Свойства пространства и времени

Из всеобщих свойств пространства и времени прежде всего следует отметить:

1) Их объективность и независимость от человеческого сознания и сознания всех других разумных существ в мире /если такие есть/.

2) Их абсолютность – они являются универсальными формами бытия материи, проявляющимися на всех структурных уровнях её существования.

3) Неразрывную связь друг с другом и с движущейся материей.

4) Единство прерывности и непрерывности в их структуре - наличия отдельных тел, фиксированных в пространстве при отсутствии каких – либо «разрывов» в самом пространстве.

5) Количественную и качественную бесконечность, неотделимую от структурной бесконечности материи – невозможность найти место, где отсутствовали бы пространство и время, а также неисчерпаемость их свойств.

Пространство - время наряду с всеобщими свойствами обладают общими специфическими свойствами – присущими только пространству или только времени.

К общим свойствам пространства относятся:

1) Протяжённость – рядорасположенность, существование и связь различных элементов, возможность прибавить (уменьшить) некоторый следующий элемент.

2) Связность и непрерывность - проявляются в характере перемещений тел от точки к точке, в распространении воздействий через различные материальные поля в виде близкодействия в передаче материи и энергии.

3) Трёхмерность.

4) Единство метрических и топологических свойств. Метрические свойства проявляются в протяжённости и характере связи элементов тел. Топологические свойства характеризуют связность, трёхмерность, непрерывность, неоднородность, бесконечность пространства, его единство со временем и движением.

Рассмотрим теперь общие свойства времени:

1) Длительность - выступает как последовательность сменяющих друг друга моментов или состояний. Аналогично протяжённости пространства длительность относится к метрическим свойствам.

2) Длительность бытия объектов во времени выступает как единство прерывного и непрерывного.

3) Необратимость - однонаправленное изменение от прошлого к будущему.

Одновременность времени проявляется в линейной последовательности событий, генетически связанных между собой. Если для определения положения тела в пространстве необходимо задать 3 координаты, то для определения времени достаточно 1. Если бы время имело бы больше измерений, то это означало бы, что параллельно нашему миру существуют аналогичные и никак не связанные с ним миры-двойники, в которых те же самые события разворачивались бы в одинаковой последовательности.

Принципы современной физики

В физике существуют общие законы, влияние которых распространяется на все физические процессы, все формы движения материи. Эти законы назвали принципами современной физики.

1) Принцип относительности - все инерциальные системы отсчёта равноправны между собой (неотличимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов, или, другими словами, физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчёта.

2) Принцип симметрии и законы сохранения. В той или иной степени представление о симметрии есть у всех людей. Более того, в силу разных причин и соображений многим творениям человеческих рук умышленно придаётся симметричная форма. Наиболее симметричным предметом является мяч. В природе такой симметрии тоже много – снежинка, кристаллы, дождевые капли. Ещё один распространённый вид симметрии – зеркальная (человеческое тело, арки).

Выделяют т.н. математические симметрии. В физике любовь к красоте и математической симметрии позволила открыть ряд новых явлений. Классический пример такого рода – открытие законов электромагнитного поля. Максвелл сначала обнаружил несбалансированность уравнений электрического и магнитного поля. С целью придания уравнениям более красивого и симметричного вида Максвелл ввёл в них дополнительный член, на тот момент не вытекавший из экспериментов. Его можно было интерпретировать как не замеченный ранее эффект - порождение магнетизма переменным электрическим током. И оказалось, что такой эффект действительно существует. Природа подтвердила научную ценность эстетического вкуса Максвелла.

Физики уверены, что природа предпочитает красивые решения некрасивым. С этим были согласны и Эйнштейн, и Гейзенберг, а Дирак вообще провозгласил, что красота уравнений важнее, чем их согласие с экспериментом. Известна реакция Эйнштейна на подтверждение решающего предсказания его теории. Он отнёсся к этому событию совершенно безучастно. А когда его спросили, что бы он подумал, если бы результаты противоречили его теории, он ответил: «Мне бы было жалко Господа Бога, ведь теория – то правильная». Очень часто физики сначала создают красивую теорию, а потом ищут её экспериментальное подтверждение. Т.о., поиск новых симметрий – стал главным средством познания физической реальности.

