Lover for klassisk fysikk. Begreper, lover og prinsipper for klassisk fysikk. Klassisk og kvantefysikk

De dynamiske lovene beskrevet ovenfor er universelle av natur, det vil si at de gjelder for alle objekter som studeres uten unntak. Et særtrekk ved denne typen lover er at spådommene som er oppnådd på grunnlag av dem er pålitelige og entydige. Sammen med dem ble det i naturvitenskapen i midten av forrige århundre formulert lover hvis spådommer ikke er klare, men bare sannsynlige. Disse lovene fikk navnet sitt fra arten av informasjonen som ble brukt til å formulere dem. De ble kalt probabilistiske fordi konklusjonene basert på dem ikke følger logisk fra tilgjengelig informasjon, og derfor ikke er pålitelige og entydige. Siden informasjonen i seg selv er statistisk av natur, kalles slike lover ofte også statistiske, og dette navnet har blitt mye mer utbredt i naturvitenskapen. Ideen om lover av en spesiell type, der sammenhengene mellom mengdene som er inkludert i teorien er tvetydige, ble først introdusert av Maxwell i 1859. Han var den første som forsto det når han vurderte systemer som består av et stort antall partikler , er det nødvendig å stille problemet helt annerledes enn det ble gjort i newtonsk mekanikk. For å gjøre dette introduserte Maxwell i fysikken begrepet sannsynlighet, tidligere utviklet av matematikere i analysen av tilfeldige fenomener, spesielt gambling.

Tallrike fysiske og kjemiske eksperimenter har vist at det i prinsippet er umulig ikke bare å spore endringer i bevegelsesmengden eller posisjonen til ett molekyl over et stort tidsintervall, men også å nøyaktig bestemme bevegelsesmengden og koordinatene til alle molekylene i en gass eller annen makroskopisk kropp på et gitt tidspunkt. Tross alt er antall molekyler eller atomer i en makroskopisk kropp av størrelsesorden 1023. Fra de makroskopiske forholdene som gassen befinner seg i (en viss temperatur, volum, trykk, etc.), visse verdier av momenta og koordinatene til molekylene følger ikke nødvendigvis med. De bør betraktes som tilfeldige variabler som under gitte makroskopiske forhold kan få ulike verdier, akkurat som når man kaster en terning, kan et hvilket som helst antall poeng fra 1 til 6. Det er umulig å forutsi hvilket antall poeng som vil vises i et gitt terningkast. Men sannsynligheten for å rulle, for eksempel 5, kan beregnes. Denne sannsynligheten har en objektiv karakter, siden den uttrykker de objektive relasjonene til virkeligheten, og dens introduksjon skyldes ikke bare vår uvitenhet om detaljene i forløpet til objektive prosesser. Så for en terning er sannsynligheten for å få et hvilket som helst antall poeng fra 1 til 6 1/6, noe som ikke er avhengig av kunnskap om denne prosessen og derfor er et objektivt fenomen. På bakgrunn av mange tilfeldige hendelser avsløres et bestemt mønster, uttrykt med et tall. Dette tallet - sannsynligheten for en hendelse - lar deg bestemme statistiske gjennomsnittsverdier (summen av de individuelle verdiene av alle mengder delt på antallet). Så hvis du kaster en terning 300 ganger, vil gjennomsnittlig antall femmere være lik 300 "L = 50 ganger. Dessuten er det helt likegyldig om du kaster samme terning eller kaster 300 like terninger samtidig. Der er ingen tvil om at oppførselen til gassmolekyler i et fartøy er mye mer kompleks enn den som kastes med terninger.Men også her kan man finne visse kvantitative mønstre som gjør det mulig å beregne statistiske gjennomsnittsverdier, hvis bare problemet stilles i på samme måte som i spillteori, og ikke som i klassisk mekanikk. Det er nødvendig å forlate for eksempel det uløselige problemet med å bestemme den nøyaktige verdien av bevegelsesmengden til et molekyl i et gitt øyeblikk, men å prøve å finne sannsynligheten for en viss verdi av dette momentumet Maxwell klarte å løse dette problemet.Den statistiske loven om fordeling av molekyler over impulser viste seg å være enkel.Men Maxwells viktigste fortjeneste lå ikke i løsningen, men i selve formuleringen av det nye problemet. Han innså tydelig at det tilfeldige i gitt makroskopiske forhold, er oppførselen til individuelle molekyler underlagt en viss sannsynlighet (eller statistisk) lov. Etter impulsen gitt av Maxwell begynte molekylær kinetisk teori (eller statistisk mekanikk, som den senere ble kalt) å utvikle seg raskt. Statistiske lover og teorier har følgende karakteristiske trekk. 1. I statistiske teorier er enhver tilstand et sannsynlighetstrekk ved systemet. Dette betyr at tilstanden i statistiske teorier ikke bestemmes av verdiene til fysiske mengder, men av de statistiske (sannsynlighets)fordelingene av disse mengdene. Dette er en fundamentalt annen egenskap ved staten enn i dynamiske teorier, hvor tilstanden er spesifisert av verdiene til de fysiske størrelsene i seg selv. 2. I statistiske teorier, basert på en kjent starttilstand, er det ikke verdiene til fysiske størrelser i seg selv som er entydig bestemt som et resultat, men sannsynlighetene for disse verdiene innenfor gitte intervaller. På denne måten bestemmes gjennomsnittsverdiene av fysiske mengder entydig. Disse gjennomsnittsverdiene i statistiske teorier spiller samme rolle som de fysiske størrelsene i dynamiske teorier. Å finne gjennomsnittsverdier av fysiske mengder er hovedoppgaven til statistisk teori. De sannsynlige egenskapene til en tilstand i statistiske teorier er forskjellige fra egenskapene til en tilstand i dynamiske teorier. Ikke desto mindre viser de dynamiske og statistiske teoriene, i de mest essensielle henseender, en bemerkelsesverdig enhet. Utviklingen av en tilstand i statistiske teorier er unikt bestemt av bevegelsesligningene, som i dynamiske teorier. Basert på en gitt statistisk fordeling (ved en gitt sannsynlighet) i det innledende tidsøyeblikket, bestemmer bevegelsesligningen unikt den statistiske fordelingen (sannsynligheten) til ethvert påfølgende tidspunkt, hvis energien til interaksjon av partikler med hverandre og med ytre kropper er kjent. Gjennomsnittsverdiene av alle fysiske mengder bestemmes entydig. Det er ingen forskjell her fra dynamiske teorier om resultatenes unike karakter. Tross alt uttrykker statistiske teorier, i likhet med dynamiske, de nødvendige sammenhengene i naturen, og de kan generelt ikke uttrykkes på annen måte enn gjennom en entydig forbindelse av stater. På nivå med statistiske lover og mønstre møter vi også kausalitet. Men determinisme i statistiske lover representerer en dypere form for determinisme i naturen. I motsetning til hard klassisk determinisme kan den kalles sannsynlighetsbestemt (eller moderne) determinisme. Statistiske lover og teorier er en mer avansert form for beskrivelse av fysiske lover; enhver kjent prosess i naturen er mer nøyaktig beskrevet av statistiske lover enn av dynamiske. Den entydige forbindelsen mellom stater i statistiske teorier indikerer deres fellesskap med dynamiske teorier. Forskjellen mellom dem er i én ting - metoden for å registrere (beskrive) tilstanden til systemet. Den sanne, omfattende betydningen av probabilistisk determinisme ble åpenbar etter etableringen av kvantemekanikk - en statistisk teori som beskriver fenomener på en atomskala, det vil si bevegelsen av elementærpartikler og systemer som består av dem (andre statistiske teorier er: den statistiske teorien av ikke-likevektsprosesser, elektronisk teori, kvanteelektrodynamikk). Det moderne fysiske bildet av verden er et system med grunnleggende kunnskap om eksistenslovene til uorganisk materiale, om grunnlaget for integriteten og mangfoldet til naturfenomener. Moderne fysikk går ut fra en rekke grunnleggende premisser: - for det første anerkjenner den den fysiske verdenens objektive eksistens, men nekter synlighet; lovene i moderne fysikk er ikke alltid demonstrative, i noen tilfeller er deres visuelle bekreftelse - erfaring - rett og slett umulig; - for det andre hevder moderne fysikk eksistensen av tre kvalitativt forskjellige strukturelle nivåer av materie: megaverdenen - verden av kosmiske objekter og systemer; makroverden - verden av makroskopiske kropper, den kjente verden av vår empiriske erfaring; mikroverden - verden av mikroobjekter, molekyler, atomer, elementærpartikler, etc. Klassisk fysikk studerte metodene for interaksjon og struktur av makroskopiske kropper; lovene til klassisk mekanikk beskriver prosessene i makrokosmos. Moderne fysikk (kvante) er engasjert i studiet av mikroverdenen; følgelig beskriver kvantemekanikkens lover oppførselen til mikropartikler. Megaworld er emnet for astronomi og kosmologi, som er basert på hypoteser, ideer og prinsipper for ikke-klassisk (relativistisk og kvante) fysikk; - for det tredje hevder ikke-klassisk fysikk avhengigheten av beskrivelsen av atferden til fysiske objekter på observasjonsforhold, dvs. fra personen som kjenner disse prosessene (komplementaritetsprinsippet);

