Розділ 1. Вступ до дисципліни „Фізика”

1.1. Предмет фізики. Зв’язок фізики з іншими науками. Взаємозв’язок фізики та техніки

Physis (природа) – наука про найбільш загальні форми руху матерії, її перетворення, властивості та будову.

Матерія – це все, що нас оточує, відчувається нами і існує незалежно від нас.

Матерія може існувати у двох формах – речовина (елементарні частинки, атоми, молекули) та поле (гравітаційне, електромагнітне тощо). Причому речовина може перетворюватись у поля і навпаки. Наприклад, утворення двох -квантів електромагнітного випромінювання при анігіляції електрона та позитрона:

До цього часу у фізиці розглядається 4 типи фундаментальних взаємодій:

1. Гравітаційна взаємодія визначається силою тяжіння між двома матеріальними тілами, підлягає закону гравітаційної взаємодії Ньютона та є пропорційною масам тіл, які взаємодіють. З усіх типів взаємодій вони є найслабкішими.

Особливість гравітаційних сил у тому, що вони є тільки силами притягання. Радіус гравітаційної взаємодії необмежений, а характерна тривалість взаємодії становить близько 10⁸ років.

Гравітаційні сили є дуже значними для небесних тіл (наприклад, сила тяжіння між Землею та Місяцем дорівнює 2,3·10²⁰ Н) та не відіграють значної ролі при взаємодії молекул, атомів та елементарних частинок (наприклад, сила тяжіння між двома молекулами оксигена на відстані ефективного діаметра 3·10^-10 м буде становити ~ 2·10^-42 Н).

2. Електромагнітна взаємодія визначається силою притягання або відштовхування між двома електричними зарядами та підлягає закону Кулона¹.

Взаємодія між атомами, міжмолекулярні сили та сили, які утримують електрони навколо ядра – це все сили електричного походження, які реалізуються за допомогою електромагнітного поля. Радіус електромагнітної взаємодії необмежений, а характерна тривалість взаємодії становить близько 10^-21 с.

Підкреслимо, що сили електромагнітної взаємодії для елементарних частинок значно переважають сили їх гравітаційної взаємодії (наприклад, сила електричного притягання ядра атома гідрогену з його єдиним електроном дорівнює 9·10^-8 Н, тоді як сила їх гравітаційної взаємодії становить 4·10^-47 Н).

3. Сильна (ядерна) взаємодія – визначається силами взаємодії між нейтроном – протоном, протоном – протоном у ядрі.

Сили, які діють між частинками ядра, дуже швидко зменшуються із збільшенням відстані між ними, тому за межами ядра вони не проявляються. Радіус взаємодії становить порядку 10^-15 м, а характерна тривалість взаємодії 10^-23 с.

4. Слабка взаємодія – проявляється при перетвореннях елементарних частинок за участю нейтрино. Вона відповідальна за всі - розпади ядер, розпади багатьох елементарних частинок. Радіус слабкої взаємодії надто малий – 10^-18 м, а характерна тривалість взаємодії становить близько 10^-9 с.

Треба відзначити дуже важливе роль слабких взаємодій у природі. Без них був би неможливий процес перетворення протон+нейтрон+позитрон+нейтрино, внаслідок якого чотири протони об’єднуються у ядро атома гелію. Цей процес служить джерелом енергії Сонця і більшості зірок.

О сновною властивістю матерії є рух. Рух – це будь-яка зміна матерії від простого переміщення до найскладніших процесів мислення. Різноманітні форми руху матерії вивчаються різними науками (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема вивчення форм руху матерії в науці.

З наведеної схеми видно, що фізика є тісно пов’язаною з іншими науками, причому цей зв’язок є двостороннім. Це призводить до появи таких наук як астрофізика, біофізика, геофізика, фізична хімія тощо.

Всі технічні досягнення базуються на законах фізики. З іншого боку, розвиток техніки впливає на розвиток фізики: наприклад, поява такого розділу як фізика твердого тіла була викликана необхідністю розвитку радіотехніки, радіоелектроніки, комп’ютерної техніки.