Назад, к Ньютону!

Автор статьи - Чернов Н.С.

Цель данной статьи – показать несостоятельность современной трактовки первого закона механики.

Механизм реализации цели – анализ классической и современной формулировок этого закона.

Инструменты анализа – те очевидные положения, которые вряд ли вызовут возражения у противоборствующих сторон.

Вначале следует определиться, что мы будем понимать под Законом Природы вообще. Если этого не сделать, то может получиться так, что кто-то будет говорить «про Фому», а его оппоненты будут думать, что речь идет «про Ерему».

Определение Закона Природы вообще и Физического закона в частности и по сей день все еще «шлифуется». Тем не менее, основные положения этого определения признаются всеми «шлифовальщиками». Все указывают, что Закон определяет связи между явлениями, и что эти связи являются повторяющимися, устойчивыми и неоднократно экспериментально подтвержденными. Будем иметь в виду эти положения, в дальнейшем они нам понадобятся.

Напомню, что первый закон Ньютона определяет состояние изолированной материальной точки (то есть такого объекта, который ни с чем не взаимодействует), а также указывает на причины изменения этого состояния. Сразу следует отметить, что все, о чем будет говориться, относится к материальной точке. Однако в дальнейшем для удобства изложения я иногда термин «материальная точка» буду заменять словами «тело», «частица», «объект». Пусть Вас это не смущает, просто знайте, что всегда речь идет о материальной точке.

Понятно, что изолированная частица – это абстракция, модель, поскольку все наблюдаемые нами объекты Реального Мира в той или иной степени взаимодействуют между собой. (Можно также предположить, что это относится и к тем объектам, которые мы по каким-то причинам наблюдать не в состоянии). Тем не менее, такая модель оказалась полезной не только в теоретических исследованиях, но и для практики, поскольку в реальности существуют объекты, которые практически не испытывают на себе никаких воздействий извне.

Итак, что же утверждает первый закон Ньютона? Какова его формулировка?

Сам Ньютон в своей книге «Математические начала натуральной философии» сформулировал первый закон механики в следующем виде:

«Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние».

Многие современные физики оспаривают правильность этой формулировки и утверждают, что она не отражает сути первого закона механики и ее следует подвергнуть ревизии, что они с успехом и делают. Под успехом я подразумеваю тот факт, что современная трактовка этого закона действительно получила широкое распространение (почему так случилось – это уже другое дело), но отнюдь не то, что формулировка классика подлежит забвению и в будущем будет интересна только как исторический факт. Скорее, наоборот, именно трактовка Ньютона является правильной. Честно сказать, меня удивляет и поражает своей смелостью сам факт «замахнуться» на Самого Ньютона, обвинить его в непонимании того, что им же предложено и что является одним из главных постулатов всей классической механики. Это какие же аргументы надо иметь в своем арсенале, чтобы обвинить Гения! Хотя, если быть объективным, История знает факты, когда Великие ошибались. Взять хотя бы Аристотеля… Итак, что же не нравится ревизионистам в подходе Ньютона, и какое определение закона они предлагают?

Чтобы в этом разобраться, надо вспомнить, что любое механическое явление изучается в той или иной системе отсчета. В принципе для изучения механических процессов исследователь вправе выбрать любую систему отсчета из бесконечного их количества. Среди этого многообразия есть такие системы отсчета, которые отличаются от остальных. Чем же они отличаются? А тем, что если в этих «хороших» системах на изучаемый объект никто (или ничто) не «покушается» то он, этот объект, ускорения не имеет, то есть наслаждается своим покоем или движется равномерно и прямолинейно. Такие системы отсчета принято называть инерциальными.

Именно такое экспериментально наблюдаемое поведение изолированных тел является основанием для того, чтобы отделить те системы отсчета, где это поведение проявляется от других систем.

И пусть в экспериментах принимают участие реальные объекты, в той или иной степени взаимодействующие между собой, мы можем сделать так, что эти взаимодействия могут быть сведены к минимуму. И тогда мы можем предположить, как могло бы вести себя совершенно изолированное тело.

Опыт же еще показывает, что если система отсчета, в которой мы со своими приборами наблюдаем за изолированным (почти) телом, сама начнет двигаться с ускорением (конечно, по отношению к другой условно неподвижной системе отсчета), то изучаемый объект может приобрести ускорение, то есть он уже не будет покоиться или двигаться равномерно и прямолинейно. Такие системы отсчета называются неинерциальными. По сути дела первый закон механики в той формулировке, которая предложена Ньютоном, дает определение инерциальных систем отсчета и отмежевание их от неинерциальных.

