Систему, в которой выполняется первый закон Ньютона, Галилей назвал ИНЕРЦИАЛЬНОЙ.

Инерциальные системы – это такие системы, в которых справедлив закон инерции (1-й закон Ньютона).

Опытным путем доказано, что гелиоцентрическую систему отсчета можно считать инерциальной, а геоцентрическую – неинерциальной.

Для инерциальных систем отсчета выполняется механический принцип – принцип относительности Галилея: во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму. Этот принцип означает, что уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, то есть, инвариантны по отношению к преобразованию координат.

Французский физик А. Пуанкаре распространил механический принцип относительности на все электромагнитные явления.

А.Эйнштейн использовал этот принцип для специальной теории относительности (СТО), постулаты которой он предложил в 1905 году:

Постулат первый – принцип относительности – никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не позволяют обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно. При этом пространство и время связаны и зависимы друг от друга (у Галилея и Ньютона пространство и время независимы друг от друга). Этот постулат потребовал отказаться от ньютоновского дальнодействия.

Постулат второй - принцип инвариантности скорости света – скорость света в вакууме не зависит от скорости движения его источника или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Этот постулат Эйнштейн предложил после анализа электродинамики Максвелла.

В теории относительности предложены принципиально новые оценки пространственно-временных отношений между физическими объектами (релятивистские эффекты).

Под релятивистскими эффектами в теории относительности понимают изменения простанственно-временных характеристик тел при скоростях, соизмеримых со скоростью света. В качестве примера обычно рассматривается космический корабль, который летит со скоростью, соизмеримой со скоростью света. При этом неподвижный наблюдатель может заметить три релятивистских эффекта:

1. Увеличение массы по сравнению с массой покоя. Эйнштейн доказал, что масса тела есть мера содержащейся в ней энергии.

2. Сокращение линейных размеров тела в направлении его движения.

3. Замедление времени.

Результатом развития специальной теории относительности является ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (ОТО), которая опубликована Эйнштейном в 1916 году.

Она основывается на двух постулатах СТО и формулирует третий постулат – принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс.

Важнейшим выводом ОТО является положение об изменении геометрических (пространственных) и временных характеристик в гравитационных полях, а не только при движении с большими скоростями.

В ОТО орбиты планет незамкнуты. Эффекты ОТО играют определяющую роль в объяснении появлении «черных дыр»: «черная дыра» возникает тогда, когда звезда сжимается настолько сильно, что существующее гравитационное поле не выпускает во внешнее пространство даже свет.

В 1918 году А.Эйнштейн предсказал на основе ОТО существование гравитационных волн: массивные тела, двигаясь с ускорением, излучают гравитационные волны.

На основании уравнений относительности отечественный математик-физик А.Фридман в 1922 году нашел новое космологическое решение уравнений ОТО.

Это решение указывает на то, что наша Вселенная не стационарна, она непрерывно расширяется.

Фридман нашел два варианта решения уравнений Эйнштейна, то есть два варианта возможного развития Вселенной: в зависимости от плотности материи Вселенная или будет и далее расширяться, или через какое-то время начнет сжиматься.

Рассматривая второй и третий законы движения Ньютона, мы получим ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ДВИЖЕНИЯ (ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ИМПУЛЬСА), который гласит следующее:

если сумма внешних сил равна нулю, то импульс системы остается постоянным при любых происходящих в ней процессах.

Этот закон справедлив не только для объектов классической физики, но и для замкнутых систем микрочастиц, подчиняющихся принципам квантовой механики. Иными словами, импульс замкнутой системы сохраняется, то есть не изменяется с течением времени. То же самое можно сказать и про момент импульса, который является физической величиной описывающей вращающееся тело.

Свойство неуничтожимости материи и ее движения проявляется в ЗАКОНЕ СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ.

Энергия – это универсальная мера различных форм движения и взаимодействия.

Кинетическая энергия механической системы – это энергия механического движения этой системы. Энергия движущегося тела в данном случае возрастает на величину затраченной работы, которая совершает сила, перемещающая данное тело.

Потенциальная энергия – это энергия системы тел, которые взаимодействуют посредством силовых полей. Работа, совершаемая этими силами, при перемещении тела из одного положения в другое не зависит от траектории движения, а зависит от начального и конечного положения тела в силовом поле.

Полная механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергии.

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ, который был сформулирован в 1686 году Лейбницом, гласит: в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, то есть не изменяется со временем. При этом могут происходить превращения кинетической энергии в потенциальную и обратно в эквивалентных количествах. Консервативные силы действуют только в потенциальных полях, когда работа не зависит от траектории перемещения.

Если работа, совершаемая силой, зависит от траектории перемещения тела, то такая сила называется диссипативной.

Диссипативная система (или диссипативная структура, от лат. Dissipatio - «рассеиваю, разрушаю») - это открытая система, которая оперирует вдали от термодинамического равновесия.

Иными словами, это устойчивое состояние, возникающее в неравновесной среде при условии диссипации (рассеивания) энергии, которая поступает извне. Диссипативная система иногда называется ещё стационарной открытой системой или неравновесной открытой системой.

 

Механические системы, на тела которых действуют только консервативные силы, называются консервативными системами.

Поэтому закон сохранения механической энергии можно сформулировать еще и так: в консервативных системах полная механическая энергия сохраняется. В диссипативных системах механическая энергия постепенно уменьшается из-за преобразования ее в другие формы энергии. Такой процесс называется диссипацией, или рассеиванием энергии. Все реальные системы в природе диссипативные. Физическая сущность закона сохранения и превращения энергии заключается в том, что энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой.

На всех структурных уровнях материального мира справедлив и ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЗАРЯДА: в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов системы остается неизменной во времени, какие бы процессы ни происходили внутри этой замкнутой системы. Закон сохранения заряда вместе с законом сохранения энергии характеризует устойчивость электрона.

Для понимания свойств объектов природы и природных процессов важен принцип инвариантности относительно смещения в пространстве и во времени. Этот принцип формулируется следующим образом: смещение в пространстве и во времени не влияет на протекание физических процессов. Инвариантность структуры, свойств, формы материального объекта относительно его преобразований называется симметрией. Симметрии делят на пространственно-временные и внутренние. Внутренние симметрии относятся только к микромиру. В физике симметрия определяется следующим образом: если физические законы не меняются при определенных преобразованиях, то считается, что эти законы обладают симметрией относительно этих преобразований.

 

К пространственно-временным физическим симметриям относят:

Сдвиг времени. Изменение начала отсчета не изменяет физических законов. Время однородно по всему пространство.

Сдвиг системы отсчета пространственных координат. Такая операция не изменяет физических законов. Все точки пространства равноправны, и пространство однородно.

Поворот системы отсчета пространственных координат также сохраняет физические законы неизменными – значит, пространство изотропно.

Классический принцип относительности Галилея устанавливает симметрию между покоем и равномерным прямолинейным движением.

Обращение знака времени не изменяет фундаментальных законов в макромире, то есть процессы макромира могут описываться и при обращении знака времени. На уровне макромира наблюдается необратимость процессов, так как они связаны с неравновесным состоянием Вселенной.

В химии симметрии проявляются в геометрической конфигурации молекул. Это определяет химические и физические свойства молекул.

В биологии симметрии проявляются в структурной симметрии биообъектов (точечной, аксиальной и актиноморфной).

Широко известна симметрия кристаллов, что связано с симметрией физических свойств кристаллов.