For det fjerde anerkjenner moderne fysikk eksistensen av begrensninger på beskrivelsen av tilstanden til et objekt (usikkerhetsprinsippet); - For det femte forlater relativistisk fysikk modellene og prinsippene for mekanistisk determinisme, formulert i klassisk filosofi og forutsetter evnen til å beskrive verdens tilstand til enhver tid, basert på kunnskap om startforholdene. Prosesser i mikroverdenen er beskrevet av statistiske lover, og spådommer i kvantefysikk er sannsynlige i naturen. Til tross for alle forskjellene, studerer moderne fysikk, som klassisk mekanikk, naturens eksistenslover. Loven forstås som en objektiv, nødvendig, universell, repeterende og vesentlig sammenheng mellom fenomener og hendelser. Enhver lov har et begrenset omfang. Dette er sant fra moderne naturvitenskaps synspunkt, men er det sant "fra evighetens synspunkt?" Tross alt hviler en vitenskapelig teori på et visst begrenset spekter av fakta. Samtidig hevder den universelle teorien å beskrive et uendelig antall eksperimentelle situasjoner til enhver tid og i alle områder av verden. Selv en så enkel empirisk lov som utsagnet: "alle kropper utvider seg når de varmes opp" bør dekke ikke bare de objektene som er til disposisjon for forskeren, men også alle andre makroobjekter. Det samme, men i enda større grad, gjelder for slike grunnleggende lover som mekanikkens lover eller Maxwells ligninger. Og i så fall kan det aldri være tillit til teoriens universelle sannhet. Hvis det er umulig å "bevise" den universelle sannheten til en teori, selv om du har til din disposisjon et vilkårlig stort antall eksperimentelle fakta som bekrefter den, så for å bevise at en teori ikke er universalitet, kan bare ett faktum som motsier den Vær nok!

Basert på hele kunnskapsutviklingen på 1900-tallet. og på grunnlag av de velkjente leninistiske påstandene om sannhetens absolutthet og relativitet, kan følgende tese fremsettes: enhver teori som i prinsippet kan tilbakevises av erfaring (falsifiserbar) kan ikke bare tilbakevises, men før eller senere er faktisk tilbakevist i løpet av utviklingen av vitenskapelig kunnskap. Mer presist avsløres det begrensede omfanget av anvendelighet, det vil si ikke-universaliteten til denne teorien. Som den berømte amerikanske fysikeren David Bohm skriver, hvis en teori "stikker hodet ut", vil den før eller siden bli kuttet av. Det samme kan sies om rom-tid-postulater. Hvis det er mulig å indikere en imaginær eksperimentell situasjon der en eller annen egenskap ved rom-tid er fraværende, vil en dag ikke-universaliteten til denne egenskapen bli oppdaget i et virkelig eksperiment. Vi kan teoretisk forestille oss verdener der rommet er flerdimensjonalt, tiden har motsatt retning (i forhold til vår), osv. Vi kan også indikere hvordan eksperimenter i disse antatte situasjonene vil skille seg fra våre vanlige eksperimenter. Selvfølgelig er løsningen på problemet som presenteres for generell, siden den bare er riktig "fra evighetens synspunkt." Det er mulig at ikke-universaliteten til egenskapene til tid og rom som er kjent for oss, vil bli avslørt bare i en fjern fremtid, for eksempel om århundrer eller til og med årtusener. Derfor, i tillegg til det filosofiske, kreves det alltid en spesifikk metodologisk analyse av problemet med universaliteten til en bestemt egenskap, basert på det fysiske bildet av verden og moderne fysiske teorier. Det er nødvendig å introdusere ideen om "metodologisk universelle" prinsipper som er inkludert i det moderne fysiske bildet av verden og i alle fysiske teorier bygget på dets grunnlag.

Så vi kan trekke følgende konklusjon. Som kunnskapsutviklingen viser, har eventuelle spesifikke vitenskapelige prinsipper og teorier et begrenset anvendelsesområde og blir før eller siden erstattet av andre, mer generelle og adekvate. I denne forbindelse kan en endelig fysisk teori eller et endelig bilde av verden ikke skapes, fordi ett bilde av verden i fysikkens historie erstattes av et annet, mer komplett, og så videre i det uendelige. For eksempel er utvidelsen av mekanikkens lover, som rettferdiggjør seg selv innenfor makrokosmos, til nivået av kvanteinteraksjoner uakseptabelt. Prosessene som skjer i mikrokosmos er underlagt andre lover. Lovens manifestasjon avhenger også av de spesifikke forholdene den, denne verden, realiseres under, endrede forhold kan styrke eller tvert imot svekke lovens virkning. Effekten av en lov er justert og modifisert av andre lover. Dynamiske mønstre karakteriserer adferden til isolerte, individuelle objekter og gjør det mulig å etablere en nøyaktig definert sammenheng mellom objektets individuelle tilstander. Med andre ord, dynamiske mønstre gjentas i hvert enkelt tilfelle og har en entydig karakter. For eksempel er dynamiske lover lovene til klassisk mekanikk. Klassisk naturvitenskap absoluttiserte dynamiske lover. Helt korrekte ideer om den gjensidige forbindelsen mellom alle fenomener og hendelser i filosofien på 1600- og 1700-tallet førte til den feilaktige konklusjonen om eksistensen av universell nødvendighet i verden og fraværet av tilfeldigheter. Denne formen for determinisme kalles mekanistisk. Mekanistisk determinisme sier at alle typer relasjoner og interaksjoner er mekaniske og benekter tilfeldighetens objektive natur. For eksempel mente en av tilhengerne av denne typen determinisme, B. Spinoza, at vi kaller et fenomen tilfeldig bare på grunn av manglende kunnskap om det. Konsekvensen av mekanistisk determinisme er fatalisme - læren om den universelle forhåndsbestemmelsen av fenomener og hendelser, som faktisk smelter sammen med troen på guddommelig predestinasjon. Problemet med den mekanistiske determinismens begrensninger ble spesielt tydelig i forbindelse med oppdagelser innen kvantefysikk. Mønstrene for interaksjoner i mikroverdenen viste seg å være umulig å forklare fra synspunktet til prinsippene for mekanistisk determinisme. Til å begynne med førte nye oppdagelser i fysikk til avvisning av determinisme, men senere bidro de til dannelsen av et nytt innhold i dette prinsippet. Mekanistisk determinisme sluttet å være assosiert med determinisme generelt. M. Born skrev: "... at moderne fysikk har avvist kausalitet er fullstendig ubegrunnet." Faktisk har moderne fysikk forkastet eller modifisert mange tradisjonelle ideer; men det ville slutte å være en vitenskap hvis den sluttet å lete etter årsakene til fenomener. Kausalitet blir dermed ikke utstøtt fra postklassisk vitenskap, men ideer om den endres. Konsekvensen av dette er transformasjonen av prinsippet om determinisme og innføringen av begrepet statistiske lover. Statistiske mønstre vises i en rekke fenomener og har form av en trend. Disse lovene kalles ellers probabilistiske, siden de beskriver tilstanden til et enkelt objekt bare med en viss grad av sannsynlighet. Et statistisk mønster oppstår som et resultat av samspillet mellom et stort antall elementer, og karakteriserer derfor deres oppførsel som helhet. Behovet for statistiske mønstre manifesteres gjennom virkningen av mange tilfeldige faktorer. Denne typen lover kalles ellers gjennomsnittslovene. Samtidig er statistiske mønstre, så vel som dynamiske, et uttrykk for determinisme. Eksempler på statistiske lover er kvantemekanikkens lover og lovene som virker i samfunnet og historien. Sannsynlighetsbegrepet, som dukker opp i beskrivelsen av statistiske mønstre, uttrykker graden av mulighet for et fenomen eller en hendelse i et spesifikt sett av forhold. Til tross for at kvantemekanikk skiller seg vesentlig fra klassiske teorier, er strukturen felles for grunnleggende teorier bevart her. Fysiske mengder (koordinater, impulser, energi, vinkelmoment, etc.) forblir generelt de samme som i klassisk mekanikk. Hovedmengden som karakteriserer tilstanden er den komplekse bølgefunksjonen. Når du vet det, kan du beregne sannsynligheten for å oppdage en viss verdi, ikke bare av en koordinat, men også av enhver annen fysisk mengde, så vel som gjennomsnittsverdiene for alle mengder. Den grunnleggende ligningen for ikke-relativistisk kvantemekanikk - Schrödinger-ligningen - bestemmer unikt utviklingen av tilstanden til et system i tid.

Introduksjon

1. Newtons lover

1.1. Treghetslov (Newtons første lov)

1.2 Lov om bevegelse

1.3. Loven om bevaring av momentum (Loven om bevaring av momentum)

1.4. Treghetskrefter

1.5. Viskositetsloven

2.1. Termodynamikkens lover

Tyngdeloven

3.2. Gravitasjonsinteraksjon

3.3. Himmelsk mekanikk

Sterke gravitasjonsfelt

3.5. Moderne klassiske teorier om gravitasjon

Konklusjon

Litteratur

Introduksjon

Fysikkens grunnleggende lover beskriver de viktigste fenomenene i naturen og universet. De gjør det mulig å forklare og til og med forutsi mange fenomener. Ved å stole bare på de grunnleggende lovene i klassisk fysikk (Newtons lover, termodynamikkens lover, etc.), utforsker menneskeheten med suksess verdensrommet og sender romfartøyer til andre planeter.

I dette arbeidet ønsker jeg å ta for meg de viktigste lovene i fysikken og deres relasjoner. De viktigste lovene i klassisk mekanikk er Newtons lover, som er tilstrekkelige til å beskrive fenomener i makrokosmos (uten å ta hensyn til høye verdier av hastighet eller masse, som studeres i GTR - General Relativity Theory, eller SRT - Special Theory av relativitet.)

