Artículos sobre Mecánica Clásica

——Los logros y limitaciones de la mecánica clásica.

Este artículo analiza los logros de la mecánica clásica, critica las visiones del tiempo absoluto, el espacio absoluto, la naturaleza de la gravedad y la invariancia de la masa en la mecánica clásica, y explica su ámbito de aplicación y su contradicción con la mecánica clásica. física.

Palabras clave: La contradicción entre la masa esencial, la velocidad y la energía de la gravedad espacio-temporal

1. Logros de la mecánica clásica

El sistema teórico de la mecánica clásica. se basa en las tres de Newton. Basado en las leyes del movimiento. Newton resumió sistemáticamente el trabajo de Galileo, Kepler y Huygens, derivó la ley de la gravitación universal y las tres leyes del movimiento de Newton y publicó "Principios matemáticos de la filosofía natural" en 1687. Esta es la obra maestra de Newton y un clásico de la mecánica. En este libro, Newton comienza con los conceptos básicos de la mecánica (masa, momento, inercia, fuerza, etc.). ) y leyes básicas (las tres leyes del movimiento), y utilizando la afilada herramienta matemática que inventó, estableció un sistema de mecánica clásica completo y riguroso, unificando la mecánica de los cuerpos celestes y la mecánica de los objetos terrestres. Esta es la primera gran síntesis en la historia de la física. Por tanto, la publicación de los "Principios matemáticos de la filosofía natural" de Newton marcó el establecimiento del sistema de la mecánica clásica. Esto tuvo un profundo impacto en el proceso de desarrollo científico y en la forma de pensar de las generaciones posteriores de científicos. El establecimiento de la mecánica newtoniana marcó el nacimiento de las ciencias naturales teóricas modernas y se convirtió en un modelo para otras ciencias naturales.

2. Limitaciones de la mecánica clásica

Quienes crean la historia siempre están inevitablemente restringidos por la historia, y Newton no es una excepción. Debido a las limitaciones de la época, los conceptos y principios básicos de la mecánica clásica fundados por Newton tienen limitaciones inherentes, que se reflejan principalmente en los siguientes aspectos:

Primero, los conceptos básicos de tiempo absoluto y espacio absoluto. son introducidos. Según Newton, el tiempo absoluto, real y matemático mismo está pasando, y debido a su naturaleza está pasando de manera uniforme e independiente de cualquier otra cosa externa. El espacio absoluto, por su propia naturaleza, no tiene nada que ver con nada externo y es siempre inmutable e inmóvil. El movimiento absoluto es el movimiento de un objeto desde una posición absoluta a otra.

Leibniz, Bekele y Mach plantearon valiosas objeciones al concepto de espacio-tiempo absoluto, señalando que no había evidencia de la existencia del espacio absoluto newtoniano. Einstein generalizó los principios de la relatividad anteriores y propuso la teoría especial de la relatividad. En la teoría especial de la relatividad, la longitud y los intervalos de tiempo también se convierten en cantidades relativas. Una regla en movimiento es más corta que una regla estática y un reloj en movimiento es más lento que un reloj estático. En la relatividad general, las propiedades del espacio-tiempo no son independientes del movimiento de los objetos: por un lado, las propiedades del movimiento de un objeto dependen del tipo de sistema de referencia espacio-temporal que se utilice para describirlo; Por otra parte, las propiedades del espacio-tiempo también dependen del objeto y de su propio movimiento.

El desarrollo de la teoría cuántica plantea una pregunta más fundamental sobre el concepto de tiempo. Una conclusión de la teoría cuántica es que el juicio sobre en qué estado podría haber existido un sistema en el pasado depende de las decisiones tomadas en las mediciones actuales. Esta relación entre presente y pasado es muy diferente del concepto de secuencia causal. El orden causal implícito en el concepto de tiempo requiere que el pasado exista independientemente del presente.

Así, el tiempo no siempre es el adecuado para describir la secuencia de los acontecimientos. El espacio y el tiempo son un orden entre las cosas, pero no necesariamente el orden más básico. Puede ser una aproximación a un orden más básico.

En segundo lugar, aunque Newton fue cauteloso acerca de la naturaleza de la gravitación, finalmente la resumió en una forma abstracta y puramente matemática, creyendo que es una fuerza directa e instantánea a distancia.

La teoría general de la relatividad de Einstein explica la gravedad diciendo que el espacio-tiempo en sí es elástico y puede doblarse y estirarse. Cuando se coloca un objeto masivo en un espacio determinado, el espacio se doblará y deformará. Cuanto mayor es la masa, más grave es la deformación por flexión del espacio. Entonces, ¿por qué el espacio se curva alrededor de objetos con masa? Einstein tampoco tuvo respuesta. Entonces, la teoría del espacio curvo de Einstein no explica cuál es la naturaleza de la gravedad. La explicación de la mecánica cuántica del principio de transferencia de fuerza electromagnética entre cargas y la fuerte interacción entre hadrones no explica la naturaleza de la gravedad.

La idea de que la gravedad se transmite mediante un campo gravitacional o gravitones no ha sido confirmada porque los científicos aún no han encontrado un gravitón que transmita el efecto gravitacional.

En tercer lugar, en la mecánica clásica, la masa de un objeto es constante y no tiene nada que ver con la velocidad o la energía del objeto.

