Основные понятия и законы современного естествознания

Физика составляет

сердцевину гуманитарного

образования нашего времени.

И. Раби

Объекты природы предстают перед человеком в двух формах: в форме вещества и в форме полей. Газы, жидкости, твердые тела, плазма, нейтронные звезды – это вещественная форма существования объектов. Полевая форма материальных объектов менее очевидна, но не менее реальна – это гравитационное поле, электромагнитное поле. О других физических полях пока не будем говорить.

Каждый объект природы, рассматриваемый отдельно от других, обладает набором свойств, некоторые из них присущи только ему, а некоторые свойства характерны для всех без исключения, объектов. Во-первых, все объекты взаимно действуют друг на друга, во-вторых, могут переходить из одной формы существования в другую. В тоже время можно сказать, что свойство перехода от одной формы существования к другой, есть следствие взаимодействия. О факте взаимодействия мы узнаем по тем изменениям, которые происходят в них. Газы – конденсируются, твердые тела – испаряются, частицы и античастицы аннигилируют, вакуум рождает реальные частицы, целые государства и цивилизации рождаются и погибают и т.д.

Несмотря на огромное разнообразие наблюдаемых явлений в природе, сейчас можно утверждать, что все они есть результат только четырех типов взаимодействия; гравитационного, электромагнитного, ядерного и слабого. Многое известно о характере этих взаимодействий, но мы не знаем, можно ли их представить как проявление меньшего числа взаимодействий, есть ли другие типы взаимодействия не обнаруженные, по каким-либо причинам, человеком.

Разнообразные модели, созданные физиками, являются в действительности лишь некоторыми приближениями к реальной природе, которые применяют при тех или иных условиях. Сейчас нет достаточного числа таких приближенных моделей, чтобы описать все многообразие явлений. Не существует и какой-либо единой универсальной теории, которой можно было бы воспользоваться для описания любого явления. Развитие физики – это поиск новых приближенных моделей, дающих объяснение новым наблюдениям. Математические приближения вместе с системой понятий, связывающих их с частью природы, это модели, названия которых приняты в современной физике:

1. ньютоновская, или классическая, механика;

2. релятивистская механика;

3. квантовая или волновая механика;

4. статистическая механика.

Классическая механика.

Незнание природы –

величайшая неблагодарность.

Плиний Старший

Классическая механика – механика, в основе которой лежат законы Ньютона. Предметом изучения классической механики является движение макроскопических тел, совершаемых со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света.

Как было сказано выше, для количественной характеристики степени взаимодействия тел вводят понятие силы. Сила (F) есть векторная величина, характеризующая степень взаимодействия тел. О величине силы мы судим по изменениям, происходящим с телами. В механических явлениях ускорение - есть изменение скорости, т.е. величина, характеризующая изменение состояния движущегося тела. Т.о. следует ожидать, что ускорение должно прямопропорционально зависеть от силы F .

Но оказывается, что разные тела неодинаково изменяют свое состояние при одинаковом воздействии. Значит, каждое тело обладает «способностью сопротивляться» воздействию, «стремится» сохранить то состояние, в которое оно приходит при длительном отсутствии внешних сил. Такое свойство «сопротивляться» воздействию, «стремление» сохранить состояние «покоя» называют инертностью.

Количественно инертность тел определяют физической величиной – массой (m). Единица измерения массы – 1 кг. Впервые связь между силой, массой и ускорением была установлена И.Ньютоном в 1687 г., она выражается вторым законом Ньютона – основным законом классической механики: ускорение тела а прямо пропорционально силе и обратно пропорционально массе этого тела:

Если на тело действует несколько сил, то надо найти их результирующую

(1)

Уравнение (1) еще называют основным законом движения, т.к. зная его, мы можем определить механическое состояние тел в любой момент времени.

Явления и процессы, происходящие с взаимодействующими объектами, протекают в пространстве и времени. Если события характеризовать местоположением и временем, то пространственно-временные связи накладывают определенные ограничения на возможный ход событий.

