A klasszikus fizika törvényei. A klasszikus fizika fogalmai, törvényei és alapelvei. Klasszikus és kvantumfizika

A fent leírt dinamikai törvények univerzális jellegűek, vagyis kivétel nélkül minden vizsgált objektumra érvényesek. Az ilyen típusú törvények sajátossága, hogy az ezek alapján kapott előrejelzések megbízhatóak és egyértelműek. Velük együtt a múlt század közepén a természettudományban olyan törvények fogalmazódtak meg, amelyek előrejelzései nem határozottak, hanem csak valószínűek. Ezek a törvények a nevüket a megfogalmazásukhoz felhasznált információk természetéből kapták. Valószínűségnek nevezték őket, mert az ezeken alapuló következtetések nem következnek logikusan a rendelkezésre álló információkból, ezért nem megbízhatóak és egyértelműek. Mivel maga az információ statisztikai jellegű, az ilyen törvényszerűségeket gyakran statisztikainak is nevezik, és ez az elnevezés a természettudományban sokkal elterjedtebbé vált. A speciális típusú törvények gondolatát, amelyekben az elméletben szereplő mennyiségek közötti összefüggések kétértelműek, Maxwell vetette fel először 1859-ben. Ő értette meg először, hogy a nagyszámú részecskéből álló rendszereket figyelembe véve. , teljesen másképp kell feltenni a problémát, mint ahogy azt a newtoni mechanikában tették. Ennek érdekében Maxwell bevezette a fizikába a valószínűség fogalmát, amelyet korábban matematikusok dolgoztak ki a véletlenszerű jelenségek, különösen a szerencsejáték elemzése során.

Számos fizikai és kémiai kísérlet kimutatta, hogy elvileg nem csak egy molekula lendületének vagy helyzetének nagy időintervallumban bekövetkező változásait lehet nyomon követni, hanem egy gáz összes molekulájának lendületét és koordinátáit sem lehet pontosan meghatározni, ill. más makroszkopikus test egy adott pillanatban. Végül is a molekulák vagy atomok száma egy makroszkopikus testben 1023 nagyságrendű. A makroszkopikus körülményekből, amelyek között a gáz található (bizonyos hőmérséklet, térfogat, nyomás stb.), a nyomaték bizonyos értékei és a molekulák koordinátái nem feltétlenül következnek. Valószínűségi változóknak kell őket tekinteni, amelyek adott makroszkopikus körülmények között különböző értéket vehetnek fel, mint ahogy a kockadobásnál is tetszőleges számú pont jelenhet meg 1-től 6-ig. adott kockadobás. De a gördülés valószínűsége, például 5, kiszámítható. Ennek a valószínűségnek objektív jellege van, hiszen a valóság objektív viszonyait fejezi ki, s bevezetése nem csupán az objektív folyamatok lefolyásának részleteiről való tudatlanságunkból fakad. Tehát egy kocka esetén annak a valószínűsége, hogy tetszőleges számú pontot kapunk 1-től 6-ig, 1/6, ami nem függ a folyamat ismeretétől, ezért objektív jelenség. Számos véletlenszerű esemény hátterében egy bizonyos minta tárul fel, számmal kifejezve. Ez a szám - egy esemény valószínűsége - lehetővé teszi a statisztikai átlagértékek meghatározását (az összes mennyiség egyedi értékének összege osztva a számukkal). Tehát, ha 300-szor dobsz egy kockát, akkor az ötösök átlagos száma 300 "L = 50-szeres lesz. Ráadásul teljesen mindegy, hogy ugyanazt a kockát dobsz, vagy 300 egyforma kockát dobsz egyszerre. Kétségtelen, hogy a gázmolekulák viselkedése egy edényben sokkal összetettebb, mint a dobott kocka, de itt is fellelhetők bizonyos mennyiségi minták, amelyek lehetővé teszik a statisztikai átlagértékek kiszámítását, ha csak a probléma felvetődik. ugyanúgy, mint a játékelméletben, és nem úgy, mint a klasszikus mechanikában.El kell hagynunk például azt a megoldhatatlan problémát, hogy egy molekula adott pillanatban mekkora impulzusértékét határozzuk meg, hanem megpróbáljuk megtalálni annak valószínűségét, ennek a lendületnek egy bizonyos értéke.Maxwellnek sikerült megoldania ezt a problémát.A molekulák impulzusok közötti eloszlásának statisztikai törvénye egyszerűnek bizonyult.De Maxwell fő érdeme nem a megoldásban volt, hanem az új probléma megfogalmazásában. Világosan felismerte, hogy a véletlenszerűség adott makroszkopikus körülmények között az egyes molekulák viselkedése egy bizonyos valószínűségi (vagy statisztikai) törvény hatálya alá tartozik. A Maxwell által adott lendület után a molekuláris kinetikai elmélet (vagy későbbi elnevezéssel a statisztikus mechanika) rohamos fejlődésnek indult. A statisztikai törvények és elméletek a következő jellemzőkkel rendelkeznek. 1. A statisztikai elméletekben bármely állapot a rendszer valószínűségi jellemzője. Ez azt jelenti, hogy a statisztikai elméletekben az állapotot nem a fizikai mennyiségek értékei határozzák meg, hanem ezeknek a mennyiségeknek a statisztikai (valószínűségi) eloszlása. Ez az állapot alapvetően más jellemzője, mint a dinamikus elméletekben, ahol az állapotot maguk a fizikai mennyiségek értékei határozzák meg. 2. A statisztikai elméletekben egy ismert kezdeti állapot alapján nem maguknak a fizikai mennyiségeknek az értékei határozódnak meg egyértelműen ennek eredményeként, hanem ezeknek az értékeknek a valószínűsége adott intervallumokon belül. Ily módon a fizikai mennyiségek átlagértékei egyértelműen meghatározásra kerülnek. Ezek az átlagértékek a statisztikai elméletekben ugyanazt a szerepet töltik be, mint maguk a fizikai mennyiségek a dinamikus elméletekben. A fizikai mennyiségek átlagértékeinek megtalálása a statisztikai elmélet fő feladata. Az állapot valószínűségi jellemzői a statisztikai elméletekben eltérnek az állapot jellemzőitől a dinamikus elméletekben. Mindazonáltal a dinamikus és a statisztikai elméletek a leglényegesebb vonatkozásokban figyelemre méltó egységet mutatnak. Az állapotfejlődést a statisztikai elméletekben a mozgásegyenletek egyedileg határozzák meg, akárcsak a dinamikus elméletekben. Egy adott statisztikai eloszlás alapján (adott valószínűséggel) a kezdeti időpillanatban a mozgásegyenlet egyértelműen meghatározza a statisztikai eloszlást (valószínűséget) bármely későbbi időpontban, ha a részecskék egymással és külső testek ismertek. Az összes fizikai mennyiség átlagértékét egyértelműen meghatározzák. Itt nincs különbség a dinamikus elméletektől az eredmények egyediségét illetően. Hiszen a statisztikai elméletek, akárcsak a dinamikus elméletek, a szükséges összefüggéseket fejezik ki a természetben, és általában nem is fejezhetők ki másként, mint az állapotok egyértelmű kapcsolatán keresztül. A statisztikai törvényszerűségek és minták szintjén ok-okozati összefüggésekkel is találkozunk. De a determinizmus a statisztikai törvényekben a természetben a determinizmus mélyebb formáját képviseli. A kemény klasszikus determinizmussal szemben valószínűségi (vagy modern) determinizmusnak nevezhető. A statisztikai törvények és elméletek a fizikai törvények leírásának fejlettebb formája, a természetben jelenleg ismert folyamatokat pontosabban írják le a statisztikai törvények, mint a dinamikusak. Az állapotok egyértelmű kapcsolata a statisztikai elméletekben a dinamikus elméletekkel való közösségüket jelzi. A különbség egy dologban van - a rendszer állapotának rögzítésének (leírásának) módszerében. A valószínűségi determinizmus valódi, átfogó jelentése a kvantummechanika – a jelenségeket atomi léptékben leíró statisztikai elmélet, vagyis az elemi részecskék és az azokból álló rendszerek mozgását (más statisztikai elméletek: a statisztikai elmélet) megalkotása után vált nyilvánvalóvá. nem egyensúlyi folyamatok, elektronikai elmélet, kvantumelektrodinamika). A modern fizikai világkép a szervetlen anyag létezésének törvényeiről, a természeti jelenségek integritásának és sokféleségének alapjairól szóló alapvető ismeretek rendszere. A modern fizika számos alapvető előfeltevésből indul ki: - először is, elismeri a fizikai világ objektív létezését, de megtagadja a láthatóságot; a modern fizika törvényei nem mindig demonstratívak, bizonyos esetekben vizuális megerősítésük - tapasztalat - egyszerűen lehetetlen; - másodszor, a modern fizika az anyag három minőségileg eltérő szerkezeti szintjének létezését állítja: a megavilág - a kozmikus objektumok és rendszerek világa; makrovilág - a makroszkopikus testek világa, empirikus tapasztalataink ismerős világa; mikrovilág - mikroobjektumok, molekulák, atomok, elemi részecskék stb. világa. A klasszikus fizika a makroszkopikus testek kölcsönhatásának és szerkezetének módszereit tanulmányozta, a klasszikus mechanika törvényei a makrokozmosz folyamatait írják le. A modern fizika (kvantum) a mikrovilág tanulmányozásával foglalkozik, ennek megfelelően a kvantummechanika törvényei leírják a mikrorészecskék viselkedését. A Megaworld a csillagászat és a kozmológia tárgya, amelyek a nem klasszikus (relativisztikus és kvantum) fizika hipotézisein, elképzelésein és elvein alapulnak; - harmadszor, a nem klasszikus fizika a fizikai objektumok viselkedésének leírásának a megfigyelési feltételektől való függőségét állítja, azaz. attól, aki ismeri ezeket a folyamatokat (a komplementaritás elve);

