Klasik fizik yasaları. Klasik fiziğin kavramları, yasaları ve ilkeleri. Klasik ve kuantum fiziği

Yukarıda açıklanan dinamik yasalar doğası gereği evrenseldir, yani incelenen tüm nesnelere istisnasız uygulanır. Bu tür yasaların ayırt edici özelliği, bunlara dayanarak elde edilen tahminlerin güvenilir ve net olmasıdır. Bunların yanı sıra, geçen yüzyılın ortalarında doğa bilimlerinde, öngörüleri kesin olmayan, yalnızca olası olan yasalar formüle edildi. Bu yasalar, isimlerini onları formüle etmek için kullanılan bilginin doğasından almıştır. Olasılıkçı olarak adlandırıldılar çünkü bunlara dayanan sonuçlar, mevcut bilgilerden mantıksal olarak çıkarılmıyor ve bu nedenle güvenilir ve açık değil. Bilginin kendisi doğası gereği istatistiksel olduğundan, bu tür yasalara sıklıkla istatistiksel olarak da denir ve bu isim doğa bilimlerinde çok daha yaygın hale gelmiştir. Teoride yer alan nicelikler arasındaki bağlantıların belirsiz olduğu özel türdeki yasalar fikri ilk olarak 1859'da Maxwell tarafından ortaya atıldı. Çok sayıda parçacıktan oluşan sistemler göz önüne alındığında bunu ilk anlayan oydu. Sorunu Newton mekaniğinde olduğundan tamamen farklı bir şekilde ortaya koymak gerekir. Bunu yapmak için Maxwell, daha önce matematikçiler tarafından rastgele olayların, özellikle de kumarın analizinde geliştirilen olasılık kavramını fiziğe tanıttı.

Çok sayıda fiziksel ve kimyasal deney, prensip olarak, yalnızca bir molekülün momentumunda veya konumunda geniş bir zaman aralığı boyunca meydana gelen değişiklikleri izlemenin değil, aynı zamanda bir gaz veya gazın tüm moleküllerinin momentumunu ve koordinatlarını doğru bir şekilde belirlemenin de imkansız olduğunu göstermiştir. Belirli bir anda diğer makroskobik cisim. Sonuçta, makroskopik bir cisimdeki molekül veya atom sayısı 1023 civarındadır. Gazın bulunduğu makroskopik koşullardan (belirli bir sıcaklık, hacim, basınç vb.), momentumun belirli değerleri Moleküllerin ve koordinatlarının mutlaka takip edilmesi gerekmez. Bunlar, tıpkı zar atarken 1'den 6'ya kadar herhangi bir sayıda noktanın görünebilmesi gibi, belirli makroskobik koşullar altında farklı değerler alabilen rastgele değişkenler olarak düşünülmelidir. belirli bir zar atışı. Ancak yuvarlanma olasılığı örneğin 5 hesaplanabilir. Bu olasılık, gerçekliğin nesnel ilişkilerini ifade ettiğinden nesnel bir karaktere sahiptir ve bunun ortaya çıkışı yalnızca nesnel süreçlerin gidişatının ayrıntıları konusundaki bilgisizliğimizden kaynaklanmaz. Yani bir zar için 1'den 6'ya kadar herhangi bir sayıda puan alma olasılığı 1/6'dır ve bu, bu sürecin bilgisine bağlı değildir ve dolayısıyla nesnel bir olgudur. Pek çok rastgele olayın arka planında, bir sayıyla ifade edilen belirli bir model ortaya çıkar. Bu sayı - bir olayın olasılığı - istatistiksel ortalama değerleri belirlemenizi sağlar (tüm miktarların bireysel değerlerinin toplamı, sayılarına bölünür). Yani bir zarı 300 kez atarsanız ortalama beş sayısı 300 "L = 50 kez olacaktır. Üstelik aynı zarı mı attığınız yoksa aynı anda 300 özdeş zarı mı attığınız tamamen farksızdır. Hiç şüphe yok ki, bir kaptaki gaz moleküllerinin davranışı, atılan bir zardan çok daha karmaşıktır.Fakat burada da, eğer sorun şu şekilde ortaya konulursa, istatistiksel ortalama değerlerin hesaplanmasını mümkün kılan belirli niceliksel modeller bulunabilir. oyun teorisindeki gibi, klasik mekanikteki gibi değil.Örneğin, belirli bir anda bir molekülün momentumunun kesin değerinin belirlenmesi gibi çözülemez bir problemden vazgeçmek ve bunun olasılığını bulmaya çalışmak gerekir. bu momentumun belirli bir değeri. Maxwell bu sorunu çözmeyi başardı. Moleküllerin dürtülere göre dağılımının istatistiksel yasasının basit olduğu ortaya çıktı. Ancak Maxwell'in asıl değeri çözümde değil, yeni problemin formülasyonundaydı. Belirli makroskobik koşullardaki rastgele bireysel moleküllerin davranışının belirli bir olasılık (veya istatistiksel) yasaya tabi olduğunu açıkça fark etti. Maxwell'in verdiği ivmeden sonra moleküler kinetik teori (veya daha sonra adlandırıldığı şekliyle istatistiksel mekanik) hızla gelişmeye başladı. İstatistik yasaları ve teorileri aşağıdaki karakteristik özelliklere sahiptir. 1. İstatistik teorilerinde herhangi bir durum, sistemin olasılıksal bir özelliğidir. Bu, istatistiksel teorilerdeki durumun, fiziksel niceliklerin değerleriyle değil, bu niceliklerin istatistiksel (olasılık) dağılımlarıyla belirlendiği anlamına gelir. Bu, durumun fiziksel niceliklerin değerleri tarafından belirlendiği dinamik teorilerden temelde farklı bir durum özelliğidir. 2. Bilinen bir başlangıç durumuna dayanan istatistiksel teorilerde, sonuç olarak kesin olarak belirlenen fiziksel büyüklüklerin değerleri değil, bu değerlerin belirli aralıklardaki olasılıklarıdır. Bu sayede fiziksel büyüklüklerin ortalama değerleri net bir şekilde belirlenir. İstatistik teorilerindeki bu ortalama değerler, dinamik teorilerdeki fiziksel niceliklerle aynı rolü oynar. Fiziksel büyüklüklerin ortalama değerlerini bulmak istatistiksel teorinin temel görevidir. İstatistik teorilerindeki bir durumun olasılıksal özellikleri, dinamik teorilerdeki bir durumun özelliklerinden farklıdır. Bununla birlikte, dinamik ve istatistiksel teoriler en temel açılardan dikkate değer bir birlik sergilemektedir. İstatistik teorilerinde bir durumun evrimi, dinamik teorilerde olduğu gibi benzersiz bir şekilde hareket denklemleri tarafından belirlenir. Zamanın ilk anında belirli bir istatistiksel dağılıma (belirli bir olasılığa göre) dayanarak, hareket denklemi, parçacıkların birbirleriyle ve birbirleriyle etkileşiminin enerjisi varsa, zamanın herhangi bir sonraki anında istatistiksel dağılımını (olasılığı) benzersiz bir şekilde belirler. dış cisimler bilinmektedir. Tüm fiziksel büyüklüklerin ortalama değerleri sırasıyla açık bir şekilde belirlenir. Sonuçların benzersizliği konusunda dinamik teorilerden burada hiçbir fark yoktur. Sonuçta, dinamik teoriler gibi istatistiksel teoriler de doğadaki gerekli bağlantıları ifade eder ve genellikle durumların kesin bir bağlantısı dışında başka şekilde ifade edilemezler. İstatistik yasaları ve kalıpları düzeyinde de nedensellikle karşılaşırız. Ancak istatistiksel yasalardaki determinizm, doğadaki determinizmin daha derin bir biçimini temsil eder. Katı klasik determinizmin aksine, olasılıksal (veya modern) determinizm olarak adlandırılabilir. İstatistiksel yasalar ve teoriler, fiziksel yasaların tanımlanmasının daha gelişmiş bir biçimidir; doğada halihazırda bilinen herhangi bir süreç, dinamik yasalardan ziyade istatistiksel yasalarla daha doğru bir şekilde tanımlanır. İstatistik teorilerindeki durumların kesin bağlantısı, onların dinamik teorilerle ortaklığını gösterir. Aralarındaki fark tek bir şeydir - sistemin durumunu kaydetme (açıklama) yöntemi. Olasılıksal determinizmin gerçek, kapsamlı anlamı kuantum mekaniğinin - atomik ölçekte fenomeni, yani temel parçacıkların ve bunlardan oluşan sistemlerin hareketini tanımlayan istatistiksel bir teori - yaratılmasından sonra açıklığa kavuştu (diğer istatistiksel teoriler şunlardır: istatistiksel teori). dengesizlik süreçleri, elektronik teorisi, kuantum elektrodinamiği). Dünyanın modern fiziksel resmi, inorganik maddenin varoluş yasaları, doğal olayların bütünlüğü ve çeşitliliğinin temelleri hakkında temel bir bilgi sistemidir. Modern fizik bir takım temel öncüllerden yola çıkar: - birincisi, fiziksel dünyanın nesnel varlığını kabul eder, ancak görünürlüğü reddeder; modern fizik yasaları her zaman kanıtlayıcı değildir, bazı durumlarda bunların görsel olarak doğrulanması - deneyim - tamamen imkansızdır; - ikincisi, modern fizik, maddenin niteliksel olarak farklı üç yapısal seviyesinin varlığını ileri sürer: mega dünya - kozmik nesnelerin ve sistemlerin dünyası; makro dünya - makroskobik cisimlerin dünyası, ampirik deneyimimizin tanıdık dünyası; mikro dünya - mikro nesnelerin, moleküllerin, atomların, temel parçacıkların vb. dünyası. Klasik fizik, makroskobik cisimlerin etkileşim yöntemlerini ve yapısını inceledi; klasik mekaniğin yasaları, makrokozmosun süreçlerini tanımlar. Modern fizik (kuantum), mikro dünyanın incelenmesiyle ilgilenmektedir; buna göre kuantum mekaniği yasaları, mikropartiküllerin davranışını tanımlar. Megaworld, klasik olmayan (göreceli ve kuantum) fiziğin hipotezlerine, fikirlerine ve ilkelerine dayanan astronomi ve kozmolojinin konusudur; - üçüncü olarak, klasik olmayan fizik, fiziksel nesnelerin davranışının tanımının gözlem koşullarına bağlı olduğunu ileri sürer; bu süreçleri bilen kişiden (tamamlayıcılık ilkesi);

Dördüncüsü, modern fizik, bir nesnenin durumunun tanımına ilişkin kısıtlamaların varlığını kabul eder (belirsizlik ilkesi); - beşinci olarak, göreli fizik, klasik felsefede formüle edilen ve başlangıç koşullarının bilgisine dayanarak dünyanın herhangi bir andaki durumunu tanımlama yeteneğini varsayan mekanik determinizmin modellerini ve ilkelerini terk eder. Mikro dünyadaki süreçler istatistik yasalarıyla tanımlanır ve kuantum fiziğindeki tahminler doğası gereği olasılıksaldır. Tüm farklılıklara rağmen modern fizik, klasik mekanik gibi doğanın varoluş yasalarını inceliyor. Hukuk, olgular ve olaylar arasında nesnel, gerekli, evrensel, tekrarlanan ve esaslı bir bağlantı olarak anlaşılmaktadır. Her yasanın kapsamı sınırlıdır. Bu, modern doğa bilimi açısından doğrudur, fakat "sonsuzluk açısından" doğru mudur? Sonuçta bilimsel bir teori belirli, sınırlı sayıdaki gerçeklere dayanır. Aynı zamanda evrensel teori, dünyanın her yerinde ve her zaman sonsuz sayıda deneysel durumu tanımlama iddiasındadır. "Tüm cisimler ısıtıldığında genişler" ifadesi gibi basit bir ampirik yasa bile yalnızca araştırmacının elindeki nesneleri değil, aynı zamanda diğer makro nesneleri de kapsamalıdır. Aynı şey, ancak daha büyük ölçüde, mekanik yasaları veya Maxwell denklemleri gibi temel yasalar için de geçerlidir. Ve eğer öyleyse, teorinin evrensel doğruluğuna asla güven olamaz. Bir teorinin evrensel doğruluğunu "kanıtlamak" imkansızsa, elinizin altında onu doğrulayan keyfi sayıda deneysel gerçek olsa bile, o zaman bir teorinin evrensel olmadığını kanıtlamak için onunla çelişen tek bir gerçek yeterli olabilir. yeterli ol!

