Философский смысл законов сохранения механики

 

Оглавление

Законы сохранения в классической физике 3

1. Масса и закон ее сохранения 3

2. Закон сохранения и превращения энергии как одна из форм выражения неуничтожимости движения 10

3. Законы сохранения импульса и момента количества движения 17

4. Закон взаимосвязи массы и энергии - дальнейшая естественнонаучная конкретизация положения о неуничтожимости материи и движения 19

Список литературы 24

 

 

 

Законы сохранения в  классической физике

Законы сохранения – физические закономерности, согласно которым при  определенных условиях некоторые физические величины, характеризующие замкнутую  систему, не изменяются с течением времени. Идея сохраения появилась сначала как истинно философская догадка, о наличии неизменного, стабильного в вечно меняющемся мире. Еще античные философы-материалисты пришли к понятию материи – неуничтожимой и несотворимой основы всего сущего. С другой стороны, наблюдение постоянных изменений в природе приводило к представлению о вечном движении материи как важнейшем ее свойстве. С появлением математической формулировки механики на этой основе появились законы сохранения массы и механической энергии. Затем, был экспериментально открыт закон сохранения энергии в немеханических явлениях. Таким образом, к середине 19 века оформились законы сохранения массы и энергии, которые трактовались как сохранение материи и движения.

1. Масса и закон ее сохранения

Закон сохранения массы – один из законов физики, согласно которому масса физической системы сохраняется  при всех природных и искусственных  процессах. В исторической, а точнее философской форме, согласно которой  вещество несотворимо и неуничтожимо, закон известен с древнейших времен. С точки зрения классической механики и химии сохраняется масса закрытой физической системы и сумма масс компонентов этой системы (масса считается аддитивной, т.е. масса системы равна сумме масс составляющих ее компонентов).

Закон сохранения массы – один из фундаментальных законов естествознания, изначально он понимался как одна из формулировок закона сохранения материи. Он является постулатом для таких наук как физика и химия, именно в них он наиболее ярко проявляется. Следует отметить, что рассматриваемый закон также находит применение и в биологии, географии, астрономии и некоторых других естественных науках.

Догадки о существовании некоего  всеобщего принципа сохранения вещества как синонима материи восходят еще  к философам Древней Индии, Китая, откуда они попали в античный мир.

Одним из первых это закон сформулировал Эмпедокл (V век до н.э.): «Ничто не может произойти из ничего, и никак не может то, что есть, умножиться». Позже аналогичные тезисы высказывали Демокрит, Аристотель и Эпикур. Так, согласно Аристотелю: «материя не происходит из ничего, не подлежит умножению или уменьшению, не создается и не исчезает, а лишь изменяется» Идеи о вечности материи излагаются у Лукреция Кара в его произведении "О природе вещей". Такие же представления лежат в основе всех атомистических учений (Демокрит, Эпикур, Лукреций Кар, Гассенди).

Практические потребности привели  к необходимости сопоставления  предметов друг с другом, к избранию в качестве эталонов, с которыми можно было бы их сравнить, тел наиболее постоянных, устойчивых, сохраняющихся. Со временем были изобретены весы, которыми пользовались как в быту, торговле, так и для научных исследований.

Еще при зарождении ремесел в  Древнем Египте пользовались весами. Все дальнейшее развитие химических знаний было неразрывно связано с  их применением. В основе использования  весов лежит допущение о сохранении веса (понятие массы еще отсутствовало) эталона. Это является примером того, как на протяжении многих веков стихийно, неосознанно используются законы природы, существо которых еще не стало достоянием науки.

К началу нового времени в результате накопления большого количества опытных  фактов были сделаны определенные выводы о существовании некоей величины, которая сохраняется при химических превращениях. Сначала в качестве такой величины фигурировал вес. Так, Парацельс (1493-1541) советует пользоваться весами в физических и химических экспериментах, так как "вес не обманывает". По выражению Ван-Гельмонта (1577-1644), "вещество ничего не теряет, но только принимает другую форму". Бэкон в 1620 г. высказывает мысль о том, что ничто из ничего не делается, ничто не уничтожается. Истинное количество вещества или полная его сумма остается постоянной, не увеличиваясь и не уменьшаясь. Мариотт в 1680 г. указывал: "Природа ничего не производит из ничего, материя не теряется". Мы видим, как постепенно складывается понятие о том, что вес есть лишь внешнее проявление сущности вещества, и внимание переносится на более существенное - на количество вещества. Так исторически подготавливаются условия для возникновения понятия массы.