Negyedszer, a modern fizika elismeri az objektum állapotának leírására vonatkozó korlátozások létezését (a bizonytalanság elve); - ötödször, a relativisztikus fizika feladja a mechanikus determinizmus klasszikus filozófiában megfogalmazott modelljeit és alapelveit, amelyek feltételezik azt a képességet, hogy a kezdeti feltételek ismeretében leírják a világ bármely pillanatában fennálló állapotát. A mikrovilágban zajló folyamatokat statisztikai törvények írják le, a kvantumfizika előrejelzései pedig valószínűségi jellegűek. Minden különbség ellenére a modern fizika a klasszikus mechanikához hasonlóan a természet létezésének törvényeit tanulmányozza. A törvény a jelenségek és események közötti objektív, szükséges, egyetemes, ismétlődő és lényegi összefüggésként értelmezhető. Bármely törvénynek korlátozott a hatálya. Ez igaz a modern természettudomány szempontjából, de vajon igaz-e az „örökkévalóság szemszögéből”? Végül is egy tudományos elmélet a tények bizonyos véges körén nyugszik. Ugyanakkor az egyetemes elmélet azt állítja, hogy végtelen számú kísérleti helyzetet ír le mindenkor és a világ bármely területén. Még egy olyan egyszerű empirikus törvénynek is, mint az a kijelentés, hogy „minden test melegítés hatására kitágul”, nemcsak a kutató rendelkezésére álló tárgyakat kell magában foglalnia, hanem minden más makroobjektumot is. Ugyanez, de még nagyobb mértékben, vonatkozik az olyan alapvető törvényekre, mint a mechanika törvényei vagy a Maxwell-egyenletek. És ha igen, soha nem lehet bízni az elmélet egyetemes igazságában. Ha lehetetlen „bizonyítani” egy elmélet egyetemes igazságát, még akkor sem, ha önkényesen sok kísérleti tény áll a rendelkezésére, amelyek megerősítik azt, akkor egy elmélet nem univerzalitásának bizonyításához csak egyetlen tény, amely ellentmond annak. legyen elég!

századi tudásfejlődés teljes menete alapján. az igazság abszolútságáról és relativitásáról szóló, jól ismert lenini tételek alapján pedig a következő tézis fogalmazható meg: minden elmélet, amely elvileg tapasztalati úton megcáfolható (hamisítható), nemcsak megcáfolható, hanem előbb-utóbb ténylegesen megcáfolták a tudományos ismeretek fejlődése során. Pontosabban feltárul az alkalmazhatóság korlátozottsága, vagyis ennek az elméletnek a nem univerzalitása. Ahogy a híres amerikai fizikus, David Bohm írja, ha egy elmélet „kidugja a fejét”, előbb-utóbb levágják. Ugyanez mondható el a tér-idő posztulátumokról is. Ha meg lehet jelezni egy képzeletbeli kísérleti szituációt, amelyben a téridő valamely tulajdonsága hiányzik, akkor egyszer ennek a tulajdonságnak a nem egyetemességét egy valós kísérletben fedezik fel. Elméletileg elképzelhetünk olyan világokat, amelyekben a tér többdimenziós, az idő ellentétes irányú (a miénkhez képest), stb. Azt is jelezhetjük, hogy az ilyen feltételezett helyzetekben végzett kísérletek miben térnének el a megszokott kísérleteinktől. Természetesen a bemutatott probléma megoldása túl általános, hiszen csak „az örökkévalóság szempontjából” helyes. Lehetséges, hogy az idő és a tér számunkra ismert tulajdonságainak nem univerzalitása csak a távoli jövőben, mondjuk évszázadok vagy akár évezredek múlva derül ki. Ezért a filozófiai mellett mindig szükség van egy adott tulajdonság egyetemességének problémájának sajátos módszertani elemzésére, amely a világ fizikai képén és a modern fizikai elméleteken alapul. Be kell vezetni a „módszertanilag univerzális” elvek gondolatát, amelyek a világ modern fizikai képében és az arra épülő összes fizikai elméletben szerepelnek.

Tehát a következő következtetést vonhatjuk le. Ahogy az ismeretek fejlődése mutatja, minden konkrét tudományos elvnek és elméletnek korlátozott az alkalmazhatósága, és előbb-utóbb felváltják őket mások, általánosabbak és megfelelőbbek. Ebben a tekintetben nem lehet végleges fizikai elméletet vagy végső világképet alkotni, mert a fizika történetében egy világkép helyébe egy másik, teljesebb, és így tovább vég nélkül. Például elfogadhatatlan a mechanika törvényeinek, amelyek a makrokozmoszon belül igazolják magukat, kiterjesztése a kvantumkölcsönhatások szintjére. A mikrokozmoszban lezajló folyamatokra más törvények vonatkoznak. A jog megnyilvánulása attól is függ, hogy milyen konkrét feltételek között valósul meg, ez a világ, a változó feltételek erősíthetik, vagy éppen ellenkezőleg, gyengíthetik a jog hatását. Egy törvény hatályát más törvények módosítják és módosítják. A dinamikus minták jellemzik az elszigetelt, egyedi objektumok viselkedését, és lehetővé teszik az objektum egyes állapotai között pontosan meghatározott kapcsolat létrehozását. Más szóval, a dinamikus minták minden konkrét esetben ismétlődnek, és egyértelmű karakterük van. Például a dinamikus törvények a klasszikus mechanika törvényei. A klasszikus természettudomány abszolutizálta a dinamikus törvényeket. A 17. és 18. századi filozófiában az összes jelenség és esemény kölcsönös összefüggéséről alkotott abszolút helyes elképzelések arra a helytelen következtetésre vezettek, hogy létezik az egyetemes szükségszerűség a világban és a véletlenek hiánya. A determinizmusnak ezt a formáját mechanisztikusnak nevezik. A mechanisztikus determinizmus azt mondja, hogy minden típusú kapcsolat és kölcsönhatás mechanikus, és tagadja a véletlenszerűség objektív természetét. Az ilyen típusú determinizmus egyik támogatója, B. Spinoza például úgy vélte, hogy egy jelenséget csak az ismereteink hiánya miatt nevezünk véletlennek. A mechanisztikus determinizmus következménye a fatalizmus – a jelenségek és események egyetemes előre meghatározottságának doktrínája, amely tulajdonképpen egybeolvad az isteni predesztinációba vetett hittel. A mechanisztikus determinizmus korlátainak problémája különösen a kvantumfizikai felfedezések kapcsán vált világossá. A mikrovilág kölcsönhatási mintái a mechanisztikus determinizmus alapelvei alapján lehetetlennek bizonyultak. A fizika új felfedezései eleinte a determinizmus elutasításához vezettek, később azonban hozzájárultak ennek az elvnek új tartalmának kialakulásához. A mechanisztikus determinizmus megszűnt a determinizmussal általában kapcsolatban lenni. M. Born ezt írta: „... hogy a modern fizika elutasította az okozati összefüggést, az teljesen megalapozatlan.” Valójában a modern fizika számos hagyományos elképzelést elvetett vagy módosított; de megszűnne tudomány lenni, ha felhagyna a jelenségek okainak keresésével. Az ok-okozati összefüggést tehát nem zárják ki a posztklasszikus tudományból, de megváltoznak az ezzel kapcsolatos elképzelések. Ennek következménye a determinizmus elvének átalakulása és a statisztikai törvények fogalmának bevezetése. A statisztikai minták különféle jelenségekben jelennek meg, és trend formáját öltik. Ezeket a törvényeket másképpen valószínűségi törvényeknek nevezzük, mivel csak bizonyos valószínűséggel írják le az egyedi objektum állapotát. Statisztikai mintázat jön létre nagyszámú elem interakciójának eredményeként, és ezért egészében jellemzi viselkedésüket. A statisztikai minták iránti igény sok véletlenszerű tényező hatására nyilvánul meg. Az ilyen típusú törvényeket másképpen átlagok törvényeinek nevezik. Ugyanakkor a statisztikai minták és a dinamikus minták a determinizmus kifejeződései. A statisztikai törvények példái a kvantummechanika törvényei, valamint a társadalomban és a történelemben működő törvények. A statisztikai minták leírásában megjelenő valószínűség fogalma egy jelenség vagy esemény lehetőségének fokát fejezi ki egy meghatározott feltételrendszerben. Annak ellenére, hogy a kvantummechanika jelentősen eltér a klasszikus elméletektől, itt megmarad az alapvető elméletekben közös szerkezet. A fizikai mennyiségek (koordináták, impulzusok, energia, szögimpulzus stb.) általában ugyanazok maradnak, mint a klasszikus mechanikában. Az állapotot jellemző fő mennyiség a komplex hullámfüggvény. Ennek ismeretében nemcsak egy koordináta, hanem bármely más fizikai mennyiség egy bizonyos értékének észlelésének valószínűségét, valamint az összes mennyiség átlagos értékét is kiszámíthatja. A nemrelativisztikus kvantummechanika alapegyenlete - a Schrödinger-egyenlet - egyedi módon határozza meg egy rendszer állapotának időbeli alakulását.

Bevezetés

1. Newton törvényei

1.1. A tehetetlenségi törvény (Newton első törvénye)

1.2 A mozgás törvénye

1.3. A lendület megmaradásának törvénye (a lendület megmaradásának törvénye)

1.4. Tehetetlenségi erők

1.5. A viszkozitás törvénye

2.1. A termodinamika törvényei

A gravitáció törvénye

3.2. Gravitációs kölcsönhatás

3.3. Égi mechanika

Erős gravitációs mezők

3.5. Modern klasszikus gravitációs elméletek

Következtetés

Irodalom

Bevezetés

A fizika alaptörvényei a természet és az Univerzum legfontosabb jelenségeit írják le. Sok jelenség magyarázatát, sőt előrejelzését teszik lehetővé. Így az emberiség csak a klasszikus fizika alapvető törvényeire támaszkodva (Newton törvényei, termodinamikai törvényei stb.) sikeresen kutatja az űrt és küld űreszközöket más bolygókra.

Ebben a munkában a fizika legfontosabb törvényeit és azok összefüggéseit kívánom áttekinteni. A klasszikus mechanika legfontosabb törvényei a Newton-törvények, amelyek elegendőek a makrokozmoszban zajló jelenségek leírására (anélkül, hogy figyelembe vennék a sebesség vagy a tömeg magas értékét, amelyet a GTR - Általános relativitáselmélet vagy SRT - Speciális elmélet tanulmányoz) a relativitáselmélet.)