Вначале рассмотрим критику ревизионистами первого закона механики в том виде, как она была дана классиком, то есть подвергнем анализу «аргументы» современных оппонентов Ньютона. Затем изучим их формулировку этого закона и тоже сделаем ее анализ.

В одной из книг по физике, адресованной учителям, школьникам и студентам первых курсов вузов, некий автор (и таких много) приводит следующую формулировку первого закона механики, безосновательно утверждая, что именно в таком виде Ньютон и представил этот закон в книге «Математические начала натуральной философии»:

«Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается другими телами выйти из этого состояния». Выделение слова "телами" курсивом в этом определении – мое. Этим я хочу акцентировать внимание на главном отличии этой формулировки от той, что дал Ньютон (остальные отличия несущественны). Далее автор пишет: «Очевидно, что такая формулировка не соответствует опыту и наблюдениям. Действительно, стоит посмотреть из каруселей на мир, как сразу бросается в глаза, что он «вертится», хотя его и никто «не понуждает».

Вот так! Исказили, то, что написал Ньютон и давай критиковать! Конечно, перевод книги Ньютона с латыни на русский язык и, в частности, изложение в русском варианте первого закона механики представило для переводчиков определенные трудности, о которых они упоминают (смотри: Исаак Ньютон. Математические начала натуральной философии. -М.: Наука, 1989.).

Однако перевод латинского слова viribus трудностей не вызывает. Это слово следует переводить как «сила», но не «тело». А это – не мелочь! Ньютон был мудрее, чем о нем думают современные корректировщики его закона. Смотрите, что получается, если представить формулировку первого закона в искаженном виде. Получается, что автор, которого я цитировал чуть выше, прав! Действительно, мир вертится, «хотя его никто и не «побуждает», то есть, в самом деле, никаких других тел, которые понуждали бы мир вертеться нет. Но Ньютон-то и не говорил, что причиной изменения состояния исследуемого тела могут быть только другие тела. По Ньютону этой причиной являются силы. А вот силы, как мы теперь знаем, могут действовать на исследуемое тело не только со стороны других тел, но и со стороны полей. Как только при исследовании поведения изолированного в инерциальной системе отсчета тела, мы перешли в неинерциальную систему, связанную, например, с  вращающейся каруселью, как тело сразу перестало быть изолированным, ибо на него тут же подействует сила со стороны гравитационного поля, которое появляется при переходе из инерциальной системы в неинерциальную. Почему появляется – вопрос к Создателю. Так что в неинерциальной системе отсчета есть объект, который «понуждает»!

Телу, в конце концов, неважно, что там на него силовым образом подействовало, какое-то другое тело или поле. Оно (исследуемое тело) знай себе «отрабатывает» первый Закон: подействовала сила – хватит пребывать в покое или равномерном, прямолинейном движением, пришло время очнуться и изменить свое состояние. И пусть Ньютон имел смутное представление о полях (если вообще имел), в его формулировке фигурирует образ силы и этого достаточно. Это мы, умудренные сегодняшними достижениями физики, говорим о полевой трактовке взаимодействия. Это мы сейчас знаем, что как только система сменила свой статус и перешла из инерциальной в неинерциальную, как в ней сразу возникнет гравитационное поле, которое силовым образом подействует на тело. А тому глубоко безразлично, откуда эта сила взялась. Ему собой надо заниматься, а не проводить следственные эксперименты и искать «обидчика». Для этого есть мы с вами. Кстати сказать, Ньютон, опередив свое время, говорил о бесконтактном взаимодействии, достаточно вспомнить его закон Всемирного тяготения, понятый далеко не всеми даже выдающимися учеными того времени.

Ну и как вам разобранный «аргумент»? Мне, например, кажется, что современным критикам следовало бы внимательно прочитать первоисточник, а уж потом подумать, есть ли здесь место для критики.

Вот в каком виде современные ревизионисты дают «правильную» формулировку первого закона механики (смотри, например, в Википедии):

Существуют такие системы отсчета, относительно которых материальная точка при отсутствии внешних воздействий сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

Хорошо, конечно, что вместо других тел здесь упоминаются внешние воздействия, это все-таки ближе к формулировке Ньютона, но и это ныне модное определение первого закона тоже никуда не годится.