Формирование понятия массы  и формулирование закона ее сохранения становится необходимым не только на основании непосредственного изучения свойств вещества, но также из общих  философских соображений о неуничтожимости всего сущего, являющихся результатом обобщения всей суммы положительных знаний, подтвержденных общественной практикой.

Средневековые ученые так же не сомневались  в истинности этого закона. С появлением массы как меры количества вещества, пропорциональной весу, формулировка закона сохранения материи была уточнена: масса есть инвариант, то есть при всех процессах общая масса не уменьшается и не увеличивается (Вес же инвариантом не является, как предполагал Ньютон, поскольку форма Земли далека от идеальной сферы).

В середине XVIII века опыты Роберта Бойля поставили закон сохранения массы под сомнение – после проведения химической реакции вес вещества увеличился. Однако многие физики и, в том числе, М.В. Ломоносов указали на ошибку: увеличение веса происходила за счет воздуха, в запаянном сосуде вес сохранялся неизменным. В дальнейшем закон сохранения массы считался истинным и очевидным,

Сохранение массы при химических реакциях впервые в истории было экспериментально доказано в 1755 г. М. В. Ломоносовым. Именно его работы положили начало сознательному применению закона сохранения вещества во всех химических и физических экспериментах, а также  в теоретических исследованиях. Этот закон сохранения становится фундаментом  всей классической механики и основным законом химии.

Однако абсолютность этого закона сохранения нарушается в процессах, описываемых в специальной теории относительности. Абсолютным и всеобщим оказывается объединенный закон  сохранения массы и энергии, который  с определенной степенью точности отражает неуничтожимость материи и движения.

Рассмотрим более обстоятельно вопрос о содержании понятия массы. В конце XVII в. Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения. Сделал он это не только благодаря своему гению, но и благодаря своим стихийно-материалистическим философским воззрениям на природу материи. Атомистические представления дали ему возможность ввести понятие массы.

Ньютон не сводил понятие материи  к понятию массы, для него понятие материи, несомненно, более широкое, более всеобщее, чем масса, которая есть лишь одна из характеристик материи.

Рассматривая взаимодействие астрономических  объектов, Ньютон показал, что сила взаимодействия между ними

,

где G - постоянная тяготения, m₁ и m₂ - массы взаимодействующих тел, r - расстояние между ними.

Данный закон явился первым, но достаточно хорошим приближением в отражении гравитационных взаимодействий. Он дает количественную интерпретацию гравитационных процессов, что и привело к понятию гравитационной массы. Это понятие включает в себя качественную и количественную характеристики тел, находящихся в поле тяготения, и его глубокое содержание будет раскрыто при дальнейшем изучении тяготения.

Следующий шаг в развитии понятия  массы был также сделан Ньютоном, когда он, анализируя процесс движения макроскопических тел, открыл три основных закона механики:

• всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние;
• изменение количества движения пропорционально приложенной действующей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует;
• действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе говоря, действия двух тел друг на друга равны между собой и направлены в противоположные стороны.

Раскрывая смысл инерционного движения по прямой линии, необходимо показать связь этого закона с законом  сохранения количества движения (mv, где m - масса, a v - скорость). При неизменной массе (она называется инерционной массой) это означает, что если на тело не действуют внешние силы, то имеет место сохранение скорости. Второй закон можно сформулировать следующим образом:

,

где Δ(mv) - изменение количества движения; F - сила; Δt - время, в течение которого происходит изменение данного количества движения. Для сравнительно малых скоростей, когда m≈const, можно записать:

,

где а - ускорение, т. е. дать количественное выражение для массы двигающегося тела, зная величину движущей силы и полученного телом ускорения. Действие второго закона механики Ньютона основано на том, что сила связана с инертными свойствами, присущими любому телу,

,

часто трактуется как пример того, что масса есть лишь коэффициент  между силой и ускорением. Конечно, величину массы можно определить исходя из этой формулы, но за математическими  отношениями надо искать реальные физические свойства материальных объектов и реальные физические связи, отображаемые понятием массы.