Newton törvényei

Newton mechanikai törvényei - három törvény alapjául szolgáló ún. klasszikus mechanika. I. Newton (1687) fogalmazta meg. Első törvény: „Minden test továbbra is nyugalmi állapotában vagy egyenletes és egyenes vonalú mozgásában marad mindaddig, amíg az alkalmazott erők rá nem kényszerítik az állapot megváltoztatására.” Második törvény: "Az impulzus változása arányos az alkalmazott hajtóerővel, és annak az egyenesnek az irányában következik be, amely mentén ez az erő hat." Harmadik törvény: „Egy cselekvésnek mindig van egyforma és ellentétes reakciója, különben két test egymás közötti kölcsönhatása egyenlő és ellentétes irányú.”

1.1. Zako ́ n ine ́ adagok (az új első törvénye ́ hangok) : szabad test, amelyre nem hatnak más testekből származó erők, nyugalmi állapotban vagy egyenletes lineáris mozgásban van (a sebesség fogalma itt nem transzlációs mozgás esetén a test tömegközéppontjára vonatkozik ). Más szavakkal, a testeket a tehetetlenség jellemzi (a latin inertia - „inaktivitás”, „tehetetlenség”), vagyis a sebesség fenntartásának jelensége, ha a külső hatásokat kompenzálják.

Azokat a referenciarendszereket, amelyekben a tehetetlenségi törvény teljesül, inerciális referenciarendszereknek (IRS) nevezzük.

A tehetetlenség törvényét először Galileo Galilei fogalmazta meg, aki sok kísérlet után arra a következtetésre jutott, hogy a szabad test állandó sebességű mozgásához nincs szükség külső okra. Ezt megelőzően egy másik nézőpont (Arisztotelészre visszatérve) általánosan elfogadott volt: a szabad test nyugalomban van, és az állandó sebességgel való mozgáshoz állandó erőt kell alkalmazni.

Newton ezt követően három híres törvénye közül az elsőként fogalmazta meg a tehetetlenség törvényét.

Galilei relativitáselmélete: minden inerciális vonatkoztatási rendszerben minden fizikai folyamat ugyanúgy megy végbe. Egy inerciális referenciarendszerhez képest nyugalmi állapotba vagy egyenletes egyenes vonalú mozgásba hozott referenciarendszerben (hagyományosan „nyugalmi állapotban”) minden folyamat pontosan ugyanúgy megy végbe, mint egy nyugalmi rendszerben.

Megjegyzendő, hogy az inerciális vonatkoztatási rendszer fogalma egy absztrakt modell (egy valós objektum helyett egy bizonyos ideális objektumot vett figyelembe. Az absztrakt modell például egy abszolút merev test vagy egy súlytalan szál), a valódi referenciarendszerek mindig társulnak. valamilyen tárggyal, és az ilyen rendszerekben a testek ténylegesen megfigyelt mozgásának a számítási eredményekkel való megfelelése hiányos lesz.

1.2 A mozgás törvénye - matematikai megfogalmazás arról, hogyan mozog egy test, vagy hogyan történik egy általánosabb mozgástípus.

Az anyagi pont klasszikus mechanikájában a mozgás törvénye három térbeli koordináta három függését jelenti az időtől, vagy egy vektormennyiség (sugárvektor) időtől való függését.

A mozgástörvény a feladattól függően akár a mechanika differenciáltörvényeiből, akár az integrálok törvényeiből kereshető meg.

Az energiamegmaradás törvénye - a természet alaptörvénye, amely az, hogy egy zárt rendszer energiája idővel megmarad. Más szóval, az energia nem keletkezhet a semmiből, és nem tud eltűnni semmiben, csak egyik formából a másikba tud mozogni.

Az energiamegmaradás törvénye a fizika különböző ágaiban megtalálható, és különböző típusú energia megmaradásában nyilvánul meg. Például a klasszikus mechanikában a törvény a mechanikai energia (a potenciális és kinetikus energiák összege) megmaradásában nyilvánul meg. A termodinamikában az energiamegmaradás törvényét a termodinamika első törvényének nevezik, és a hőenergia mellett az energia megmaradásáról is beszél.

Mivel az energiamegmaradás törvénye nem meghatározott mennyiségekre és jelenségekre vonatkozik, hanem egy általános, mindenhol és mindig érvényes mintát tükröz, ezért helyesebb nem törvénynek, hanem energiamegmaradás elvének nevezni.

Speciális eset a mechanikai energia megmaradásának törvénye – egy konzervatív mechanikai rendszer mechanikai energiája idővel megmarad. Egyszerűen fogalmazva, olyan erők hiányában, mint a súrlódás (disszipatív erők), a mechanikai energia nem keletkezik a semmiből, és nem tud eltűnni sehol.

Ek1+Ep1=Ek2+Ep2

Az energiamegmaradás törvénye egy integrál törvény. Ez azt jelenti, hogy az eltérő törvények hatásából áll, és ezek együttes hatásának a tulajdonsága. Például néha azt mondják, hogy az örökmozgó létrehozásának lehetetlensége az energiamegmaradás törvényének köszönhető. De ez nem igaz. Valójában minden örökmozgó-projektben a differenciáltörvények egyike lép életbe, és ez teszi működésképtelenné a motort. Az energiamegmaradás törvénye egyszerűen általánosítja ezt a tényt.

Noether tétele szerint a mechanikai energia megmaradásának törvénye az idő homogenitásának következménye.

1.3. Zako ́ n biztonságos ́ nia és ́ impulzus (Zako ́ n biztonságos ́ niya ha ́ mozgás minősége) kimondja, hogy egy zárt rendszer összes testének (vagy részecskéjének) nyomatékának összege állandó érték.

A Newton-törvényekből kimutatható, hogy az üres térben való mozgás során az impulzus időben megmarad, kölcsönhatás jelenlétében pedig változásának sebességét az alkalmazott erők összege határozza meg. A klasszikus mechanikában az impulzusmegmaradás törvénye általában Newton törvényeiből adódik. Ez a megmaradási törvény azonban olyan esetekben is igaz, amikor a newtoni mechanika nem alkalmazható (relativisztikus fizika, kvantummechanika).

Mint minden megmaradási törvény, az impulzusmegmaradás törvénye is leírja az egyik alapvető szimmetriát - a tér homogenitását.

Newton harmadik törvénye elmagyarázza, mi történik két kölcsönhatásban lévő testtel. Vegyünk például egy zárt rendszert, amely két testből áll. Az első test bizonyos F12, a második pedig F21 erővel hathat a másodikra. Hogyan viszonyulnak az erők? Newton harmadik törvénye kimondja: a hatáserő egyenlő nagyságú és ellentétes irányú a reakcióerővel. Hangsúlyozzuk, hogy ezek az erők különböző testekre hatnak, ezért egyáltalán nem kompenzálódnak.

Maga a törvény:

A testek egyazon egyenes mentén ható, egyenlő nagyságú és ellentétes irányú erőkkel hatnak egymásra: .

1.4. Tehetetlenségi erők

Newton törvényei szigorúan véve csak inerciális vonatkoztatási rendszerben érvényesek. Ha őszintén felírjuk egy test mozgásegyenletét nem inerciális vonatkoztatási rendszerben, akkor az megjelenésében el fog térni Newton második törvényétől. Gyakran azonban a megfontolás egyszerűsítése érdekében bevezetnek egy bizonyos fiktív „tehetetlenségi erőt”, majd ezeket a mozgásegyenleteket Newton második törvényéhez nagyon hasonló formában írják át. Matematikailag itt minden helyes (helyes), de a fizika szempontjából az új fiktív erő nem tekinthető valóságosnak, valamilyen valós kölcsönhatás eredményeként. Hangsúlyozzuk még egyszer: a „tehetetlenségi erő” csak egy kényelmes paraméterezése annak, hogy a mozgástörvények hogyan különböznek inerciális és nem tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerekben.

1.5. A viszkozitás törvénye

A viszkozitás (belső súrlódás) Newton-törvénye a belső súrlódási feszültség τ (viszkozitás) és a v közeg térbeli sebességének változásának matematikai kifejezése.

(nyúlási sebesség) folyékony testeknél (folyadékok és gázok):

ahol az η értéket belső súrlódási tényezőnek vagy dinamikus viszkozitási együtthatónak (CGS unit – poise) nevezzük. A kinematikai viszkozitási együttható a μ = η / ρ érték (CGS egység Stokes, ρ a közeg sűrűsége).

A Newton-törvény analitikusan megszerezhető a fizikai kinetikai módszerekkel, ahol a viszkozitást általában a hővezető képességgel és a megfelelő Fourier-törvénnyel egyidejűleg veszik figyelembe a hővezető képességre. A gázok kinetikai elméletében a belső súrlódási együtthatót a képlet számítja ki

ahol a molekulák termikus mozgásának átlagos sebessége, λ az átlagos szabad út.

2.1. A termodinamika törvényei

A termodinamika három törvényen alapul, amelyek kísérleti adatok alapján fogalmazódnak meg, és ezért posztulátumként fogadhatók el.

* A termodinamika 1. főtétele. Ez a termodinamikai folyamatok energiamegmaradásának általánosított törvényének megfogalmazása. A legegyszerűbb formában a következőképpen írható fel: δQ = δA + d"U, ahol dU a rendszer belső energiájának teljes különbsége, δQ és δA pedig az elemi hőmennyiség és a rendszeren végzett elemi munka. Figyelembe kell venni, hogy δA és δQ nem tekinthető differenciálnak e fogalom szokásos értelmében A kvantumfogalmak szempontjából ez a törvény a következőképpen értelmezhető: dU az energiaváltozás egy adott kvantumrendszer, δA a rendszer energiaszintjének populációjának változása következtében bekövetkezett változás, δQ pedig a kvantumrendszer energiájának változása az energia szerkezetének változása miatt. szinteket.

* A termodinamika 2. főtétele: A termodinamika második főtétele kizárja a második típusú örökmozgó létrehozásának lehetőségét. Ennek a törvénynek több különböző, de egyben egyenértékű megfogalmazása létezik. 1 - Clausius posztulátuma. Visszafordíthatatlan az a folyamat, amelyben a forró testről a hidegre történő hőátadáson kívül más változás nem történik, vagyis a hő nem tud átjutni a hideg testből a forróba anélkül, hogy a rendszerben bármi más változás nem történik. Ezt a jelenséget energiadisszipációnak vagy diszperziónak nevezik. 2 - Kelvin posztulátuma. Visszafordíthatatlan az a folyamat, amelyben a munka hővé alakul anélkül, hogy a rendszerben bármi más változás történik, vagyis az egyenletes hőmérsékletű forrásból felvett hő teljes egészét nem lehet munkává alakítani anélkül, hogy a rendszerben más változtatásokat ne végezzenek.