En la teoría de la relatividad se ha ampliado mucho la extensión del concepto de masa. La famosa ecuación masa-energía de Einstein, E=mc2, combina las leyes independientes de conservación de masa y energía de la mecánica clásica en una ley unificada de conservación de masa y energía, que refleja plenamente la unidad de materia y movimiento. La ecuación masa-energía muestra que la masa y la energía son inseparables y están relacionadas. Por un lado, cualquier sistema material puede etiquetarse tanto por masa M como por energía E; por otro lado, cuando la energía de un sistema disminuye, su masa también disminuye, y cuando otro sistema acepta y aumenta energía, su masa también disminuye; . Aumentar en consecuencia.

Einstein consideró la colisión elástica de dos esferas desde un punto de vista mecánico y derivó la famosa fórmula de la velocidad de la masa utilizando la ley de conservación del momento y el teorema de la relatividad de la suma de velocidades.

Esta fórmula demuestra que la masa de un objeto ya no es una cantidad independiente de su estado de movimiento, sino que depende de su velocidad de movimiento. Cuando la velocidad del objeto en movimiento es V, la masa es, donde m0 es la masa en reposo del objeto. Cuando la velocidad de un objeto se acerca a la velocidad de la luz, la masa del objeto se acerca al infinito.

En cuarto lugar, las leyes clásicas de la mecánica sólo son aplicables al mundo macroscópico de baja velocidad. Las situaciones de alta velocidad comparables a la velocidad de la luz y las aplicaciones en el mundo microscópico no estaban ni podían cubrirse en ese momento. tiempo.

En quinto lugar, la potencial contradicción entre la física clásica y la mecánica clásica.

En la física clásica, lo más difícil de satisfacer es probablemente la descripción de la luz. Si la teoría de partículas es correcta, cabe preguntarse: ¿qué pasa con las partículas que forman la luz cuando se absorbe? Además, para representar a la vez materia y luz mensurables, es necesario introducir en la discusión diferentes entidades, lo que no resulta nada tranquilizador.

Del mismo modo, la teoría ondulatoria de la luz incorporada en el marco mecánico también es difícil de justificar. Según la teoría ondulatoria, la luz se explica como vibraciones del éter que llena el universo. Como la luz es una onda cortante, el éter debe tener la capacidad de resistir esfuerzos cortantes en lugar de esfuerzos de compresión, y como el éter no ejerce resistencia observable a la materia mensurable, debe tener una densidad muy pequeña. Por esta razón, la gente se ha devanado los sesos e imaginado varios modelos de éter. Este éter omnipotente y maravilloso en realidad confunde a la gente.

Los conceptos y principios básicos de la mecánica clásica también encuentran algunos problemas en la termodinámica. En 1865, Clausius estableció la segunda ley de la termodinámica, que reveló la irreversibilidad de los procesos físicos relacionados con los fenómenos térmicos. En la mecánica clásica nunca se ha encontrado una situación similar y la reversibilidad del proceso mecánico está garantizada por principios mecánicos universales. Sin embargo, la segunda ley de la termodinámica también es universalmente cierta, por lo que esta contradicción no puede explicarse mediante los conceptos básicos de la mecánica.

Tercero, resumen

Newton gastó la energía de su vida en construir un monumento científico. Su investigación ha promovido el proceso de la civilización humana y sus logros en todos los aspectos de la macrofísica son extremadamente extensos y brillantes. Sin embargo, quienes crean la historia siempre están inevitablemente restringidos por la historia, y Newton no es una excepción. Debido a las limitaciones de la época, Newton negó las discusiones erróneas y los conceptos vagos desde Aristóteles y fundó la mecánica newtoniana, pero también contenía factores potenciales de abnegación. Como dijo Engels: "Todo lo que es realista en el campo de la historia humana se volverá irracional con el tiempo; por eso es esencialmente irracional y contiene irracionalidad desde el principio". >

Debido a que Newton hizo todo lo posible para demostrar que su sistema estaba determinado por la necesidad empírica, especialmente debido a los grandes logros de la mecánica clásica en la práctica, esto fue suficiente para impedir que las generaciones futuras pensaran en esos conceptos y principios básicos tan a priori. que nadie pensó que toda la base de la física podría requerir una reforma fundamental a largo plazo. De hecho, la física tiene sus propios conceptos y principios básicos en cada período histórico, y en períodos posteriores, la gente tiende a exagerar su papel y a abusar de ella más allá de su alcance.

Para eliminar este abuso, cada período histórico requiere una nueva ilustración, y es este espíritu interminable de ilustración el que impide que la ciencia se convierta en un dogma rígido.

Materiales de referencia:

[1] Zhang Qiren "Teoría clásica de campos" Beijing: Science Press, 2003.

[2] Mecánica cuántica, Harbin: Harbin Institute of Technology Press, 2004

[3] Espacio: historia desde la relatividad hasta la teoría M. Guan: Prensa de la Universidad de Tsinghua, 2004.

[4]¿Tiempo Pablo? Por Bennett Shanghai: Editorial de Bellas Artes del Pueblo de Shanghai, 2003.

[5] Teoría Especial de la Relatividad por G. Stevenson; Shanghai: Shanghai Science and Technology Press, 1963.

[6] Guía de la Relatividad, Zhao Zhanyue, Beijing: Tsinghua University Press, 2002.

[7] "Termodinámica" de Wang Zhuxi: Peking University Press, 2005.

[8], editado por Shen, "History of Physics", Tsinghua University Press, 1993.

[9]Física Universitaria. Editado por Bell. Beijing: Prensa de Educación Superior, 2004.