20. yüzyılda bilginin tüm gelişim sürecine dayanmaktadır. ve hakikatin mutlaklığı ve göreliliğine ilişkin iyi bilinen Leninist önermelere dayanarak şu tez ileri sürülebilir: prensipte deneyimle çürütülebilir (yanlışlanabilir) herhangi bir teori, yalnızca çürütülmekle kalmaz, aynı zamanda er ya da geç çürütülebilir. aslında bilimsel bilginin gelişimi sürecinde çürütüldü. Daha doğrusu, bu teorinin sınırlı uygulanabilirlik kapsamı, yani evrensel olmadığı ortaya çıkıyor. Ünlü Amerikalı fizikçi David Bohm'un yazdığı gibi, eğer bir teori "başını çıkarırsa" er ya da geç kesilip atılacaktır. Aynı şey uzay-zaman varsayımları için de söylenebilir. Uzay-zamanın bazı özelliklerinin bulunmadığı hayali bir deneysel durumu belirtmek mümkünse, o zaman bir gün bu özelliğin evrensel olmadığı gerçek bir deneyde keşfedilecektir. Uzayın çok boyutlu olduğu, zamanın (bizimkine göre) ters yönde olduğu vb. dünyaları teorik olarak hayal edebiliriz. Ayrıca bu varsayılan durumlardaki deneylerin olağan deneylerimizden ne kadar farklı olacağını da gösterebiliriz. Tabii ki, sunulan sorunun çözümü çok geneldir, çünkü yalnızca "sonsuzluk açısından" doğrudur. Bize tanıdık gelen zaman ve mekan özelliklerinin evrensel olmamasının ancak uzak gelecekte, örneğin yüzyıllar, hatta bin yıl içinde ortaya çıkması mümkündür. Bu nedenle, felsefi olana ek olarak, dünyanın fiziksel resmine ve modern fiziksel teorilere dayanarak, belirli bir özelliğin evrenselliği sorununun özel bir metodolojik analizi her zaman gereklidir. Dünyanın modern fiziksel tablosunda ve onun temelinde inşa edilen tüm fiziksel teorilerde yer alan “metodolojik olarak evrensel” ilkeler fikrinin tanıtılması gerekmektedir.

Dolayısıyla aşağıdaki sonucu çıkarabiliriz. Bilginin gelişmesinin gösterdiği gibi, herhangi bir özel bilimsel ilke ve teorinin sınırlı bir uygulanabilirlik kapsamı vardır ve er ya da geç bunların yerini daha genel ve yeterli başkaları alır. Bu bağlamda, dünyanın nihai bir fiziksel teorisi veya nihai bir resmi yaratılamaz, çünkü fizik tarihindeki bir dünya resminin yerini başka, daha eksiksiz bir dünya resmi alır ve bu böyle sonsuza kadar sürer. Örneğin makrokozmosta kendini haklı çıkaran mekanik yasalarının kuantum etkileşimleri düzeyine genişletilmesi kabul edilemez. Mikrokozmosta meydana gelen süreçler diğer yasalara tabidir. Yasanın tezahürü aynı zamanda bu dünyanın gerçekleştiği özel koşullara da bağlıdır; değişen koşullar yasanın etkisini güçlendirebilir veya tam tersine zayıflatabilir. Bir yasanın etkisi diğer yasalar tarafından ayarlanır ve değiştirilir. Dinamik modeller, izole edilmiş bireysel nesnelerin davranışını karakterize eder ve nesnenin bireysel durumları arasında kesin olarak tanımlanmış bir bağlantı kurulmasını mümkün kılar. Başka bir deyişle, dinamik modeller her özel durumda tekrarlanır ve net bir karaktere sahiptir. Örneğin dinamik yasalar klasik mekaniğin yasalarıdır. Klasik doğa bilimi dinamik yasaları mutlaklaştırdı. 17. ve 18. yüzyıl felsefesinde tüm olgu ve olayların karşılıklı bağlantısına ilişkin kesinlikle doğru düşünceler, dünyada evrensel zorunluluğun varlığı ve tesadüflerin yokluğu konusunda yanlış sonuca varılmasına yol açmıştır. Bu determinizm biçimine mekanik denir. Mekanistik determinizm, her türlü ilişki ve etkileşimin mekanik olduğunu söyler ve rastgeleliğin nesnel doğasını reddeder. Örneğin, bu tür determinizmin savunucularından biri olan B. Spinoza, bir olguyu yalnızca bilgi eksikliğimizden dolayı rastlantısal olarak adlandırdığımıza inanıyordu. Mekanik determinizmin sonucu kaderciliktir - aslında ilahi kadere olan inançla birleşen, fenomenlerin ve olayların evrensel olarak önceden belirlenmesi doktrini. Mekanik determinizmin sınırlamaları sorunu özellikle kuantum fiziğindeki keşiflerle bağlantılı olarak açık hale geldi. Mikro dünyadaki etkileşim kalıplarının mekanik determinizmin ilkeleri açısından açıklanmasının imkansız olduğu ortaya çıktı. İlk başta fizikteki yeni keşifler determinizmin reddedilmesine yol açmış, ancak daha sonra bu ilkenin yeni bir içeriğinin oluşmasına katkıda bulunmuştur. Mekanik determinizmin genel olarak determinizmle ilişkilendirilmesi sona erdi. M. Born şunları yazdı: "... modern fiziğin nedenselliği reddetmesi tamamen temelsizdir." Aslına bakılırsa modern fizik birçok geleneksel fikri bir kenara attı veya değiştirdi; ancak olayların nedenlerini araştırmayı bırakırsa bilim olmaktan çıkar. Dolayısıyla nedensellik postklasik bilimden çıkarılmaz, ancak onunla ilgili fikirler değişir. Bunun sonucu, determinizm ilkesinin dönüşümü ve istatistiksel yasalar kavramının getirilmesidir. İstatistiksel modeller çeşitli olgularda ortaya çıkar ve bir trend biçimini alır. Bu yasalara olasılıksal denir, çünkü tek bir nesnenin durumunu yalnızca belirli bir olasılık derecesi ile tanımlarlar. Çok sayıda unsurun etkileşimi sonucunda istatistiksel bir model ortaya çıkar ve bu nedenle davranışlarını bir bütün olarak karakterize eder. İstatistiksel modellere olan ihtiyaç, birçok rastgele faktörün etkisi ile ortaya çıkar. Bu tür yasalara ortalama yasaları denir. Aynı zamanda istatistiksel modeller, dinamik olanlar kadar, determinizmin bir ifadesidir. İstatistiksel yasalara örnek olarak kuantum mekaniği yasaları ile toplumda ve tarihte geçerli olan yasalar verilebilir. İstatistiksel kalıpların tanımlanmasında karşımıza çıkan olasılık kavramı, bir olgunun veya olayın belirli koşullar altında gerçekleşme olasılığını ifade eder. Kuantum mekaniğinin klasik teorilerden önemli ölçüde farklı olmasına rağmen burada temel teorilerdeki ortak yapı korunmaktadır. Fiziksel nicelikler (koordinatlar, impulslar, enerji, açısal momentum vb.) genel olarak klasik mekaniktekiyle aynı kalır. Durumu karakterize eden ana nicelik, karmaşık dalga fonksiyonudur. Bunu bilerek, yalnızca bir koordinatın değil, aynı zamanda diğer herhangi bir fiziksel miktarın yanı sıra tüm miktarların ortalama değerlerinin belirli bir değerini tespit etme olasılığını hesaplayabilirsiniz. Göreli olmayan kuantum mekaniğinin temel denklemi - Schrödinger denklemi - bir sistemin zaman içindeki durumunun evrimini benzersiz bir şekilde belirler.

giriiş

1.Newton yasaları

1.1. Atalet Yasası (Newton'un Birinci Yasası)

1.2 Hareket kanunu

1.3. Momentumun korunumu kanunu (Momentumun korunumu kanunu)

1.4. Atalet kuvvetleri

1.5. Viskozite kanunu

2.1. Termodinamiğin kanunları

Yerçekimi kanunu

3.2. Yerçekimi etkileşimi

3.3. Gök mekaniği

Güçlü yerçekimi alanları

3.5. Modern klasik yerçekimi teorileri

Çözüm

Edebiyat

giriiş

Fiziğin temel yasaları doğadaki ve Evrendeki en önemli olayları tanımlar. Birçok olguyu açıklamayı ve hatta tahmin etmeyi mümkün kılarlar. Böylece, yalnızca klasik fiziğin temel yasalarına (Newton yasaları, termodinamik yasaları vb.) dayanarak insanlık, uzayı başarıyla keşfediyor ve diğer gezegenlere uzay aracı gönderiyor.

Bu çalışmada fiziğin en önemli yasalarını ve bunların ilişkilerini ele almak istiyorum. Klasik mekaniğin en önemli yasaları, makrokozmostaki olayları tanımlamak için yeterli olan Newton yasalarıdır (GTR - Genel Görelilik Teorisi veya SRT - Özel Teori'de incelenen yüksek hız veya kütle değerlerini hesaba katmadan). Görelilik.)

Newton yasaları

Newton'un mekanik yasaları - sözde altında yatan üç yasa. Klasik mekanik. I. Newton (1687) tarafından formüle edilmiştir. Birinci Kanun: "Her cisim, uygulanan kuvvetler tarafından bu durumu değiştirmeye zorlanmadıkça, dinlenme halinde veya tekdüze ve doğrusal hareket halinde kalmaya devam eder." İkinci yasa: "Momentumdaki değişim uygulanan itici kuvvetle orantılıdır ve bu kuvvetin etki ettiği düz çizgi yönünde meydana gelir." Üçüncü yasa: "Bir eylemin her zaman eşit ve zıt bir tepkisi vardır, aksi takdirde iki cismin birbiriyle etkileşimi eşit ve zıt yönlerdedir."