* A termodinamika 3. főtétele: Nernst-tétel: Bármely rendszer entrópiája abszolút nulla hőmérsékleten mindig egyenlőnek tekinthető nullával

3.1. A gravitáció törvénye

A gravitáció (univerzális gravitáció, gravitáció) (a latin gravitas - „nehézség”) egy hosszú távú alapvető kölcsönhatás a természetben, amelynek minden anyagi test ki van téve. A modern adatok szerint univerzális kölcsönhatás abban az értelemben, hogy minden más erőtől eltérően kivétel nélkül minden testnek azonos gyorsulást kölcsönöz, függetlenül azok tömegétől. Főleg a gravitáció játszik meghatározó szerepet kozmikus léptékben. A gravitáció kifejezést a gravitációs kölcsönhatásokat vizsgáló fizika ágának elnevezéseként is használják. A gravitációt leíró klasszikus fizika legsikeresebb modern fizikai elmélete az általános relativitáselmélet, a gravitációs kölcsönhatás kvantumelmélete még nem készült el.

3.2. Gravitációs kölcsönhatás

A gravitációs kölcsönhatás világunk négy alapvető kölcsönhatása egyike. A klasszikus mechanika keretein belül a gravitációs kölcsönhatást az egyetemes gravitáció Newton-törvénye írja le, amely kimondja, hogy két, R távolságra elválasztott m1 és m2 tömegű anyagi pont közötti gravitációs vonzás ereje

Itt G a gravitációs állandó m³/(kg s²). A mínusz jel azt jelenti, hogy a testre ható erő irányában mindig egyenlő a testre irányuló sugárvektorral, vagyis a gravitációs kölcsönhatás mindig bármely test vonzásához vezet.

A gravitációs tér potenciális. Ez azt jelenti, hogy bevezetheti egy pár test gravitációs vonzásának potenciális energiáját, és ez az energia nem változik a testek zárt hurok mentén történő mozgatása után. A gravitációs tér potenciálja magába foglalja a kinetikus és potenciális energia összegének megmaradásának törvényét, és a testek gravitációs térben történő mozgásának vizsgálatakor gyakran jelentősen leegyszerűsíti a megoldást. A newtoni mechanika keretein belül a gravitációs kölcsönhatás nagy hatótávolságú. Ez azt jelenti, hogy bárhogyan is mozog egy nagy tömegű test, a gravitációs potenciál a tér bármely pontján csak a test helyzetétől függ egy adott időpillanatban.

A nagy űrobjektumok - bolygók, csillagok és galaxisok hatalmas tömeggel rendelkeznek, és ezért jelentős gravitációs mezőket hoznak létre. A gravitáció a leggyengébb kölcsönhatás. Mivel azonban minden távolságra hat, és minden tömeg pozitív, ennek ellenére nagyon fontos erő az Univerzumban. Összehasonlításképpen: ezeknek a testeknek a teljes elektromos töltése nulla, mivel az anyag egésze elektromosan semleges. Ezenkívül a gravitáció, más kölcsönhatásoktól eltérően, univerzális hatást gyakorol minden anyagra és energiára. Nem fedeztek fel olyan objektumot, amelynek egyáltalán nem lenne gravitációs kölcsönhatása.

Globális jellegéből adódóan a gravitáció felelős olyan nagy léptékű hatásokért, mint a galaxisok felépítése, a fekete lyukak és az Univerzum tágulása, valamint az elemi csillagászati jelenségekért - a bolygók keringése, valamint a bolygó felszínéhez való egyszerű vonzásért. A Föld és a testek bukása.

A gravitáció volt az első kölcsönhatás, amelyet a matematikai elmélet ír le. Az ókorban Arisztotelész úgy gondolta, hogy a különböző tömegű tárgyak különböző sebességgel esnek. Csak jóval később Galileo Galilei kísérletileg megállapította, hogy ez nem így van – ha megszűnik a légellenállás, minden test egyformán gyorsul. Isaac Newton egyetemes gravitációs törvénye (1687) jól leírta a gravitáció általános viselkedését. Albert Einstein 1915-ben megalkotta az általános relativitáselméletet, amely pontosabban írja le a gravitációt a téridő geometriájával.

3.3. Az égi mechanika és néhány feladata

A mechanikának azt az ágát, amely a testek üres térben történő mozgását csak a gravitáció hatására vizsgálja, égi mechanikának nevezzük.

Az égi mechanika legegyszerűbb problémája két test gravitációs kölcsönhatása az üres térben. Ezt a problémát analitikusan a végéig megoldják; megoldásának eredményét gyakran Kepler három törvénye formájában fogalmazzák meg.

A kölcsönható testek számának növekedésével a feladat drámaian bonyolultabbá válik. Így a már híres háromtest-probléma (vagyis három nem nulla tömegű test mozgása) általános formában nem oldható meg analitikusan. Numerikus megoldásnál a megoldások instabilitása a kezdeti feltételekhez képest elég gyorsan fellép. A Naprendszerre vonatkoztatva ez az instabilitás lehetetlenné teszi a bolygók százmillió évnél nagyobb léptékű mozgásának előrejelzését.

Egyes speciális esetekben közelítő megoldást találhatunk. A legfontosabb eset az, amikor egy test tömege lényegesen nagyobb, mint a többi test tömege (például a Naprendszer és a Szaturnusz gyűrűinek dinamikája). Ebben az esetben első közelítésként feltételezhetjük, hogy a fénytestek nem lépnek kölcsönhatásba egymással, és Kepleri pályákon mozognak a hatalmas test körül. A köztük lévő kölcsönhatások a perturbációelmélet keretein belül figyelembe vehetőek és időbeli átlagolhatók. Ebben az esetben nem triviális jelenségek léphetnek fel, mint például rezonanciák, attraktorok, káosz stb. Az ilyen jelenségek egyértelmű példája a Szaturnusz gyűrűinek nem triviális szerkezete.

Annak ellenére, hogy megpróbálták leírni egy nagyszámú, megközelítőleg azonos tömegű vonzó testből álló rendszer viselkedését, ez a dinamikus káosz jelensége miatt nem valósítható meg.

3.4. Erős gravitációs mezők

Erős gravitációs mezőben, ha relativisztikus sebességgel mozogunk, az általános relativitáselmélet hatásai kezdenek megjelenni:

A gravitációs törvény eltérése Newton törvényétől;

A gravitációs zavarok terjedésének véges sebességével összefüggő potenciálok késése; a gravitációs hullámok megjelenése;

Nemlinearitási hatások: a gravitációs hullámok hajlamosak kölcsönhatásba lépni egymással, így az erős mezőkben a hullámok szuperpozíciójának elve már nem állja meg a helyét;

A téridő geometriájának megváltoztatása;

A fekete lyukak megjelenése;

3.5. Modern klasszikus gravitációs elméletek

Tekintettel arra, hogy a gravitáció kvantumhatásai a legszélsőségesebb kísérleti és megfigyelési körülmények között is rendkívül kicsik, még mindig nincs megbízható megfigyelésük. Az elméleti becslések azt mutatják, hogy az esetek túlnyomó többségében a gravitációs kölcsönhatás klasszikus leírására szorítkozhatunk.

Létezik egy modern kanonikus klasszikus gravitációs elmélet - az általános relativitáselmélet, valamint számos tisztázó hipotézis és különböző fejlettségű elmélet, amelyek egymással versengenek (lásd: Alternatív gravitációs elméletek). Mindezek az elméletek nagyon hasonló előrejelzéseket adnak azon a közelítésen belül, amelyben a kísérleti teszteket jelenleg végzik. Az alábbiakban bemutatunk néhány alapvető, leginkább kidolgozott vagy ismert gravitációs elméletet.

Newton gravitációs elmélete a gravitáció fogalmán alapul, amely egy nagy hatótávolságú erő: azonnal hat bármilyen távolságra. A cselekménynek ez a pillanatnyi jellege összeegyeztethetetlen a modern fizika terepparadigmájával, és különösen a speciális relativitáselmélettel, amelyet Einstein 1905-ben alkotott meg, és amelyet Poincaré és Lorentz munkája ihletett. Einstein elmélete szerint egyetlen információ sem terjedhet gyorsabban, mint a fény sebessége vákuumban.

Matematikailag Newton gravitációs ereje a gravitációs térben lévő test potenciális energiájából származik. Az ennek a potenciális energiának megfelelő gravitációs potenciál engedelmeskedik a Poisson-egyenletnek, amely nem invariáns a Lorentz-transzformációk során. A nem változatlanság oka, hogy az energia a speciális relativitáselméletben nem skaláris mennyiség, hanem a 4-vektor időkomponensébe kerül. A gravitáció vektorelmélete hasonlít Maxwell elektromágneses tér elméletéhez, és a gravitációs hullámok negatív energiájához vezet, ami a kölcsönhatás természetével függ össze: a gravitációban a töltések (tömegek) vonzzák és nem taszítják, mivel az elektromágnesességben. Így Newton gravitációelmélete összeegyeztethetetlen a speciális relativitáselmélet alapelvével – a természeti törvények változatlanságával bármely inerciális vonatkoztatási rendszerben, valamint Newton elméletének direkt vektoros általánosításával, amelyet először Poincaré javasolt 1905-ben. „Az elektron dinamikájáról” című munka fizikailag nem kielégítő eredményekhez vezet.

Einstein olyan gravitációs elmélet után kezdett kutatni, amely összeegyeztethető lenne a természeti törvények változatlanságának elvével bármely vonatkoztatási rendszerhez képest. Ennek a kutatásnak az eredménye az általános relativitáselmélet, amely a gravitációs és a tehetetlenségi tömeg azonosságának elvén alapul.

