Учебный проект Всегда на связи/первая лекция физика

Версия 12:55, 30 июля 2014

Учебный проект Всегда на связи

Небольшое вступление

Физика — одна из самых древних, сложных и, соответственно, интересных наук на свете. Это связано с тем, что не было такого отрезка времени, в течение которого эта величайшая наука не развивалась. Это, я думаю, объясняется бесконечным человеческим любопытством: действительно, какому еще живому существу пришло бы в голову задаться вопросами типа «а почему небо голубое?», «а почему ночью темно и холодно?» и т. д.. Разумеется, на такие, на самом деле, непростые вопросы ответить настолько же непросто. В частности, на вопрос «а почему все, что поднято и отпущено, непременно падает?» довольно долго не было достаточно общего ответа. Первым человеком, серьезно задумавшимся над этой проблемой, оказался великий механик Исаак Ньютон. Так было положено начало выводу знаменитого закона всемирного тяготения.

История изучения гравитации

Оказывается, что движение небесных тел к тому времени было изучено лучше, чем движение тел вблизи Земли (чувствуете иронию?). К моменту начала работы Ньютона были известны так называемые три закона Кеплера — они описывали движение массивных небесных тел. Ньютон заметил, что все орбиты, по которым могут двигаться массы в космосе в отсутствии внешних сил, несмотря на различные формы (окружности, эллипсы, гиперболы, более сложные орбиты), имеют нечто общее — как вскоре оказалось, это было наличие так называемой центральной силы — силы, в любой момент времени направленной к зафиксированной точке — центру масс звездной системы.

Но тут же он встречается с на тот момент непреодолимой трудностью: он понимал, что чем ближе друг к другу расположены массы, тем сильнее они притягиваются. А орбита-то эллиптическая! Расстояние до центра масс системы в каждый момент времени меняется, причем довольно причудливым образом. Таким образом, нужен был новый, еще более мощный математический аппарат, который послужил бы физикам для описания движения не только небесных тел, но и тел, брошенных над землей. Так было положено начало дифференциальному и интегральному исчислению.

Разумеется, с появлением нового математического аппарата, стало ясно, что такая проблема, в принципе, может быть решена с его использованием, но все еще оставался туманным ход решения. Для отыскания достаточно общего ответа, Ньютон использовал следующие соображения: а) с одной стороны, по траекториям движения различных небесных тел можно было судить о наличии центральной силы; б) и обратно, как он потом показал, эта же центральная сила может привести к созданию инфинитных гиперболических орбит (то есть, может так получиться, что две вращающихся друг вокруг друга массы, могут разлететься на бесконечность при выполнении ряда определенных условий.

Результаты работы Ньютона

После нескольких лет непрерывной работы, Ньютон закончил свой исторический труд, опубликовав в одной работе разом мощнейший математический аппарат - дифференциальное и интегральное исчисление, теорию поля, закон движения (второй закон Ньютона) и закон взаимодействия (закон всемирного тяготения).

Для ценителей. Общее уравнение для гравитационного поля в вакууме выглядит следующим образом и удовлетворяет уравнению Пуассона, всвязи с чем, и называется уравнением Пуассона для гравитационного потенциала:

,

а его решение так:

.

Частным случаем последнего является так называемый закон всемирного тяготения Ньютона:

Гравитация в современной физике

Даже спустя 3 сотни лет, гравитация остается самым загадочным из всех четырех фундаментальных взаимодействий: до сих пор самые крутые ученые мира бьются над загадкой происхождения массы как свойства тел. Уже давно остальные три взаимодействия были сведены к свойствам элементарных частиц - кварков. Электромагнитное взаимодействие сводится (и это экспериментально подтверждено) к взаимодействию безмассовых бозонов, иначе - фотонов, слабое - к взаимодействию векторных бозонов, сильное - к лептонам, а вот частицу, отвечающую за гравитационное взаимодействие, еще не нашли. Она предсказана теоретически, но не добыта экспериментально на Большом Адронном Коллайдере. Более того, одной из важнейших задач физики фундаментальных взаимодействий является создание новых лагранжианов - математических выражений, описывающих то или иное взаимодействие; на данный момент существует лагранжиан Стандартной Модели* (другое название - уравнение Вселенной; на него можно посмотреть под статьей) - самое общее и сложное уравнение физики, совмещающее в себе все знания человечества в этой области. Так вот, гравитации в этом уравнении нет. Таким образом, гравитация - это, на данный момент, самая загадочная вещь во Вселенной.

*Лагранжиан Стандартной Модели

(Для тех, кому хочется увидеть уравнение Вселенной)

Источники

• Алексей Бычков.