До сих пор мы перечислили геометрические симметрии, но есть и абстрактные симметрии, в число которых входят и калибровочные симметрии.

Симметрия в физике – это свойство физических величин оставаться неизменными (инвариантными) при определённых преобразованиях, которым могут быть подвергнуты входящие в них величины.

Принципы симметрии тесно связаны с законами сохранения физических величин. Фактически, во многих случаях законы сохранения просто вытекают из принципов симметрии.

Законы сохранения, связанные с пространственно-временными (геометрическими) симметриями.

1) Сдвиг времени (т.е. изменение начала отсчёта времени) не меняет физических законов. Все моменты времени объективно равноправны. Время однородно.

Из инвариантности физических законов относительно этого преобразования вытекает закон сохранения энергии.

2) Сдвиг системы отсчёта пространственных координат не меняет физических законов. Объективно это означает равноправие всех точек пространства (однородность пространства). Перенос (сдвиг) в пространстве физической системы не влияет на процессы внутри неё.

Из этой симметрии вытекает закон сохранения импульса.

3) Поворот системы отсчёта пространственных координат оставляет физические законы неизменными. Это означает изотропность пространства: свойства пространства одинаковы по всем направлениям. Из инвариантности законов физики относительно этого преобразования вытекает закон сохранения момента импульса.

4) Фундаментальные физические законы не изменяются при обращении знака времени t на - t. Это означает, что все соответствующие процессы в природе обращены во времени. Эта симметрия действует только на уровне макромира. На уровне микромира наблюдается необратимость процессов, имеющая статистическое происхождение и связанная с неравновесным состоянием Вселенной.

5) Существует зеркальная симметрия природы: отражение пространства в зеркале не меняет физических законов. В квантовой механике этой симметрии соответствует сохранение особого квантового числа – чётности.

6) Законы природы одинаковы во всех инерционных системах отсчёта (принцип относительности). Из этого вытекает сохранение скорости движения центра масс изолированной системы.

7) Замена всех частиц на античастицы (операция зарядового сопряжения) не изменяет характера процессов природы.

Симметрии 5 и 7 наблюдаются только при сильных и электомагнитных взаимодействиях. Т.о. наблюдается определённая иерархия симметрии. Одни из них выполняются при любых взаимодействиях, другие же только при сильных и электромагнитных. Эта иерархия ещё отчётливее проявляется во внутренних симметриях и вытекающих из них законов сохранения.

3) Принцип соответствия. Фундаментальные физические теории и частные законы не являются абсолютно точным отображением действительности. Они в большей или меньшей степени соответствуют объективным закономерностям. По мере развития науки менее точные теории сменяются более точными. Каждая фундаментальная теория имеет определенные границы применимости. Например, механика Ньютона правильно описывает движение больших тел только в тех случаях, когда скорость движения их много меньше скорости света. Но появление релятивистской механики, справедливой для описания движения тел с любыми скоростями, совсем не означает, что старая классическая механика утрачивает свою ценность. Движение макроскопических тел с малыми скоростями всегда будет описываться механикой Ньютона.

Здесь мы вплотную подходим к принципу соответствия, утверждающему преемственность физических теорий. Этот принцип был сформулирован Бором в 1923 г. В общей форме этот принцип формулируется так: теории, справедливость которых была экспериментально установлена для определенной группы явлений, с построением новой теории не отбрасываются, но сохраняют свое значение для прежней области явлений как предельное выражение законов новых теорий.

4) Принцип дополнительности и соотношение неопределённости.

Принцип дополнительности возник из попыток осознать причину появления противоречивых наглядных образов, которые приходится связывать с объектами микромира=> Всем микрообъектам присущ корпускулярно-волновой дуализм. Общий ответ на вопрос о том, каким же образом совмещаются эти противоречивые свойства у одного объекта был дан Бором.

Согласно принципу дополнительности получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым.

Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределённостей Гейзенберга: объект микромира невозможно одновременно с любой наперёд заданной точностью характеризовать и координатой, и импульсом. Согласно соотношению неопределённостей микрочастица не может иметь одновременно координату x и определённый импульс р, причём неопределённости этих величин удовлетворяют условию:

Δ x * Δ p ≥ h,

где h - постоянная Планка.

т.е. произведение неопределённостей координаты и импульса не может быть меньше постоянной Планка.