Newtons lover

Newtons mekanikklover - tre lover som ligger til grunn for den såkalte. klassisk mekanikk. Formulert av I. Newton (1687). Første lov: "Enhver kropp fortsetter å opprettholdes i sin tilstand av hvile eller ensartet og rettlinjet bevegelse inntil og med mindre den blir tvunget av påførte krefter til å endre den tilstanden." Andre lov: "Endringen i momentum er proporsjonal med den påførte drivkraften og skjer i retning av den rette linjen langs hvilken denne kraften virker." Tredje lov: "En handling har alltid en lik og motsatt reaksjon, ellers er interaksjonene mellom to kropper på hverandre like og rettet i motsatte retninger."

1.1. Zako ́ n ine ́ rasjoner (First Law of New ́ toner) : et fritt legeme, som ikke påvirkes av krefter fra andre kropper, er i hviletilstand eller jevn lineær bevegelse (begrepet hastighet her brukes på kroppens massesenter i tilfelle av ikke-translasjonsbevegelser ). Med andre ord er kropper preget av treghet (fra latin treghet - "inaktivitet", "treghet"), det vil si fenomenet å opprettholde hastighet hvis ytre påvirkninger på dem kompenseres.

Referansesystemer der treghetsloven er oppfylt kalles treghetsreferansesystemer (IRS).

Treghetsloven ble først formulert av Galileo Galilei, som etter mange eksperimenter konkluderte med at for at en fri kropp skal bevege seg med konstant hastighet, trengs ingen ytre årsak. Før dette ble et annet synspunkt (tilbake til Aristoteles) generelt akseptert: en fri kropp er i ro, og for å bevege seg med konstant hastighet er det nødvendig å bruke en konstant kraft.

Newton formulerte deretter treghetsloven som den første av hans tre kjente lover.

Galileos relativitetsprinsipp: i alle treghetsreferanserammer foregår alle fysiske prosesser på samme måte. I et referansesystem brakt til hviletilstand eller jevn rettlinjet bevegelse i forhold til et treghetsreferansesystem (konvensjonelt "i hvile"), foregår alle prosesser på nøyaktig samme måte som i et system i hvile.

Det bør bemerkes at konseptet med et treghetsreferansesystem er en abstrakt modell (et bestemt ideelt objekt betraktet i stedet for et reelt objekt. Eksempler på en abstrakt modell er en absolutt stiv kropp eller en vektløs tråd), ekte referansesystemer er alltid assosiert med et eller annet objekt, og samsvaret mellom den faktisk observerte bevegelsen til kropper i slike systemer med beregningsresultatene vil være ufullstendig.

1.2 Lov om bevegelse - en matematisk formulering av hvordan en kropp beveger seg eller hvordan en mer generell type bevegelse oppstår.

I klassisk mekanikk av et materialpunkt representerer bevegelsesloven tre avhengigheter av tre romlige koordinater på tid, eller avhengigheten av en vektormengde (radiusvektor) av tid, av formen

Bevegelsesloven kan finnes, avhengig av problemet, enten fra mekanikkens differensiallover eller fra de integrerte.

Loven om energisparing - den grunnleggende naturloven, som er at energien til et lukket system bevares over tid. Med andre ord, energi kan ikke oppstå fra ingenting og kan ikke forsvinne inn i noe, den kan bare bevege seg fra en form til en annen.

Loven om bevaring av energi finnes i ulike grener av fysikk og manifesterer seg i bevaring av ulike typer energi. For eksempel, i klassisk mekanikk er loven manifestert i bevaring av mekanisk energi (summen av potensielle og kinetiske energier). I termodynamikk kalles loven om bevaring av energi termodynamikkens første lov og snakker om bevaring av energi i tillegg til termisk energi.

Siden loven om bevaring av energi ikke gjelder spesifikke mengder og fenomener, men reflekterer et generelt mønster som gjelder overalt og alltid, er det mer riktig å kalle det ikke en lov, men prinsippet om bevaring av energi.

Et spesielt tilfelle er loven om bevaring av mekanisk energi - den mekaniske energien til et konservativt mekanisk system er bevart over tid. Enkelt sagt, i fravær av krefter som friksjon (dissipative krefter), oppstår ikke mekanisk energi fra ingenting og kan ikke forsvinne hvor som helst.

Ek1+Ep1=Ek2+Ep2

Loven om bevaring av energi er en integrert lov. Dette betyr at den består av handlingen av differensielle lover og er en egenskap ved deres kombinerte handling. For eksempel sies det noen ganger at umuligheten av å lage en evighetsmaskin skyldes loven om bevaring av energi. Men det er ikke sant. Faktisk, i hvert evighetsmaskinprosjekt utløses en av differensiallovene, og det er denne som gjør at motoren ikke fungerer. Loven om bevaring av energi generaliserer ganske enkelt dette faktum.

I følge Noethers teorem er loven om bevaring av mekanisk energi en konsekvens av tidens homogenitet.

1.3. Zako ́ n trygt ́ nia og ́ impuls (Zako ́ n trygt ́ nei hvis ́ bevegelseskvalitet) sier at summen av momenta til alle legemer (eller partikler) i et lukket system er en konstant verdi.

Fra Newtons lover kan det vises at når man beveger seg i et tomt rom, blir momentum bevart i tid, og i nærvær av interaksjon bestemmes endringshastigheten av summen av de påførte kreftene. I klassisk mekanikk er loven om bevaring av momentum vanligvis utledet som en konsekvens av Newtons lover. Imidlertid gjelder denne bevaringsloven også i tilfeller der Newtonsk mekanikk ikke er anvendelig (relativistisk fysikk, kvantemekanikk).

Som enhver av bevaringslovene beskriver loven om bevaring av momentum en av de grunnleggende symmetriene - rommets homogenitet

Newtons tredje lov forklarer hva som skjer med to samvirkende kropper. La oss for eksempel ta et lukket system som består av to kropper. Det første legemet kan virke på det andre med en viss kraft F12, og det andre kan virke på det første med en kraft F21. Hvordan er kreftene sammenlignet? Newtons tredje lov sier: aksjonskraften er lik i størrelse og motsatt i retning av reaksjonskraften. La oss understreke at disse kreftene påføres ulike kropper, og derfor ikke kompenseres i det hele tatt.

Selve loven:

Kroppene virker på hverandre med krefter rettet langs samme rette linje, like store og motsatte i retning: .

1.4. Treghetskrefter

Newtons lover er strengt tatt kun gyldige i treghetsreferanserammer. Hvis vi ærlig skriver ned bevegelsesligningen til et legeme i en ikke-treghetsreferanseramme, vil den avvike i utseende fra Newtons andre lov. Men ofte, for å forenkle betraktningen, introduseres en viss fiktiv "treghetskraft", og deretter omskrives disse bevegelsesligningene i en form som ligner veldig på Newtons andre lov. Matematisk er alt her riktig (riktig), men fra et fysikksynspunkt kan ikke den nye fiktive kraften betraktes som noe reelt, som et resultat av en eller annen reell interaksjon. La oss understreke nok en gang: "treghetskraft" er bare en praktisk parameterisering av hvordan bevegelseslovene er forskjellige i treghets- og ikke-treghetsreferansesystemer.

1.5. Viskositetsloven

Newtons viskositetslov (indre friksjon) er et matematisk uttrykk som relaterer den indre friksjonsspenningen τ (viskositeten) og endringen i hastigheten til mediet v i rommet

(tøyningshastighet) for væskelegemer (væsker og gasser):

hvor verdien η kalles koeffisienten for intern friksjon eller dynamisk viskositetskoeffisient (CGS-enhet - poise). Den kinematiske viskositetskoeffisienten er verdien μ = η / ρ (CGS-enheten er Stokes, ρ er tettheten til mediet).

Newtons lov kan oppnås analytisk ved hjelp av metoder for fysisk kinetikk, hvor viskositet vanligvis vurderes samtidig med termisk ledningsevne og den tilsvarende Fourier-loven for termisk ledningsevne. I den kinetiske teorien om gasser beregnes koeffisienten for intern friksjon av formelen

hvor er gjennomsnittshastigheten for termisk bevegelse av molekyler, λ er den gjennomsnittlige frie banen.

2.1. Termodynamikkens lover

Termodynamikk er basert på tre lover, som er formulert på grunnlag av eksperimentelle data og derfor kan aksepteres som postulater.

* Termodynamikkens første lov. Det er en formulering av den generaliserte loven om bevaring av energi for termodynamiske prosesser. I sin enkleste form kan det skrives som δQ = δA + d"U, der dU er den totale differensialen til den indre energien i systemet, og δQ og δA er den elementære varmemengden og det elementære arbeidet som gjøres på systemet hhv. Det må tas i betraktning at δA og δQ ikke kan betraktes som differensialer i denne begrepets vanlige forstand. Fra et synspunkt av kvantebegreper kan denne loven tolkes som følger: dU er endringen i energien til et gitt kvantesystem, δA er endringen i energien til systemet på grunn av endringen i populasjonen av energinivåene i systemet, og δQ er endringen i energien til kvantesystemet på grunn av endringer i energistrukturen nivåer.

