Ограниченность классической механики
Ограниченность классической механики
Когда хотят выразить особое уважение к той или иной работе, теории или человеку, говорят: «Вот это класс!», или «Это классическая теория», или «Он — классик». Совсем не обязательно (как думают иные), чтобы речь шла о давно прошедшем. Если так и получается по большей части, то только потому, что на расстоянии лучше видится. Мы и от живого-то человека отходим слегка, чтобы его получше разглядеть, и от картины, и от здания.
Лишь в наиредчайших случаях, зато при исключительных обстоятельствах, при исключительной уверенности мы говорим о современнике: «Он — живой классик». Но как бы редко это ни бывало, это подтверждает все же высказанную мысль, что в классики «выходят» за реальные выдающиеся заслуги, а не за выслугу лет.
Механика Ньютона единодушно всеми и всюду называется «классической механикой» именно в силу своей совершенной безупречности для тех пределов, для которых ее разрабатывали Ньютон и его научные последователи. Тем интереснее разобраться, с каких позиций она представляется приближением, введением в какую именно физическую теорию она является.
Оказывается, есть целых три «физики», точнее, три больших раздела современной физики, которые учитывают нечто такое, чего не учитывал Ньютон, и которые являются следующими шагами в развитии физической картины мира. Названия этих разделов: частная теория относительности, общая теория относительности и квантовая механика.
Каждый новый раздел представляет собой более общую теорию, чем была теория Ньютона. Ни одна из этих теорий не отбрасывает классической механики, а включает ее в себя, выводит Ньютоновы законы при тех или иных упрощениях, выводит, когда становится приблизительной.
Частная (или специальная) теория относительности, созданная великим физиком нашего времени Альбертом Эйнштейном, выросла из механики, оптики и электромагнетизма. Одно из ее исходных положений заключается в том, что в природе есть предельная скорость — это скорость света в вакууме, равная всегда и всюду приблизительно 300 тысячам км/сек. Никакое движение тела, никакое изменение состояния материальной среды не может происходить с большей скоростью.
В отличие от классической механики, молчаливо убежденной, что скорость тел никак не может повлиять на их массу, линейные размеры, объем и на промежутки времени, частная теория относительности доказывает, что в направлении движения тел? становятся короче, их массы с ростом скорости становятся больше, объемы меньше, явления, происходящие с движущимися телами, продолжительнее.
Общая теория относительности, она же релятивистская теория тяготения («релятивизм» значит «относительность»), учитывает влияние тяготения на свойства пространства и времени.
Здесь можно провести одну любопытную историческую параллель между учением Аристотеля и учением Ньютона, и мы не преминем это сделать.
Когда Аристотель формулировал свои законы движения, он не задумывался над тем влиянием, которое оказывает на падающее тело среда: в данном случае воздух, тормозящее действие (трение) его молекул. И в общем-то по-своему в сделанных выводах греческий философ был прав: все же видят, что морская галька падает быстрее веточки акации.
Примерно то же допущение (но не ошибку!) делал и Ньютон (как Аристотель, сам того не подозревая); формулируя свои законы движения, и он не задумывался над той зависимостью, которая имеется между свойствами движущегося тела и характером «среды»: в этом случае — системы отсчета, относительно которой рассматривается движение. Там, где эта зависимость практически несущественна, Ньютон совершенно прав: в условиях нашей земной жизни, а также наблюдая за движением небесных тел, мы убеждаемся на множестве примеров, что все законы Ньютона строго соблюдаются.
Аристотель полагал, что когда он смотрит прямо перед собой в ясную голубизну пространства, то до тех пор, пока взор не встретит какого-нибудь предмета — дерева, птицы, пылинки, — перед ним предельно осуществимая в природе «пустота», в которой происходят все события при появлении в ней предметов. В идеальный вакуум, в пустоту без воздуха и иного содержимого, Аристотель, как мы помним, совсем не верил.
Ньютон видел в окружающем пространстве прежде всего некоего материального посредника сил тяготения, среду, через которую они передаются, как волны через воду моря. Он писал своему другу:
«Допустить, что тело может действовать на другое тело на расстоянии через пустоту без вмешательства какого-либо посредника, мне кажется таким абсурдом, что, я думаю, ни один философски мыслящий человек не сможет примириться с этим».
Позднее, во второй половине XIX века, идея гравитационного посредника получила всеобщее распространение как идея мирового эфира. Нетрудно видеть, что эта идея тесно связана с признанием существования абсолютного пространства, отождествляемого Ньютоном с идеальной пустотой.