Рассмотренной выше иерархии объектов и взаимодействий могут быть сопоставлены пространственные и временные характеристики. Так, сильные и слабые взаимодействия проявляются на расстояниях не более 10^-15 м, радиус действия электромагнитных и гравитационных сил неограничен, поэтому эти взаимодействия могут проявлять себя макроскопически.

Процессы, которые протекают под действием сильных взаимодействий, происходят за время ~10^-23с. Для процессов, вызванных электромагнитными силами характерны времена ~10^-15 с. Для процессов, ход которых регулируют слабые взаимодействия характерны времена >10^-8с.

Пространство и время обладают определенными свойствами, и это несомненно влияет на ход физических явлений. Важнейшими из этих свойств является однородность. Однородность пространства означает, что перенос любого объекта в пространстве никак не влияет на процессы, происходящие с этими объектами.

Однородность времени означает, что если объект не взаимодействует с другими объектами, то для него любой момент времени можно принять за начальный. Мы считаем, что изученные сегодня закономерности в поведении атомов были теми же самыми и многие миллионы лет тому назад.

Тело, настолько удаленное от всех других тел так, что можно пренебречь его взаимодействием с ними, называют свободным. Для такого свободного тела вследствие однородности пространства любые изменения его местоположения никак не влияют на его состояние. Телу «безразлично», в какой точке пространства находиться. Учитывая однородность времени, т.е. физическую эквивалентность всех моментов времени для свободного тела, можно придти к любопытному выводу: свободное тело будет менять свое местоположение с течением времени, причем вследствие однородности пространства и времени движение будет равномерным, т.е. за равные промежутки времени тело будет должно проходить равные расстояния.

Для количественного изучения движения объектов надо иметь систему отсчета. Под системой отсчета разумеют систему тел с системой координат и часами, связанными с телом отсчета. Количественное описание явлений оказывается наиболее простым, если в качестве тела отсчета брать свободно движущиеся тело. Такие системы отсчета называют инерциальными. Инерциальных систем отсчета можно выбрать сколько угодно. Все они являются эквивалентными, и это подтверждается опытом. Существование инерциальных систем отсчета утверждается первым законом Ньютона: существуют такие системы отсчета (называемые инерциальными) относительно которых тело будет находиться в покое или равномерном прямолинейном движении до тех пор пока на него не подействуют другие тела. Этот закон утверждает и равноправие понятий покоя и равномерного прямолинейного движения.

Какое бы физическое явление не рассматривалось, с точки зрения любых инерциальных систем отсчета оно выглядит совершенно одинаково, т.е. математическая формулировка законов природы должна быть такой, что бы она не менялась при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Это положение в физике называют принципом относительности.

Состояние материального тела известной массы m в механике определяется заданием координат и скорости. Закон движения (1) связывает состояние тела в различные моменты времени. Записав закон (1) в виде

или (2)

увидим, что сила, действующая на тело, равна изменению величины за единицу времени. Величину называют импульсом тела или количеством движения. Количеством движения обладают и физические поля, электромагнитное и гравитационное.

Рассматривая систему взаимодействующих между собой тел, заметим, что, хотя в результате взаимодействия, состояние каждого тела меняется, суммарное количество движения всей системы тел не меняется, если на эту систему не действуют силы извне, т.е. , где - импульс i-го тела. Это утверждение составляет смысл одного из важнейших законов природы - закона сохранения импульса. Закон сохранения импульса справедлив для любых изолированных систем физических объектов.