* Termodynamikkens andre lov: Termodynamikkens andre lov utelukker muligheten for å lage en evighetsmaskin av den andre typen. Det er flere forskjellige, men samtidig likeverdige, formuleringer av denne loven. 1 - Clausius' postulat. En prosess der ingen annen endring skjer enn overføringen av varme fra en varm kropp til en kald er irreversibel, det vil si at varme ikke kan bevege seg fra en kald kropp til en varm uten andre endringer i systemet. Dette fenomenet kalles energispredning eller spredning. 2 - Kelvins postulat. Prosessen der arbeid omdannes til varme uten andre endringer i systemet er irreversibel, det vil si at det er umulig å konvertere all varmen som tas fra en kilde med jevn temperatur til arbeid uten å gjøre andre endringer i systemet.

* Termodynamikkens tredje lov: Nernsts teorem: Entropien til ethvert system ved absolutt nulltemperatur kan alltid tas lik null

3.1. Tyngdeloven

Tyngdekraften (universell gravitasjon, gravitasjon) (fra latin gravitas - "tyngde") er en langdistanse fundamental interaksjon i naturen, som alle materielle legemer er underlagt. I følge moderne data er det en universell interaksjon i den forstand at den, i motsetning til alle andre krefter, gir den samme akselerasjonen til alle kropper uten unntak, uavhengig av deres masse. Hovedsakelig spiller tyngdekraften en avgjørende rolle på en kosmisk skala. Begrepet gravitasjon brukes også som navnet på grenen av fysikk som studerer gravitasjonsinteraksjoner. Den mest vellykkede moderne fysiske teorien i klassisk fysikk som beskriver gravitasjon er den generelle relativitetsteorien; kvanteteorien om gravitasjonsinteraksjon er ennå ikke konstruert.

3.2. Gravitasjonsinteraksjon

Gravitasjonsinteraksjon er en av de fire grunnleggende interaksjonene i vår verden. Innenfor rammen av klassisk mekanikk er gravitasjonsinteraksjon beskrevet av Newtons lov om universell gravitasjon, som sier at gravitasjonskraften mellom to materielle punkter med masse m1 og m2, atskilt med en avstand R, er

Her er G gravitasjonskonstanten lik m³/(kg s²). Minustegnet betyr at kraften som virker på kroppen alltid er lik i retning av radiusvektoren rettet mot kroppen, dvs. gravitasjonsinteraksjon fører alltid til tiltrekning av noen kropper.

Tyngdekraftsfeltet er potensial. Dette betyr at du kan introdusere den potensielle energien til gravitasjonsattraksjonen til et par kropper, og denne energien vil ikke endre seg etter å ha flyttet kroppene langs en lukket sløyfe. Potensialiteten til gravitasjonsfeltet innebærer loven om bevaring av summen av kinetisk og potensiell energi, og når man studerer bevegelsen til legemer i et gravitasjonsfelt, forenkler det ofte løsningen betydelig. Innenfor rammen av newtonsk mekanikk er gravitasjonsinteraksjonen langdistanse. Dette betyr at uansett hvordan et massivt legeme beveger seg, til enhver tid i rommet avhenger gravitasjonspotensialet kun av kroppens posisjon på et gitt tidspunkt.

Store romobjekter - planeter, stjerner og galakser har enorm masse og skaper derfor betydelige gravitasjonsfelt. Tyngdekraften er den svakeste interaksjonen. Men siden den virker på alle avstander og alle masser er positive, er den likevel en veldig viktig kraft i universet. Til sammenligning: den totale elektriske ladningen til disse kroppene er null, siden stoffet som helhet er elektrisk nøytralt. Også tyngdekraften, i motsetning til andre interaksjoner, er universell i sin effekt på all materie og energi. Ingen gjenstander har blitt oppdaget som ikke har noen gravitasjonsinteraksjon i det hele tatt.

På grunn av sin globale natur er tyngdekraften ansvarlig for slike storskalaeffekter som strukturen til galakser, sorte hull og utvidelsen av universet, og for elementære astronomiske fenomener - planetenes baner, og for enkel tiltrekning til overflaten av Jorden og kroppens fall.

Tyngdekraften var den første interaksjonen beskrevet av matematisk teori. I antikken trodde Aristoteles at gjenstander med ulik masse faller med ulik hastighet. Først mye senere bestemte Galileo Galilei eksperimentelt at dette ikke er tilfelle - hvis luftmotstanden elimineres, akselererer alle kropper likt. Isaac Newtons lov om universell gravitasjon (1687) beskrev tyngdekraftens generelle oppførsel godt. I 1915 skapte Albert Einstein den generelle relativitetsteorien, som mer nøyaktig beskriver tyngdekraften i form av geometrien til rom-tid.

3.3. Himmelmekanikk og noen av dens oppgaver

Grenen av mekanikk som studerer bevegelsen til legemer i tomt rom kun under påvirkning av tyngdekraften kalles himmelmekanikk.

Det enkleste problemet med himmelmekanikk er gravitasjonssamspillet mellom to legemer i tomt rom. Dette problemet løses analytisk til slutt; resultatet av løsningen er ofte formulert i form av Keplers tre lover.

Etter hvert som antallet samvirkende kropper øker, blir oppgaven dramatisk mer komplisert. Dermed kan det allerede berømte tre-legeme-problemet (det vil si bevegelsen til tre legemer med ikke-null-masser) ikke løses analytisk i en generell form. Med en numerisk løsning oppstår ustabilitet av løsningene i forhold til startforholdene ganske raskt. Når den brukes på solsystemet, gjør denne ustabiliteten det umulig å forutsi bevegelsen til planeter på skalaer som overstiger hundre millioner år.

I noen spesielle tilfeller er det mulig å finne en omtrentlig løsning. Det viktigste tilfellet er når massen til en kropp er betydelig større enn massen til andre kropper (eksempler: solsystemet og dynamikken til ringene til Saturn). I dette tilfellet, som en første tilnærming, kan vi anta at lyslegemer ikke samhandler med hverandre og beveger seg langs Keplerske baner rundt den massive kroppen. Samspillet mellom dem kan tas i betraktning innenfor rammen av perturbasjonsteori og gjennomsnittlig over tid. I dette tilfellet kan det oppstå ikke-trivielle fenomener, som resonanser, attraktorer, kaos osv. Et tydelig eksempel på slike fenomener er den ikke-trivielle strukturen til Saturns ringer.

Til tross for forsøk på å beskrive oppførselen til et system med et stort antall tiltrekkende kropper med omtrent samme masse, kan dette ikke gjøres på grunn av fenomenet dynamisk kaos.

3.4. Sterke gravitasjonsfelt

I sterke gravitasjonsfelt, når du beveger deg med relativistiske hastigheter, begynner effekten av generell relativitet å vises:

Avvik av tyngdeloven fra Newtons;

Forsinkelse av potensialer assosiert med den endelige forplantningshastigheten av gravitasjonsforstyrrelser; utseendet til gravitasjonsbølger;

Ikke-linearitetseffekter: gravitasjonsbølger har en tendens til å samhandle med hverandre, så prinsippet om superposisjon av bølger i sterke felt holder ikke lenger;

Endre geometrien til rom-tid;

Fremveksten av sorte hull;

3.5. Moderne klassiske teorier om gravitasjon

På grunn av det faktum at kvanteeffekter av gravitasjon er ekstremt små selv under de mest ekstreme eksperimentelle og observasjonsforhold, er det fortsatt ingen pålitelige observasjoner av dem. Teoretiske estimater viser at man i de aller fleste tilfeller kan begrense seg til den klassiske beskrivelsen av gravitasjonsinteraksjon.

Det finnes en moderne kanonisk klassisk gravitasjonsteori – den generelle relativitetsteorien, og mange klargjørende hypoteser og teorier om ulik utviklingsgrad, som konkurrerer med hverandre (se artikkelen Alternative gravitasjonsteorier). Alle disse teoriene gir svært like spådommer innenfor den tilnærmingen som eksperimentelle tester for tiden utføres i. Følgende er flere grunnleggende, mest velutviklede eller kjente teorier om gravitasjon.

Newtons gravitasjonsteori er basert på begrepet gravitasjon, som er en langdistansekraft: den virker øyeblikkelig uansett avstand. Denne øyeblikkelige karakteren av handlingen er uforenlig med feltparadigmet til moderne fysikk og spesielt med den spesielle relativitetsteorien, opprettet i 1905 av Einstein, inspirert av arbeidet til Poincaré og Lorentz. I Einsteins teori kan ingen informasjon reise raskere enn lysets hastighet i et vakuum.

Matematisk er Newtons gravitasjonskraft utledet fra den potensielle energien til et legeme i et gravitasjonsfelt. Gravitasjonspotensialet som tilsvarer denne potensielle energien adlyder Poisson-ligningen, som ikke er invariant under Lorentz-transformasjoner. Grunnen til ikke-invariansen er at energi i den spesielle relativitetsteorien ikke er en skalar størrelse, men går inn i tidskomponenten til 4-vektoren. Vektorteorien om tyngdekraft viser seg å være lik Maxwells teori om det elektromagnetiske feltet og fører til negativ energi av gravitasjonsbølger, som er assosiert med arten av interaksjonen: som ladninger (masse) i tyngdekraften tiltrekker seg og frastøter ikke, som i elektromagnetisme. Dermed er Newtons gravitasjonsteori uforenlig med det grunnleggende prinsippet i den spesielle relativitetsteorien – invariansen av naturlovene i enhver treghetsreferanseramme, og den direkte vektorgeneraliseringen av Newtons teori, først foreslått av Poincaré i 1905 i hans teori. arbeid «On the Dynamics of the Electron» fører til fysisk utilfredsstillende resultater .