Абсолютное пространство, как некое неограниченное вместилище, является ареной, где располагаются тела и разыгрываются события. Само оно не зависит от материальных тел, наполняющих его, и от их движений. Если бы каким-нибудь чудесным образом из пространства можно было вынуть все тела, то оно ничуть не изменилось бы, как остается неизменным ящик, когда из него высыпают все апельсины.
Это пространство считали «плоским», или Евклидовым, то есть обладающим свойствами, сформулированными великим греческим геометром Евклидом (смысл слова «плоское» станет ясным чуть дальше).
Оторванно от материальных тел и от их движений Ньютон понимал и сущность времени. Время тоже абсолютно в учении Ньютона. Если пространство представляет собой, так сказать, «чистую протяженность», то время есть поток «чистой длительности». Оно неограниченно, его течение совершенно равномерно.
Абсолютное пространство и абсолютное время, по Ньютону, существуют независимо не только от движения материальных тел, но и друг от друга.
Наглядно мир Ньютона можно изобразить следующим образом.
Вообразим себе обыкновенную прямоугольную комнату, расположенную где-то во Вселенной далеко от небесных тел. В комнате нет никаких предметов, частиц, полей. Теперь сделаем умственное усилие и допустим, что стены комнаты, ее потолок и пол вдруг стали раздвигаться, пока не убежали в бесконечность. В такой-то «комнате» и вершатся явления природы в соответствии с законами классической механики. Пространство этой «комнаты» неподвижно, пребывает в абсолютном покое.
Вот та иллюстрация, которая помогает наглядно представить Ньютоново абсолютное пространство.
Можно пояснить и время.
Комната «живет» не одно мгновение. Бесконечная длительность ее существования безотносительно ко всем процессам, которые могут в ней протекать, дает представление и об абсолютном времени.
В подобную «комнату», в Евклидов мир, тяготение, как и любое физическое явление, должно быть привнесено откуда-то извне, «из-за пространства» и «из-за времени».
Оказывается, однако, как показал тот же Эйнштейн, тяготение и свойства пространства и времени тесно связаны между собой. Тела, следуя определенным законам, «искривляют» пространство и удлиняют промежутки времени, а искривленное пространство оказывает свое влияние на траектории движущихся тел. Кажется, что тело движется все время по прямой, а в действительности оно движется по какой-то кривой, радиус которой определяется местными свойствами пространства. Отдаленно это напоминает человека, отправившегося по экватору прямо вперед и незаметно начавшего описывать кривую вокруг земного шара.
Третье направление, двигаясь по которому классическая механика встречает себе препятствие, — это направление к миру молекул, атомов, элементарных частиц, подчиняющихся законам иной, квантовой механики.
Неприменимость принципов Ньютона в этой области может быть проиллюстрирована наглядно невозможностью делать здесь некоторые утверждения, обычные для классической механики.
В мире больших масштабов, в мире нашей практики мы можем сказать: передняя плоскость поезда, движущегося с определенной скоростью из Ленинграда в Москву, ровно в шесть часов утра пересекает переднюю плоскость платформы станции Клин. В микромире, как мы увидим, когда займемся квантовой механикой, такие утверждения невозможны (см. стр. 164).
Получается три рубежа, три зоны недоступности для классической механики. Не многовато ли?
Не передвигаются ли интересы техники и науки все больше за эти рубежи, так что скоро и вообще лишь за ними будет происходить важнейшее?
Возможно ли развитие самой классической механики в наши дни или она постепенно превратилась во вспомогательную науку, знать которую, конечно, необходимо, но которая больших горизонтов не раскроет?
Обидно было бы изучать классическую механику, выучиться, скажем, на инженера и вдруг услышать:
— Э-э, батенька, сейчас век атомной энергии. Ваши знания нам ни к чему. Занимайтесь-ка квантовой механикой!
Получилось бы, как в анекдоте, где один малыш жалуется другому на родителей:
— Сперва они учили нас ходить и говорить, а теперь требуют, чтобы мы сидели и молчали.
К счастью, такой разговор никому не угрожает.
Сегодня в числе бурно развивающихся наук — науки, вырастающие из классической механики, как ее развитие и усложнение. Среди них такие, например, увлекательные науки, как гидродинамика и аэродинамика, теория упругости и акустика. С теоретической стороны они прямые продолжения Ньютоновой механики: оттуда их методы и принципы, дополненные постепенно гипотезами, подсказанными опытом. Там, где требуются более практические выводы, ученые и инженеры обращаются тоже к вышедшим из классической механики наукам — сопротивлению материалов и гидравлике. Можно привести и другие примеры.
Человек правильно видит природу и создает правильные, неумирающие науки.
Ограниченность классической механики — это, скорее, ее сосредоточенность, столь нужная, когда стоишь перед решением больших и очень разных по характеру проблем.