Тэорыя адноснасці Ньютана: ранняе разуменне руху і гравітацыі
Пендахулуан
Ісаак Ньютан, адзін з самых уплывовых навукоўцаў у гісторыі, распрацаваў тэорыі, якія зрабілі рэвалюцыю ў нашым разуменні Сусвету. Яго знакавая праца «Матэматычныя пачаткі прыроды», апублікаваная ў 1687 годзе, прадставіла законы руху і закон сусветнага прыцягнення. Нягледзячы на тое, што канцэпцыя адноснасці, як яе часцей за ўсё называюць сёння, часта прыпісваецца Альберту Эйнштэйну, ідэя адноснасці была ўпершыню сфармулявана ў кантэксце класічнай механікі Ньютанам. У гэтым артыкуле будуць разгледжаны прынцыпы адноснасці Ньютана, іх наступствы для разумення руху і гравітацыі, а таксама тое, як гэтыя ідэі развіваліся да эпохі адноснасці Эйнштэйна.
Законы руху Ньютана
Законы руху Ньютана з'яўляюцца асновай класічнай механікі і складаюцца з трох законаў, якія вызначаюць сувязь паміж рухам аб'екта і сіламі, што на яго дзейнічаюць. Гэтыя тры законы:
1. Першы закон Ньютана (закон інерцыі):
«Кожны аб'ект будзе заставацца ў стане спакою або рухацца з пастаяннай хуткасцю па прамой лініі, калі на яго не дзейнічае знешняя сіла, якая змяняе гэты стан».
Гэты закон падкрэслівае важнасць інерцыі, імкнення аб'екта падтрымліваць свой стан руху. У кантэксце тэорыі адноснасці гэта азначае, што адносны рух паміж двума аб'ектамі не зменіцца, калі не прыкласці сілу.
2. Другі закон Ньютана:
«Паскарэнне аб'екта прама прапарцыянальна сіле, якая на яго дзейнічае, і адваротна прапарцыянальна яго масе. Матэматычна гэта выражаецца як F = ma».
Тут сіла (F) — гэта здабытак масы (m) і паскарэння (a). Гэты закон паказвае, як рух аб'екта можа змяняцца прымяненнем сілы. У кантэксце тэорыі адноснасці гэта азначае, што сіла, якая дзейнічае на аб'ект, зменіць яго адносны рух.
3. Трэці закон Ньютана:
«Кожнае дзеянне выкліча такую ж па сіле і процідзеянне».
Гэты закон тлумачыць, што сілы заўсёды ўзнікаюць парамі. Калі аб'ект А аказвае сілу на аб'ект Б, то аб'ект Б будзе аказваць такую ж па велічыні, але процілеглую па велічыні сілу на аб'ект А. Гэта важна для разумення ўзаемадзеяння паміж аб'ектамі ў замкнёнай сістэме.
Закон сусветнага прыцягнення Ньютана
Закон сусветнага прыцягнення Ньютана сцвярджае, што кожная часціца ў Сусвеце прыцягвае кожную іншую часціцу з сілай, якая прама прапарцыйная здабытку мас дзвюх часціц і адваротна прапарцыйная квадрату адлегласці паміж імі. Матэматычна гэты закон фармулюецца наступным чынам:
\[ F = G \frac{m_1 m_2}{r^2} \]
Дзе:
– \(F \) — гэта гравітацыйная сіла паміж двума часціцамі.
– \(G \) — універсальная гравітацыйная пастаянная.
– \( m_1 \) і \( m_2 \) — масы дзвюх часціц.
– \(r \) — адлегласць паміж цэнтрамі мас дзвюх часціц.
Закон гравітацыі Ньютана забяспечвае аснову для разумення такіх з'яў, як планетныя арбіты і рух аб'ектаў на паверхні Зямлі. Ён таксама адыгрывае вырашальную ролю ў канцэпцыі адноснасці Ньютана, бо гравітацыя — гэта сіла, якая ўплывае на адносны рух аб'ектаў у гравітацыйным полі.
Тэорыя адноснасці Ньютана
Ньютанавая тэорыя адноснасці, або, дакладней, прынцып адноснасці Ньютана, — гэта канцэпцыя, згодна з якой законы фізікі, якія дзейнічаюць у адной інерцыяльнай сістэме адліку, таксама дзейнічаюць ва ўсіх іншых інерцыяльных сістэмах адліку. Гэта азначае, што няма спецыяльнай інерцыяльнай сістэмы адліку; усе законы руху аднолькава дзейнічаюць у любой сістэме адліку, якая рухаецца з пастаяннай хуткасцю адносна адна адной.
Прынцып класічнай тэорыі адноснасці
Прынцып адноснасці Ньютана можна коратка сфармуляваць наступным чынам:
– Пераўтварэнні Галілея: ураўненні руху ў інерцыяльнай сістэме адліку можна пераўтварыць з адной сістэмы адліку ў іншую, якая рухаецца адносна першай з пастаяннай хуткасцю, не змяняючы выгляду ўраўненняў.