Einstein begynte å lete etter en teori om tyngdekraften som ville være forenlig med prinsippet om invarians av naturlovene i forhold til enhver referanseramme. Resultatet av dette søket var den generelle relativitetsteorien, basert på prinsippet om identiteten til gravitasjons- og treghetsmasse.

Prinsippet om likhet mellom gravitasjons- og treghetsmasser

I klassisk newtonsk mekanikk er det to begreper om masse: det første refererer til Newtons andre lov, og det andre til loven om universell gravitasjon. Den første massen - treghet (eller treghet) - er forholdet mellom ikke-gravitasjonskraften som virker på kroppen og akselerasjonen. Den andre massen - gravitasjon (eller, som den noen ganger kalles, tung) - bestemmer tiltrekningskraften til en kropp av andre kropper og dens egen tiltrekningskraft. Generelt sett måles disse to massene, som det fremgår av beskrivelsen, i ulike forsøk, og trenger derfor ikke være proporsjonale med hverandre i det hele tatt. Deres strenge proporsjonalitet tillater oss å snakke om en enkelt kroppsmasse i både ikke-gravitasjons- og gravitasjonsinteraksjoner. Ved et passende valg av enheter kan disse massene gjøres like med hverandre.

Selve prinsippet ble fremsatt av Isaac Newton, og masselikheten ble verifisert av ham eksperimentelt med en relativ nøyaktighet på 10−3. På slutten av 1800-tallet utførte Eötvös mer subtile eksperimenter, og brakte nøyaktigheten av å teste prinsippet til 10−9. I løpet av 1900-tallet gjorde eksperimentell teknologi det mulig å bekrefte masselikheten med en relativ nøyaktighet på 10−12-10−13 (Braginsky, Dicke, etc.).

Noen ganger kalles prinsippet om likhet mellom gravitasjons- og treghetsmasser det svake ekvivalensprinsippet. Albert Einstein baserte den på den generelle relativitetsteorien.

Prinsippet om bevegelse langs geodetiske linjer

Hvis gravitasjonsmassen er nøyaktig lik treghetsmassen, så kansellerer begge massene i uttrykket for akselerasjonen til et legeme som bare gravitasjonskrefter virker på. Derfor er akselerasjonen til en kropp, og følgelig dens bane, ikke avhengig av kroppens masse og indre struktur. Hvis alle legemer på samme punkt i rommet mottar samme akselerasjon, kan denne akselerasjonen ikke assosieres med egenskapene til legemene, men med egenskapene til selve rommet på dette punktet.

Dermed kan beskrivelsen av gravitasjonsinteraksjon mellom legemer reduseres til en beskrivelse av rom-tid som legemer beveger seg i. Det er naturlig å anta, slik Einstein gjorde, at legemer beveger seg ved treghet, det vil si på en slik måte at deres akselerasjon i deres egen referanseramme er null. Banene til kroppene vil da være geodesiske linjer, teorien om disse ble utviklet av matematikere tilbake på 1800-tallet.

Selve de geodesiske linjene kan finnes ved å spesifisere i rom-tid en analog av avstanden mellom to hendelser, tradisjonelt kalt et intervall eller en verdensfunksjon. Et intervall i tredimensjonalt rom og endimensjonal tid (med andre ord i firedimensjonal romtid) er gitt av 10 uavhengige komponenter av den metriske tensoren. Disse 10 tallene danner metrikken for rom. Den definerer "avstanden" mellom to uendelig nære punkter i rom-tid i forskjellige retninger. Geodesiske linjer som tilsvarer verdenslinjene til fysiske kropper hvis hastighet er mindre enn lysets hastighet, viser seg å være linjer med størst riktig tid, det vil si tid målt av en klokke som er stivt festet til kroppen som følger denne banen.

Moderne eksperimenter bekrefter bevegelsen av legemer langs geodetiske linjer med samme nøyaktighet som likheten mellom gravitasjons- og treghetsmasser.

Konklusjon

Noen interessante konklusjoner følger umiddelbart av Newtons lover. Dermed sier Newtons tredje lov at uansett hvordan kropper samhandler, kan de ikke endre deres totale momentum: loven om bevaring av momentum oppstår. Deretter må vi kreve at vekselvirkningspotensialet til to legemer kun avhenger av modulen til forskjellen i koordinatene til disse legene U(|r1-r2|). Da oppstår loven om bevaring av den totale mekaniske energien til samvirkende kropper:

Newtons lover er mekanikkens grunnleggende lover. Alle andre mekanikklover kan utledes fra dem.

Samtidig er ikke Newtons lover det dypeste formuleringsnivået i klassisk mekanikk. Innenfor rammen av lagrangiansk mekanikk er det én enkelt formel (en registrering av mekanisk handling) og ett enkelt postulat (kropper beveger seg slik at handlingen er minimal), og fra dette kan alle Newtons lover utledes. Innenfor rammen av den lagrangske formalismen kan man dessuten lett vurdere hypotetiske situasjoner der handlingen har en annen form. I dette tilfellet vil bevegelsesligningene ikke lenger være lik Newtons lover, men klassisk mekanikk i seg selv vil fortsatt være anvendelig ...

Løse bevegelsesligninger

Ligningen F = ma (det vil si Newtons andre lov) er en differensialligning: akselerasjon er den andre deriverte av koordinaten i forhold til tid. Dette betyr at utviklingen av et mekanisk system i tid kan bestemmes utvetydig hvis dets startkoordinater og starthastigheter er spesifisert. Legg merke til at hvis ligningene som beskriver vår verden var førsteordens ligninger, ville slike fenomener som treghet, svingninger og bølger forsvinne fra vår verden.

Studiet av fysikkens grunnleggende lover bekrefter at vitenskapen utvikler seg gradvis: hvert trinn, hver åpen lov er et stadium i utviklingen, men gir ikke endelige svar på alle spørsmål.

Litteratur:

Great Soviet Encyclopedia (Newtons Laws of Mechanics og andre artikler), 1977, "Sovjet Encyclopedia"
Online leksikon www.wikipedia.com

3. Bibliotek “Detlaf A.A., Yavorsky B.M., Milkovskaya L.B. - Fysikkkurs (bind 1). Mekanikk. Grunnleggende om molekylær fysikk og termodynamikk

Federal Agency for Education

GOU VPO Rybinsk State Aviation Academy oppkalt etter. P.A. Solovyova

Institutt for "Generell og teknisk fysikk"

ABSTRAKT

I disiplinen "Concepts of moderne naturvitenskap"

Emne: «Fysikkens grunnleggende lover»

Gruppe ZKS-07

Student Balshin A.N.

Lærer: Vasilyuk O.V.

Det er kjent at på slutten av 1800-tallet ble det kunngjort at lovene i klassisk fysikk fungerer med suksess bare i makroverdenen, mens andre jobber i mikroverdenen - kvantelover. Dette synspunktet var dominerende gjennom det tjuende århundre. Og nå, når vi på grunnlag av den klassiske fysikkens lover har identifisert modeller av fotonet, elektronet, protonet, nøytronet og prinsippene for dannelsen av kjerner, atomer og molekyler, oppstår spørsmålet: gjorde fortidens fysikere generasjoner gjør en feil ved å begrave den klassiske fysikkens evne til å løse problemer i mikroverdenen? For å svare på dette spørsmålet, la oss nøye analysere opprinnelsen til mistillit i klassisk fysikk når vi søker etter en akseptabel tolkning av eksperimentell informasjon om svart kroppsstråling (fig. 103).

Det hele startet med etableringen av loven om svart kroppsstråling (fig. 103). Utledningen av den matematiske modellen av denne loven, utført av Max Planck på begynnelsen av det tjuende århundre, var basert på konsepter og ideer som ble antatt å være i strid med den klassiske fysikkens lover.

Ris. 103. Grafisk modell av en helt svart kropp

Planck introduserte i den matematiske modellen av loven om svart kroppsstråling en konstant med dimensjonen mekanisk handling, som klart motsier ideene om bølgenaturen til elektromagnetisk stråling. Ikke desto mindre beskrev hans matematiske modell ganske nøyaktig de eksperimentelle avhengighetene til denne strålingen. Konstanten han introduserte indikerte at strålingen ikke var kontinuerlig, men i porsjoner. Dette var i strid med Rayleigh-Jeans strålingslov, som var basert på ideer om bølgenaturen til elektromagnetisk stråling, men beskrev eksperimentelle avhengigheter bare i lavfrekvensområdet.

Siden den matematiske modellen av loven om svart kroppsstråling inneholder en matematisk modell av Rayleigh-Jeans strålingslov, viser det seg at Plancks lov om svart kroppsstråling er basert på gjensidig utelukkende bølge- og korpuskulær ideer om strålingens natur.

Inkompatibiliteten til den kontinuerlige bølgeprosessen av stråling med delprosessen var en overbevisende grunn til å erkjenne krisen i klassisk fysikk. Fra det øyeblikket begynte fysikere å tro at omfanget av lovene i klassisk fysikk var begrenset til makrokosmos. I mikroverdenen, mener de, fungerer andre kvantelover, derfor bør fysikken som beskriver mikroverdenen kalles kvantefysikk. Det skal bemerkes at Max Planck prøvde å håndtere blandingen av slike fysiske konsepter og returnere dem til den klassiske utviklingsveien, men han klarte ikke å løse dette problemet.

