2. Физическая величина

Начнем с понятия «физической величины».

Под физической величиной понимается некоторое свойство физических объектов, качественно общее для них, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта [3]. Например, линейный размер является свойством космического объекта (звезды, галактики) и отдельного атома. То же самое относится к массе, температуре, вязкости, плотности, электропроводности и другим свойствам физических объектов.

Здесь необходимо сделать несколько уточнений.

Первое. Реальные объекты обладают бесконечным числом свойств. Например, измеряя диаметр детали, мы выбираем один параметр из: массы этой детали, ее длины, температуры, плотности, твердости, химического состава и т.д. Выбирая некоторые из физических величин объекта для измерений, мы мысленно упрощаем сам объект, создаем его модель той или иной степени сложности.

Второе. Модель физической величины, подлежащей измерению, должна быть достаточно подробно описана. Часто это непросто сделать. Для примера, рассмотрим следующую типичную задачу.

Необходимо измерить расход жидкости (например, нефти) в трубопроводе. Что такое расход? Это количество вещества, проходящее через выбранное для наблюдения поперечное сечение трубы за единицу времени. Самая грубая модель: скорость жидкости, умноженная на площадь поперечного сечения трубы (по определению идеальной жидкости) дает величину расхода. Площадь поперечного сечения трубы (модель – окружность) легко определяется по результатам линейного измерения диаметра.

Но непонятно какие объективные данные дают основание утверждать, что труба имеет в поперечном сечении форму окружности, а не, например, эллипса? Далее. Поверхности реальных труб имеет шероховатости. Как они влияют на измерение площади трубы? Нужно это учитывать в принятой модели? Если нужно, то как получить необходимые исходные данные?

Перейдем к определению другой физической величины – скорости. Тут сразу возникает сложная проблема. Дело в том, что труба неподвижна и, следовательно, слои жидкости, примыкающие к стенкам тоже неподвижны. На оси потока, понятно, скорость течения жидкости максимальна. Так какую из скоростей необходимо умножить на диаметр для получения величины расхода? Непростой вопрос, ответ на который оставим до обсуждения основ гидродинамики.

Но, допустим, мы нашли на него ответ. Значит ли это, что задача построения модели измеряемой физической величины решена? К сожалению, приходится ответить отрицательно. Ведь требовалось определить расход вещества, то есть массы жидкости, проходящей через поперечное сечение трубы в секунду, а мы построили модель расхода объема жидкости. Чем необходимо дополнить модель объемного расхода, чтобы получилась модель массового расхода? Необходимо, как известно из курса физики, дополнительно иметь значение (или измерять) плотности жидкости и умножить это значение на значение объемного расхода.

Не вдаваясь в дальнейший анализ модели расхода, отметим одно общее парадоксальное свойство измерительных моделей: прежде чем начать измерения, необходимо знать априорно (до опыта) свойства измеряемой физической величины. В нашем примере это форма поперечного сечения трубы, предельные значения скорости течения, вязкость и плотность жидкости. Получается, что для построения модели подлежащей измерению физической величины нужны результаты предварительных измерений, для выполнения которых опять нужно разработать модели физических величин. А для них где взять исходные данные?

Указанное обстоятельство принципиально характерно для всего процесса познания (в частности, физических объектов): сначала проводят измерения физических величин, описанных грубыми моделями. По мере накопления данных модели уточняют, усложняют и вновь проводят измерения. При таком последовательном процессе результаты измерений приближаются к истинному значению физической величины, достичь которой невозможно. Однако если есть основания полагать, что истинное значение отличается от измеренного на малую величину, несущественную для конкретной измерительной задачи, то полученный результат называется достоверным значением физической величины. Таким образом, достоверные значения физических величин, полученные в результате измерений, служат оценкой неизвестных истинных значений.

Конечно, сразу возникает вопрос: «Как можно сделать заключение о близости истинного значения и достоверного?». Ответ достаточно сложен и отложим его до последующих глав.