Очевидно, в природе не существует объекта, не действующего на другие тела, хотя бы потому, что никто не будет знать о его существовании. Но при взаимодействии тела меняют свою форму, размеры, структуру, свойства, состояние. Возникает вопрос, как оценить количество изменений во взаимодействующих телах? Для ответа на этот вопрос вводят понятие работы (А). Для каждого вида взаимодействия существует своя формула, определяющая величину работы. Например, в механике элементарная работа δА численно равна скалярному произведению вектора силы и вектора перемещения , т.е. , а при тепловых процессах элементарная работа произведению давления р в системе и изменения объема dV, т.е. . Возможная работоспособность физических систем («способность изменять себя и изменять другие тела при взаимодействии») характеризуется понятием энергии (W). Если W₁- первоначальное значение энергии, а W₂ – ее конечное значение, то очевидно работа совершаемая системой будет равна разности энергий А = W₂-W₁. Работа системы может быть как положительной, так и отрицательной, в зависимости от того, увеличивается или уменьшается энергия в результате взаимодействия.

Если тело массы m свободно движется со скоростью , то оно обладает, как говорят, запасом кинетической энергии К. Формула для вычисления кинетической энергии имеет вид: . Другими словами, кинетическая энергия – это величина, характеризующая способность тела совершить работу потому, что оно движется.

Если же на тело массы m , действует другое тело, то оно может совершить работу только потому, что находится под воздействием. Такую способность тела совершать работу вследствие действия на него других тел принято характеризовать потенциальной энергией. Потенциальная энергия П, очевидно зависит от расстояния между телами. При удалении материальных точек друг от друга на бесконечно большие расстояния потенциальная энергия обращается в нуль. Силы, действующие на тело со стороны других тел, в каждый момент времени зависит только от положения частиц т.е.

(3)

Уравнение движения (2), используя формулу (3), можно записать в виде

(4)

При большом разнообразии типов воздействия, одной формулы для вычисления потенциальной энергии, естественно нет. Тело массы m, находясь на небольшой высоте h от поверхности Земли, вследствие притяжения обладает потенциальной энергией равной произведению массы m, высоты h и ускорения свободного падения g;

(5)

Если же тело массы m находится на большом расстоянии от Земли, то потенциальную энергию надо считать по формуле

(6),

где γ=6.67 10^-11 Нм²/кг², М- масса Земли, R – расстояние между центром Земли и телом. Потенциальная энергия упругого взаимодействия молекул твердого тела при небольших деформациях определяется формулой

(7),

где к- коэффициент упругости, Δl – абсолютная деформация тела.

Полная энергия физической системы складывается из кинетической и потенциальной энергий этой системы

W=K+П (8)

Если система замкнутая, то работа внешних сил равна нулю , следовательно W₁ =W₂, т.е. полная энергия сохраняется. В этом состоит суть закона сохранения энергии. В изолированной системе энергия может переходить из одной формы в другую, но ее количество неизменно.

Закон сохранения энергии является строгим законом природы, справедливым для всех известных взаимодействий, он связан с однородностью времени, т.е. с тем фактом, что все моменты времени эквивалентны и физические законы не меняются со временем.

Наряду с однородностью времени, пространство-время обладает свойством изотропности, т.е. физической неразличимостью всевозможных направлений в пространстве по отношению к свободным телам, или, по отношению к замкнутым системам. С этой симметрией пространство связан так называемый закон сохранения момента количества движения (импульса). Момент импульса материальной точки определяется как векторное произведение ее радиус-вектора на импульс , то есть

, (9)

Проявление закона сохранения момента импульса рассмотрим на примере движения планеты по орбите вокруг Солнца.

Планета массой m вращается вокруг солнца по эллиптической орбите, то есть расстояние меняется, но, так как момент импульса сохраняется, то с уменьшением должна увеличиваться скорость, так как , и, для круговой орбиты переходя к угловой скорости , получим . Эта формула позволяет понять явление увеличения угловой скорости при сжатии вращающихся систем.

Практическое значение законов сохранения импульса, энергии, момента импульса изолированных систем состоит в том, что они позволяют находить такие связи между величинами, которые не зависят от характера взаимодействия объектов, а значит, являются, весьма общими.