A gravitációs és a tehetetlenségi tömegek egyenlőségének elve

A klasszikus newtoni mechanikában a tömegnek két fogalma van: az első Newton második törvényére, a második pedig az egyetemes gravitáció törvényére vonatkozik. Az első tömeg - tehetetlenségi (vagy tehetetlenségi) - a testre ható nem gravitációs erő és a gyorsulás aránya. A második tömeg - gravitációs (vagy, ahogy néha nehéz) - határozza meg a test más testek általi vonzási erejét és saját vonzási erejét. Általánosságban elmondható, hogy ezt a két tömeget, amint az a leírásból is látszik, különböző kísérletekben mérik, ezért egyáltalán nem kell arányosnak lenniük egymással. Szigorú arányosságuk lehetővé teszi, hogy egyetlen testtömegről beszéljünk mind a nem gravitációs, mind a gravitációs kölcsönhatásokban. A mértékegységek megfelelő megválasztásával ezek a tömegek egyenlővé tehetők egymással.

Magát az elvet Isaac Newton terjesztette elő, és a tömegek egyenlőségét kísérletileg igazolta 10-3-as relatív pontossággal. A 19. század végén Eötvös finomabb kísérleteket végzett, így az elv tesztelésének pontosságát 10−9-re hozta. A 20. század folyamán a kísérleti technológia lehetővé tette a tömegek egyenlőségének 10−12-10−13 relatív pontosságának igazolását (Braginsky, Dicke stb.).

Néha a gravitációs és a tehetetlenségi tömegek egyenlőségének elvét gyenge ekvivalencia elvnek nevezik. Albert Einstein az általános relativitáselméletre alapozta.

A geodéziai vonalak mentén történő mozgás elve

Ha a gravitációs tömeg pontosan egyenlő a tehetetlenségi tömeggel, akkor egy olyan test gyorsulásának kifejezésében, amelyre csak gravitációs erők hatnak, mindkét tömeg érvénytelenít. Ezért a test gyorsulása, következésképpen a pályája nem függ a test tömegétől és belső szerkezetétől. Ha a tér egy pontján lévő összes test ugyanazt a gyorsulást kapja, akkor ez a gyorsulás nem a testek tulajdonságaihoz köthető, hanem magának a térnek ezen a pontján.

Így a testek közötti gravitációs kölcsönhatás leírása lecsökkenthető annak a téridőnek a leírására, amelyben a testek mozognak. Természetes azt feltételezni, ahogy Einstein tette, hogy a testek tehetetlenséggel mozognak, vagyis úgy, hogy gyorsulásuk saját vonatkoztatási rendszerükben nulla. A testek pályái ezután geodéziai vonalak lesznek, amelyek elméletét matematikusok dolgozták ki még a 19. században.

Magukat a geodéziai vonalakat úgy találhatjuk meg, hogy téridőben megadjuk a két esemény közötti távolság analógját, amelyet hagyományosan intervallumnak vagy világfüggvénynek neveznek. A háromdimenziós térben és az egydimenziós időben (más szóval négydimenziós téridőben) intervallumot a metrikus tenzor 10 független összetevője ad meg. Ez a 10 szám alkotja a tér mérőszámát. Meghatározza a „távolságot” a téridő két végtelenül közeli pontja között különböző irányú. A fizikai testek világvonalainak megfelelő geodéziai vonalak, amelyek sebessége kisebb, mint a fénysebesség, a legnagyobb megfelelő idő vonalainak bizonyulnak, vagyis a testhez mereven rögzített óra által mért időnek, amely ezt a pályát követi.

A modern kísérletek a testek geodéziai vonalak mentén történő mozgását ugyanolyan pontossággal igazolják, mint a gravitációs és a tehetetlenségi tömegek egyenlősége.

Következtetés

Newton törvényeiből rögtön néhány érdekes következtetés következik. Így Newton harmadik törvénye azt mondja, hogy bárhogyan is hatnak egymásra a testek, nem tudják megváltoztatni teljes lendületüket: létrejön a lendület megmaradásának törvénye. Ezután meg kell követelnünk, hogy két test kölcsönhatási potenciálja csak ezeknek a testeknek a koordinátáinak különbségének modulusától függjön U(|r1-r2|). Ekkor jön létre a kölcsönható testek teljes mechanikai energiájának megmaradásának törvénye:

A Newton-törvények a mechanika alaptörvényei. A mechanika összes többi törvénye belőlük származtatható.

Ugyanakkor a Newton-törvények nem a klasszikus mechanika megfogalmazásának legmélyebb szintjét jelentik. A Lagrange-féle mechanika keretein belül egyetlen képlet (a mechanikai hatás rekordja) és egyetlen posztulátum (a testek úgy mozognak, hogy a hatás minimális legyen), ebből az összes Newton-törvény levezethető. Sőt, a lagrangi formalizmus keretein belül könnyen megfontolhatóak olyan hipotetikus helyzetek, amelyekben a cselekvésnek más formája van. Ebben az esetben a mozgásegyenletek már nem hasonlítanak a Newton-törvényekhez, de maga a klasszikus mechanika továbbra is alkalmazható lesz...

Mozgásegyenletek megoldása

Az F = ma egyenlet (azaz Newton második törvénye) egy differenciálegyenlet: a gyorsulás a koordináta második deriváltja az idő függvényében. Ez azt jelenti, hogy egy mechanikai rendszer időbeni fejlődése egyértelműen meghatározható, ha a kezdeti koordinátáit és kezdeti sebességét megadjuk. Vegye figyelembe, hogy ha a világunkat leíró egyenletek elsőrendű egyenletek lennének, akkor az olyan jelenségek, mint a tehetetlenség, a rezgések és a hullámok, eltűnnének a világunkból.

A fizika alaptörvényeinek tanulmányozása megerősíti, hogy a tudomány fokozatosan fejlődik: minden szakasz, minden nyitott törvény egy fejlődési szakasz, de nem ad végleges választ minden kérdésre.

Irodalom:

Great Soviet Encyclopedia (Newton törvényei a mechanikáról és más cikkek), 1977, „Soviet Encyclopedia”
Online enciklopédia www.wikipedia.com

3. Könyvtár „Detlaf A.A., Yavorsky B.M., Milkovskaya L.B. - Fizika szak (1. kötet). Mechanika. A molekuláris fizika és a termodinamika alapjai

Szövetségi Oktatási Ügynökség

GOU VPO Rybinsk Állami Repülési Akadémia névadója. P.A. Szolovjova

„Általános és műszaki fizika” tanszék

ABSZTRAKT

„A modern természettudomány fogalmai” tudományágban

Téma: „A fizika alaptörvényei”

ZKS-07 csoport

Balshin diák, A.N.

Tanár: Vasziljuk O.V.

Ismeretes, hogy a 19. század végén bejelentették, hogy a klasszikus fizika törvényei csak a makrovilágban működnek sikeresen, míg mások a mikrovilágban működnek - a kvantumtörvények. Ez a nézőpont uralkodó volt az egész huszadik században. És most, amikor a klasszikus fizika törvényei alapján azonosítottuk a foton, elektron, proton, neutron modelljeit és az atommagok, atomok és molekulák képződésének elveit, felmerül a kérdés: vajon a múlt fizikusai generációk követnek el hibát azzal, hogy elássák a klasszikus fizika képességét a mikrovilág problémáinak megoldására? Ennek a kérdésnek a megválaszolásához alaposan elemezzük a klasszikus fizika iránti bizalmatlanság eredetét, amikor a fekete test sugárzásával kapcsolatos kísérleti információk elfogadható értelmezését keressük (103. ábra).

Az egész a fekete test sugárzásának törvényének megállapításával kezdődött (103. ábra). Ennek a törvénynek a matematikai modelljének levezetése, amelyet Max Planck végzett a huszadik század elején, olyan fogalmakon és elképzeléseken alapult, amelyekről azt hitték, hogy ellentmondanak a klasszikus fizika törvényeinek.

Rizs. 103. Teljesen fekete test grafikus modellje

Planck a fekete test sugárzásának törvényének matematikai modelljébe bevezetett egy állandót a mechanikai hatás dimenziójával, ami egyértelműen ellentmond az elektromágneses sugárzás hullámtermészetére vonatkozó elképzeléseknek. Ennek ellenére matematikai modellje meglehetősen pontosan leírta ennek a sugárzásnak a kísérleti függőségét. Az általa bevezetett állandó azt jelezte, hogy a sugárzás nem folyamatos, hanem részletekben. Ez ellentmondott a Rayleigh-Jeans sugárzási törvénynek, amely az elektromágneses sugárzás hullámtermészetére vonatkozó elképzeléseken alapult, de kísérleti függőségeket csak az alacsony frekvencia tartományban írt le.

Mivel a fekete test sugárzásának törvényének matematikai modellje tartalmazza a Rayleigh-Jeans sugárzási törvény matematikai modelljét, kiderül, hogy a fekete test sugárzásának Planck törvénye a sugárzás természetére vonatkozó, egymást kölcsönösen kizáró hullám- és korpuszkuláris elképzeléseken alapul.

A sugárzás folyamatos hullámfolyamatának a részfolyamattal való összeegyeztethetetlensége nyomós ok volt a klasszikus fizika válságának felismerésére. Ettől a pillanattól kezdve a fizikusok azt hitték, hogy a klasszikus fizika törvényeinek hatálya a makrokozmoszra korlátozódik. A mikrovilágban szerintük más, kvantumtörvények is működnek, ezért a mikrovilágot leíró fizikát kvantumfizikának kell nevezni. Meg kell jegyezni, hogy Max Planck megpróbálta megbirkózni az ilyen fizikai fogalmak keverékével és visszavezetni őket a fejlődés klasszikus útjára, de ezt a problémát nem tudta megoldani.

Majdnem száz évvel később el kell ismernünk, hogy a határ a klasszikus és a kvantumfizika törvényei között még nem húzódott meg. A mikrovilág számos problémájának megoldásában továbbra is jelentős nehézségek tapasztalhatók, és ezek közül sokat megoldhatatlannak tartanak a kialakult fogalmak és elképzelések keretein belül, ezért kénytelenek vagyunk visszatérni Max Planck kísérletéhez a fekete test sugárzásának törvényének matematikai modelljének levezetésére. klasszikus fogalmak alapján.