Пераўтварэнні Галілея апісваюць, як змяняюцца прасторава-часавыя каардынаты паміж дзвюма інерцыяльнымі сістэмамі адліку. Дапусцім, што існуюць дзве інерцыяльныя сістэмы адліку, S і S', дзе S' рухаецца з пастаяннай хуткасцю (v) адносна S. Калі (x, y, z, t)) — гэта каардынаты ў сістэме адліку S, а (x', y', z', t')) — гэта каардынаты ў сістэме адліку S', то пераўтварэнні Галілея можна выразіць наступным чынам:
\[x' = x – vt \]
\[y' = y \]
\[z' = z \]
\[t' = t \]
Гэта пераўтварэнне паказвае, што час абсалютны і аднолькавы ва ўсіх інерцыяльных сістэмах адліку, што з'яўляецца фундаментальным поглядам у класічнай механіцы.
Вынікі тэорыі адноснасці Ньютана
Тэорыя адноснасці Ньютана мае некалькі важных наступстваў у класічнай фізіцы:
1. Інерцыя і адносны рух:
Аб'ект, які рухаецца з пастаяннай хуткасцю ў адной інерцыяльнай сістэме адліку, будзе працягваць рухацца з пастаяннай хуткасцю і ў іншай інерцыяльнай сістэме адліку, згодна з прынцыпам інерцыі Ньютана. Гэта азначае, што адносны рух паміж двума аб'ектамі не змяняецца, калі на іх не дзейнічае сіла.
2. Закон захавання імпульсу:
У інерцыяльнай сістэме адліку поўны імпульс замкнёнай сістэмы застаецца пастаянным, калі на сістэму не дзейнічаюць знешнія сілы. Гэты прынцып з'яўляецца асновай закона захавання імпульсу, які важны для разумення сутыкненняў і ўзаемадзеяння паміж аб'ектамі.
3. Гравітацыя і арбітальны рух:
Закон гравітацыі Ньютана дазваляе нам прадказваць рух планет і іншых нябесных цел. У кантэксце тэорыі адноснасці Ньютана ўсе планеты падпарадкоўваюцца аднаму і таму ж закону гравітацыі і паводзяць сябе згодна з законамі руху Ньютана ў адпаведных інерцыяльных сістэмах адліку.
Пераход да тэорыі адноснасці Эйнштэйна
Нягледзячы на тое, што тэорыя адноснасці Ньютана заклала трывалую аснову для разумення руху і гравітацыі, яна мела абмежаванні. Некаторыя з'явы, такія як пастаянная хуткасць святла і рэлятывісцкія эфекты пры высокіх хуткасцях, не маглі быць растлумачаны класічнай механікай Ньютана. Гэта прывяло да распрацоўкі тэорый спецыяльнай і агульнай тэорый адноснасці Альбертам Эйнштэйнам у пачатку 20 стагоддзя.
Спецыяльная тэорыя адноснасці
Спецыяльная тэорыя адноснасці Эйнштэйна, прадстаўленая ў 1905 годзе, перагледзела некалькі фундаментальных палажэнняў ньютанаўскай механікі. Адзін з яе цэнтральных пастулатаў заключаецца ў тым, што хуткасць святла ў вакууме пастаянная і не залежыць ад хуткасці назіральніка. Гэта супярэчыла поглядам Ньютана на абсалютны час і прывяло да канцэпцый запаволення часу і скарачэння даўжыні пры рэлятывісцкіх хуткасцях.
Агульная тэорыя адноснасці
Агульная тэорыя адноснасці, апублікаваная Эйнштэйнам у 1915 годзе, замяніла закон гравітацыі Ньютана канцэпцыяй, што гравітацыя — гэта крывізна прасторы-часу, выкліканая масай і энергіяй. Гэтая тэорыя больш дакладна тлумачыць моцныя гравітацыйныя з'явы, такія як арбіта планеты Меркурый і чорныя дзіркі, якія закон гравітацыі Ньютана не можа растлумачыць.
Выснова
Тэорыя адноснасці Ньютана з яе законамі руху і ўсеагульнага прыцягнення з'яўляецца найважнейшай асновай класічнай фізікі, якая змяніла наша разуменне Сусвету. Прынцыпы адноснасці Ньютана забяспечваюць паслядоўнае ўяўленне пра рух і ўзаемадзеянне ў інерцыяльных сістэмах адліку. Нягледзячы на тое, што ў рэшце рэшт яна была выцеснена тэорыяй адноснасці Эйнштэйна, спадчына Ньютана застаецца магутнай асновай для вывучэння і разумення прыродных з'яў, ад руху планет да паўсядзённай дынамікі.