1.1. Zako ́ dokuz ́ rasyonlar (Yeni'nin Birinci Yasası ́ tonlar) : Diğer cisimlerden gelen kuvvetlerin etkisi altında olmayan serbest bir cisim, dinlenme veya düzgün doğrusal hareket halindedir (burada hız kavramı, öteleme olmayan hareket durumunda cismin kütle merkezine uygulanır). ). Başka bir deyişle, bedenler ataletle (Latince ataletten - "hareketsizlik", "atalet"), yani üzerlerindeki dış etkiler telafi edilirse hızı koruma olgusuyla karakterize edilir.

Atalet yasasının karşılandığı referans sistemlerine atalet referans sistemleri (IRS) adı verilir.

Atalet yasası ilk olarak Galileo Galilei tarafından formüle edildi; Galileo Galilei, birçok deneyden sonra serbest bir cismin sabit bir hızla hareket etmesi için hiçbir dış nedene gerek olmadığı sonucuna vardı. Bundan önce, farklı bir bakış açısı (Aristoteles'e geri dönerek) genel olarak kabul edildi: Serbest bir cisim hareketsizdir ve sabit bir hızda hareket etmek için sabit bir kuvvet uygulamak gerekir.

Newton daha sonra eylemsizlik yasasını üç ünlü yasadan ilki olarak formüle etti.

Galileo'nun görelilik ilkesi: Tüm eylemsiz referans çerçevelerinde, tüm fiziksel süreçler aynı şekilde ilerler. Eylemsiz bir referans sistemine (geleneksel olarak "durgunlukta") göre hareketsiz duruma veya tekdüze doğrusal harekete getirilen bir referans sisteminde, tüm süreçler hareketsiz bir sistemdekiyle tamamen aynı şekilde ilerler.

Ataletsel referans sistemi kavramının soyut bir model olduğu (gerçek bir nesne yerine belirli bir ideal nesne dikkate alınır. Soyut model örnekleri kesinlikle katı bir cisim veya ağırlıksız bir ipliktir), gerçek referans sistemleri her zaman ilişkilendirilir. Bu tür sistemlerde cisimlerin fiilen gözlenen hareketinin bazı nesnelerle ilişkilendirilmesi ve hesaplama sonuçlarıyla örtüşmesi eksik kalacaktır.

1.2 Hareket kanunu - Bir cismin nasıl hareket ettiğinin veya daha genel bir hareket türünün nasıl oluştuğunun matematiksel bir formülasyonu.

Maddi bir noktanın klasik mekaniğinde, hareket yasası üç uzamsal koordinatın zamana bağlı üç bağımlılığını veya formun bir vektör miktarının (yarıçap vektörü) zamana bağımlılığını temsil eder.

Hareket yasası, probleme bağlı olarak mekaniğin diferansiyel yasalarından veya integral yasalarından bulunabilir.

Enerji korunumu kanunu - doğanın temel kanunu, kapalı bir sistemin enerjisinin zamanla korunmasıdır. Yani enerji yoktan var olamaz ve herhangi bir şeyin içine kaybolamaz; yalnızca bir formdan diğerine geçebilir.

Enerjinin korunumu yasası fiziğin çeşitli dallarında bulunur ve çeşitli enerji türlerinin korunumuyla kendini gösterir. Örneğin, klasik mekanikte yasa, mekanik enerjinin (potansiyel ve kinetik enerjilerin toplamı) korunumunda kendini gösterir. Termodinamikte enerjinin korunumu yasasına termodinamiğin birinci yasası denir ve termal enerjinin yanı sıra enerjinin de korunumundan söz edilir.

Enerjinin korunumu yasası belirli miktarlar ve olaylar için geçerli olmayıp, her yerde ve her zaman geçerli olan genel bir modeli yansıttığından, buna yasa değil, enerjinin korunumu ilkesi demek daha doğrudur.

Mekanik Enerjinin Korunumu Yasası özel bir durumdur; muhafazakar bir mekanik sistemin mekanik enerjisi zamanla korunur. Basitçe ifade etmek gerekirse, sürtünme (tüketici kuvvetler) gibi kuvvetlerin yokluğunda mekanik enerji sıfırdan ortaya çıkmaz ve hiçbir yerde yok olamaz.

Ek1+Ep1=Ek2+Ep2

Enerjinin korunumu kanunu integral bir kanundur. Bu, diferansiyel yasaların eyleminden oluştuğu ve bunların birleşik eyleminin bir özelliği olduğu anlamına gelir. Örneğin bazen sürekli hareket makinesi yaratmanın imkansızlığının enerjinin korunumu yasasından kaynaklandığı söylenir. Ama bu doğru değil. Aslında her sürekli hareket makinesi projesinde diferansiyel yasalardan biri tetiklenir ve motoru çalışmaz hale getiren de budur. Enerjinin korunumu yasası bu gerçeği basitçe genelleştirir.

Noether teoremine göre mekanik enerjinin korunumu yasası zamanın homojenliğinin bir sonucudur.

1.3. Zako ́ güvenli ́ nia ve ́ dürtü (Zako ́ güvenli ́ niya eğer ́ hareket kalitesi) kapalı bir sistemin tüm cisimlerinin (veya parçacıklarının) momentumlarının toplamının sabit bir değer olduğunu belirtir.

Newton yasalarından, boş uzayda hareket ederken momentumun zaman içinde korunduğu ve etkileşim varlığında değişim hızının uygulanan kuvvetlerin toplamı tarafından belirlendiği gösterilebilir. Klasik mekanikte momentumun korunumu yasası genellikle Newton yasalarının bir sonucu olarak türetilir. Ancak bu korunum kanunu Newton mekaniğinin uygulanamadığı durumlarda da (göreceli fizik, kuantum mekaniği) geçerlidir.

Tüm korunum yasalarında olduğu gibi momentumun korunumu yasası da temel simetrilerden birini, yani uzayın homojenliğini tanımlar.

Newton'un üçüncü yasası Etkileşen iki cisme ne olduğunu açıklıyor. Örneğin iki cisimden oluşan kapalı bir sistemi ele alalım. Birinci cisim ikinciye belirli bir F12 kuvveti ile etki edebilir, ikincisi ise birinciye F21 kuvveti ile etki edebilir. Kuvvetler nasıl karşılaştırılır? Newton'un üçüncü yasası şunu belirtir: Etki kuvveti, tepki kuvvetine eşit büyüklükte ve zıt yöndedir. Bu kuvvetlerin farklı cisimlere uygulandığını ve bu nedenle hiçbir şekilde telafi edilmediğini vurgulayalım.

Yasanın kendisi:

Cisimler birbirlerine aynı düz çizgi boyunca, eşit büyüklükte ve zıt yönde yönlendirilmiş kuvvetlerle etki ederler: .

1.4. Atalet kuvvetleri

Doğrusunu söylemek gerekirse Newton yasaları yalnızca eylemsiz referans çerçevelerinde geçerlidir. Bir cismin hareket denklemini eylemsiz olmayan bir referans çerçevesinde dürüstçe yazarsak, görünüş olarak Newton'un ikinci yasasından farklı olacaktır. Ancak çoğu zaman, konuyu basitleştirmek için, belirli bir hayali "eylemsizlik kuvveti" eklenir ve daha sonra bu hareket denklemleri, Newton'un ikinci yasasına çok benzer bir biçimde yeniden yazılır. Matematiksel olarak buradaki her şey doğrudur (doğrudur), ancak fizik açısından bakıldığında, yeni hayali kuvvet, bazı gerçek etkileşimlerin sonucu olarak gerçek bir şey olarak kabul edilemez. Bir kez daha vurgulayalım: "Eylemsizlik kuvveti", eylemsiz ve eylemsiz olmayan referans sistemlerinde hareket yasalarının nasıl farklılaştığının yalnızca uygun bir parametreleştirilmesidir.

1.5. Viskozite kanunu

Newton'un viskozite yasası (iç sürtünme), iç sürtünme stresi τ (viskozite) ve ortamın uzaydaki hızındaki değişiklikle ilgili matematiksel bir ifadedir.

Akışkan kütleler (sıvılar ve gazlar) için (gerinim hızı):

burada η değerine iç sürtünme katsayısı veya dinamik viskozite katsayısı (CGS birimi - denge) denir. Kinematik viskozite katsayısı μ = η / ρ değeridir (CGS birimi Stokes'tur, ρ ortamın yoğunluğudur).

Newton yasası, viskozitenin genellikle termal iletkenlik ve termal iletkenlik için karşılık gelen Fourier yasası ile aynı anda dikkate alındığı fiziksel kinetik yöntemler kullanılarak analitik olarak elde edilebilir. Gazların kinetik teorisinde iç sürtünme katsayısı aşağıdaki formülle hesaplanır:

moleküllerin ortalama termal hareket hızı nerede, λ ortalama serbest yoldur.

2.1. Termodinamiğin kanunları

Termodinamik, deneysel verilere dayanarak formüle edilen ve bu nedenle varsayım olarak kabul edilebilecek üç yasaya dayanmaktadır.

*Termodinamiğin 1. kanunu. Termodinamik süreçler için genelleştirilmiş enerjinin korunumu yasasının bir formülasyonudur. En basit haliyle, δQ = δA + d"U şeklinde yazılabilir; burada dU, sistemin iç enerjisinin toplam diferansiyelidir ve δQ ve δA, temel ısı miktarı ve sistem üzerinde yapılan temel iştir. δA ve δQ'nun bu kavramın olağan anlamında diferansiyel olarak kabul edilemeyeceği dikkate alınmalıdır. Kuantum kavramları açısından bu yasa şu şekilde yorumlanabilir: dU, enerjideki değişimdir Belirli bir kuantum sistemi, δA, sistemin enerji seviyeleri popülasyonundaki değişiklik nedeniyle sistemin enerjisindeki değişikliktir ve δQ, enerji yapısındaki değişiklikler nedeniyle kuantum sisteminin enerjisindeki değişikliktir. seviyeleri.

* Termodinamiğin 2. Yasası: Termodinamiğin ikinci yasası, ikinci türden bir sürekli hareket makinesi yaratma olasılığını dışlar. Bu yasanın birkaç farklı ama aynı zamanda eşdeğer formülasyonu vardır. 1 - Clausius'un postülası. Sıcak bir cisimden soğuk bir cisme ısı transferi dışında başka bir değişikliğin olmadığı bir süreç geri döndürülemez, yani sistemde başka bir değişiklik olmadan ısı soğuk bir cisimden sıcak bir cisme geçemez. Bu olguya enerji dağılımı veya dağılımı denir. 2 - Kelvin'in postülası. Sistemde başka bir değişiklik olmadan işin ısıya dönüştüğü süreç geri döndürülemez, yani düzgün sıcaklıktaki bir kaynaktan alınan ısının tamamının sistemde başka değişiklikler yapmadan işe dönüştürülmesi imkansızdır.