Ismeretes, hogy a 19. század végén bejelentették, hogy a klasszikus fizika törvényei csak a makrovilágban működnek sikeresen, míg mások a mikrovilágban működnek - a kvantumtörvények. Ez a nézőpont uralkodó volt az egész huszadik században. És most, amikor a klasszikus fizika törvényei alapján azonosítottuk a foton, elektron, proton, neutron modelljeit és az atommagok, atomok és molekulák képződésének elveit, felmerül a kérdés: vajon a múlt fizikusai generációk követnek el hibát azzal, hogy elássák a klasszikus fizika képességét a mikrovilág problémáinak megoldására? A kérdés megválaszolásához alaposan elemezzük a bizalmatlanság eredetét a klasszikus fizikában, amikor a fekete test sugárzásával kapcsolatos kísérleti információk elfogadható értelmezését keressük (119. ábra).

Az egész a fekete test sugárzásának törvényének megállapításával kezdődött (119. ábra). Ennek a törvénynek a matematikai modelljének levezetése, amelyet Max Planck végzett a huszadik század elején, olyan fogalmakon és elképzeléseken alapult, amelyekről azt hitték, hogy ellentmondanak a klasszikus fizika törvényeinek.

Rizs. 119. a) egy teljesen fekete test grafikus modellje;

b) – abszolút fekete test sugárzási sűrűségének függése a kibocsátott fotonok hullámhosszától

Mindenekelőtt bemutatjuk a Rayleigh-Jeans képletet, amely kielégítően írja le a sugárzás alacsony frekvenciájú tartományának kísérleti mintázatát (119. ábra). Az elektromágneses sugárzás hullámkoncepciói alapján megállapították, hogy az abszolút fekete test térfogatában lévő energiát a függőség határozza meg.

, (236)

hol a sugárzási frekvencia; - egy teljesen fekete test üregének térfogata (119. ábra); - fénysebesség; - Boltzmann állandó; - abszolút sugárzási hőmérséklet.

A (236) összefüggés bal és jobb oldalát elosztva a térfogattal, megkapjuk az elektromágneses sugárzás térfogatsűrűségét

. (237)

Ennek a képletnek a levezetése azon az elképzelésen alapul, hogy egy teljesen fekete test zárt üregében (119. ábra, b) létezik egész számú elektromágneses sugárzás állóhulláma frekvenciával.

A fekete test elektromágneses sugárzásának teljes spektrumát leíró matematikai modell létrehozásához Max Planck feltételezte, hogy a sugárzás nem folyamatosan történik, hanem részletekben, így minden egyes kibocsátott rész energiája egyenlő, és a számítási képlet egy fekete test elektromágneses sugárzásának sűrűsége a következőképpen alakult (119. ábra)

. (238)

A mennyiség egy állandó, a hatás mechanikai dimenziójával. Ráadásul ennek az akciónak a jelentése akkoriban teljesen homályos volt. Ennek ellenére a Planck által kapott matematikai modell (238) meglehetősen pontosan írta le a feketetest-sugárzás kísérleti mintázatait (119. ábra).

Mint látható, a (238) képletben szereplő kifejezés a Rayleigh-Jeans képlet (237) jelentős kiegészítéseként játszik szerepet, amelynek lényege abban rejlik, hogy egy kibocsátott foton energiája.

Mivel a fekete test sugárzásának törvényének matematikai modellje (238) tartalmazza a Rayleigh-Jeans sugárzási törvény matematikai modelljét (236), kiderül, hogy a fekete test sugárzásának Planck-törvénye egymást kölcsönösen kizáró hullám- és korpuszkuláris elképzeléseken alapul. a sugárzás természete.

Természetesen ahhoz, hogy jobban megértsük a Planck-összeadás fizikai jelentését, rendelkezni kell a foton mágneses szerkezetével, mivel magának a Planck-állandónak a fizikai jelentése ebben a szerkezetben rejtőzik. Mivel a termék a fotonsugárzás teljes skálájának fotonjainak energiáit írja le, a foton mágneses szerkezete a Planck-állandó dimenziójában rejtőzik. Azt már megállapítottuk, hogy a foton olyan forgó mágneses szerkezettel rendelkezik, amelynek tömegközéppontja a sugarával megegyező hullámhosszt ír le. Ennek eredményeként a Planck-konstans matematikai kifejezése formát ölt

Amint látható, a Planck-állandó a szögimpulzus explicit mechanikai dimenziójával rendelkezik. Köztudott, hogy a szögimpulzus állandóságát a szögimpulzus megmaradásának törvénye szabályozza, és a Planck-állandó állandóságának oka azonnal világossá válik.

Először is a koncepció a szögimpulzus megmaradásának törvénye" a klasszikus fizika, pontosabban a klasszikus mechanika fogalma. Kimondja, hogy ha a forgó testre ható külső erők nyomatékainak összege nulla, akkor az ilyen testre ható szögimpulzus nagysága és iránya állandó marad.

Természetesen a foton nem olyan szilárd test, amely csak anélkül forogna, hogy a térben mozogna, de van tömege, és minden okunk megvan azt hinni, hogy a foton tömegének szerepét a tengelyéhez képest forgó mágneses anyag tölti be, amely fénysebességgel forog és mozog a térben .

A Planck-állandó matematikai modelljéből (239) az következik, hogy a foton mágneses modelljének olyannak kell lennie, hogy a foton forgó mágneses mezőinek tömegének, sugarának és frekvenciájának egyidejű változása elhagyja szorzatát, ami tükröződik a foton matematikai kifejezésében. Planck-konstans (239), állandó.

Például egy foton tömegének (energiájának) növekedésével a hullámhossza csökken, és írjuk le még egyszer, hogyan valósítja meg ezt a változást a Planck-állandó (239) a fotonmodellben (15. és 16. ábra).

Mivel a Planck-állandó állandóságát a szögimpulzus megmaradásának törvénye szabályozza , akkor a foton tömegének növekedésével a mágneses tereinek sűrűsége növekszik (15. és 16. ábra) és ennek köszönhetően megnőnek a fotont összenyomó mágneses erők, amelyeket mindig a fotonra ható centrifugális tehetetlenségi erők egyensúlyoznak ki. ezeknek a mezőknek a tömegközéppontjai. Ez a foton sugarának csökkenéséhez vezet, amely mindig megegyezik a hullámhosszával. De mivel a Planck-állandó kifejezésében a sugár négyzetes, ezért a Planck-állandó (239) állandóságának fenntartásához a fotonoszcillációk gyakoriságának növekednie kell. Emiatt a foton tömegének enyhe változása automatikusan megváltoztatja annak sugarát és frekvenciáját, így a szögimpulzus (Planck-állandó) állandó marad.

Így minden frekvenciájú foton, miközben megtartja mágneses szerkezetét, megváltoztatja tömegét, frekvenciáját és sugarát úgy, hogy . Vagyis ennek a változásnak az elve az irányadó a szögimpulzus megmaradásának törvénye.

Ha felteszed a kérdést: miért mozognak minden frekvenciájú foton azonos sebességgel vákuumban? Ekkor a következő választ kapjuk. Mivel a foton tömegének és sugarának változását a fotonok lokalizációjának törvénye szabályozza oly módon, hogy a foton tömegének növekedésével a sugara csökken és fordítva.

Ezután a Planck-állandó állandóságának fenntartásához a sugár csökkenésével a frekvenciának arányosan növekednie kell. Ennek eredményeként szorzatuk állandó és egyenlő marad. Ebben az esetben a foton tömegközéppont sebessége (20. ábra, a) úgy változik a hullámhossz-intervallumban, hogy annak átlagértéke állandó és egyenlő marad, és nem vesz fel nulla értéket (20. ábra, a) ).

Így a Planck-állandó állandóságát a klasszikus fizika (vagy inkább a klasszikus mechanika) egyik legalapvetőbb törvénye – a szögimpulzus megmaradásának törvénye – szabályozza. Ez egy tiszta klasszikus mechanikai törvény, és nem valamiféle misztikus kanti cselekvés, ahogyan azt korábban hitték. Ezért a Planck-állandó megjelenése a fekete test sugárzásának törvényének matematikai modelljében nem ad alapot annak állítására, hogy a klasszikus fizika képtelen leírni ennek a testnek a sugárzási folyamatát. Éppen ellenkezőleg, a klasszikus fizika legalapvetőbb törvénye - a szögimpulzus megmaradásának törvénye - pontosan benne van ennek a folyamatnak a leírásában.

Így a fekete test sugárzásának Planck törvénye a klasszikus fizika törvénye, és nincs szükség a „kvantumfizika” fogalmának bevezetésére. A Planck-képletnek (239) is létezik egy klasszikus származéka. A fotonok szerkezetére vonatkozó korpuszkuláris elképzeléseken alapul. Ezt a következtetést mutatjuk be.

Mivel a fekete test sugárzása fotonok összessége, amelyek mindegyikének csak mozgási energiája van, be kell vezetnünk a foton mozgási energiáját és a kibocsátott fotonok gyűjteményének hőenergiáját a Maxwell-eloszlási törvény matematikai modelljébe.

. (240)

Ezután figyelembe kell vennünk, hogy a fotonokat az atomok elektronjai bocsátják ki energiaátmeneteik során. Minden elektron képes egy sor átmenetet végrehajtani az energiaszintek között, és különböző energiájú fotonokat bocsát ki. Ezért a kibocsátott fotonok térfogati energiasűrűségének teljes eloszlása olyan eloszlások összegéből áll majd, amelyek figyelembe veszik az összes energiaszintű fotonok energiáit. A fentiek figyelembevételével a Maxwell-törvény, amely figyelembe veszi a fotonenergiák eloszlását az atom összes energiaszintjén, a következőképpen lesz felírva:

ahol a fő kvantumszám, amely meghatározza az elektron energiaszintjének számát az atomban.

Ismeretes, hogy a (241) sorozat összege egyenlő

. (242)

A (242) képlet jobb oldalát megszorozva a Planck-állandóval és a Rayleigh-Jeans képletből származó (236) együtthatóval olyan eredményt kapunk, amely leírja a fotonsűrűség változásának mintázatát egy fekete test üregében. (119. ábra, a) a fotonok frekvenciájából vagy hullámhosszukból ( 119. ábra, b)

. (243)

Ez a fekete test sugárzásának törvénye (243), amelyet Max Planck kapott 1901-ben. A (243) kifejezés némileg eltér a (242) kifejezéstől az együtthatóval, amely, ahogy korábban hittük, figyelembe veszi a fekete test elektromágneses sugárzásának szabadsági fokainak számát. E.V. szerint Shpolsky értéke az elektromágneses sugárzás hullámainak természetétől függ, és változhat. A megfogalmazott elképzelések keretein belül azonban a változó együttható

(244)

jellemzi a fotonok sűrűségét egy fekete test üregében. Ennek az együtthatónak az állandó komponensének pontosabb értéke kísérletileg meghatározható.

