Повторяю: первый и третий законы Ньютона создали общий подход к механике, показав, что покой эквивалентен равномерному прямолинейному движению, и объяснив распределение сил при перемещении тел под действие сил. Следует при этом помнить, что механический принцип относительности был создан Галилеем еще в 1632 году (дуэль на корабле). Уже из него следовало, что покой и равномерное прямолинейное движение эквивалентны и зависят от системы отсчета. А два главных закона - закон инерции, т.е. второй закон Ньютона, и закон всемирного тяготения - создали тот рабочий инструмент, с помощью которого всю небесную и земную механику можно было объяснить. С помощью этих законов все наблюдаемые человеком в естественных условиях перемещения тел стали доступны аналитическому расчету. Точность, с которой такие расчеты позволяли делать предсказания, удовлетворяла любые запросы. Сильнейшее впечатление на людей произвело открытие планеты Нептун, сделанное «на кончике пера», как тогда говорили, - из анализа отклонений Сатурна и Урана от тех орбит, движение по которым им предписывала механика Ньютона. Это открытие было сделано независимо двумя астрономами – Адамсом и Леверрье.
К середине 19 века авторитет классической механики возрос настолько, что она стала считаться эталоном научного подхода в естествознании. Широта охвата явлений природы, однозначная определенность (детерминизм) выводов, характерные для ньютоновской механики, были настолько убедительны, что сформировали своеобразное мировоззрение, в соответствии с которым механистический подход следует применять ко всем явлениям природы, включая физиологические и социальные, и, поскольку законы механических движений известны, следует только задать начальные условия, чтобы проследить эволюцию природы во всем ее многообразии. Это мировоззрение часто называют «лапласовским детерминизмом», в память о знаменитом французском ученом Пьере Симоне Лапласе (1749-1827), который с помощью закона всемирного тяготения блестяще объяснил все тонкости движения тел солнечной системы – планет и их спутников, Луны, разработал теорию возмущений небесных тел, предложил новый способ вычисления их орбит. Он доказал устойчивость солнечной системы в течение очень длительного времени. В 1796 году предложил гипотезу о происхождении солнечной системы.
Сам Лаплас так охарактеризовал эту систему взглядов: «Ум, которому были бы известны для какого-либо момента времени все силы, одушевляющие природу, обнял бы в одной формуле движение величайших тел Вселенной наравне с движением атомов. И будущее, так же как и прошедшее, предстало бы перед его взором».
Однако оказалось, что эта заманчивая идея – свести всё к хорошо понятным механическим движениям – реализуется плохо. Есть круг явлений в мире, который совершенно такого рода описанию не поддается. Это световые, электрические и магнитные явления. Во второй половине 19 века стало ясно, что материальный мир не сводится только к механическим перемещениям вещества. Еще одной формой существования материи было признано электромагнитное поле, описанное Д.К. Максвеллом в его знаменитых уравнениях.
Эти уравнения, предложенные Максвеллом в 1860-х годах, в интегро-дифференциальном виде содержат в себе всю макроскопическую электродинамику. Однако несмотря на их содержательность, их смысл прост и доступен даже для непрофессионалов.
Согласно первому уравнению Максвелла, магнитное поле порождается токами, текущими в проводнике, и токами смещения, пропорциональными скорости изменения электрического поля по времени. Математически оно записывается так:
, где Н – вектор напряженности магнитного поля, j – вектор плотности электрического тока, D – вектор тока смещения.
Согласно второму уравнению Максвелла, изменение магнитного поля вызывает электрическое поле:
=
, где В – вектор индукции магнитного поля, 
характеризует изменение магнитного поля, Е – вектор напряженности электрического поля.
Согласно третьему уравнению Максвелла, не существует магнитных зарядов:
=0
А согласно четвертому уравнению Максвелла, электрическое поле порождается электрическими зарядами:
=ρ, где ρ – объемная плотность зарядов в рассматриваемой точке.
Главный качественный смысл уравнений Максвелла широко известен: изменение магнитного поля приводит к возникновению электрического поля, а вокруг изменяющегося электрического поля возникает магнитное поле. Электрическое и магнитное поля, непрерывно изменяясь, возбуждают друг друга. В результате и возникают электромагнитные волны, в которых изменение электрической составляющей порождает магнитную составляющую, и наоборот, изменение магнитной составляющей порождает электрическую.