* Termodinamiğin 3. kanunu: Nernst teoremi: Mutlak sıfır sıcaklıktaki herhangi bir sistemin entropisi her zaman sıfıra eşit alınabilir

3.1. Yerçekimi kanunu

Yerçekimi (evrensel yerçekimi, yerçekimi) (Latince gravitalardan - “ağırlık”), tüm maddi cisimlerin tabi olduğu, doğada uzun vadeli temel bir etkileşimdir. Modern verilere göre bu, diğer kuvvetlerden farklı olarak, kütlelerine bakılmaksızın istisnasız tüm cisimlere aynı ivmeyi vermesi anlamında evrensel bir etkileşimdir. Esas olarak yerçekimi kozmik ölçekte belirleyici bir rol oynar. Yerçekimi terimi aynı zamanda yerçekimsel etkileşimleri inceleyen fizik dalının adı olarak da kullanılır. Klasik fizikte yerçekimini açıklayan en başarılı modern fiziksel teori genel görelilik teorisidir; yerçekimi etkileşiminin kuantum teorisi henüz oluşturulmamıştır.

3.2. Yerçekimi etkileşimi

Yerçekimi etkileşimi dünyamızdaki dört temel etkileşimden biridir. Klasik mekanik çerçevesinde, yerçekimi etkileşimi Newton'un evrensel çekim yasası ile tanımlanır; bu yasa, kütleleri m1 ve m2 olan ve R mesafesiyle ayrılmış iki malzeme noktası arasındaki çekim kuvvetinin şu şekilde olduğunu belirtir:

Burada G, m³/(kg s²)'ye eşit olan yerçekimi sabitidir. Eksi işareti, cisme etki eden kuvvetin her zaman vücuda yönelik yarıçap vektörüne eşit olduğu anlamına gelir; yer çekimi etkileşimi her zaman herhangi bir cismin çekilmesine yol açar.

Yerçekimi alanı potansiyeldir. Bu, bir çift cismin yerçekimsel çekiminin potansiyel enerjisini uygulayabileceğiniz ve bu enerjinin, cisimleri kapalı bir döngü boyunca hareket ettirdikten sonra değişmeyeceği anlamına gelir. Yerçekimi alanının potansiyeli, kinetik ve potansiyel enerjinin toplamının korunumu yasasını gerektirir ve yerçekimi alanındaki cisimlerin hareketini incelerken çoğu zaman çözümü önemli ölçüde basitleştirir. Newton mekaniği çerçevesinde yerçekimi etkileşimi uzun menzillidir. Bu, büyük bir cisim ne kadar hareket ederse etsin, uzayın herhangi bir noktasındaki çekim potansiyelinin yalnızca vücudun belirli bir andaki konumuna bağlı olduğu anlamına gelir.

Büyük uzay nesneleri (gezegenler, yıldızlar ve galaksiler) çok büyük kütleye sahiptir ve bu nedenle önemli çekim alanları yaratırlar. Yerçekimi en zayıf etkileşimdir. Ancak tüm mesafelerde etki gösterdiği ve tüm kütleleri pozitif olduğu için yine de Evrende çok önemli bir kuvvettir. Karşılaştırma için: Madde bir bütün olarak elektriksel olarak nötr olduğundan, bu cisimlerin toplam elektrik yükü sıfırdır. Ayrıca yerçekimi, diğer etkileşimlerden farklı olarak tüm madde ve enerji üzerindeki etkisi bakımından evrenseldir. Yerçekimi etkileşimi olmayan hiçbir nesne keşfedilmedi.

Küresel doğası nedeniyle yerçekimi, galaksilerin yapısı, kara delikler ve Evrenin genişlemesi gibi büyük ölçekli etkilerden ve temel astronomik olaylardan - gezegenlerin yörüngelerinden ve gezegenin yüzeyine basit çekimden sorumludur. Dünya ve bedenlerin düşüşü.

Yerçekimi matematiksel teori tarafından tanımlanan ilk etkileşimdi. Antik çağda Aristoteles, farklı kütlelere sahip nesnelerin farklı hızlarda düştüğüne inanıyordu. Ancak çok sonra Galileo Galilei deneysel olarak bunun böyle olmadığını belirledi; hava direnci ortadan kaldırılırsa tüm cisimler eşit şekilde hızlanır. Isaac Newton'un evrensel çekim yasası (1687), yerçekiminin genel davranışını iyi tanımladı. 1915'te Albert Einstein, yerçekimini uzay-zaman geometrisi açısından daha doğru bir şekilde tanımlayan Genel Görelilik Teorisini yarattı.

3.3. Gök mekaniği ve bazı görevleri

Boşluktaki cisimlerin hareketini yalnızca yerçekiminin etkisi altında inceleyen mekaniğin dalına gök mekaniği denir.

Gök mekaniğinin en basit problemi, boş uzaydaki iki cismin yerçekimsel etkileşimidir. Bu problem analitik olarak sonuna kadar çözülür; çözümünün sonucu genellikle Kepler'in üç yasası biçiminde formüle edilir.

Etkileşen cisimlerin sayısı arttıkça görev dramatik biçimde daha karmaşık hale gelir. Bu nedenle, zaten meşhur olan üç cisim problemi (yani, sıfır olmayan kütlelere sahip üç cismin hareketi), genel bir biçimde analitik olarak çözülemez. Sayısal bir çözümde, çözümlerin başlangıç koşullarına göre kararsızlığı oldukça hızlı bir şekilde ortaya çıkar. Bu kararsızlık, Güneş Sistemi'ne uygulandığında, gezegenlerin hareketinin yüz milyon yılı aşan ölçeklerde tahmin edilmesini imkansız hale getiriyor.

Bazı özel durumlarda yaklaşık bir çözüm bulmak mümkündür. En önemli durum, bir cismin kütlesinin diğer cisimlerin kütlesinden önemli ölçüde daha büyük olmasıdır (örnekler: güneş sistemi ve Satürn halkalarının dinamikleri). Bu durumda, ilk yaklaşım olarak, hafif cisimlerin birbirleriyle etkileşime girmediğini ve büyük cisim etrafında Kepler yörüngeleri boyunca hareket ettiğini varsayabiliriz. Aralarındaki etkileşimler pertürbasyon teorisi çerçevesinde dikkate alınabilir ve zaman içinde ortalaması alınabilir. Bu durumda rezonanslar, çekiciler, kaos vb. gibi önemsiz olmayan olaylar ortaya çıkabilir. Bu tür olayların açık bir örneği, Satürn'ün halkalarının önemsiz olmayan yapısıdır.

Yaklaşık olarak aynı kütleye sahip çok sayıda çekici cisimden oluşan bir sistemin davranışını tanımlama çabalarına rağmen, dinamik kaos olgusu nedeniyle bu yapılamaz.

3.4. Güçlü yerçekimi alanları

Güçlü yerçekimi alanlarında, göreceli hızlarda hareket ederken genel göreliliğin etkileri ortaya çıkmaya başlar:

Yerçekimi yasasının Newton'unkinden sapması;

Yerçekimi bozukluklarının sonlu yayılma hızıyla ilişkili potansiyellerin gecikmesi; yerçekimi dalgalarının ortaya çıkışı;

Doğrusal olmayan etkiler: Yerçekimi dalgaları birbirleriyle etkileşime girme eğilimindedir, bu nedenle güçlü alanlardaki dalgaların üst üste binmesi ilkesi artık geçerli değildir;

Uzay-zamanın geometrisini değiştirmek;

Kara deliklerin ortaya çıkışı;

3.5. Modern klasik yerçekimi teorileri

Kütleçekiminin kuantum etkilerinin en uç deneysel ve gözlemsel koşullar altında bile son derece küçük olması nedeniyle, bunlara ilişkin güvenilir gözlemler hâlâ mevcut değildir. Teorik tahminler, vakaların büyük çoğunluğunda kişinin kendisini yerçekimsel etkileşimin klasik tanımıyla sınırlayabileceğini göstermektedir.

Modern bir kanonik klasik yerçekimi teorisi vardır - genel görelilik teorisi ve birbirleriyle rekabet eden, farklı gelişim derecelerine sahip birçok açıklayıcı hipotez ve teori vardır (Alternatif yerçekimi teorileri makalesine bakın). Bu teorilerin tümü, halihazırda deneysel testlerin yürütüldüğü yaklaşım dahilinde birbirine çok benzer tahminler yapmaktadır. Aşağıda birkaç temel, en iyi geliştirilmiş veya bilinen yerçekimi teorileri yer almaktadır.

Newton'un yerçekimi teorisi, uzun menzilli bir kuvvet olan yerçekimi kavramına dayanmaktadır: herhangi bir mesafede anında etki eder. Eylemin bu anlık doğası, modern fiziğin alan paradigmasıyla ve özellikle de 1905'te Einstein tarafından Poincaré ve Lorentz'in çalışmalarından esinlenerek oluşturulan özel görelilik teorisiyle bağdaşmaz. Einstein'ın teorisine göre hiçbir bilgi boşlukta ışık hızından daha hızlı ilerleyemez.

Matematiksel olarak Newton'un yerçekimi kuvveti, yerçekimi alanındaki bir cismin potansiyel enerjisinden türetilir. Bu potansiyel enerjiye karşılık gelen yerçekimi potansiyeli, Lorentz dönüşümleri altında değişmez olmayan Poisson denklemine uyar. Değişmezliğin nedeni, özel görelilik teorisindeki enerjinin skaler bir miktar olmaması, 4-vektörün zaman bileşenine girmesidir. Yerçekiminin vektör teorisi, Maxwell'in elektromanyetik alan teorisine benzer ve etkileşimin doğasıyla ilişkili olan yerçekimi dalgalarının negatif enerjisine yol açar: yerçekimindeki benzer yükler (kütle) çeker ve itmez. elektromanyetizma alanında. Bu nedenle, Newton'un yerçekimi teorisi, özel görelilik teorisinin temel ilkesiyle - doğa yasalarının herhangi bir eylemsiz referans çerçevesinde değişmezliği ve ilk kez 1905'te Poincaré tarafından önerilen Newton teorisinin doğrudan vektör genellemesi - ile bağdaşmaz. “Elektronun Dinamiği Üzerine” çalışması fiziksel olarak tatmin edici olmayan sonuçlara yol açmaktadır.

Einstein, doğa yasalarının herhangi bir referans çerçevesine göre değişmezliği ilkesiyle uyumlu olacak bir yerçekimi teorisi aramaya başladı. Bu arayışın sonucu, yerçekimsel ve eylemsiz kütlenin özdeşliği ilkesine dayanan genel görelilik teorisiydi.

Yerçekimi ve eylemsizlik kütlelerinin eşitliği ilkesi

Klasik Newton mekaniğinde iki kütle kavramı vardır: Birincisi Newton'un ikinci yasasını, ikincisi ise evrensel çekim yasasını ifade eder. İlk kütle - atalet (veya atalet) - vücuda etki eden yerçekimi olmayan kuvvetin ivmesine oranıdır. İkinci kütle - yerçekimi (veya bazen denildiği gibi ağır) - bir cismin diğer cisimler tarafından çekilme kuvvetini ve kendi çekim kuvvetini belirler. Genel olarak bakıldığında bu iki kütle, açıklamadan da görülebileceği gibi, çeşitli deneylerle ölçülür ve bu nedenle birbirleriyle hiçbir şekilde orantılı olmaları gerekmez. Bunların kesin orantılılığı, hem yerçekimsel olmayan hem de yerçekimsel etkileşimlerde tek bir vücut kütlesinden bahsetmemize olanak tanır. Uygun birim seçimi ile bu kütleler birbirine eşit hale getirilebilir.

