и Галилея, до этого верным считалось учение Аристотеля. Главное отличие было в том, что Аристотель считал состояние покоя естественным состоянием тела, а движение возможно только под действием силы или импульса. Из этого, например, следовало, что тяжёлое тело должно быстрее падать на землю, нежели лёгкое ведь оно сильнее притягивается к земле. Галилей для опровержения этого скатывал шары по наклонной плоскости. И шары разной массы, скатывались с одинаковой скоростью и ускорением. Например, если вы пустите шар по наклонной плоскости, которая понижается на один метр каждые десять метров, то независимо от массы через секунду он будет двигаться со скоростью примерно один метр в секунду, через две секунды — два метра в секунду и так далее.

Ньютон положил опыты Галилея в основу своих законов движения. Так же он сказал, что если на движущееся тело не действуют силы, то его скорость будет неизменной. Эта мысль впервые появилась в трудах Ньютона и известна как первый закон Ньютона.

Поведение тела под действием силы описывается вторым законом. Согласно ему тело будет ускоряться (или замедляться). Кроме того ускорение тела будет тем больше, чем меньше его масса и наоборот. Наверное всем нам известно, что автомобиль с более мощным двигателям способен набрать скорость быстрее, а при одинаковой мощности двигателя, быстрее разгоняться будет автомобиль которые весит легче.

Законы Ньютона, показав, что состояние покоя ни чем не примечательно и не отличается от состояние движения, показали и ещё одну замечательную вещь. Нет никакого уникального состояние покоя. И нельзя сказать определённо тело А движется относительно покоящегося тела Б, или тело А находится в состоянии покоя, а Б движется относительно него.

Для доказательства этого представьте что вы находитесь в закрытом вагоне и не знаете, движется ли вагон по идеально гладкой дороге не поворачивая или стоит на перроне. Все опыты проделанные внутри вагона будут протекать точно так же как опыты на «неподвижной» земле. И если, находясь внутри вагона, вы играете в пинг-понг, при разных скоростях поезда относительно Земли — 0,50 или 120 километров в час — шарик всегда будет вести себя одинаково. Так устроен мир, что и отражено в уравнениях законов Ньютона: не существует способа узнать, что движется — поезд или Земля. Понятие движения имеет смысл, только если оно задано относительно других объектов.

Отсутствие некоего абсолютного пространства имеет в физике далеко идущие последствия. Например, одно и тоже событие разными наблюдателями трактуется по-разному. Для примера возьмём всё тот же поезд, который двигается по идеальному полотну. Как мы уже знаем человек внутри и снаружи на перроне, абсолютно равнозначны. Первый экспериментатор, внутри вагона бросает шарик для пинг-понга на стол и смотрит, как он упадёт, отскочит, и упадёт вновь. Для него шарик падает ровно в то же самое место. Для наблюдателя который находится на перроне, расстояние между двумя падениями, будет завесить от скорости поезда. Если поезд двигается со скоростью 60 км в час, и шарик отскакивает за одну секунду, то расстояние между двумя ударами будет порядка 17-ти метров.

Но Ньютон попался на ту же удочку, на которую ранее попался Кеплер, он свято верил в Бога и совершенство бытия. Не мог Бог создать вселенную без абсолютного пространства, не смотря на то что все его законы подразумевали это.

Гораздо более фундаментально и для Ньютона и Аристотеля была абсолютность времени. Т.е то что интервал времени между двумя событиями постоянно будет один и тот же, вне зависимости от того кто и при каких обстоятельствах измеряет время. Главное чтобы часы были точные. Тем не менее в двадцатом столетии физики были вынуждены пересмотреть представления о времени и пространстве. Как мы убедимся в далее, ученые обнаружили, что интервал времени между двумя событиями, подобно расстоянию между отскоками теннисного шарика, зависит от наблюдателя. Физики также открыли, что время не является совершенно независимым от пространства.

Об этом и многом другом в следующих постах.