Максвелл теоретически показал в 1865 году, а в 1888 году экспериментально измерил Генрих Герц, что скорость электромагнитных волн равна скорости света (с=3*108 м/с). Это и навело Максвелла на мысль о том, что свет есть разновидность электромагнитных волн.
После этого, в конце 19 века, большинство ученых считало, что создание научной картины мира в основном завершено. Осталось еще несколько проблем, которые необходимо дорешать, но в целом все уже понятно.
Все явления природы, в соответствии с этой картиной мира, являются следствиями электромагнитных и гравитационных взаимодействий между зарядами и массами, которые приводят к однозначному, полностью определенному начальными условиями поведению тел (концепция детерминизма). Критериями истинности в такой картине мира являются, с одной стороны, эксперимент (практика – критерий истины), а с другой однозначный логический вывод (с 17 века, как правило, математический) из более общих посылок, т.е. дедукция. При этом одним из главных методологических принципов классического естествознания являлась независимость объективных процессов в природе от того, кто эту природу познает, т.е. отделенность объекта от средств познания.
Однако, несмотря на детализацию многих сложных понятий и явлений и несомненный прогресс в понимании значительной части явлений окружающего мира, многие простые явления остались как бы не додуманными до конца, в расчете, может быть, на то, что это будет додумано когда-то позже, а может быть – и на то, что «не больно-то и нужно».
Рассмотрим, например, одну из сложнейших проблем в природе - проблему движения.
Движение - это изменение со временем положения объекта в Пространстве. В таком простом определении многое подразумевается. В частности, что при движении каждый новый его этап – следствие предыдущих. При этом объект остается одним и тем же, а не подменяется. Так, например, перемещения солнечного зайчика или тени от движущегося предмета представляют собой явления, о которых здесь не идет речи, поскольку солнечный зайчик каждое мгновение образуется порцией света, не связанной с предыдущей или последующей какими-либо связями. Иными словами, солнечный зайчик постоянно другой объект, чем предыдущий, подобно следам от песка, бросаемого горстями на стену, или точкам, которые ставят мелом на доске.
С Движением связано понятие Скорости как одной из мер Движения. Несмотря на очевидность этой меры, с ней в прошлом было связано много недоразумений, в частности, из-за двойственного характера Скорости. С одной стороны, Скорость характеристика локальная, т.е. она характеризует Движение в указанном месте Пространства в заданный момент Времени. С другой стороны, Скорость нельзя измерить мгновенно, как, например, положение объекта. Для измерения Скорости нужно заметить перемещение между двумя близкими положениями. Так, на фотографии можно увидеть мгновенное положение тела, но нельзя понять, движется ли оно. Поучительный пример осмысления Движения дают парадоксы Зенона.
Для сведения отметим, что известны два древнегреческих философа с именем Зенон (Zeno). Один (из Катиона) был основателем школы стоиков и учил владеть собой. Другой (из Элеи), живший ранее, в 5 веке до Р.Х., знаменит своими парадоксами “Ахилл и черепаха” и “Стрела”, называемыми апориями (безвыходными положениями) Зенона.
Его общий взгляд был такой, что если что-то (пространство или время) является бесконечно делимым, то каждая его часть с одной стороны является бесконечно малой, т.к. таких частей бесконечно много, а с другой – бесконечно большой, т.к. она включает в себя бесконечно большое число меньших частей. Это вызывало его недоумение, и он придумывал примеры – парадоксы, доказывавшие законность его сомнений.
В первой апории доказывается, что быстроногий Ахилл никогда не догонит плетущуюся черепаху, потому что движение состоит из бесконечного числа перемещений, а на осуществление неограниченного числа перемещений требуется бесконечное время.
В другой апории утверждается, что движение невозможно вообще, т.к. летящая стрела находится каждое мгновение в неопределенном положении: “здесь” и одновременно “уже не здесь”.
Поскольку практика противоречила результатам данных утверждений, а их доказательства считались верными, долгое время считалось, что и Пространство и Движение имеют скрытые свойства, в частности, их нельзя делить безгранично.
Например, если допустить, что наше пространство не непрерывное, а состоит из элементов, т.е. дискретное, то перемещение в нем - движение - будет скачкообразным. Если же дискретность недоступна нашему восприятию из-за микроскопичности, то все проблемы апорий были бы сняты.