İlkenin kendisi Isaac Newton tarafından ortaya atıldı ve kütlelerin eşitliği onun tarafından deneysel olarak 10−3'lük göreceli bir doğrulukla doğrulandı. 19. yüzyılın sonunda Eötvös daha incelikli deneyler gerçekleştirerek prensibi test etme doğruluğunu 10−9'a çıkardı. 20. yüzyılda deneysel teknoloji, kütlelerin eşitliğini 10−12-10−13 (Braginsky, Dicke, vb.) göreceli doğrulukla doğrulamayı mümkün kıldı.

Bazen yerçekimi ve eylemsizlik kütlelerinin eşitliği ilkesine zayıf eşdeğerlik ilkesi denir. Albert Einstein bunu genel görelilik teorisine dayandırdı.

Jeodezik çizgiler boyunca hareket prensibi

Yerçekimi kütlesi eylemsizlik kütlesine tam olarak eşitse, o zaman yalnızca yerçekimi kuvvetlerinin etki ettiği bir cismin ivmesi ifadesinde her iki kütle de birbirini götürür. Dolayısıyla bir cismin ivmesi ve dolayısıyla yörüngesi, cismin kütlesine ve iç yapısına bağlı değildir. Uzayda aynı noktadaki tüm cisimler aynı ivmeyi alıyorsa, bu ivme cisimlerin özellikleriyle değil, uzayın bu noktadaki özellikleriyle ilişkilendirilebilir.

Böylece cisimler arasındaki yerçekimsel etkileşimin tanımı, cisimlerin içinde hareket ettiği uzay-zamanın tanımına indirgenebilir. Einstein'ın yaptığı gibi cisimlerin eylemsizlikle, yani kendi referans çerçevelerindeki ivmelerinin sıfır olacağı şekilde hareket ettiğini varsaymak doğaldır. Böylece cisimlerin yörüngeleri, teorisi 19. yüzyılda matematikçiler tarafından geliştirilen jeodezik çizgiler olacaktır.

Jeodezik çizgilerin kendisi, uzay-zamanda, geleneksel olarak aralık veya dünya fonksiyonu olarak adlandırılan, iki olay arasındaki mesafenin bir analoğunu belirleyerek bulunabilir. Üç boyutlu uzayda ve tek boyutlu zamanda (başka bir deyişle dört boyutlu uzay-zamanda) bir aralık, metrik tensörün 10 bağımsız bileşeni tarafından verilir. Bu 10 sayı uzayın ölçüsünü oluşturur. Uzay-zamanda farklı yönlerdeki iki sonsuz yakın nokta arasındaki “mesafeyi” tanımlar. Hızı ışık hızından daha düşük olan fiziksel cisimlerin dünya çizgilerine karşılık gelen jeodezik çizgilerin, en büyük uygun zamanın çizgileri olduğu, yani bu yörüngeyi takip ederek vücuda sıkı bir şekilde bağlı bir saat tarafından ölçülen zaman olduğu ortaya çıkar.

Modern deneyler, cisimlerin jeodezik çizgiler boyunca hareketini, yerçekimi ve eylemsizlik kütlelerinin eşitliği ile aynı doğrulukla doğrulamaktadır.

Çözüm

Newton yasalarından hemen bazı ilginç sonuçlar çıkar. Dolayısıyla Newton'un üçüncü yasası, cisimlerin nasıl etkileşime girdiğine bakılmaksızın toplam momentumlarını değiştiremeyeceklerini söylüyor: momentumun korunumu yasası ortaya çıkıyor. Daha sonra, iki cismin etkileşim potansiyelinin yalnızca bu cisimlerin U(|r1-r2|) koordinatlarındaki farkın modülüne bağlı olmasını talep etmeliyiz. Daha sonra etkileşen cisimlerin toplam mekanik enerjisinin korunumu yasası ortaya çıkar:

Newton yasaları mekaniğin temel yasalarıdır. Mekaniğin diğer tüm yasaları bunlardan türetilebilir.

Aynı zamanda Newton Kanunları klasik mekaniğin en derin formülasyonu değildir. Lagrangian mekaniği çerçevesinde tek bir formül (mekanik etkinin kaydı) ve tek bir varsayım (cisimler etki minimum olacak şekilde hareket eder) vardır ve bundan tüm Newton yasaları türetilebilir. Üstelik Lagrange formalizmi çerçevesinde, eylemin başka bir biçime sahip olduğu varsayımsal durumlar kolaylıkla düşünülebilir. Bu durumda hareket denklemleri artık Newton yasalarına benzemeyecek, ancak klasik mekaniğin kendisi hâlâ geçerli olacaktır...

Hareket denklemlerini çözme

F = ma denklemi (yani Newton'un ikinci yasası) bir diferansiyel denklemdir: ivme, koordinatın zamana göre ikinci türevidir. Bu, mekanik bir sistemin zaman içindeki gelişiminin, eğer başlangıç koordinatları ve başlangıç hızları belirtilirse, kesin olarak belirlenebileceği anlamına gelir. Dünyamızı tanımlayan denklemler birinci dereceden denklemler olsaydı, o zaman eylemsizlik, salınımlar ve dalgalar gibi olayların dünyamızdan kaybolacağını unutmayın.

Fiziğin Temel Yasalarının incelenmesi, bilimin giderek geliştiğini doğrulamaktadır: her aşama, her açık yasa, gelişimin bir aşamasıdır, ancak tüm sorulara nihai yanıtlar sağlamaz.

Edebiyat:

Büyük Sovyet Ansiklopedisi (Newton'un Mekanik Kanunları ve diğer makaleler), 1977, “Sovyet Ansiklopedisi”
Çevrimiçi ansiklopedi www.wikipedia.com

3. Kütüphane “Detlaf A.A., Yavorsky B.M., Milkovskaya L.B. - Fizik dersi (cilt 1). Mekanik. Moleküler fiziğin ve termodinamiğin temelleri

Federal Eğitim Ajansı

GOU VPO Rybinsk Devlet Havacılık Akademisi adını almıştır. P.A. Solovyova

“Genel ve Teknik Fizik” Bölümü

SOYUT

“Modern doğa biliminin kavramları” disiplininde

Konu: “Fiziğin temel yasaları”

Grup ZKS-07

Öğrenci Balshin A.N.

Öğretmen: Vasilyuk O.V.

19. yüzyılın sonlarında klasik fizik yasalarının yalnızca makro dünyada, diğerlerinin ise mikro dünyada - kuantum yasalarında - başarılı bir şekilde çalıştığının açıklandığı biliniyor. Bu bakış açısı yirminci yüzyıl boyunca egemen oldu. Ve şimdi, klasik fizik yasalarına dayanarak foton, elektron, proton, nötronun modellerini ve çekirdek, atom ve moleküllerin oluşum ilkelerini belirlediğimizde şu soru ortaya çıkıyor: Geçmişteki fizikçiler bunu yaptılar mı? nesiller, klasik fiziğin mikro dünyanın sorunlarını çözme yeteneğini gömerek bir hata mı yapıyorlar? Bu soruyu yanıtlamak için, kara cisim ışınımına ilişkin deneysel bilgilerin kabul edilebilir bir yorumunu ararken klasik fizikteki güvensizliğin kökenlerini dikkatle analiz edelim (Şekil 103).

Her şey siyah cisim radyasyonu yasasının oluşturulmasıyla başladı (Şekil 103). Yirminci yüzyılın başında Max Planck tarafından gerçekleştirilen bu yasanın matematiksel modelinin türetilmesi, klasik fizik yasalarıyla çeliştiğine inanılan kavram ve fikirlere dayanıyordu.

Pirinç. 103. Tamamen siyah bir gövdenin grafik modeli

Planck, siyah cisim radyasyonu yasasının matematiksel modeline, elektromanyetik radyasyonun dalga doğası hakkındaki fikirlerle açıkça çelişen, mekanik etki boyutuna sahip bir sabit ekledi. Bununla birlikte, onun matematiksel modeli bu radyasyonun deneysel bağımlılıklarını oldukça doğru bir şekilde tanımladı. Ortaya koyduğu sabit, radyasyonun sürekli değil, kısımlar halinde olduğunu gösteriyordu. Bu, elektromanyetik radyasyonun dalga doğası hakkındaki fikirlere dayanan, ancak deneysel bağımlılıkları yalnızca düşük frekans aralığında tanımlayan Rayleigh-Jeans radyasyon yasasıyla çelişiyordu.

Siyah cisim radyasyonu yasasının matematiksel modeli, Rayleigh-Jeans radyasyon yasasının matematiksel bir modelini içerdiğinden, Planck'ın siyah cisim radyasyonu yasasının, radyasyonun doğası hakkındaki birbirini dışlayan dalga ve parçacık fikirlere dayandığı ortaya çıktı.

Radyasyonun sürekli dalga sürecinin kısmi süreçle uyumsuzluğu, klasik fiziğin krizinin anlaşılması için zorlayıcı bir nedendi. O andan itibaren fizikçiler, klasik fizik yasalarının kapsamının makrokozmosla sınırlı olduğuna inanmaya başladılar. Mikro dünyada diğer kuantum yasalarının işlediğine, dolayısıyla mikro dünyayı tanımlayan fiziğin kuantum fiziği olarak adlandırılması gerektiğine inanıyorlar. Max Planck'ın bu tür fiziksel kavramların karışımıyla baş etmeye ve bunları klasik gelişim yoluna döndürmeye çalıştığını ancak bu sorunu çözemediğini belirtmek gerekir.

Neredeyse yüz yıl sonra, klasik fizik kanunları ile kuantum fiziği kanunları arasındaki sınırın henüz belirlenmediğini kabul etmek zorundayız. Mikro dünyanın pek çok probleminin çözümünde hala önemli zorluklar yaşanıyor ve bunların birçoğu yerleşik kavram ve fikirler çerçevesinde çözülemez olarak değerlendiriliyor, bu nedenle Max Planck'ın siyah cisim radyasyonu yasasının matematiksel bir modelini türetme girişimine geri dönmek zorunda kalıyoruz. klasik kavramlara dayanmaktadır.

Her şey kara cisim radyasyonu yasasının oluşturulmasıyla başladı (Şekil 119). Yirminci yüzyılın başında Max Planck tarafından gerçekleştirilen bu yasanın matematiksel modelinin türetilmesi, klasik fizik yasalarıyla çeliştiğine inanılan kavram ve fikirlere dayanıyordu.