Дело в том, что в этом определении «телега поставлена впереди лошади». Вспомним, в начале статьи шла речь о том, что Закон определяет связи между явлениями. О каких явлениях и связях между ними идет речь в первом законе механики в формулировке Ньютона? Одно из них – это проявление поведения тела, второе – это проявление силы. А связь такая: если сила не проявляется (на исследуемое тело не воздействуют другие тела или поля), то тело ведет себя так-то (покоится или движется равномерно и прямолинейно). Если сила проявляется (на исследуемое тело воздействуют другие тела или поля), то тело ведет себя так-то (изменяет свое предыдущее состояние). Это – главное, о чем следует говорить в законе. Потом уже (в «подзаконном акте») можно дать определения системам отсчета, разделив их на инерциальные и неинерциальные. Определения систем отсчета – это и есть всего лишь определения. Это – не суть Закона. Определения только указывают на закон, который их породил, но самим законом не являются. Точно так же указатель (ярлык) на рабочем столе компьютера только указывает на программу, но самой программой не является.

Практически всегда представители новой формулировки первого закона механики утверждают, что он постулирует существование в природе инерциальных систем отсчета. Это утверждение является глубоко ошибочным. Как можно что-то постулировать без предварительного эксперимента? Откуда этот постулат в принципе может взяться? Нет уж, вы сначала проведите серию экспериментов, убедитесь, что те или иные связи между явлениями устойчивы, многократно экспериментально подтверждаются с такой-то точностью, а уж потом можете постулировать, но …. не существование в природе инерциальных систем отсчета, а только лишь нащупанное из опытов предположение, что если тело будет изолировано от внешних воздействий, то оно будет покоиться ли двигаться равномерно и прямолинейно. И именно постулировать (поскольку в Реальности такого в общем-то не наблюдается) и постулировать именно явления и связи (поскольку только они изначально и являются предметом исследования). А потом уже давайте себе на здоровье названия тем системам отсчета, где подмеченные в результате многовекового опыта явления и связи между ними проявляются. И как вы там назовете эти системы отсчета – это уже мало кому интересно: ярлык он и есть всего лишь указатель, но самими явлениями и связью между ними не является, каким бы важным и красивым он ни был.

Уж очень во многих книгах приходится читать, что первый закон механики справедлив лишь в инерциальных системах отсчета, а в неинерциальных системах отсчета он несправедлив. Непонятно, что имеется в виду? Ведь именно только экспериментально наблюдаемые явления, о которых писалось выше, и являются определением инерциальных систем отсчета. Получается, что инерциальные системы отсчета существуют в инерциальных системах отсчета, а в неинерциальных системах отсчета инерциальные системы отсчета не существуют. Вот к какой нелепости мы приходим с современной трактовкой первого закона механики! Первичны факты, то есть наблюдаемые явления, а уже потом мы даем определение той системы отсчета, где эти факты наблюдаются, но никак не наоборот! Или имеется в виду, что в системах отсчета, движущихся с ускорением, тело уже не будет покоиться или двигаться равномерно и прямолинейно? Конечно, не будет, поскольку в такой системе сразу возникнут силы (со стороны появившегося «вдруг откуда ни возьмись» гравитационного поля – мы об этом уже говорили), и тело сразу перестанет быть изолированным. Все в соответствии с Ньютоном, все именно так он и утверждал в своей формулировке первого закона механики. Так почему же указанный закон не справедлив в неинерциальных системах отсчета? Еще как справедлив! Классика надо читать «тщательней».

Ладно, если бы дело ограничивалось проявлением невежества только в том виде, о котором выше шла речь. Невежество почти всегда агрессивно и старается любыми способами довлеть над тем, что ей сопротивляется. Некоторые остепененные учеными званиями физики, работающие в известных высших учебных заведениях, в письме ко мне говорили, что если поступающий в ВУЗ приводил ньютоновскую формулировку первого закона механики, то ему мгновенно ставили двойку. Может быть, педагогически было бы правильно проверить его общую эрудицию, общее знание физики (она ведь не ограничивается I -м законом Ньютона), способность к нестандартному мышлению и т.д., чем мгновенно выставлять негативную оценку? Неужели с этим можно спорить? А они не подумали, сколько способных молодых ребят было загодя «сожжено на костре» этими экзаменаторами-физиками-«педагогами», «инквизиторами» от физики, скольких талантливых физиков не досчиталась страна? Эти экзаменаторы еще позаимствовали бы у «гаишников» специальные аппараты для приема экзаменов. Современная формулировка стала модой в физике. На мой взгляд, причины этого лежат в области, не имеющей к физике никакого отношения. Но это, как говорится, уже совсем другая история…

И еще. На странице той же Википедии некий автор пишет: «Ньютон в своем труде опирался на существование абсолютной неподвижной системы отсчета, то есть абсолютного пространства и времени, а это представление современная физика отвергает». Ну и пусть отвергает. Только причем тут первый закон механики? К какому боку пришить этот «аргумент»? Ну, возможно, заблуждался товарищ Ньютон, говоря об универсальности инерциальной системы отсчета и что? Разве суть закона от этого изменилась? Нет, конечно.