Nesten hundre år senere må vi innrømme at grensen mellom lovene i klassisk og kvantefysikk ennå ikke er etablert. Det oppleves fortsatt betydelige vanskeligheter med å løse mange problemer i mikroverdenen, og mange av dem anses som uløselige innenfor rammen av etablerte konsepter og ideer, så vi er tvunget til å gå tilbake til Max Plancks forsøk på å utlede en matematisk modell av loven om svart kroppsstråling basert på klassiske konsepter.

Det hele startet med etableringen av loven om svart kroppsstråling (fig. 119). Utledningen av den matematiske modellen av denne loven, utført av Max Planck på begynnelsen av det tjuende århundre, var basert på konsepter og ideer som ble antatt å være i strid med den klassiske fysikkens lover.

Ris. 119. a) grafisk modell av en absolutt svart kropp;

b) – avhengighet av strålingstettheten til et absolutt svart legeme av bølgelengden til utsendte fotoner

Først og fremst presenterer vi Rayleigh-Jeans-formelen, som på en tilfredsstillende måte beskriver det eksperimentelle mønsteret til lavfrekvent strålingsområde (fig. 119). Basert på bølgekonsepter for elektromagnetisk stråling, slo de fast at energien i volumet til en absolutt svart kropp bestemmes av avhengigheten

, (236)

hvor er strålingsfrekvensen; - volum av hulrommet til en absolutt svart kropp (fig. 119); - lysets hastighet; - Boltzmann konstant; - absolutt strålingstemperatur.

Ved å dele venstre og høyre side av relasjon (236) etter volum, får vi den volumetriske tettheten til elektromagnetisk stråling

. (237)

Utledningen av denne formelen er basert på ideen om eksistensen i et lukket hulrom av en absolutt svart kropp (fig. 119, b) av et helt antall stående bølger av elektromagnetisk stråling med en frekvens.

For å få en matematisk modell som ville beskrive hele spekteret av elektromagnetisk stråling av et svart legeme, postulerte Max Planck at strålingen ikke skjer kontinuerlig, men i porsjoner slik at energien til hver utsendte del er lik , og formelen for å beregne tettheten av elektromagnetisk stråling av en svart kropp viste seg å være som følger (fig. 119)

. (238)

Kvantitet er en konstant med en mekanisk dimensjon av handling. Dessuten var betydningen av denne handlingen helt uklar på den tiden. Ikke desto mindre beskrev den matematiske modellen (238) oppnådd av Planck ganske nøyaktig de eksperimentelle mønstrene for svart kroppsstråling (fig. 119).

Som du kan se, spiller uttrykket i formel (238) rollen som et betydelig tillegg til Rayleigh-Jeans-formelen (237), hvis essens koker ned til det faktum at det er energien til ett utsendt foton.

Siden den matematiske modellen av loven om svart kroppsstråling (238) inneholder en matematisk modell av Rayleigh-Jeans strålingslov (236), viser det seg at Plancks lov om svart kroppsstråling er basert på gjensidig utelukkende bølge- og korpuskulære ideer om strålingens natur.

Selvfølgelig, for bedre å forstå den fysiske betydningen av Planck-tillegget, må man ha en ide om den magnetiske strukturen til fotonet, siden den fysiske betydningen av Plancks konstant er skjult i denne strukturen. Siden produktet beskriver energiene til fotoner av hele skalaen av fotonstråling, er den magnetiske strukturen til fotonet skjult i dimensjonen til Plancks konstant. Vi har allerede fastslått at fotonet har en slik roterende magnetisk struktur, hvis massesenter beskriver en bølgelengde lik radiusen. Som et resultat tar det matematiske uttrykket for Plancks konstant formen

Som man kan se, har Plancks konstant en eksplisitt mekanisk dimensjon av vinkelmomentum. Det er velkjent at konstanten til vinkelmomentum styres av loven om bevaring av vinkelmoment, og årsaken til konstanten til Plancks konstant blir umiddelbart tydelig.

Først av alt, konseptet loven om bevaring av vinkelmomentum" er et konsept for klassisk fysikk, eller mer presist, klassisk mekanikk. Den sier at hvis summen av momentene av ytre krefter som virker på et roterende legeme er lik null, forblir vinkelmomentet som virker på et slikt legeme konstant i størrelse og retning.

Selvfølgelig er et foton ikke et fast legeme som bare vil rotere uten å bevege seg i rommet, men det har masse og vi har all grunn til å tro at rollen til fotonets masse spilles av et magnetisk stoff som roterer i forhold til sin akse, som roterer og beveger seg i rommet med lysets hastighet.

Fra den matematiske modellen (239) av Plancks konstant følger det at den magnetiske modellen av fotonet må være slik at en samtidig endring i massen, radiusen og frekvensen til fotonets roterende magnetfelt ville forlate produktet deres, reflektert i det matematiske uttrykket til Plancks konstant (239), konstant.

For eksempel, når massen (energien) til et foton øker, avtar dets bølgelengde. La oss beskrive igjen hvordan denne endringen realiseres av Plancks konstant (239) i fotonmodellen (fig. 15 og 16).

Siden konstanten til Plancks konstant er styrt av loven om bevaring av vinkelmomentum , så når massen til fotonet øker, øker tettheten til dets magnetiske felt (fig. 15 og 16), og på grunn av dette øker de magnetiske kreftene som komprimerer fotonet, som alltid balanseres av treghetssentrifugalkreftene som virker på massesentre for disse feltene. Dette fører til en reduksjon i radiusen til fotonet, som alltid er lik dets bølgelengde. Men siden radiusen i uttrykket av Plancks konstant er kvadratisk, må frekvensen til fotonoscillasjoner øke for å opprettholde konstanten til Plancks konstant (239). På grunn av dette endrer en liten endring i massen til et foton automatisk radius og frekvens slik at vinkelmomentet (Plancks konstant) forblir konstant.

Dermed endrer fotoner av alle frekvenser, mens de opprettholder sin magnetiske struktur, masse, frekvens og radius slik at . Det vil si at prinsippet for denne endringen er styrt av loven om bevaring av vinkelmomentum.

Hvis du stiller spørsmålet: hvorfor beveger fotoner av alle frekvenser seg i et vakuum med samme hastighet? Da får vi følgende svar. Fordi endringen i fotonmasse og dens radius styres av loven om fotonlokalisering på en slik måte at når massen til et foton øker, minker dets radius og omvendt.

Deretter, for å opprettholde konstanten til Plancks konstant, når radiusen avtar, må frekvensen øke proporsjonalt. Som et resultat forblir deres produkt konstant og likt. I dette tilfellet endres hastigheten til fotonmassesenteret (fig. 20, a) i bølgelengdeintervallet på en slik måte at gjennomsnittsverdien forblir konstant og lik og ikke tar nullverdier (fig. 20, en ).

Dermed er konstanten til Plancks konstant styrt av en av de mest grunnleggende lovene i klassisk fysikk (eller rettere sagt, klassisk mekanikk) - loven om bevaring av vinkelmomentum. Dette er en ren klassisk mekanisk lov, og ikke en mystisk kantiansk handling, slik man tidligere trodde. Derfor gir ikke utseendet til Plancks konstant i den matematiske modellen av loven om svart kroppsstråling noe grunnlag for å hevde den klassiske fysikkens manglende evne til å beskrive strålingsprosessen til denne kroppen. Tvert imot, den mest grunnleggende loven i klassisk fysikk - loven om bevaring av vinkelmomentum - er nettopp involvert i beskrivelsen av denne prosessen.

Dermed er Plancks lov om svart kroppsstråling en lov i klassisk fysikk, og det er ikke nødvendig å introdusere konseptet "kvantefysikk". Det er også en klassisk avledning av Plancks formel (239). Den er basert på korpuskulære konsepter av strukturen til fotoner. Vi presenterer denne konklusjonen.

Siden svart kroppsstråling er en samling fotoner, som hver har kun kinetisk energi, må vi introdusere den kinetiske energien til fotonet og den termiske energien til samlingen av utsendte fotoner i den matematiske modellen til den maxwellske distribusjonsloven

. (240)

Deretter må vi ta i betraktning at fotoner sendes ut av elektronene til atomer under deres energioverganger. Hvert elektron kan gjøre en serie overganger mellom energinivåer, og sende ut fotoner av forskjellige energier. Derfor vil den fullstendige fordelingen av den volumetriske energitettheten til utsendte fotoner bestå av summen av fordelinger som tar hensyn til fotonernes energier på alle energinivåer. Med hensyn til det ovennevnte, vil Maxwells lov, som tar hensyn til fordelingen av fotonenergier for alle energinivåer i atomet, skrives som følger

hvor er hovedkvantetallet som bestemmer tallet på energinivået til elektronet i atomet.

Det er kjent at summen av serier (241) er lik

. (242)

Ved å multiplisere høyre side av formel (242) med Planck-konstanten og med koeffisienten fra Rayleigh-Jeans-formelen (236), får vi et resultat som beskriver mønsteret av endringer i fotontettheten i hulrommet til en svart kropp (Fig. 119, a) fra frekvensen til fotoner eller deres bølgelengde (Fig. 119, b)

. (243)

Dette er loven om svart kroppsstråling (243), oppnådd av Max Planck i 1901. Uttrykk (243) skiller seg litt fra uttrykk (242) ved koeffisienten, som, som tidligere antatt, tar hensyn til antall frihetsgrader for elektromagnetisk stråling til en svart kropp. Ifølge E.V. Shpolsky dens verdi avhenger av arten av bølgene av elektromagnetisk stråling og kan variere fra til. Imidlertid, innenfor rammen av de oppgitte ideene, variabel koeffisient

(244)

karakteriserer tettheten av fotoner i hulrommet til en svart kropp. En mer nøyaktig verdi av den konstante komponenten av denne koeffisienten kan bestemmes eksperimentelt.