Pirinç. 119. a) tamamen siyah bir cismin grafik modeli;

b) – tamamen siyah bir cismin radyasyon yoğunluğunun yayılan fotonların dalga boyuna bağımlılığı

Planck, siyah cisim radyasyonu yasasının matematiksel modeline, elektromanyetik radyasyonun dalga doğası hakkındaki fikirlerle açıkça çelişen, mekanik etki boyutuna sahip bir sabit ekledi. Bununla birlikte, onun matematiksel modeli bu radyasyonun deneysel bağımlılıklarını oldukça doğru bir şekilde tanımladı. Ortaya koyduğu sabit, radyasyonun sürekli değil, kısımlar halinde olduğunu gösteriyordu. Bu, elektromanyetik radyasyonun dalga doğası hakkındaki fikirlere dayanan, ancak yalnızca düşük frekans aralığında (236), yani radyasyonun uzun dalga boylarında (Şekil 119) deneysel bağımlılıkları tanımlayan Rayleigh-Jeans radyasyon yasasıyla çelişiyordu.

Her şeyden önce, düşük frekanslı radyasyon aralığının deneysel modelini tatmin edici bir şekilde tanımlayan Rayleigh-Jeans formülünü sunuyoruz (Şekil 119). Elektromanyetik radyasyonun dalga kavramlarına dayanarak, kesinlikle siyah bir cismin hacminde bulunan enerjinin bağımlılığa göre belirlendiğini tespit ettiler.

, (236)

radyasyon frekansı nerede; - tamamen siyah bir cismin boşluğunun hacmi (Şekil 119); - ışık hızı; - Boltzmann sabiti; - mutlak radyasyon sıcaklığı.

İlişkinin sol ve sağ taraflarını (236) hacme bölerek elektromanyetik radyasyonun hacimsel yoğunluğunu elde ederiz.

. (237)

Bu formülün türetilmesi, kesinlikle siyah bir cismin kapalı bir boşluğunda (Şekil 119, b), frekanslı tam sayıda elektromanyetik radyasyon duran dalganın varlığı fikrine dayanmaktadır.

Siyah bir cismin elektromanyetik radyasyonunun tüm spektrumunu tanımlayacak bir matematiksel model elde etmek için Max Planck, radyasyonun sürekli olarak gerçekleşmediğini, ancak yayılan her bölümün enerjisinin eşit olacağı şekilde kısımlar halinde oluştuğunu varsaydı ve hesaplama formülü siyah bir cismin elektromanyetik radyasyon yoğunluğunun aşağıdaki gibi olduğu ortaya çıktı (Şekil 119)

. (238)

Miktar, mekanik etki boyutuna sahip bir sabittir. Üstelik bu eylemin anlamı o zamanlar tamamen belirsizdi. Bununla birlikte Planck tarafından elde edilen matematiksel model (238), kara cisim ışınımının deneysel modellerini oldukça doğru bir şekilde tanımladı (Şekil 119).

Gördüğünüz gibi, formül (238)'deki ifade, Rayleigh-Jeans formülüne (237) bazı önemli eklemelerin rolünü oynar; bunun özü, yayılan bir fotonun enerjisi olduğu gerçeğine indirgenir.

Siyah cisim radyasyonu yasasının matematiksel modeli (238), Rayleigh-Jeans radyasyon yasasının (236) matematiksel bir modelini içerdiğinden, Planck'ın siyah cisim radyasyonu yasasının, siyah cisim radyasyonu hakkında birbirini dışlayan dalga ve parçacık fikirlerine dayandığı ortaya çıktı. Radyasyonun doğası.

Elbette Planck toplamının fiziksel anlamını daha iyi anlayabilmek için fotonun manyetik yapısı hakkında fikir sahibi olmak gerekir çünkü Planck sabitinin fiziksel anlamı da bu yapıda gizlidir. Ürün, foton radyasyonunun tüm ölçeğindeki fotonların enerjilerini tanımladığından, fotonun manyetik yapısı Planck sabiti boyutunda gizlidir. Fotonun böyle dönen bir manyetik yapıya sahip olduğunu, kütle merkezinin yarıçapına eşit bir dalga boyunu tanımladığını zaten tespit etmiştik. Sonuç olarak Planck sabitinin matematiksel ifadesi şu şekli alır:

Görüldüğü gibi Planck sabiti açısal momentumun açık bir mekanik boyutuna sahiptir. Açısal momentumun sabitliğinin açısal momentumun korunumu yasasına tabi olduğu iyi biliniyor ve Planck sabitinin sabitliğinin nedeni hemen anlaşılıyor.

Öncelikle konsept açısal momentumun korunumu yasası" klasik fiziğin, daha doğrusu klasik mekaniğin bir kavramıdır. Dönen bir cisme etki eden dış kuvvetlerin momentlerinin toplamı sıfıra eşitse, böyle bir cisme etki eden açısal momentumun büyüklük ve yön bakımından sabit kalacağını belirtir.

Elbette ki foton, uzayda hareket etmeden yalnızca dönen katı bir cisim değildir, ancak kütlesi vardır ve fotonun kütlesinin rolünün, kendi eksenine göre dönen manyetik bir madde tarafından oynandığına inanmak için her türlü nedenimiz vardır. uzayda ışık hızıyla döner ve hareket eder.

Planck sabitinin matematiksel modelinden (239), fotonun manyetik modelinin, fotonun dönen manyetik alanlarının kütlesinde, yarıçapında ve frekansında eş zamanlı bir değişimin, matematiksel ifadesine yansıyan çarpımlarını bırakacağı şekilde olması gerektiği sonucu çıkar: Planck sabiti (239), sabit.

Örneğin bir fotonun kütlesi (enerjisi) arttıkça dalga boyu azalır, bu değişimin foton modelinde Planck sabiti (239) tarafından nasıl gerçekleştiğini tekrar anlatalım (Şekil 15 ve 16).

Planck sabitinin sabitliği açısal momentumun korunumu yasasına tabi olduğundan daha sonra fotonun kütlesi arttıkça, manyetik alanlarının yoğunluğu da artar (Şekil 15 ve 16) ve bundan dolayı, fotonu sıkıştıran manyetik kuvvetler artar ve bunlar her zaman fotonun üzerine etki eden merkezkaç atalet kuvvetleri tarafından dengelenir. bu alanların kütle merkezleri. Bu, her zaman dalga boyuna eşit olan fotonun yarıçapında bir azalmaya yol açar. Ancak Planck sabitinin ifadesindeki yarıçapın karesi olduğundan, Planck sabitinin (239) sabitliğini korumak için foton salınımlarının frekansının artması gerekir. Bu nedenle, bir fotonun kütlesindeki küçük bir değişiklik otomatik olarak yarıçapını ve frekansını değiştirir, böylece açısal momentum (Planck sabiti) sabit kalır.

Böylece tüm frekanslardaki fotonlar manyetik yapılarını korurken kütleyi, frekansı ve yarıçapı değiştirirler. . Yani bu değişimin ilkesi şu şekilde yönetilmektedir: açısal momentumun korunumu kanunu.

Şu soruyu sorarsanız: Neden tüm frekanslardaki fotonlar boşlukta aynı hızda hareket ediyor? Daha sonra aşağıdaki cevabı alıyoruz. Çünkü fotonun kütlesindeki ve yarıçapındaki değişiklik, fotonun lokalizasyonu yasası tarafından kontrol edilir. Öyle ki bir fotonun kütlesi arttıkça yarıçapı azalır ve bunun tersi de geçerlidir.

Daha sonra Planck sabitinin sabitliğini korumak için yarıçap azaldıkça frekansın orantılı olarak artması gerekir. Sonuç olarak ürünleri sabit ve eşit kalır. Bu durumda fotonun kütle merkezinin hızı (Şekil 20, a), dalga boyu aralığında ortalama değeri sabit ve eşit kalacak ve sıfır değer almayacak şekilde değişir (Şekil 20, a). ).

Dolayısıyla Planck sabitinin sabitliği, klasik fiziğin (veya daha doğrusu klasik mekaniğin) en temel yasalarından biri olan açısal momentumun korunumu yasası tarafından yönetilir. Bu saf bir klasik mekanik yasadır ve daha önce inanıldığı gibi bir tür mistik Kantçı eylem değildir. Bu nedenle, Kara cisim ışınımı yasasının matematiksel modelinde Planck sabitinin ortaya çıkışı, klasik fiziğin bu cismin ışınım sürecini açıklamadaki yetersizliğini iddia etmek için herhangi bir temel sağlamaz. Tam tersine, klasik fiziğin en temel yasası olan açısal momentumun korunumu yasası, bu sürecin tanımında tam olarak yer almaktadır.

Dolayısıyla Planck'ın kara cisim ışınımı yasası klasik fiziğin bir yasasıdır ve “Kuantum fiziği” kavramını tanıtmaya gerek yoktur. Planck formülünün (239) klasik bir türevi de vardır. Fotonların yapısına ilişkin parçacık kavramlarına dayanmaktadır. Bu sonucu sunuyoruz.

Siyah cisim radyasyonu, her biri yalnızca kinetik enerjiye sahip olan bir foton koleksiyonu olduğundan, fotonun kinetik enerjisini ve yayılan foton koleksiyonunun termal enerjisini Maxwell dağılım yasasının matematiksel modeline dahil etmeliyiz.

. (240)

Daha sonra, enerji geçişleri sırasında atomların elektronları tarafından fotonların yayıldığını hesaba katmalıyız. Her elektron, farklı enerjilerde fotonlar yayarak enerji seviyeleri arasında bir dizi geçiş yapabilir. Bu nedenle, yayılan fotonların hacimsel enerji yoğunluğunun tam dağılımı, tüm enerji seviyelerindeki fotonların enerjilerini hesaba katan dağılımların toplamından oluşacaktır. Yukarıdakiler dikkate alındığında atomun tüm enerji seviyelerindeki foton enerjilerinin dağılımını dikkate alan Maxwell yasası aşağıdaki gibi yazılacaktır.

atomdaki elektronun enerji seviyesi sayısını belirleyen ana kuantum sayısı nerede?

(241) serisinin toplamının şuna eşit olduğu bilinmektedir:

. (242)

Formülün (242) sağ tarafını Planck sabiti ve Rayleigh-Jeans formülünün (236) katsayısıyla çarparak, siyah bir cismin boşluğundaki foton yoğunluğundaki değişim modelini tanımlayan bir sonuç elde ederiz. (Şekil 119, a) fotonların frekansından veya dalga boylarından ( Şekil 119, b)

. (243)

Bu, Max Planck'ın 1901'de elde ettiği siyah cisim ışınımı yasasıdır (243). İfade (243), daha önce inanıldığı gibi, siyah bir cismin elektromanyetik radyasyonunun serbestlik derecesinin sayısını hesaba katan katsayı açısından ifadeden (242) biraz farklıdır. E.V.'ye göre. Shpolsky'nin değeri, elektromanyetik radyasyon dalgalarının doğasına bağlıdır ve ile arasında değişebilir. Ancak belirtilen fikirler çerçevesinde değişken katsayı

(244)

siyah bir cismin boşluğundaki fotonların yoğunluğunu karakterize eder. Bu katsayının sabit bileşeninin daha doğru bir değeri deneysel olarak belirlenebilir.