Изучая явления инерции, физики пришли к выводу, что каждое физическое тело обладает свойством определенным образом изменять свою скорость под  влиянием данного воздействия, что  выражается некоторой физической величиной, называемой инертной массой. Тщательные исследования показали, что инертная и гравитационная массы численно равны друг другу и являются как бы двумя проявлениями одного и того же свойства тел. Как известно, тождественность инерционной и гравитационной масс положена в основу общей теории относительности Эйнштейна, в которой геометрические свойства пространства связаны с распределением наличных масс.

К концу XIX в. на основе опытных данных у ряда физиков начало складываться представление о том, что масса тела при его движении не остается постоянной, а зависит от скорости движения. В 1881 г. Д. Томсон впервые высказал и попытался теоретически обосновать мысль о том, что вся масса электрона электромагнитного происхождения. Его предположения основывались на следующем: покоящийся электрон обладает лишь электростатическим полем - если его привести в движение, то возникает магнитное поле, на создание которого надо затратить дополнительную работу. Если затормозить электрон, то, по правилу, установленному русским ученым Ленцем, возникает дополнительное электрическое поле, которое будет стремиться ускорить тормозящийся электрон. Происходит так, как если бы с полем электрона была бы связана дополнительная инерция. Поэтому импульс электрона можно рассматривать как сумму механического (Рт) импульса и импульса (Ре), обусловленного реакцией поля:

.

Согласно второму закону Ньютона

,

где . Если мы представим р_е как произведение m_ev, то будет электромагнитной массой.

Рассмотрим электрон, двигающийся  со скоростью v. Его можно рассматривать как элементарный ток плотностью ev. Он будет создавать магнитное поле:

,

на расстоянии r. Плотность энергии этого поля есть H²/8π, а энергия в элементе dτ:

.

Если считать, что электрон - шарик  радиуса r₀ с поверхностным равномерно распределенным зарядом е, то можно отыскать полную энергию магнитного поля:

.

Добавочная масса определится  из условия

;

 

Если предположить другое распределение  заряда, то изменится только численный  коэффициент:

.

Если предположить, что m_m=0, то получается, что вся масса электромагнитного происхождения. Это предположение, казалось бы, подтверждалось тем, что формула для зависимости массы от скорости, где m₀- масса покоя; v - скорость; с - скорость света в вакууме:

,

где β = v/c, найденная Лоренцем на основании гипотезы о чисто электромагнитной природе массы, дает хорошее соответствие опыту. В. И. Ленин придавал огромное значение открытию электромагнитного характера массы электрона и ее изменчивости. Повторяя утверждения физиков того времени, он писал: "Первая масса будет реальной или механической массой электрона, вторая -"электродинамической массой, представляющей инерцию эфира". И вот, первая масса оказывается равной нулю. Вся масса электронов, или, по крайней мере, отрицательных электронов, оказывается по происхождению своему всецело и исключительно электродинамической. Исчезла масса. Подрываются основы механики". Ленин тут же показывает, что такое "исчезновение" массы не подрывает основ материализма, как это старались доказать идеалисты. Утверждения об "исчезновении материи" научно несостоятельны. Речь идет о том, что исчезает предел, до которого мы знали материю до сих пор, наше знание идет глубже; исчезают такие свойства материи, которые казались раньше абсолютными, неизменными, первоначальными (непроницаемость, инерция, масса и т. п.) и которые оказались относительными, присущими только некоторым состояниям материи. Любое свойство может как присутствовать, так и отсутствовать у предмета, но это не может затронуть его объективного существования, его материальности. Могут изменяться только виды материи и движения. Ленин указал, что изменчивость, многокачественность предметов и явлений - лишнее подтверждение диалектического материализма.

Созданная в начале XX в. Эйнштейном теория относительности показала, что зависимость от скорости имеет масса любого происхождения, а не только электромагнитного.

В дальнейшем выяснилось, что все  частицы по массе можно разбить  на две группы: имеющие и не имеющие  массы покоя; причем последние обладают специфически отличным свойством: они  могут двигаться только с максимально возможной скоростью - скоростью света в вакууме. Пусть частица двигается со скоростью, значительно меньшей, чем скорость света v<<с; произведя разложение в ряд, мы получим