Dermed har vi utledet loven om svart kroppsstråling (243), basert på rene klassiske ideer og konsepter, og vi ser en fullstendig mangel på grunn til å tro at denne loven er i strid med klassisk fysikk. Tvert imot er det en konsekvens av denne fysikkens lover. Alle komponentene i den matematiske modellen til Plancks lov (238) av svart kroppsstråling har fått sin langvarige klare klassiske fysiske betydning.

La oss være spesielt oppmerksomme på det faktum at i spekteret til en absolutt svart kropp er det fotoner (fig. 15, 16 og 119) med forskjellige radier, og de maksimale temperaturene (2000 og 1500 grader C, fig. 119) dannes av et sett med fotoner med visse radier, hvis verdier bestemmes ganske nøyaktig av Wiens formel

. (245)

For eksempel danner en maksimal temperatur på 2000 C et sett med fotoner med radier

Dette er usynlige fotoner i det infrarøde området, og vi har umiddelbart en innvending. Erfaring forteller oss at temperaturen på 2000 C dannes av synlige fotoner i lysområdet. Dette synspunktet er et tydelig eksempel på feilslutningen til våre intuisjoner. La oss forklare essensen ved å bruke følgende eksempel.

Solrik frost vinterdag med en temperatur på minus 30 grader. Celsius med skarp snø under føttene. Overfloden av sollys gir oss en illusjon av maksimalt lys fotoner som omgir oss, og vi er klare til å med sikkerhet si at vi er i miljøet til fotoner med en gjennomsnittlig bølgelengde (mer presist, nå med en gjennomsnittlig radius) av et lysfoton (Tabell 2). Men Wiens lov (245) korrigerer oss, og beviser at vi er i et miljø av fotoner, hvis maksimale samling har radier (bølgelengder) lik (tabell 2).

Som du kan se, er vår intuitive feil mer enn to størrelsesordener. På en lys solrik vinterdag med en frost på minus 30 grader, er vi i et miljø med et maksimalt antall ikke lyse, men infrarøde fotoner med bølgelengder (eller radier).

I forbifarten legger vi merke til at bølgelengdene (radii) til fotoner varierer over et intervall på 16 størrelsesordener (fig. 15, 16). De største radiene () har fotoner av den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (tabell 2), som danner minst mulig temperatur nær absolutt null, og de minste () - gamma-fotonene (tabell 2) danner ingen temperatur i det hele tatt. Dannelsen av fotonstrukturen og deres oppførsel styres av 7 konstanter.

Den presenterte informasjonen overbeviser oss om gyldigheten av Wiens formel (245), og vi kan finne radiene til fotoner, hvis helhet danner det andre temperaturmaksimum (fig. 119, b) i det svarte legemes hulrom (fig. 119, a) ).

. (248)

Som man kan se (247 og 248), med økende temperatur, synker radiene til fotoner, hvis helhet danner temperaturen. Dette betyr at temperaturen nær det absolutte nullpunktet dannes av fotoner med de største radiene, og det vil vi nå se (fig. 120).

Ris. 120: a) bilde av en liten del av universet; b) avhengighet av universets strålingstetthet på bølgelengde: teoretisk – tynn linje; eksperimentell – tykk linje

Det ble antatt at Wiens formel (245) bare er gyldig for lukkede systemer (fig. 119, a). Imidlertid vil vi nå se at den ideelt sett beskriver ikke bare strålingen fra en absolutt svart kropp (Fig. 119, a), som et lukket system, men også Universet – et absolutt åpent system (Fig. 120, a).

Den teoretiske avhengigheten av strålingstettheten til universet (fig. 120, b - tynn linje) er lik avhengigheten av strålingstettheten til en absolutt svart kropp (fig. 119, a) beskrevet av Plancks formel (243).

Den maksimale strålingen til universet ble registrert eksperimentelt ved temperatur (fig. 120, b, punkt A) og har en bølgelengde . Wines formel (245) gir samme resultat

(249)

Dette er et klart bevis på at Wiens lov ikke bare er gyldig for lukkede systemer, slik som en absolutt svart kropp (fig. 119, a), men for absolutt åpne systemer, som for eksempel universet (fig. 120, a).

For å finne kilden til universets maksimale stråling (fig. 120, b, punkt A og 3), la oss ta hensyn til det faktum at universet vi observerer består av 73 prosent hydrogen, 24 prosent helium og 3 prosent tyngre grunnstoffer . Dette betyr at universets spektrum (fig. 120, b) er dannet av fotoner som hovedsakelig sendes ut av nyskapte hydrogenatomer. Det er også kjent at fødselen av hydrogenatomer er ledsaget av prosessen med å bringe et elektron nærmere et proton, som et resultat av at elektronet sender ut fotoner.

Sammenfall mellom den teoretiske verdien av bølgelengden (fig. 120, b, punkt 3) med dens eksperimentelle verdi (Fig. 120, b, punkt A), beviser riktigheten av å bruke Wien-formelen (245) for å analysere strålingsspekteret til universet.

Fotoner med bølgelengde ha energi

Energien tilsvarer bindingsenergien til et elektron med et proton i det øyeblikket det er på det 108. energinivået. Det er lik energien til fotonet som sendes ut av elektronet i øyeblikket av kontakt med protonet og dannelsen av et hydrogenatom.

Prosessen med å bringe et elektron nærmere et proton er trinnvis. Det skjer under deres felles overgang fra et miljø med høy temperatur til et miljø med lavere temperatur, eller, rett og slett, når de beveger seg bort fra stjernene. Tilnærmingen av et elektron til et proton skjer i trinn. Antall hoppet over trinn i denne overgangen avhenger av temperaturgradienten til mediet som det fødte hydrogenatomet beveger seg i. Jo større temperaturgradienten er, jo flere trinn kan et elektron hoppe over når det nærmer seg et proton.

Naturligvis, etter dannelsen av hydrogenatomer, begynner fasen av dannelsen av hydrogenmolekyler, som også skal ha en maksimal stråling. Det er kjent at atomært hydrogen omdannes til molekylært hydrogen i temperaturområdet.

Radiene til fotoner som sendes ut av elektroner av hydrogenatomer under dannelsen av molekylet vil variere i området:

; (251)

, (252)

tilsvarende intervallet til fotonbølgelengder som danner et maksimum i området til punkt C (fig. 120, b).

Dermed har vi grunn til å tro at universets maksimale stråling, tilsvarende punkt C (fig. 120), dannes av fotoner som sendes ut av elektroner under syntesen av hydrogenatomer og molekyler.

Dette avslutter imidlertid ikke prosessene med hydrogenfaseoverganger. Dens molekyler, som beveger seg bort fra stjernene, passerer gjennom en sone med påfølgende temperaturreduksjoner, hvis minimumsverdi er T = 2,726 K. Det følger av dette at hydrogenmolekyler passerer gjennom en temperatursone der de blir flytende. Hun er kjent og likestilt. Derfor er det grunn til å tro at det bør være et annet maksimum av stråling fra universet, tilsvarende denne temperaturen. Bølgelengden til fotonene som danner dette maksimumet er lik

. (253)

Dette resultatet faller nesten helt sammen med maksimum på punktet i fig. 120 og beviser at strålingsspekteret til universet er dannet av prosessene for syntese av atomer og molekyler av hydrogen, samt flytendegjøring av hydrogenmolekyler. Disse prosessene skjer kontinuerlig og har ingenting med det fiktive Big Bang å gjøre.

Som man kan se (246 - 253), er Wiens formel (245) gyldig ikke bare for lukkede systemer, slik som hulrommet til en absolutt svart kropp (Fig. 119, a), men også for åpne, som Universet.

Komplementaritetsprinsippet kan lett tenkes som betalingsloven, som vi allerede har diskutert ovenfor (avsnitt 1-2): veksten av en av to eller flere sammenhengende mengder må betales ved en reduksjon i en annen mengde (andre mengder) ).