Böylece, saf klasik fikir ve kavramlara dayanarak kara cisim ışınımı yasasını (243) türetmiş olduk ve bu yasanın klasik fizikle çeliştiğine inanmak için tam bir neden eksikliği görüyoruz. Tam tersine bu fizik yasalarının bir sonucudur. Planck'ın siyah cisim ışınımı yasasının (238) matematiksel modelinin tüm bileşenleri, uzun süredir devam eden açık klasik fiziksel anlamlarını kazanmıştır.

Tamamen siyah bir cismin spektrumunda farklı yarıçaplara sahip fotonların (Şekil 15, 16 ve 119) bulunduğuna ve maksimum sıcaklıkların (2000 ve 1500 derece C, Şekil 119) oluştuğuna özellikle dikkat edelim. değerleri Wien formülüyle oldukça doğru bir şekilde belirlenen belirli yarıçaplara sahip bir dizi foton tarafından

. (245)

Örneğin, maksimum 2000 C sıcaklık, yarıçaplı bir dizi foton oluşturur.

Bunlar kızılötesi aralığındaki görünmez fotonlardır ve hemen bir itirazımız var. Deneyimlerimiz bize 2000 C sıcaklığın ışık aralığındaki görünür fotonlardan oluştuğunu söylüyor. Bu bakış açısı sezgilerimizin yanılgısının açık bir örneğidir. Aşağıdaki örnekle özünü açıklayalım.

Eksi 30 derece sıcaklıkta güneşli, soğuk bir kış günü. Celsius'ta ayakların altında kar yağıyor. Güneş ışığının bolluğu bize maksimum yanılsamasını verir ışık bizi çevreleyen fotonlar ve hafif bir fotonun ortalama dalga boyuna (daha doğrusu, şimdi ortalama yarıçapa sahip) sahip fotonların ortamında olduğumuzu güvenle belirtmeye hazırız (Tablo 2). Ancak Wien yasası (245) bizi düzeltir ve maksimum koleksiyonunun yarıçapı (dalga boyu) eşit olan bir foton ortamında olduğumuzu kanıtlar (Tablo 2).

Gördüğünüz gibi sezgisel hatamız iki kattan fazladır. Eksi 30 derecelik donun olduğu parlak güneşli bir kış gününde, maksimum sayıda ışığın değil, dalga boylarına (veya yarıçaplara) sahip kızılötesi fotonların olduğu bir ortamdayız.

Bu arada, fotonların dalga boylarının (yarıçaplarının) 16 büyüklük mertebesinde değiştiğini görüyoruz (Şekil 15, 16). En büyük yarıçaplar (), mutlak sıfıra yakın mümkün olan minimum sıcaklığı oluşturan kozmik mikrodalga arka plan fotonlarına (Tablo 2) sahiptir ve en küçük () - gama fotonları (Tablo 2) hiçbir sıcaklık oluşturmaz. Fotonların yapısının oluşumu ve davranışları 7 sabit tarafından kontrol edilmektedir.

Sunulan bilgiler bizi Wien formülünün (245) geçerliliği konusunda ikna etmektedir ve toplamı ikinci sıcaklık maksimumunu (Şekil 119, b) oluşturan fotonların yarıçaplarını siyah cisim boşluğunda (Şekil 119, a) bulabiliriz. ).

. (248)

Görüldüğü gibi (247 ve 248) sıcaklık arttıkça, tamamı sıcaklığı oluşturan fotonların yarıçapları azalır. Bu, mutlak sıfıra yakın sıcaklığın en büyük yarıçapa sahip fotonlardan oluştuğu anlamına gelir ve bunu şimdi göreceğiz (Şekil 120).

Pirinç. 120: a) Evrenin küçük bir kısmının fotoğrafı; b) Evrenin radyasyon yoğunluğunun dalga boyuna bağımlılığı: teorik – ince çizgi; deneysel – kalın çizgi

Wien formülünün (245) yalnızca kapalı sistemler için geçerli olduğuna inanılıyordu (Şekil 119, a). Ancak şimdi bunun yalnızca kapalı bir sistem olarak tamamen siyah bir cismin ışınımını (Şekil 119, a) değil, aynı zamanda tamamen açık bir sistem olan Evreni de ideal olarak tanımladığını göreceğiz (Şekil 120, a).

Evrenin radyasyon yoğunluğunun teorik bağımlılığı (Şekil 120, b – ince çizgi), Planck formülü (243) ile tanımlanan tamamen siyah bir cismin radyasyon yoğunluğunun (Şekil 119, a) bağımlılığına benzer.

Evrenin maksimum radyasyonu deneysel olarak sıcaklıkta (Şekil 120, b, A noktası) kaydedilmiştir ve dalga boyuna sahiptir. . Wine'ın formülü (245) aynı sonucu verir

(249)

Bu, Wien yasasının yalnızca tamamen siyah bir cisim gibi kapalı sistemler için değil (Şekil 119, a), aynı zamanda Evren gibi tamamen açık sistemler için de (Şekil 120, a) geçerli olduğunun açık bir kanıtıdır.

Evrenin maksimum radyasyonunun kaynağını bulmak için (Şekil 120, b, A ve 3 noktaları), gözlemlediğimiz Evrenin yüzde 73'ünün hidrojen, yüzde 24'ünün helyum ve yüzde 3'ünün daha ağır elementlerden oluştuğuna dikkat edelim. . Bu, Evrenin spektrumunun (Şekil 120, b), esas olarak yeni oluşturulan hidrojen atomları tarafından yayılan fotonlardan oluştuğu anlamına gelir. Hidrojen atomlarının doğuşuna, bir elektronun bir protona yaklaştırılması sürecinin eşlik ettiği ve bunun sonucunda elektronun foton yaydığı da bilinmektedir.

Dalga boyunun teorik değerinin (Şekil 120, b, nokta 3) deneysel değeriyle çakışması (Şekil 120, b, nokta A), Evrenin radyasyon spektrumunu analiz etmek için Wien formülünü (245) kullanmanın doğruluğunu kanıtlar.

Dalga boyuna sahip fotonlar enerjiye sahip olmak

Enerji, 108. enerji düzeyinde bulunan bir elektronun bir protona bağlanma enerjisine karşılık gelir. Elektronun protonla temas ettiği ve hidrojen atomunun oluştuğu anda yaydığı fotonun enerjisine eşittir.

Bir elektronu bir protona yaklaştırma süreci adım adım gerçekleşir. Yüksek sıcaklıktaki bir ortamdan daha düşük sıcaklıktaki bir ortama ortak geçiş sırasında veya daha basit bir ifadeyle yıldızlardan uzaklaşırken meydana gelir. Bir elektronun bir protona yaklaşması adım adım gerçekleşir. Bu geçişte atlanan adımların sayısı, doğmuş hidrojen atomunun hareket ettiği ortamın sıcaklık gradyanına bağlıdır. Sıcaklık gradyanı ne kadar büyük olursa, bir elektron bir protona yaklaşırken o kadar fazla adım atlayabilir.

Doğal olarak hidrojen atomlarının oluşumundan sonra, aynı zamanda maksimum radyasyona sahip olması gereken hidrojen moleküllerinin oluşum aşaması başlar. Atomik hidrojenin sıcaklık aralığında moleküler hidrojene dönüştüğü bilinmektedir.

Molekülünün oluşumu sırasında hidrojen atomlarının elektronları tarafından yayılan fotonların yarıçapları aşağıdaki aralıkta değişecektir:

; (251)

, (252)

C noktası alanında maksimum oluşturan foton dalga boyları aralığına karşılık gelir (Şekil 120, b).

Dolayısıyla, Evrenin C noktasına karşılık gelen maksimum radyasyonunun (Şekil 120), hidrojen atomlarının ve moleküllerinin sentezi sırasında elektronlar tarafından yayılan fotonlar tarafından oluşturulduğuna inanmak için nedenimiz var.

Ancak bu, hidrojen fazı geçiş süreçlerini sona erdirmez. Yıldızlardan uzaklaşan molekülleri, minimum değeri T = 2.726 K olan ardışık sıcaklık düşüşleri bölgesinden geçer. Bundan, hidrojen moleküllerinin sıvılaştıkları bir sıcaklık bölgesinden geçtikleri sonucu çıkar. Tanınır ve eşittir. Bu nedenle, Evrenden bu sıcaklığa karşılık gelen başka bir maksimum radyasyon olması gerektiğine inanmak için nedenler var. Bu maksimumu oluşturan fotonların dalga boyu şuna eşittir:

. (253)

Bu sonuç, Şekil 1'deki noktadaki maksimum değerle neredeyse tamamen örtüşmektedir. 120 ve Evrenin radyasyon spektrumunun, hidrojen atomlarının ve moleküllerinin sentezinin yanı sıra hidrojen moleküllerinin sıvılaştırılması işlemleriyle oluştuğunu kanıtlar. Bu süreçler sürekli olarak meydana gelir ve hayali Büyük Patlama ile hiçbir ilgisi yoktur.

Görüldüğü gibi (246 - 253), Wien'in formülü (245) yalnızca tamamen siyah bir cismin boşluğu gibi kapalı sistemler için değil (Şekil 119, a), aynı zamanda Evren gibi açık sistemler için de geçerlidir.

Tamamlayıcılık ilkesi, yukarıda daha önce tartıştığımız (bölüm 1-2) ödeme yasası olarak kolayca düşünülebilir: birbiriyle ilişkili iki veya daha fazla miktardan birinin büyümesi, başka bir miktardaki (diğer miktarlar) bir azalma ile ödenmelidir. ).