5) Принцип суперпозиции.

Этот принцип также имеет важное значение в физике и особенно - в квантовой механике. Принцип суперпозиции /наложения/- это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности. Одним из простых примеров является правило параллелограмма, в соответствии с которым складываются 2 силы, воздействующие на тело. Принцип суперпозиции выполняется лишь в условиях, когда воздействующие явления не влияют друг на друга. Встречный ветер тормозит движение автомобиля по закону параллелограмма – принцип суперпозиции в этом случае выполняется полностью. Но если песок, поднятый ветром, ухудшит работу двигателя, то в этом случае принцип суперпозиции выполняться не будет. Вообще, в ньютоновской физике этот принцип не универсален и во многих случаях выполняется лишь приблизительно.

В микромире, наоборот, принцип суперпозиции – фундаментальный, который наряду с принципом неопределённости составляет основу математического аппарата квантовой физики. Но в квантовых теориях принцип суперпозиции лишён наглядности, характерной для классической механики, т.е. в квантовой физике в суперпозиции складываются альтернативные, с классической точки зрения, исключающие друг друга состояния.

Термодинамика

Термодинамика – это наука о тепловых явлениях, в которой не учитывается молекулярное строение тел.

Основа термодинамического метода – определение состояния термодинамической системы, представляющей собой совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами (внешней средой). Состояние системы задается термодинамическими параметрами: температура, давление и удельный объем (объем единицы массы).

Основные положения молекулярно-кинетических представлений.

1. Любое тело – твердое, жидкое или газообразное – состоит из большого числа малых частиц – молекул;

2. Молекулы всякого вещества находятся в беспорядочном, хаотическом, не имеющем какого-либо преимущественного направления, движения;

3. Интенсивность, определяемая скоростью движения молекул, зависит от температуры вещества.

Количественным воплощением молекулярно-кинетических представлений служат опытные газовые законы (Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Авогадро, Дальтона), уравнение Клайперона-Менделеева, основное уравнение кинетической теории идеального газа, закон Максвелла для распределения молекул и т.д.

Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории выт екает, что средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы прямо пропорциональна его термодинамической температуре и зависит только от нее.

Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией – энергией теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия.

Возможны два способа изменения внутренней энергии термодинамической системы при ее взаимодействии с внешними телами: путем совершения работы и путем теплообмена.

Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) – одна из формулировок – количество теплоты, сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение телом работы. Из этого закона следует вывод о невозможности вечного двигателя первого рода.

Термодинамические процессы необратимы. Т.е., если реализуется какой-либо термодинамический процесс, то обратный процесс, при котором проходятся те же тепловые состояния, практически невозможен.

Всякая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия, в которой тела находятся в состоянии покоя по отношению друг к другу, обладая одинаковыми температурами и давлением. В системе тел, находящихся в термодинамическом равновесии, без внешнего вмешательства невозможны никакие реальные процессы. Следовательно, с помощью равновесной термодинамической системы невозможно совершить никакой работы. В этом состоит сущность второго закона термодинамики. Этот закон исключает возможность создания вечного двигателя второго рода.

Количественной характеристикой теплового состояния тела является число микроскопических способов, с помощью которых это состояние может быть достигнуто. Это число называется статистическим весом состояния (Г). Тело, предоставленное самому себе, стремится перейти в состояние с большим статистическим весом. Принято пользоваться не самим числом Г, а его логарифмом: S= k·ln Г, который называют энтропией тела. Понятие энтропии в термодинамике было введено для определения меры необратимого рассеяния энергии. Энтропия определяет характер процессов в адиабатических условиях: возможны только такие процессы, при которых энтропия либо остается неизменной (обратимые процессы), либо возрастает (необратимые процессы).

В современной физике второй закон термодинамики формулируется как закон, закон возрастания энтропии: для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтропия системы возрастает. Максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равновесии.

Закон возрастания энтропии имеет статистически-вероятностный характер и выражает постоянную тенденцию системы к переходу в более вероятное состояние. Энтропия – величина аддитивная, она пропорциональна числу частиц в системе. Поэтому для системы с большим количеством частиц второй закон термодинамики имеет не вероятностный, а достоверный характер.