Lovens relevans er ekstremt stor når det gjelder menneskelige relasjoner, men dens røtter er tilsynelatende lagt dypere, i selve grunnlaget for vår verden. De enkle prinsippene for en spak, en kile og en remskive, kjent siden antikken, gjør det teoretisk mulig å uendelig øke styrken til menneskehender, slagkraften og kraften på motorskiven. Forslaget om å "snu jordkloden opp ned" hvis et passende støttepunkt blir funnet, var ikke Arkimedes sin skryt eller gale fantasi. Det eneste som den store oppfinneren glemte å beregne var med hvilken (kosmisk) hastighet han må løpe mens han trykker på armen til spaken, og hvor mange millioner år han må bruke på denne aktiviteten for å bevege jorden med et minimum. merkbart beløp. Sannsynligvis var det bare handlingen av betalingsloven som tillot biosfæren å opprettholde de viktigste parameterne innenfor akseptable grenser i milliarder av år. Ellers kan noen amøber forestille seg selv som Arkimedes og gjøre noe uopprettelig for jorden. Hvert angrep av destruktiv Yang blir umiddelbart, uten forsinkelse, motvirket – i en eller annen form – ved å bevare Yin. Tid og rom (avstand) er vanlige valutaer i denne handelen.
I følge loven om universell gravitasjon betales tiltrekningskraften F til to masser mi og m2 av annen potens av avstanden R mellom deres tyngdepunkt: F = ym^/R2, hvor y er gravitasjonskonstanten. Avhengigheten av tilleggstypen blir tydeligere hvis vi omskriver ligningen på formen: FR2 = y rm2. Hvis størrelsen på de samvirkende massene ikke endres, må en økning i tiltrekningskraften betales med en reduksjon i avstanden, og en økning i avstanden må betales for en reduksjon i kraften. Det andre ekstra paret består av to samvirkende masser. Hvis vi legger opp til å la kraften og avstanden være uendret, vil endringen i massen bli betalt av den motsatte endringen i den andre massen. Det gjensidige "ansvaret" for mengder er likt når det gjelder Coulomb-interaksjonen av elektriske ladninger: FR2 = Kqtq2, hvor k er proporsjonalitetskoeffisienten.
I det indre av Solen og lignende stjerner er produktet av trykk og kvadratet av avstanden fra sentrum en konstant verdi: PR2 = N, noe som igjen fører til en avhengighet av en ekstra type.
Avstanden, også i kvadrat, til lyskilden er motsatt som en tilleggsvariabel til belysningsverdien E for en flat overflate: ER2 = 1 cosa, hvor 1 er lysstyrken, a er vinkelen mellom normalen til overflaten og retning for bølgeutbredelse.
Den andre graden av avstandsindeksen er en naturlig konsekvens av geometrien til det euklidiske rom. Å spre energi ut i rommet reduserer intensiteten til energifeltet, men dekker samtidig et større overflateareal. Overflaten vokser som arealet til et segment av ballens overflate, det vil si proporsjonalt med avstandens andre potens.
Flere eksempler på komplementaritet av fysiske mengder.
Hvis vi setter avstanden mellom punktene A og B til å være konstant, så setter den grunnleggende bevegelsesligningen: S = vt hastighet y og tid t i posisjonen til omvendt avhengige størrelser.
Masse er det resiproke av akselerasjon når samme kraft påføres forskjellige legemer: F == ta.
Formelen for kinetisk energi E viser ytterligere sammenhenger mellom bevegelig masse m og hastighet v: 2E = mv2. Paret er tydelig ulikt, hastigheten går inn i det med en eksponent på 2, som imidlertid ikke bryter med prinsippet om omvendt avhengighet. Men for designeren av artilleristykker er dette ikke likegyldig. Det er tydelig at det er mer lønnsomt å øke den pansergjennomtrengende kraften til et prosjektil ved å øke analhastigheten enn å gjøre prosjektilet tyngre.
De tre variablene: strøm I, motstand R og spenning i krets V (Ohms lov) ved konstant spenning avslører et komplementaritetsforhold mellom den første og andre størrelsen: V = IR.
Tilstandsligningen til en ideell gass (Clapeyron-Mendeleev-ligningen) forbinder, som i tilfellet med gravitasjon, ytterligere to par: pV = m/p RT. Her er p gasstrykket, V er volumet, m/p er mengden gass uttrykt i molare enheter, T er temperaturen, R er gasskonstanten. I en adiabatisk prosess antas gassmassen å være konstant og varmeveksling med mediet skjer ikke, men alle tre frie variabler, volum, trykk og temperatur, endres. Luft oppvarmet av sommersolen stiger, mister temperatur og trykk, men volumet øker. I eksperimenter er det mulig å opprettholde en konstant temperatur (isotermisk prosess), da blir volum og trykk, ifølge Boyle-Mariotte-loven, tilleggsmengder. Vi kan også sette tilstanden konstant volum og trykk, da vil mengden og temperaturen på gassen være i motsatt forhold. Denne avhengigheten vakte imidlertid ikke mye interesse blant fysikere og fikk ikke sitt eget navn.
Vi har allerede nevnt at "livløs" natur gir eksempler på ikke bare paret, men også multippel komplementaritet; vi snakket om potensiell energi. Her er et lignende tilfelle. Når en elektrisk ladning beveger seg i et magnetfelt, avbøyes dens bane av Lorentz-kraften F i et plan vinkelrett på ladningens bevegelse og magnetfeltinduksjonen, etter regelen: F = qvB. Variablene på høyre side av ligningen angir suksessivt ladning, hastighet og magnetisk induksjon, tre gjensidig komplementære størrelser.
Vi kan fortsette å multiplisere eksempler på komplementaritetsrelasjoner som manifesterer seg i mekanikken til faste stoffer, væsker og gasser, i termodynamikk, elektrodynamikk, optikk og andre grener av fysikk. Det ser ut til at prinsippet om komplementaritet ikke har noen grenser i den "levende" verden.
Alt dette ville vært fantastisk hvis vi ikke hadde kunngjort på forhånd at mengder er i komplementære forhold, hvorav den ene er noe maskulin, den andre er noe feminin. Det ser ikke ut til å være plass til den tredje. Selvfølgelig er det ikke vanskelig for science fiction-forfattere å komme opp med en familie med tre eller fem foreldre: pappa, dada, nana,... mamma. Mellom mamma og pappa er det en hel rekke mellomliggende skapninger med mellomliggende egenskaper. Det viser seg at science fiction-forfattere ikke oppdager noe uvanlig her. Virkelige objekter, systemer, er i stand til å stille seg opp i en "kø" i henhold til i hvilken grad de viser egenskapene til mobilitet og konservatisme.
Den generelle regelen er at man i de fleste interaksjoner kan finne et aktivt, aktivt prinsipp, som med rette hevder å være den mannlige Yang, og en passiv, inert eller til og med motvirkende i ånden til den kvinnelige Yin. Der parametrene kraft, hastighet, akselerasjon, elektrisk ladning, strøm, temperatur, trykk er involvert i samspillet, stammer de fra årsaken til enhver bevegelse - energi, og utfører handlingsfunksjonen. Variablene som motsetter seg dem - avstand, masse, elektrisk motstand, volum - er ikke i seg selv årsaken til bevegelse; tvert imot gjenspeiler de prosessene med bremsing og spredning av energi i rom og tid. Utfører en antiaksjonsfunksjon.
Situasjonen er mer komplisert når det gjelder å tyde eksempler på multippel komplementaritet, som i eksemplet med magnetisk induksjon. Variablene danner en trekant: ladning - ladehastighet - induksjonsverdi. Den mest energiske "vinkelen" bør betraktes som størrelsen på ladningen, som bestemmer spenningen til det elektriske feltet. Magnetisk induksjon er et passivt prinsipp som manifesterer seg tidligst enn et bevegelig elektrisk felt dukker opp i magnetfeltet. Dette er den inerte "vinkelen" til treenigheten. Hastighetsparameteren, sammen med ladningen, motstår induksjon som energifaktor. Men når kombinert med mengden elektrisitet som overføres, får hastighet, en kompleks mengde som består av avstand og tid, utvilsomt egenskapene til et inert prinsipp. Hvorfra en viktig konklusjon følger umiddelbart: Yang og Yin er ikke egenskaper som en gang for alle er "registrert" bak fysiske variabler. Deres posisjoner bestemmes bare i par, i sammenligning. I en kombinasjon kan en egenskap tjene som et passivt prinsipp, i en annen - en aktiv.
La oss huske: ikke bare de ekstreme medlemmene av serien fra ren, hundre prosent Yang til ren Yin, men også mellomliggende eiere av begge eiendommene kan inngå komplementaritetsforhold. Dessuten kan det være mer enn to av dem under taket av samme konstant.
I dette tilfellet, hvordan løse problemet med separasjon av variabler, hvis disse er to kvalitativt identiske mengder, som masse en og masse en annen, lad en og lad to?
Når masser som ikke er like store i samspill, så dukker det opp et grunnlag for resonnement. Begge legemer opplever krefter som er like store og motsatte i retning. Men akselerasjonen til en fysisk kropp avhenger ikke bare av kraft (direkte proporsjonal), men også av kroppens masse (omvendt proporsjonal). Derfor vil en massiv kropp og et lite sandkorn reagere annerledes på tiltrekning: forskyvningen av en stor masse kan forbli umerkelig, mens en liten masse
vil ganske enkelt "falle" på partneren sin. Vi er vant til å betrakte månen som en satellitt av jorden, ikke omvendt. Dette gjelder spesielt for Jorden og orbitalstasjonen, selv om begge legemer teoretisk dreier seg om et felles tyngdepunkt. En løsning foreslår seg selv: å tilordne Yin-merket til en større, mer inert kropp. Også i tilfellet hvis virkekraften er av elektrisk eller magnetisk art. Elektronet, som en lettere og mer mobil komponent av atomet, kan definitivt kreve posisjonen til den mannlige Yang ved siden av protonet - Yin, selv om de positive og negative elektriske ladningene i sin "rene form" er like i sin "aktivitet" . På samme måte, i henhold til masseforholdet, er funksjonene til partikler med gjensidig frastøtning (elektron - kation) delt.
Men hvis to elektroner interagerer, er massene deres per definisjon lik hverandre, så de kan ikke skilles basert på "massivitet". Her er vi tvunget til å gjøre en annen betydelig konklusjon: motsetningen mellom det inerte prinsippet til Yin og det aktive prinsippet til Yang er av kvantitativ karakter. Med fullstendig kvalitativ og kvantitativ identitet til de interagerende variablene, blir de utskiftbare, og fortsetter å fungere som to sider av skalaen. Filosofisk sett kan dette tilsvare å oppnå en tilstand av fullstendig balanse, Ba Gua i kanonene for kinesisk visdom, eller Sattva i India.