Így levezettük a fekete test sugárzásának törvényét (243), tiszta klasszikus elképzelések és fogalmak alapján, és úgy látjuk, hogy nincs okunk azt hinni, hogy ez a törvény ellentmond a klasszikus fizikának. Éppen ellenkezőleg, ez e fizika törvényeinek következménye. A fekete test sugárzásának Planck-törvényének (238) matematikai modelljének minden összetevője elnyerte a régóta fennálló tiszta klasszikus fizikai jelentését.

Különös figyelmet fordítsunk arra, hogy egy teljesen fekete test spektrumában különböző sugarú fotonok (15., 16. és 119. ábra) vannak, és a maximális hőmérsékletek (2000 és 1500 C fok, 119. ábra) alakulnak ki. bizonyos sugarú fotonok halmazával, amelyek értékét a Wien-képlet meglehetősen pontosan meghatározza

. (245)

Például 2000 C-os maximális hőmérséklet sugarú fotonhalmazt alkot

Ezek az infravörös tartomány láthatatlan fotonjai, és azonnal kifogásunk van. A tapasztalat azt mutatja, hogy a 2000 C-os hőmérsékletet a fénytartomány látható fotonjai alkotják. Ez a nézőpont világos példája intuícióink tévedésének. Magyarázzuk meg a lényegét a következő példa segítségével.

Napos fagyos téli nap mínusz 30 fokos hőmérséklettel. Celsius, ropogós hóval a láb alatt. A rengeteg napfény a maximum illúzióját kelti bennünk fény körülvevő fotonok, és készek vagyunk magabiztosan kijelenteni, hogy egy fényfoton átlagos hullámhosszú (pontosabban most átlagos sugarú) fotonok környezetében vagyunk. (2. táblázat). A Wien-törvény (245) azonban kijavít bennünket, bizonyítva, hogy olyan fotonok környezetében vagyunk, amelyek maximális gyűjteményének sugarai (hullámhosszai) megegyeznek (2. táblázat).

Amint látja, intuitív hibánk több mint két nagyságrend. Egy ragyogó napsütéses téli napon, mínusz 30 fokos fagy mellett olyan környezetben vagyunk, ahol maximum nem fény, hanem hullámhosszú (vagy sugarú) infravörös foton található.

Mellékesen megjegyezzük, hogy a fotonok hullámhossza (sugara) 16 nagyságrendnyi intervallumban változik (15., 16. ábra). A legnagyobb sugarakban () vannak a kozmikus mikrohullámú háttér (2. táblázat) fotonjai, amelyek a lehető legkisebb abszolút nullához közeli hőmérsékletet alkotják, a legkisebb () - gamma fotonok (2. táblázat) pedig egyáltalán nem alkotnak hőmérsékletet. A fotonszerkezet kialakulását és viselkedését 7 állandó szabályozza.

A bemutatott információk meggyőznek minket a (245) Wien-képlet érvényességéről, és megtalálhatjuk a fotonok sugarait, amelyek összessége a második hőmérsékleti maximumot (119. ábra, b) alkotja a fekete testüregben (119. ábra, a). ).

. (248)

Mint látható (247 és 248), a hőmérséklet emelkedésével a fotonok sugara, amelyek összessége alkotja a hőmérsékletet, csökken. Ez azt jelenti, hogy az abszolút nullához közeli hőmérsékletet a legnagyobb sugarú fotonok alkotják, és most ezt fogjuk látni (120. ábra).

Rizs. 120: a) az Univerzum egy apró részének fényképe; b) az Univerzum sugárzássűrűségének függése a hullámhossztól: elméleti – vékony vonal; kísérleti – vastag vonal

Úgy gondolták, hogy a Wien-féle képlet (245) csak zárt rendszerekre érvényes (119. ábra, a). Most azonban látni fogjuk, hogy ideális esetben nemcsak egy abszolút fekete test sugárzását írja le (119. ábra, a), mint zárt rendszert, hanem az Univerzumot is – egy abszolút nyitott rendszert (120. ábra, a).

Az Univerzum sugárzássűrűségének elméleti függősége (120. ábra, b – vékony vonal) hasonló egy abszolút fekete test sugárzássűrűségének függéséhez (119. ábra, a), amelyet a Planck-képlet (243) ír le.

Az Univerzum maximális sugárzását kísérletileg rögzítették hőmérsékleten (120. ábra, b, A pont), és hullámhossza van. . Wine képlete (245) ugyanezt az eredményt adja

(249)

Ez egyértelmű bizonyítéka annak, hogy a Wien-törvény nemcsak zárt rendszerekre, például abszolút fekete testre (119. ábra, a), hanem abszolút nyitottakra is érvényes, mint például az Univerzumra (120. ábra, a).

Az Univerzum maximális sugárzásának forrásának megtalálásához (120. ábra, b, A és 3. pont) figyeljünk arra, hogy az általunk megfigyelt Univerzum 73 százalékban hidrogénből, 24 százalék héliumból és 3 százalékban nehezebb elemekből áll. . Ez azt jelenti, hogy az Univerzum spektrumát (120. ábra, b) főleg újonnan keletkezett hidrogénatomok által kibocsátott fotonok alkotják. Ismeretes az is, hogy a hidrogénatomok születésével együtt jár az a folyamat, amikor egy elektron közelebb kerül a protonhoz, melynek eredményeként az elektron fotonokat bocsát ki.

A hullámhossz elméleti értékének egybeesése (120. ábra, b, 3. pont) a kísérleti értékével (120. ábra b, A pont), bizonyítja a (245) Wien-képlet helyességét az Univerzum sugárzási spektrumának elemzésére.

Hullámhosszú fotonok van energiája

Az energia egy elektron kötési energiájának felel meg egy protonnal abban a pillanatban, amikor az a 108. energiaszinten van. Ez egyenlő az elektron által a protonnal való érintkezés és a hidrogénatom keletkezésének pillanatában kibocsátott foton energiájával.

Az elektronnak a protonhoz való közelítése lépésenkénti folyamat. A magas hőmérsékletű környezetből az alacsonyabb hőmérsékletű környezetbe való együttes átmenet során, vagy egyszerűbben a csillagoktól távolodva fordul elő. Az elektron közeledése a protonhoz lépésekben történik. Ebben az átmenetben a kihagyott lépések száma annak a közegnek a hőmérsékleti gradiensétől függ, amelyben a megszületett hidrogénatom mozog. Minél nagyobb a hőmérsékleti gradiens, annál több lépést tud kihagyni az elektron, amikor közeledik egy protonhoz.

Természetesen a hidrogénatomok képződése után megkezdődik a hidrogénmolekulák képződési fázisa, amelynek szintén maximális sugárzással kell rendelkeznie. Ismeretes, hogy az atomi hidrogén a hőmérséklet-tartományban molekuláris hidrogénné alakul.

A hidrogénatomok elektronjai által kibocsátott fotonok sugara a molekula kialakulása során a következő tartományban változik:

; (251)

, (252)

megfelel a fotonhullámhosszak intervallumának, amelyek maximumot alkotnak a C pont területén (120. ábra, b).

Így okunk van azt hinni, hogy az Univerzum C pontnak megfelelő maximális sugárzását (120. ábra) a hidrogénatomok és -molekulák szintézise során az elektronok által kibocsátott fotonok alkotják.

Ezzel azonban nem érnek véget a hidrogén fázisátalakulási folyamatok. Molekulái a csillagoktól távolodva egy egymást követő hőmérséklet-csökkenési zónán haladnak át, melynek minimális értéke T = 2,726 K. Ebből következik, hogy a hidrogénmolekulák egy hőmérsékleti zónán haladnak át, ahol cseppfolyósodnak. Ismert és egyenlő. Ezért van okunk azt hinni, hogy az Univerzumból egy másik sugárzási maximumnak kell megfelelnie ennek a hőmérsékletnek. Az ezt a maximumot alkotó fotonok hullámhossza egyenlő

. (253)

Ez az eredmény majdnem teljesen egybeesik a 2. ábrán látható maximummal. 120, és bizonyítja, hogy az Univerzum sugárzási spektruma a hidrogén atomjainak és molekuláinak szintézisének folyamataiból, valamint a hidrogénmolekulák cseppfolyósításából jön létre. Ezek a folyamatok folyamatosan zajlanak, és semmi közük a fiktív ősrobbanáshoz.

Mint látható (246 - 253), Wien (245) képlete nem csak zárt rendszerekre, például egy abszolút fekete test üregére (119. ábra, a), hanem nyitott rendszerekre is érvényes, mint például az Univerzum.

A komplementaritás elve könnyen elképzelhető a fizetés törvényeként, amelyet fentebb már tárgyaltunk (1-2. fejezet): két vagy több egymással összefüggő mennyiség egyikének növekedését egy másik mennyiség (más mennyiségek) csökkenésével kell megfizetni. ).