Электромагнитная концепция

Понятие поля было введено Фарадеем для описания электромагнитных явлений. К созданию электромагнитной теории поля привела длинная цепь случайных открытий и планомерных кропотливых исследований. Электромагнитная теория поля была создана Максвеллом, она получила название электродинамики.

В основе электромагнитной теории поля лежит принцип близкодействия. Согласно полевой концепции, участвующие во взаимодействии частицы создают в каждой точке окружающего их пространства особое состояние - поле сил, проявляющееся в силовом воздействии на другие частицы, помещенные в какую-либо точку данного пространства.

Законы электродинамики сформулированы в уравнениях Максвелла, которые позволяют определять значения характеристик электромагнитного поля – напряженности электрического поля и магнитной индукции – в вакууме и макроскопических телах в зависимости от распределения в пространстве электрических зарядов и токов. первое уравнение является обобщением на переменные поля эмпирического закона Био-Савара о возбуждении магнитного поля электрическими токами, т.е. циркуляция вектора магнитной напряженности вдоль замкнутого контура определяется полным током через произвольную поверхность, ограниченную данным контуром. Второе уравнение является математической формулировкой закона электромагнитной индукции Фарадея, т.е. циркуляция вектора напряженности электрического поля вдоль замкнутого контура (эдс индукции) определяется скоростью изменения потока вектора магнитной индукции через поверхность, ограниченную данным контуром. Третье уравнение выражает опытные данные об отсутствии магнитных зарядов, аналогичных электрическим (магнитное поле порождается только электрическими токами), т.е. поток вектора магнитной индукции через произвольную замкнутую поверхность равен 0. Четвертое уравнение (обычно называют теоремой Гаусса) представляет собой обобщение закона воздействия неподвижных электрических зарядов (закона Кулона), т.е. поток вектора электрической индукции через произвольную замкнутую поверхность определяется электрическим зарядом, находящимся внутри этой поверхности.

Уравнения Максвелла описывают огромную область явлений. Они лежат в основе электротехники и радиотехники и играют важную роль в развитии физики плазмы, магнитной гидродинамики, нелинейной оптики и т.д.

Электромагнитная концепция описывает электромагнитное взаимодействие. Среди других видов физических взаимодействий оно занимает первое место по многообразию и широте проявлений. Им определяется строение атомных оболочек, сцепление атомов в молекулы, трение и др.

Квантовая механика

Квантовая механика – теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте.

Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Квантовая механика включает механику Ньютона как частный случай. Квантовая механика делится на нерелятивистскую, справедливую в случае малых скоростей, и релятивистскую, удовлетворяющую требованиям специальной теории относительности.

Соотношение между классической и квантовой механикой определяется существованием универсальной мировой постоянной – постоянной Планка.

Квантовая механика утверждает корпускулярно-волновой дуализм частиц. Одинаковые частицы в одинаковых условиях могут вести себя по-разному, и как частицы, и как волны, т.е. поведение частиц непредсказуемо однозначно. Поведение частиц описывается вероятностными и статистическими законами. Вероятностное поведение частиц означает также и то, что невозможно точно описать траекторию движения частицы.

Для квантовых явлений очень важно точное описание условий опыта. В условия входят и сами приборы, т.к. прибор сам участвует в формировании наблюдаемого явления.

Величиной, описывающей состояние физической системы в квантовой механике, является амплитуда вероятности, или волновая функция системы. Основной чертой такого квантовомеханического описания является предположение о справедливости принципа суперпозиции состояний. В общем виде этот принцип утверждает, что если в данных условиях возможны различные квантовые состояния частицы (или системы частиц), которым соответствуют волновые функции, то существует и состояние, описываемое волновой функцией.

Одной из основных задач квантовой механики является нахождение волновой функции, отвечающей данному состоянию изучаемой системы. Решение этой задачи показывает, что чем более определенным является импульс частицы, тем менее определенно ее положение (принцип неопределенности). Принцип неопределенности является фундаментальным в квантовой механике, т.к. устанавливает физическое содержание и структуру ее математического аппарата.

К основным уравнением квантовой механики относятся:

- стационарное уравнение Шрёдингера, которое является обобщением волн де Бройля для движения частицы в потенциальном поле, не зависящем от времени.

- временное уравнение Шрёдингера, которое рассматривает динамику квантовой системы для одномерного и трехмерного движения.

Физика элементарных частиц

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