1. Что такое закон природы?

Основные взаимосвязи между силами в природе описываются с помощью физических законов и принципов. К ним относятся:

• Принцип общей относительности (все законы физики должны быть одинаковы в любых системах отсчета)

• Принцип постоянства скорости света в вакууме в любых системах отсчета

• Принцип эквивалентности (никакими экспериментами невозможно отличить движение с ускорением от нахождения в однородном поле тяжести)

• К этому списку следует добавить фундаментальные соотношения квантовой механики, описывающие микромир. К наиболее важным относится:

• принцип неопределенности Гейзенберга, запрещающий одновременное точное измерение положения частицы в пространстве и ее импульса (количества движения)

• принцип Паули, запрещающий иметь в одном и том же месте пространства более двух частиц с полуцелым спином (т. н. фермионов электронов, нейтронов, нейтрино) с одним и тем же импульсом.

• Кроме того, для любой замкнутой системы должны выполняться первое и второе начало термодинамики (закон сохранения энергии и закон неубывания энтропии). По своей сути законы физики являются феноменологическими, то есть представляют собой обобщение опытных данных. В этом смысле космос часто по праву называют уникальной природной лабораторией, которой надо только умело пользоваться.

Попытки классификации взаимодействий привели к идее выделения минимального набора фундаментальных взаимодействий, при помощи которых можно объяснить все наблюдаемые явления. По мере развития естествознания этот набор менялся. В ходе экспериментальных исследований периодически обнаруживались новые явления природы, не укладывающиеся в принятый фундаментальный набор, что приводило к его расширению (например, открытие структуры ядра потребовало введения ядерных сил).

Теоретическое осмысление, стремящееся к единому, экономному описанию наблюдаемого многообразия, неоднократно приводило к «великим объединениям» внешне совершенно несхожих явлений природы. Так Ньютон понял, что падение яблока и движение планет вокруг Солнца являются результатами проявления гравитационных взаимодействий, Эйнштейн установил единую природу электрических и магнитных взаимодействий, Бутлеров опроверг утверждения о различной природе органических и неорганических веществ. В настоящее время принят набор из четырех типов фундаментальных взаимодействий: гравитационные, электромагнитные, сильное и слабое ядерные. Все остальные, известные на сегодняшний день, могут быть сведены к суперпозиции перечисленных.

Гравитационные взаимодействия обусловлены наличием у тел массы и являются самыми слабыми из фундаментального набора. Они доминируют на расстояниях космических масштабов (в мега-мире).

Электромагнитные взаимодействия обусловлены специфическим свойством ряда элементарных частиц, называемым электрическим зарядом. Играют доминирующую роль в макромире и микромире вплоть на расстояниях, превосходящих характерные размеры атомных ядер.

Ядерные взаимодействия играют доминирующую роль в ядерных процессах и проявляются лишь на расстояниях, сравнимых с размером ядра, где классическое описание заведомо неприменимо.

Наблюдения астрономических явлений привело человечество к ряду важнейших открытий. Самый известный и важный пример—закон всемирного тяготения. Этот закон был сформулирован И. Ньютоном на основе законов планетных движений, выведенных И. Кеплером в начале XVII в. Закон всемирного тяготения Ньютона используется до настоящего времени для изучения движения естественных и искусственных космических тел в Солнечной системе, так как релятивистские поправки к движению тела со скоростью в десятки км/с, очевидно, малы.

2. Причина и следствие.

