ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

1. Физические величины

Важнейшими познавательными функциями физической теории являются объяснительная и предсказательная функции. В границах своей применимости физическая теория объясняет сущностные причинно-следственные связи в физической системе, описывает состояние и предсказывает изменение состояния физической системы.

Из самых общих представлений под состоянием физической системы понимается определенная физическая ситуация, реализованная в системе данный момент времени. В теории состояние формализуется соответствующими физическими величинами, а изменение (эволюцию) состояния – динамическими уравнениями.

В аспекте понятия состояния физические величины можно разделить на две группы: 1) на динамические переменные физической системы; 2) на параметры системы.

Динамические переменные определяют состояние физической системы. Например, динамическими переменными механической системы являются координаты, скорость, импульс механической системы, ее энергия, момент импульса и т.д. Знание всех динамических переменных системы для данного момента времени означает знание состояния системы в этот момент времени. Изменение состояния во времени выражается в изменении динамических переменных. В этой связи физические теории можно разделить на два класса: статические и динамические теории. Статические теории описывают неэволюционирующие физические системы. Примером статической теории является равновесная термодинамика, описывающая равновесные термодинамические системы. В структуре статических теорий важное место занимают уравнения состояния. Динамические теории описывают физические системы, состояние которых изменяется во времени. Причинно-следственные связи, определяющие изменение состояния, формализуются соответствующими динамическими уравнениями. Динамические уравнения позволяют по известному состоянию в данный момент времени предсказать состояние в любой другой момент времени. Примерами фундаментальных динамических уравнений являются 2-й закон Ньютона, уравнения Максвелла, уравнение Щредингера. С математической точки зрения динамические уравнения - это дифференциальные уравнения.

Параметры характеризуют собственные, внутренние свойства физической системы. Примерами параметров являются масса системы, электрический заряд, разного рода феноменологические коэффициенты (например, коэффициент вязкости, показатель преломления, магнитная восприимчивость и т.п.). Информацию о физических свойствах вещества и изменении этих свойств получают на основе анализа и обобщения результатов измерений параметров вещества.

Замечание

а. Время t не входит ни в группу динамических переменных, ни в группу параметров. В физических уравнениях время t играет роль аргумента изменения состояния.

б. Кроме параметров и динамических переменных есть еще одна группа величин, которые описывают в физической системе процессы. К этим величинам относится работа А и теплота Q, выражающие два способа обмена энергией между физическими системами. В общем случае работа A и теплота Q не являются полными дифференциалами: работа A и теплота Q не содержатся в физической системе, а являются функциями процесса.