A törvény relevanciája rendkívül nagy az emberi kapcsolatok terén, de gyökerei láthatóan mélyebben, világunk alapjaiban gyökereznek. Az ókor óta ismert kar, ék és szíjtárcsa egyszerű alapelvei elméletileg lehetővé teszik az emberi kéz erejének, az ütközőerőnek és a motortárcsára ható erőnek végtelenül növelését. Az a javaslat, hogy „fejjel lefelé fordítsák a földgömböt”, ha találnak megfelelő támaszpontot, nem Arkhimédész dicsekedése vagy őrült fantáziája volt. A nagy feltaláló csak azt felejtette el kiszámítani, hogy mekkora (kozmikus) sebességgel kell futnia a kar karját megnyomva, és hány millió évet kell eltöltenie ezzel a tevékenységgel, hogy a Földet minimálisan mozgassa. észrevehető mennyiség. Valószínűleg csak a fizetés törvénye tette lehetővé, hogy a bioszféra évmilliárdokon keresztül elfogadható keretek között tartsa a legfontosabb paramétereket. Ellenkező esetben néhány amőba Arkhimédésznek képzelheti magát, és valami helyrehozhatatlan dolgot tehet a Földdel. A pusztító Yang minden betörését azonnal, késedelem nélkül ellensúlyozzák - ilyen vagy olyan formában - a Yin megőrzésével. Az idő és a tér (távolság) gyakori pénznem ebben a kereskedelemben.
Az egyetemes gravitáció törvénye szerint két mi és m2 tömeg F vonzási erejét a súlypontjaik közötti R távolság második hatványa fizeti meg: F = ym^/R2, ahol y a gravitációs állandó. A további típus függése nyilvánvalóbbá válik, ha az egyenletet átírjuk a következő alakba: FR2 = y rm2. Ha a kölcsönhatásban lévő tömegek nagysága nem változik, akkor a vonzási erő növekedését a távolság csökkenésével, a távolság növekedését pedig az erő csökkenésével kell fizetni. A második további pár két kölcsönhatásban lévő tömegből áll. Ha az erőt és a távolságot változatlanul hagyjuk, akkor a tömegváltozást a második tömeg ellentétes változása fizeti meg. A mennyiségek kölcsönös „felelőssége” hasonló, ha az elektromos töltések Coulomb-kölcsönhatásáról van szó: FR2 = Kqtq2, ahol k az arányossági együttható.
A Nap és hasonló csillagok belsejében a nyomás és a középponttól való távolság négyzetének szorzata állandó érték: PR2 = N, ami ismét egy további típusú függéshez vezet.
A fényforrástól mért, szintén négyzetes távolság a sík felület E megvilágítási értékének további változójaként ellentétes: ER2 = 1 cosa, ahol 1 a fényerősség, a a felület normálja és a fényforrás közötti szög. hullámterjedés iránya.
A távolságindex második foka az euklideszi tér geometriájának természetes következménye. Az energia térben való szétszóródása csökkenti az energiamező intenzitását, ugyanakkor nagyobb felületet fed le. A felület a labda felületének egy szegmensének területével növekszik, vagyis arányos a távolság második hatványával.
További példák a fizikai mennyiségek komplementaritására.
Ha az A és B pont távolságát állandónak állítjuk be, akkor az S = vt mozgás alapegyenlete az y sebességet és a t időt fordítottan függő mennyiségek helyzetébe hozza.
A tömeg a gyorsulás reciproka, amikor ugyanaz az erő hat különböző testekre: F == ta.
Az E kinetikus energia képlete további összefüggéseket mutat be az m mozgó tömeg és a v sebesség között: 2E = mv2. A pár egyértelműen egyenlőtlen, a sebesség 2-es kitevővel lép be, ami azonban nem sérti az inverz függőség elvét. De a tüzérségi darabok tervezője számára ez nem közömbös. Nyilvánvaló, hogy jövedelmezőbb a lövedék páncéltörő erejét az anális sebesség növelésével növelni, mint a lövedék nehezebbé tételével.
A három változó: az I áram, az R ellenállás és az V áramkör feszültsége (Ohm törvénye) állandó feszültség mellett az első és a második mennyiség közötti komplementaritási összefüggést mutatja: V = IR.
Az ideális gáz állapotegyenlete (Clapeyron-Mendeleev egyenlet) a gravitációhoz hasonlóan két további párat kapcsol össze: pV = m/p RT. Itt p a gáznyomás, V a térfogat, m/p a gáz mennyisége moláris egységekben kifejezve, T a hőmérséklet, R a gázállandó. Az adiabatikus folyamatban a gáz tömegét állandónak tételezzük fel, és nem történik hőcsere a közeggel, de mindhárom szabad változó, a térfogat, a nyomás és a hőmérséklet változik. A nyári napsütés által felmelegített levegő felemelkedik, hőmérséklete és nyomása csökken, de térfogata megnő. A kísérletekben lehetőség van állandó hőmérséklet fenntartására (izoterm folyamat), ekkor a Boyle-Mariotte törvény szerint a térfogat és a nyomás további mennyiségekké válik. Állandó térfogat és nyomás feltételét is beállíthatjuk, ekkor a gáz mennyisége és hőmérséklete ellentétes összefüggésben lesz. Ez a függőség azonban nem keltett nagy érdeklődést a fizikusok körében, és nem kapta meg a saját nevét.
Korábban már említettük, hogy az „élettelen” természet nem csak páros, hanem többszörös komplementaritásra is példát mutat, itt a potenciális energiáról volt szó. Itt van egy hasonló eset. Amikor egy elektromos töltés mágneses térben mozog, pályáját az F Lorentz-erő a töltés mozgására és a mágneses tér indukciójára merőleges síkban téríti el, követve a szabályt: F = qvB. Az egyenlet jobb oldalán lévő változók egymás után jelölik a töltést, a sebességet és a mágneses indukciót, három egymást kiegészítő mennyiséget.
Továbbra is szaporíthatunk példákat a komplementaritási összefüggésekre, amelyek a szilárd testek, folyadékok és gázok mechanikájában, a termodinamikában, elektrodinamikában, optikában és a fizika más ágaiban nyilvánulnak meg. Úgy tűnik, hogy a komplementaritás elvének nincsenek határai az „élettelen” világban.
Mindez csodálatos lenne, ha nem hirdettük volna előre, hogy a mennyiségek komplementer viszonyban állnak, amelyek közül az egyik kissé férfias, a másik kissé nőies. Úgy tűnik, nincs hely a harmadiknak. Persze a tudományos-fantasztikus íróknak nem nehéz olyan családot kitalálni, ahol három-öt szülő van: apa, apa, naná,... anya. Anya és apa között egy egész sor köztes lény van köztes tulajdonságokkal. Kiderült, hogy a sci-fi írók nem fedeznek fel itt semmi szokatlant. A valódi tárgyak, rendszerek aszerint tudnak „sorba” sorakozni, hogy milyen mértékben mutatják meg a mobilitás és a konzervativizmus tulajdonságait.
Az általános szabály az, hogy a legtöbb interakcióban lehet találni egy aktív, aktív princípiumot, amely leginkább jogosan állítja, hogy a férfi Yang, és egy passzív, inert vagy akár ellentétes, a női Yin szellemében. Ahol az erő, a sebesség, a gyorsulás, az elektromos töltés, az áram, a hőmérséklet, a nyomás paraméterei vesznek részt a kölcsönhatásban, azok minden mozgás okából - energiából - származnak, és a hatás funkcióját látják el. A velük szemben álló változók - távolság, tömeg, elektromos ellenállás, térfogat - önmagukban nem okozzák a mozgást, ellenkezőleg, a fékezési és energiaeloszlási folyamatokat tükrözik térben és időben. Akcióellenes funkciót hajt végre.
Bonyolultabb a helyzet a többszörös komplementaritás példáinak megfejtésekor, mint például a mágneses indukció esetében. A változók háromszöget alkotnak: töltés - töltési sebesség - indukció érték. A legenergetikusabb „szögnek” a töltés nagyságát kell tekinteni, amely meghatározza az elektromos tér feszültségét. A mágneses indukció egy passzív elv, amely legkorábban nyilvánul meg, amikor egy mozgó elektromos mező megjelenik a mágneses térben. Ez a hármasság inert "szöge". A sebesség paraméter a töltéssel együtt ellenáll az indukciónak, mint energiatényezőnek. De az átvitt elektromosság mennyiségével párosítva a sebesség, a távolságból és időből álló összetett mennyiség, kétségtelenül egy tehetetlen elv vonásait ölti. Amiből rögtön egy fontos következtetés következik: a Yang és a Yin nem olyan tulajdonságok, amelyek egyszer s mindenkorra „rögzültek” a fizikai változók mögé. Helyzetük csak párban, összehasonlításban határozható meg. Az egyik kombinációban egy tulajdonság passzív elvként szolgálhat, a másikban - aktív.
Emlékezzünk: nemcsak a sorozat extrém tagjai a tiszta, száz százalékos Yangtól a tiszta Yinig, hanem mindkét ingatlan köztes tulajdonosai is komplementaritási viszonyokba léphetnek. Sőt, kettőnél több is lehet belőlük ugyanazon állandó tető alatt.
Ebben az esetben hogyan lehet megoldani a változók szétválasztásának problémáját, ha két minőségileg azonos mennyiségről van szó, mint például az egyik tömeg és a másik tömeg, egyet töltenek és kettőt töltenek?
Amikor nem egyenlő nagyságú tömegek lépnek kölcsönhatásba, megjelenik az érvelési alap. Mindkét test egyenlő nagyságú és ellentétes irányú erőket tapasztal. De a fizikai test gyorsulása nem csak az erőtől függ (egyenesen arányos), hanem a test tömegétől is (fordítva arányos). Ezért egy masszív test és egy kis homokszem másképpen reagál a vonzásra: nagy tömeg elmozdulása észrevehetetlen maradhat, míg egy kis tömeg
egyszerűen „ráesik” a partnerére. Megszoktuk, hogy a Holdat a Föld műholdjának tekintjük, nem pedig fordítva. Ez különösen igaz a Földre és az orbitális állomásra, bár elméletileg mindkét test egy közös súlypont körül kering. A megoldás felvetődik: a Yin márkát egy nagyobb, inertebb testhez rendelni. Abban az esetben is, ha a ható erő elektromos vagy mágneses jellegű. Az elektron, mint az atom könnyebb és mozgékonyabb komponense, határozottan igényt tarthat a hím Yang helyzetére a proton - Yin mellett, bár a pozitív és negatív elektromos töltések „tiszta formájukban” azonosak „aktivitásukban”. . Hasonlóképpen a tömegarány szerint megoszlanak a kölcsönös taszító (elektron - kation) részecskék funkciói.
De ha két elektron kölcsönhatásba lép, akkor definíció szerint tömegük egyenlő egymással, tehát nem választhatók szét a „tömegesség” alapján. Itt kénytelenek vagyunk még egy jelentős következtetést levonni: a Yin inert elve és a Yang aktív elve közötti ellentét mennyiségi jellegű. A kölcsönhatásban lévő változók teljes minőségi és mennyiségi azonosságával felcserélhetővé válnak, és továbbra is a skála két oldalaként funkcionálnak. Filozófiailag ez megfelelhet a teljes egyensúly állapotának, a Ba Gua a kínai bölcsesség kánonjaiban, vagy a Sattva Indiában.