Закон отрицания указывает направление развития является выражением поступательного прогрессивного движение осуществляемого по спирали, каждый следующий виток которой как бы повторяет предыдущий, но на более высокой основе. Все формы развития в своей основе содержат механизм возникновения и уничтожения всего существующего в результате действия определенных причин. Причинность есть связь, которая всегда вызывает появление нового качества. Причинность имеет всеобщий характер. Это значит, что у любого явления или события есть своя причина, беспричинных явлений не бывает. Причиной называют взаимодействие между телами или элементами одного и того же тела, вызывающее определенные изменения во взаимодействующих телах или элементах. Причина генетически связана со следствием, производит следствие. Следствие - это изменения, появляющиеся во взаимодействующих телах или элементах в результате их взаимодействия. Причинно-следственная связь является необходимой, т.е. определенная причина при наличии соответствующих условий вызывает одно и то же следствие. Итак, причина может вызывать соответствующее следствие лишь при наличии определенных условий. От характера условий зависят способ действия данной причины и природа следствия. Причину необходимо отличить от повода. Повод сам по себе не рождает следствие. Он является лишь внешним толчком, который способствует проявлению причины. Так, общепризнанным историческим фактом считается, что убийство австрийского эрцгерцога в Сараево привело в действие причины первой мировой войны. Причина и следствие находятся в диалектическом взаимодействии. Они постоянно меняются местами. Причина сама есть следствие какого-либо явления, а вызванное ею к жизни следствие становится причиной других явлений. Но этим не ограничивается диалектика причины и следствия. Причина играет определяющую роль по отношению к следствию. Однако в реальных процессах следствие не является пассивным и в свою очередь оказывает воздействие на свою причину. Категории "причина" и "следствие" имеют большое значение для познания и практической деятельности. Физика, биология и другие науки добились значительных результатов, вскрывая механизм причинности в изучаемых областях действительности. Однако история философии знает мыслителей, которые ставили под сомнение возможность обнаружения причин. Например, Д. Юм утверждал, что опыт по части причинности свидетельствует лишь о связи во времени. Мы только наблюдаем, что во времени, следствие появляется за причиной. И это лишь психологическая привычка ума создает иллюзию логически необходимой связи между причиной и следствием, из которой никак нельзя делать вывод о том, что после этого значит поэтому. Согласно Юму, идея причинности имеет исключительно субъективное значение. Субъективная причинность существует в виде порождения идей чувственными впечатлениями. Из привычки видеть те или иные явления повторяющимися у людей возникает уверенность в наличии закономерностей. Всеобщий и объективный характер причинности утверждается детерминизмом. Он позволял на основе знания скорости и положения объекта в одно время вычислить скорость и его положение в другое время. Такой детерминизм применим при некоторых инженерных расчетах машин, мостов и других технических сооружений. Однако современная наука установила, что механическая причинность, действующая в мире макротел, не может быть реализована в микромиру, в объяснении психических и социальных явлений. Например, природа микрочастицы не позволяет в одно и то же время точно определить ее положение и скорость и исключает возможность на основании знания состояния объекта в настоящее время однозначно предсказать его поведение в будущем. Чем точнее установлено место микрочастицы, тем неопределеннее становится ее скорость и импульс. И, наоборот, чем точнее определена скорость, тем более неопределеннее становится ее положение. В итоге у некоторых философов и физиков возникла тенденция к абсолютизации этой неопределенности, и был сделан вывод о неприменимости принципа причинности к микромиру. Поэтому основные законы квантовой теории пытались объяснить в духе индетерминизма. Проблема неопределенности явно обнаруживается при рассмотрении эволюции хаотического движения. Однако синергетика утверждает, что детерминизм здесь вовсе не исключен, ибо в движении от хаоса к порядку в самом хаотическом движении существует конечный набор параметров, детерминирующих движение к порядку. Развитие квантовой механики, выводы синергетики позволили иначе интерпретировать принцип детерминизма. Выяснилось, что сущность детерминизма заключается не в возможности однозначно предсказывать поведение объекта в будущем на основе знания его координат и импульса в настоящем, а в признании объективной закономерной взаимосвязи и взаимообусловленности вещей, явлений и процессов реального мира. Таким образом, противоположность детерминизма и индетерминизма снимается в диалектическом принципе всеобщей связи, который допускает связь, несводимую к силовому взаимодействию. С категориями "причина" и "следствие" генетически связаны категории "необходимость" и "случайность", которые представляют собой непосредственно следующую за причинностью ступень углубления человеческого познания в мир явлений.

3. Закон Архимеда. Закон всемирного тяготения.

«Эврика!» («Нашел!») — именно этот возглас, согласно легенде, издал древнегреческий ученый и философ Архимед, открыв принцип вытеснения. Легенда гласит, что сиракузский царь Герон II попросил мыслителя определить, из чистого ли золота сделана его корона, не причиняя вреда самому царскому венцу. Взвесить корону Архимеду труда не составило, но этого было мало — нужно было определить объем короны, чтобы рассчитать плотность металла, из которого она отлита, и определить, чистое ли это золото. Дальше, согласно легенде, Архимед, озабоченный мыслями о том, как определить объем короны, погрузился в ванну — и вдруг заметил, что уровень воды в ванне поднялся. И тут ученый осознал, что объем его тела вытеснил равный ему объем воды, следовательно, и корона, если ее опустить в заполненный до краев таз, вытеснит из него объем воды, равный ее объему. Архимед открыл принцип плавучести. Твердое тело погруженное в жидкость/газ, подвержено действию выталкивающей силы, равной весу жидкости, вытесненной телом. Давление, которое ранее действовало на вытесненную жидкость, теперь будет действовать на твердое тело, вытеснившее ее. И, если действующая вертикально вверх выталкивающая сила окажется больше силы тяжести, тянущей тело вертикально вниз, тело останется наплаву; в противном случае оно пойдет ко дну. Говоря современным языком, тело плавает, если его средняя плотность меньше плотности жидкости, в которую оно погружено. Закон Архимеда можно истолковать с точки зрения молекулярно-кинетической теории. В покоящейся жидкости давление производится посредством ударов движущихся молекул. Когда некий объем жидкости вымещается твердым телом, направленный вверх импульс ударов молекул будет приходиться не на вытесненные телом молекулы жидкости, а на само тело, чем и объясняется давление, оказываемое на него снизу и выталкивающее его в направлении поверхности жидкости. Если же тело погружено в жидкость полностью, выталкивающая сила будет по-прежнему действовать на него, поскольку давление нарастает с увеличением глубины, и нижняя часть тела подвергается большему давлению, чем верхняя, откуда и возникает выталкивающая сила. Таково объяснение выталкивающей силы на молекулярном уровне.Такая картина выталкивания объясняет, почему судно, сделанное из стали, которая значительно плотнее воды, остается на плаву. Дело в том, что объем вытесненной судном воды равен объему погруженной в воду стали плюс объему воздуха, содержащегося внутри корпуса судна ниже ватерлинии. Если усреднить плотность оболочки корпуса и воздуха внутри нее, получится, что плотность судна (как физического тела) меньше плотности воды, поэтому выталкивающая сила, действующая на него в результате направленных вверх импульсов удара молекул воды, оказывается выше гравитационной силы притяжения Земли, тянущей судно ко дну, — и корабль плывет.