Известно, что последующая физическая теория включает в себя предыдущую как частный случай, «работающий» в каких-то ограниченных условиях (это положение называется принципом соответствия). Тем не менее, предыдущая теория является истиной, правда, истиной относительной (относительным знанием), то есть она справедлива по отношению к тем условиям, в которых проводятся исследования. Но она не является неправильной. В самом деле, разве знания прежних исследователей, например, о воде (о ее текучести, температуре кипения и замерзания, практической несжимаемости и т.д.) были ложными? Нет, конечно. Они были неполными, но правильными. Да, сейчас мы знаем гораздо больше, например, что вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, что атомы в молекуле воды имеют определенный вид связи и т.д. Но и эти сегодняшние знания являются тоже относительными, завтра им на смену придут другие. Процесс познания бесконечен. Скорее всего, мы никогда не достигнем полного знания о Реальности (абсолютной истины).

Ньютон подарил человечеству механическую картину Мира, свое понимание о происходящих в Природе механических процессах. Его механика стала называться Классической. Ею пользуются и по сей день, поскольку при своей простоте она во многих случаях дает поразительную точность вычислений. Ее изучают и в школе и в вузах (и будут изучать). Извините за тавтологию, но механика Ньютона прекрасно соответствует принципу соответствия. Все ее положения (именно в том виде, в котором их нам подарил классик) и следующие из них выводы занимают свое достойное место на бесконечном пути познания. И не надо валить все в одну кучу, делать винегрет из современных представлений и знаний того времени. Кроме бурьяна на такой дороге ничего не вырастит (что мы и видим, анализируя бесплодные потуги современных ревизионистов). Надо сначала внимательно изучить то, что дал нам Ньютон. Вы, господа оппозиционеры, сначала почитайте сами труды Гения, подумайте над прочитанным, а потом, глядишь, и устыдитесь своего «кавалерийского наскока».

Допустим, что Вы поняли все то, о чем я рассказывал. Тем не менее, у человека, которому предстоит сдавать экзамен, скорее всего, возникнет вопрос о том, как себя вести, если на экзамене попадется вопрос о первом законе механики. Какие у Вас варианты ответа? На мой взгляд, их три.

Во-первых, Вы можете рассказать об этом законе, используя современную формулировку. Укажите, что первый закон механики «не работает» в неинерциальных системах отсчета. Скажите, что старик Ньютон ошибался и его надо подкорректировать. Вы, конечно, погрешите против истины, но, возможно, оградите себя от нападок со стороны экзаменатора (повторяю, большинство экзаменаторов агрессивно настроены к экзаменуемому, если тот придерживается ньютоновской формулировки).

Во-вторых, Вы можете следовать Ньютону и излагать закон так, как дал его классик. В этом случае Вы рискуете получить двойку, но будете удовлетворены тем, что не пошли против истины. Оно Вам надо? Это решать только Вам.

В-третьих, Вы можете сделать анализ сложившейся ситуации. Типа того, как это сделал я в данной статье. Этим Вы продемонстрируете глубину своих познаний, что, я уверен, будет положительно оценено любым экзаменатором, какой бы концепции он не придерживался. Ну, а свою точку зрения можете не оглашать (если ее у Вас спросят), сказав, что только и занимаетесь тем, что постоянно мучительно размышляете над этим вопросом. Рано, дескать, мне еще делать категоричные утверждения, я ведь только вступаю на тернистую тропу познания… Этот вариант ответа используйте только в том случае, если действительно поняли, о чем говорилось в этой статье.

В любом случае не забудьте обязательно сказать, что этот закон справедлив только для материальных точек.

Чернов Николай Сергеевич

Пожалуйста, не забудьте поделиться о прочитанном со своими друзьями в соц. сетях (см. кнопки ниже).

 

blog comments powered by Disqus