İnsan ilişkileri alanında yasanın önemi son derece büyüktür, ancak görünüşe göre kökleri daha derinlerde, dünyamızın temelinde yatmaktadır. Antik çağlardan beri bilinen kaldıraç, kama ve makaranın basit prensipleri, teorik olarak insan elinin gücünü, darbe kuvvetini ve motor makarasına uygulanan kuvveti sonsuza kadar arttırmayı mümkün kılar. Uygun bir dayanak noktası bulunursa "dünyayı ters çevirme" önerisi Arşimed'in övünmesi ya da çılgın fantezisi değildi. Büyük mucidin hesaplamayı unuttuğu tek şey, kaldıracın koluna basarken hangi (kozmik) hızda koşması gerektiği ve Dünya'yı en az hareket ettirmek için bu faaliyete kaç milyon yıl harcaması gerektiğiydi. dikkat çekici miktarda. Muhtemelen, yalnızca ödeme yasasının eylemi, biyosferin en önemli parametreleri milyarlarca yıl boyunca kabul edilebilir sınırlar içinde tutmasına izin verdi. Aksi takdirde bazı amipler kendilerini Arşimet olarak hayal edebilir ve Dünya'ya onarılamaz bir şey yapabilir. Yıkıcı Yang'ın her saldırısı, herhangi bir gecikme olmaksızın, Yin'in korunmasıyla şu veya bu şekilde etkisiz hale getirilir. Zaman ve mekan (mesafe) bu ticarette ortak para birimleridir.
Evrensel çekim yasasına göre, mi ve m2 gibi iki kütlenin çekim kuvveti F, ağırlık merkezleri arasındaki mesafenin R ikinci kuvveti tarafından ödenir: F = ym^/R2, burada y, yerçekimi sabitidir. Denklemi şu şekilde yeniden yazarsak, ek türün bağımlılığı daha belirgin hale gelir: FR2 = y rm2. Etkileşen kütlelerin büyüklükleri değişmiyorsa, çekim kuvvetindeki bir artışın bedeli mesafenin azalmasıyla, mesafedeki artış ise kuvvetin azalmasıyla ödenmelidir. İkinci ek çift, etkileşim halindeki iki kütleden oluşur. Eğer kuvveti ve mesafeyi değiştirmeden bırakırsak, kütledeki değişimin bedeli ikinci kütledeki ters değişimle ödenecektir. Elektrik yüklerinin Coulomb etkileşimi söz konusu olduğunda niceliklerin karşılıklı "sorumluluğu" benzerdir: FR2 = Kqtq2, burada k orantı katsayısıdır.
Güneş'in ve benzer yıldızların iç kısmında, basınç ile merkeze olan uzaklığın karesi çarpımı sabit bir değerdir: PR2 = N, bu da yine ek bir tür bağımlılığa yol açar.
Işık kaynağına olan uzaklığın karesi de düz bir yüzeyin aydınlatma değerine E ek bir değişken olarak zıttır: ER2 = 1 cosa, burada 1 ışık şiddetidir, a yüzeye normal ile ışık arasındaki açıdır. dalga yayılma yönü.
Uzaklık indeksinin ikinci derecesi Öklid uzayının geometrisinin doğal bir sonucudur. Enerjiyi uzaya dağıtmak, enerji alanının yoğunluğunu azaltır ancak aynı zamanda daha geniş bir yüzey alanını kaplar. Yüzey, topun yüzeyinin bir bölümünün alanı kadar, yani mesafenin ikinci kuvvetiyle orantılı olarak büyür.
Fiziksel niceliklerin tamamlayıcılığına ilişkin daha fazla örnek.
A ve B noktaları arasındaki mesafeyi sabit olarak ayarlarsak, temel hareket denklemi: S = vt, y hızını ve t zamanını ters bağımlı büyüklükler konumuna getirir.
Kütle, aynı kuvvet farklı cisimlere uygulandığında ivmenin tersidir: F == ta.
Kinetik enerji E formülü, hareketli kütle m ile hız v arasındaki ek ilişkileri gösterir: 2E = mv2. Çift açıkça eşit değildir, hız 2 üssüyle girer, ancak bu ters bağımlılık ilkesini ihlal etmez. Ancak topçu silahlarının tasarımcısı için bu durum kayıtsız değildir. Bir merminin zırh delici gücünü arttırmanın, mermiyi daha ağır hale getirmekten ziyade anal hızını artırarak daha karlı olduğu açıktır.
Üç değişken: akım I, direnç R ve Devre V'deki sabit voltajdaki voltaj (Ohm yasası), birinci ve ikinci nicelikler arasında tamamlayıcılık ilişkisini ortaya çıkarır: V = IR.
İdeal bir gazın durum denklemi (Clapeyron-Mendeleev denklemi), yerçekimi durumunda olduğu gibi iki ek çifti birbirine bağlar: pV = m/p RT. Burada p gaz basıncı, V hacim, m/p molar birimlerle ifade edilen gaz miktarı, T sıcaklık, R gaz sabitidir. Adyabatik bir süreçte, gaz kütlesinin sabit olduğu ve ortamla ısı alışverişinin meydana gelmediği varsayılır, ancak üç serbest değişkenin tümü (hacim, basınç ve sıcaklık) değişir. Yaz güneşinin ısıttığı hava, sıcaklık ve basınç kaybederek yükselir, ancak hacmi artar. Deneylerde sabit bir sıcaklığı korumak mümkündür (izotermal süreç), daha sonra Boyle-Mariotte yasasına göre hacim ve basınç ek miktarlar haline gelir. Ayrıca sabit hacim ve basınç koşulunu da ayarlayabiliriz, o zaman gazın miktarı ve sıcaklığı ters ilişkide olacaktır. Ancak bu bağımlılık fizikçiler arasında pek ilgi uyandırmadı ve kendi adını almadı.
Daha önce “cansız” doğanın sadece ikili değil çoklu tamamlayıcılık örnekleri de sunduğunu belirtmiştik, potansiyel enerjiden bahsediyorduk. İşte benzer bir durum. Bir elektrik yükü manyetik bir alanda hareket ettiğinde, yörüngesi, F = qvB kuralına göre, yükün hareketine ve manyetik alan indüksiyonuna dik bir düzlemde Lorentz kuvveti F tarafından saptırılır. Denklemin sağ tarafındaki değişkenler birbirini tamamlayan üç nicelik olan yükü, hızı ve manyetik indüksiyonu sırasıyla belirtir.
Katıların, sıvıların ve gazların mekaniğinde, termodinamikte, elektrodinamikte, optikte ve fiziğin diğer dallarında kendini gösteren tamamlayıcılık ilişkilerinin örneklerini çoğaltmaya devam edebiliriz. Görülüyor ki “cansız” dünyada tamamlayıcılık ilkesinin sınırları yoktur.
Eğer niceliklerin tamamlayıcı ilişkiler içinde olduğunu, birinin biraz eril, diğerinin biraz dişil olduğunu önceden duyurmamış olsaydık, tüm bunlar harika olurdu. Üçüncüye yer yok gibi görünüyor. Elbette bilim kurgu yazarlarının üç veya beş ebeveynli bir aile kurması zor değil: baba, baba, büyükanne,... anne. Anne ve baba arasında ara özelliklere sahip bir dizi ara yaratık vardır. Bilim kurgu yazarlarının burada alışılmadık bir şey keşfetmediği ortaya çıktı. Gerçek nesneler, sistemler, hareketlilik ve muhafazakarlık özelliklerini sergiledikleri dereceye göre bir “kuyruk”ta sıralanabilmektedirler.
Genel kural, çoğu etkileşimde kişinin, en haklı olarak erkek Yang olduğunu iddia eden aktif, aktif bir prensip ve dişi Yin'in ruhunda pasif, hareketsiz ve hatta karşıt bir prensip bulabileceğidir. Kuvvet, hız, ivme, elektrik yükü, akım, sıcaklık, basınç parametrelerinin etkileşime dahil olduğu durumlarda, bunlar herhangi bir hareketin nedeni olan enerjiden kaynaklanır ve eylem işlevini yerine getirir. Karşıt değişkenler (mesafe, kütle, elektriksel direnç, hacim) hareketin nedeni değildir; tam tersine, frenleme ve enerjinin uzay ve zaman içinde dağılması süreçlerini yansıtırlar. Bir anti-eylem işlevi gerçekleştirir.
Manyetik indüksiyon örneğinde olduğu gibi, çoklu tamamlayıcılık örneklerinin şifrelerinin çözülmesi söz konusu olduğunda durum daha karmaşıktır. Değişkenler bir üçgen oluşturur: yük - şarj hızı - indüksiyon değeri. En enerjik “açı”, elektrik alanının voltajını belirleyen yükün büyüklüğü olarak düşünülmelidir. Manyetik indüksiyon, manyetik alanda hareketli bir elektrik alanının ortaya çıkmasından daha önce kendini göstermeyen pasif bir prensiptir. Bu, üçlünün hareketsiz "açısıdır". Hız parametresi, yük ile birlikte, bir enerji faktörü olarak indüksiyona direnç gösterir. Ancak mesafe ve zamandan oluşan karmaşık bir büyüklük olan hız, aktarılan elektrik miktarıyla eşleştirildiğinde, hiç şüphesiz eylemsiz bir prensibin özelliklerini kazanır. Buradan hemen önemli bir sonuç çıkıyor: Yang ve Yin, fiziksel değişkenlerin arkasında bir kez ve tamamen "kaydedilen" özellikler değildir. Konumları karşılaştırmalı olarak yalnızca çiftler halinde belirlenir. Bir kombinasyonda, bir özellik pasif bir prensip olarak, diğerinde ise aktif bir prensip olarak hizmet edebilir.
Hatırlayalım: Saf yüzde yüz Yang'dan saf Yin'e kadar olan serinin yalnızca aşırı üyeleri değil, aynı zamanda her iki özelliğin ara sahipleri de tamamlayıcılık ilişkisine girebilir. Üstelik aynı sabitin çatısı altında ikiden fazla da olabilir.
Bu durumda, değişkenlerin ayrılması problemi, eğer bunlar niteliksel olarak aynı iki miktarsa, örneğin kütle biri ve kütle, bir yük ve iki yük ise nasıl çözülür?
Eşit büyüklükte olmayan kütleler etkileşime girdiğinde, akıl yürütmenin temeli ortaya çıkar. Her iki cisim de büyüklükleri eşit ve yönleri zıt olan kuvvetlere maruz kalır. Ancak fiziksel bir bedenin ivmesi yalnızca kuvvete (doğru orantılı) değil, aynı zamanda vücudun kütlesine de (ters orantılı) bağlıdır. Bu nedenle, büyük bir cisim ve küçük bir kum tanesi, çekime farklı tepki verecektir: büyük bir kütlenin yer değiştirmesi fark edilmeden kalabilirken, küçük bir kütlenin yer değiştirmesi fark edilmeyebilir.
sadece partnerinin üzerine "düşecek". Ay'ı Dünya'nın uydusu olarak görmeye alışkınız, tersi değil. Teorik olarak her iki cisim de ortak bir ağırlık merkezi etrafında dönse de, bu özellikle Dünya ve yörünge istasyonu için geçerlidir. Bir çözüm kendini gösteriyor: Yin markasını daha büyük, daha atıl bir gövdeye atamak. Ayrıca, etki eden kuvvetin elektriksel veya manyetik nitelikte olması durumunda. Elektron, atomun daha hafif ve daha hareketli bir bileşeni olarak, "saf formdaki" pozitif ve negatif elektrik yüklerinin "aktiviteleri" açısından eşit olmasına rağmen, kesinlikle erkek Yang'ın proton Yin'in yanındaki konumunu iddia edebilir. . Benzer şekilde kütle oranına göre karşılıklı itme (elektron – katyon) olan parçacıkların fonksiyonları bölünür.
Ancak iki elektron etkileşirse, tanım gereği kütleleri birbirine eşittir, dolayısıyla "kütleye" dayalı olarak ayrılamazlar. Burada başka bir önemli sonuca varmak zorunda kalıyoruz: Yin'in atıl ilkesi ile Yang'ın aktif ilkesi arasındaki karşıtlık niceliksel niteliktedir. Etkileşen değişkenlerin tam niteliksel ve niceliksel özdeşliği ile bunlar birbirinin yerine kullanılabilir hale gelir ve ölçeğin iki tarafı olarak işlev görmeye devam eder. Felsefi olarak bu, tam bir denge durumuna ulaşmaya, Çin bilgeliğinin kanonlarında Ba Gua'ya veya Hindistan'da Sattva'ya karşılık gelebilir.