Закон всемирного тяготения     Исаак Ньютон выдвинул предположение, что между любыми телами в природе существуют силы взаимного притяжения. Эти силы называют силами гравитации, или силами всемирного тяготения. Сила всемирного тяготения проявляется в Космосе, Солнечной системе и на Земле. Ньютон обобщил законы движения небесных тел и выяснил,          что сила F равна: - массы взаимодействующих тел, R — расстояние между ними, G — коэффициент пропорциональности, который называется гравитационной постоянной. Численное значение гравитационной постоянной опытным путем определил Кавендиш, измеряя силу взаимодействия между свинцовыми шарами. В результате закон всемирного тяготения звучит так: между любыми материальными точками существует сила взаимного притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними, действующая по линии, соединяющей эти точки.

Физический смысл гравитационной постоянной вытекает из закона всемирного тяготения. Если m1 = m2 = 1 кг, R = 1 м, то G = F, т. е. гравитационная постоянная равна силе, с которой притягиваются два тела по 1 кг на расстоянии 1 м. Численное значение: Силы всемирного тяготения действуют между любыми телами в природе, но ощутимыми они становятся при больших массах (или если хотя бы масса одного из тел велика). Закон же всемирного тяготения выполняется только для материальных точек и шаров (в этом случае за расстояние принимается расстояние между центрами шаров). Частным видом силы всемирного тяготения является сила притяжения тел к Земле (или к другой планете). Эту силу называют силой тяжести. Под действием этой силы все тела приобретают ускорение свободного падения. В соответствии со вторым законом Ньютона g = Ft*m следовательно, Ft = mg. Сила тяжести всегда направлена к центру Земли. В зависимости от высоты h над поверхностью Земли и географической широты положения тела ускорение свободного падения приобретает различные значения. На поверхности Земли и в средних широтах ускорение свободного падения равно 9,831 м/с2. В технике и быту широко используется понятие веса тела. Весом тела называют силу, с которой тело давит на опору или подвес в результате гравитационного притяжения к планете. Вес тела обозначается Р. Единица веса — Н. Так как вес равен силе, с которой тело действует на опору, то в соответствии с третьим законом Ньютона по величине вес тела равен силе реакции опоры. Поэтому, чтобы найти вес тела, необходимо определить, чему равна сила реакции опоры. Когда тело вместе с опорой не движется, сила реакции опоры, а следовательно, и вес тела равен силе тяжести. Р = N = mg. При движении вертикально вверх с ускорением вес тела увеличивается и находится по формуле Р = m(g + a). Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса, называют перегрузкой. Действие перегрузки испытывают на себе космонавты как при взлете космической ракеты, так и при торможении корабля при входе в плотные слои атмосферы. Испытывают перегрузки и летчики при выполнении фигур высшего пилотажа, и водители автомобилей при резком торможении. Если тело движется вниз по вертикали, то с помощью аналогичных рассуждений получаем т. е. вес при движении по вертикали с ускорением будет меньше силы тяжести. Если тело свободно падает, то в этом случае P = (g- g)m = 0. Состояние тела, в котором его вес равен нулю, называют невесомостью. Состояние невесомости наблюдается в самолете или космическом корабле при движении с ускорением свободного падения независимо от направления и значения скорости их движения. За пределами земной атмосферы при выключении реактивных двигателей на космический корабль действует только сила всемирного тяготения. Под действием этой силы космический корабль и все тела, находящиеся в нем, движутся с одинаковым ускорением, поэтому в корабле наблюдается состояние невесомости.