Через две тысячи лет после появления апорий ученые научились суммировать бесконечное число бесконечно малых величин и характеризовать состояние движущегося тела не только его положением, но и такими характеристиками, которые древние назвали бы “склонностью”, а мы называем их количеством движения. Формально апории были решены без допущения дискретности пространства и движения.
Многовековая история апорий Зенона интересна как пример психологии познания. Так некоторые философы и сейчас видят в апориях Зенона проблемы, объясняя кажущиеся противоречия “единством и борьбой противоположностей”. Видимо, умозрительное познание мира более свойственно человеческому сознанию, чем научные методы. Об этом свидетельствует и двухтысячелетняя история аристотелевых предрассудков в отношении Движения падающих тел. Галилей с помощью экспериментов показал, что падение - это равноускоренное движение и ускорение одинаково у всех тел.
В какой мере наше Пространство и Движение непрерывны, экспериментально не выяснено. Поэтому уже в наше время для описания устройства микромира допускалось, что у пространства есть минимальный элемент длины. Правда, и сейчас эта гипотеза вызывает возражения. На этом история апорий Зенона не окончилась. Сейчас в физике заговорили о квантовом эффекте Зенона. Но это обсудим в соответствующем месте.
В отношении Скорости уместен вопрос: есть ли у нее предел (понятно, что минимальная - нулевая - Скорость бывает при покое). Возможность движения с произвольно большой Скоростью следует, казалось бы, из закона сложения Скоростей. Поскольку два движущихся навстречу объекта сближаются быстрее, чем когда один из них стоит,– можно относительную Скорость увеличивать посредством встречного движения.
Закон сложения Скоростей кажется очень простым и при этом подчас порождает недоразумения, как в известном со времен Галилея примере дуэли на движущемся корабле. Чья пуля достигнет противника раньше, если оба выстрелили одновременно, но один стоит лицом, а другой спиной к направлению движения корабля? Галилей ответил не только “одновременно”, но и сказал, что результат дуэли будет таким же, как на неподвижном корабле. Такая формулировка стала основой рассмотрения любых Движений на равномерно движущихся "кораблях" и была названа Принципом Галилея, утверждающим, что результаты всех событий на равномерно движущихся "кораблях" не зависят от их скорости.
А какая самая большая не относительная Скорость? Еще в средние века самой большой считалась Скорость распространения света. Тогда же удалось её измерить. Между Землей и Луной свет пролетает примерно за полторы секунды, а космический корабль - почти за неделю.
Движение света, конечно, не такое очевидное явление, как Движение тел. Но опыт показал, что Движение света явление вполне понятное в ряде ситуаций. Так, скорость света в среде меньше, чем в пустоте. В движущейся среде можно ожидать увеличения скорости распространения света по движению среды и ее замедления для случая встречного распространения, подобно тому, как это происходит при плавании лодки по и против течения реки. Опыт подтвердил эти ожидания.
Поэтому казалось правдоподобным, что скорость света будет разной для двух наблюдателей в пустоте, один из которых удаляется от источника света, а другой приближается к нему. Можно было ожидать, что, подобно тому, как пули автоматной очереди, световые импульсы в последовательности будут не только замедленно пролетать мимо убегающего от них наблюдателя, но и между импульсами убегающий обнаружит большие промежутки времени, чем интервалы между вспышками в источнике света. Оказалось, что действительность не соответствует этим здравым домыслам.
Здесь уместно насторожиться, а не слишком ли мы погружаемся в тонкости физики? Ведь свет это электромагнитные волны, а это не совсем понятный объект. Но здесь вникать в физику и не следует. Следует лишь осознать, насколько действительность не соответствует нашим обыденным представлениям о ней. Если бы оказалось, что все связанное с распространением света не согласуется с нашими обыденными представлениями, то это значило бы, что наших знаний о движении света недостаточно.
Так что надо знать только, что быстрее света ничто не двигается. И оказывается, что световые “пули” действительно пролетают мимо убегающего от них реже, чем их выпускает источник, но скорость пролета “пуль” мимо бегущего такая же, как и скорость пролета их мимо стоящего. Кажется, что такого быть не может. Но действительность не только парадоксальна, но и имеет непротиворечивое толкование, правда, в рамках совершенно новых, увы, не наглядных, представлений о Пространстве и Времени. Эти толкования дает Теория Относительности.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему