Следствием изотропности пространства является закон сохранения момента импульса

Вопрос

Вопрос

Фи́зика (от др.-греч. φύσις — природа) — область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира. Законы физики лежат в основе всего естествознания

Предмет физики

Физика — это наука о природе в самом общем смысле (часть природоведения). Она изучает материю (вещество и поля) и наиболее простые и вместе с тем наиболее общие формы её движения, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи.

Некоторые закономерности являются общими для всех материальных систем, например, сохранение энергии, — их называют физическими законами. Физику иногда называют «фундаментальной наукой», поскольку другие естественные науки (биология, геология, химия и др.) описывают только некоторый класс материальных систем, подчиняющихся законам физики. Например, химия изучает атомы, образованные из них вещества и превращения одного вещества в другое. Химические же свойства вещества однозначно определяются физическими свойствами атомов и молекул, описываемыми в таких разделах физики, как термодинамика, электромагнетизм и квантовая физика.

Физика тесно связана с математикой: математика предоставляет аппарат, с помощью которого физические законы могут быть точно сформулированы. Физические теории почти всегда формулируются в виде математических выражений, причём используются более сложные разделы математики, чем обычно в других науках. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось потребностями физических теорий

В основе своей физика — экспериментальная наука: все её законы и теории основываются и опираются на опытные данные. Однако зачастую именно новые теории являются причиной проведения экспериментов и, как результат, лежат в основе новых открытий. Поэтому принято различать экспериментальную и теоретическую физику.

Экспериментальная физика исследует явления природы в заранее подготовленных условиях. В её задачи входит обнаружение ранее неизвестных явлений, подтверждение или опровержение физических теорий. Многие достижения в физике были сделаны благодаря экспериментальному обнаружению явлений, не описываемых существующими теориями. Например, экспериментальное изучение фотоэффекта послужило одной из посылок к созданию квантовой механики (хотя рождением квантовой механики считается появление гипотезы Планка, выдвинутой им для разрешения ультрафиолетовой катастрофы — парадокса классической теоретической физики излучения).

В задачи теоретической физики входит формулирование общих законов природы и объяснение на основе этих законов различных явлений, а также предсказание до сих пор неизвестных явлений. Верность любой физической теории проверяется экспериментально: если результаты эксперимента совпадают с предсказаниями теории, она считается адекватной (достаточно точно описывающей данное явление).

При изучении любого явления экспериментальные и теоретические аспекты одинаково важны.

В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров.

Физическое понимание процессов, происходящих в природе, постоянно развивается. Большинство новых открытий вскоре получают применение в технике и промышленности. Однако новые исследования постоянно поднимают новые загадки и обнаруживают явления, для объяснения которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.

Общенаучные основы физических методов разрабатываются в теории познания и методологии науки.

Состояние системы – это реализация при данных условиях отдельных потенциальных возможностей системы. Оно характеризуется набором величин, которые могут быть измерены наблюдателем.

Система – это совокупность элементов множества любой природы. Число независимых функций, с помощью которых можно описать поведение системы, называется числом степеней свободы этой системы.

Система отсчета – это совокупность тела отсчета и часов, связанных с этим телом, по отношению к которому изучается движение.

Под механическим движением понимают изменение с течением времени взаимного положения тел или их частиц в пространстве.

Пространство – это форма существования материи, выражающая порядок сосуществования отдельных объектов.

Перемещени е - это вектор, по модулю равный расстоянию между начальной и конечной точкой, и направленный от начальной точки к конечной.

Средняя скорость - это векторная величина, равная отношению перемещения Δr ко времени Δt, в течение которого это перемещение совершено..

Мгновенная скорость - это предельное значение средней скорости vср при Δt, стремящемся к нулю.

В классической механике состояние системы в каждый момент времени определяется заданием координат и скоростей. Опыт показывает, что задание координат и скоростей в начальный момент времени позволяет определить координаты и скорости системы в любой последующий момент времени. Для этого достаточно решить одно или систему уравнений движения при заданных значениях координат и скоростей в начальный момент времени. В силу однозначности движения число уравнений движения должно совпадать с числом координат и скоростей системы. Число независимых координат и скоростей системы, в общем случае функций времени, должно быть равно числу степеней свободы системы. Существует множество способов задания уравнений движения.

Формы движения материи — основные типы движения и взаимодействия материальных объектов, выражающие их целостные изменения. Каждому телу присуще не одна, а ряд форм материального движения. В современной науке выделяются три основные группы, которые в свою очередь имеют множество своих специфических форм движения:^[12]

1. в неорганической природе,

· пространственное перемещение;

· движение элементарных частиц и полей — электромагнитные, гравитационные, сильные и слабые взаимодействия, процессы превращения элементарных частиц и др.;

· движение и превращение атомов и молекул, включающее в себя химические реакции;

· изменения в структуре макроскопических тел — тепловые процессы, изменение агрегатных состояний, звуковые колебания и другое;

· геологические процессы;

· изменение космических систем различных размеров: планет, звезд, галактик и их скоплений.;

2. в живой природе,

· обмен веществ,

· саморегуляция, управление и воспроизводство в биоценозах и других экологических системах;

· взаимодействие всей биосферы с природными системами Земли;

· внутриорганизменные биологические процессы, направленные на обеспечение сохранения организмов, поддержание стабильности внутренней среды в меняющихся условиях существования;

· надорганизменные процессы выражают отношения между представителями различных видов в экосистемах и определяют их численность, зону распространения (ареал) и эволюцию;

3. в обществе,

· многообразные проявления сознательной деятельности людей;

· все высшие формы отражения и целенаправленного преобразования действительности.

Более высокие формы движения материи исторически возникают на основе относительно низших и включают их в себя в преобразованном виде. Между ними существует единство и взаимное влияние. Но высшие формы движения качественно отличны от низших и несводимы к ним. Раскрытие материальных взаимоотношений имеет огромное значение для понимания единства мира, исторического развития материи, для познания сущности сложных явлений и практического управления ими.

Механическое движение – это изменение положения тела в пространстве относительно других тел.

Например, автомобиль движется по дороге. В автомобиле находятся люди. Люди движутся вместе с автомобилем по дороге. То есть люди перемещаются в пространстве относительно дороги. Но относительно самого автомобиля люди не движутся. В этом проявляется относительность механического движения. Далее кратко рассмотрим основные виды механического движения.

Поступательное движение – это движение тела, при котором все его точки движутся одинаково.

Например, всё тот же автомобиль совершает по дороге поступательное движение. Точнее, поступательное движение совершает только кузов автомобиля, в то время как его колёса совершают вращательное движение.

Вращательное движение – это движение тела вокруг некоторой оси. При таком движении все точки тела совершают движение по окружностям, центром которых является эта ось.

Упоминавшиеся нами колёса совершают вращательное движение вокруг своих осей, и в то же время колёса совершают поступательное движение вместе с кузовом автомобиля. То есть относительно оси колесо совершает вращательное движение, а относительно дороги – поступательное.

Система отсчёта — это совокупность тела отсчёта, связанной с ним системы координат и системы отсчёта времени, по отношению к которым рассматривается движение (или равновесие) каких-либо материальных точек или тел

В классической физике пространство и время рассматриваются независимо друг от друга. Пространство рассматривается как некая абсолютная пустота с неизменными свойствами, которая является вместилищем материи, а время - как параметр, входящий в законы, описывающие различные изменения в расположении этой материи и взаимные переходы одних форм материи в другие; параметр, который позволяет определенным образом упорядочить эти изменения, позволяет отличать причину и следствие.

Мы уже говорили, что законы сохранения энергии, импульса, а теперь мы можем сказать, что и закон сохранения момента импульса, в отличие от большинства других законов физики являются абсолютно точными, что связано с фундаментальными свойствами окружающего нас пространства и времени. Какие же это свойства?

Первое, о чем нужно сказать, рассматривая свойства пространства,- это его трехмерность. Наше пространство, то пространство в котором мы реально живем, является трехмерным, т. е. для исчерпывающего и однозначного описания положения тел в пространстве или их формы всегда необходимо знать три независимых друг от друга величины (три координаты, три “размера” - ширину, высоту и длину и т.д.).

Вторым фундаментальным свойством нашего пространства является его однородность. Однородность пространства означает, что в какой бы его точке мы не находились, свойства пространства везде будут одинаковыми. Если бы наше пространство было неоднородным, то науки как таковой, по-видимому, не существовало, потому что для каждой точки пространства одни и те же законы природы имели бы свой, не похожий на другие, вид.

Пользуясь математическим аппаратом теоретической физики, можно показать, что следствием однородности окружающего нас пространства является закон сохранения импульса.

Не менее важным свойством нашего пространства является его изотропность. Изотропность пространства означает, что его свойства не зависят от направления. Понять это можно из следующего примера: в какую бы сторону не двигался автомобиль - на север или на юг, на запад или на восток - его ускорение всегда будет определяться только его массой и силой тяги двигателя, как того требует второй закон Ньютона, который во всех этих случаях будет иметь одинаковый вид.

Пространство и время непрерывны. Следствием этого является непрерывность и гладкость тех функций, которые используются в естествознании для описания различных явлений Природы. Эти функции “хорошие”. Они дифференцируемы и интегрируемы.

Время, в отличие от пространства, является одномерным (чтобы ориентироваться во времени нам нужны только одни часы). Также, как и пространство оно является однородным (скорость протекания времени, например, считается одной и той же сегодня и год назад, и в любой другой момент на оси времени, который мы можем выбрать).

Следствием однородности времени является фундаментальный закон сохранения энергии.

Несколько более сложным является вопрос об изотропности времени. Дело в том, что законы ньютоновской механики, которые мы уже знаем, являются обратимыми, т.е. их вид не изменяется, при замене знака времени на противоположный. Это означает, что по отношению к законам классической механики два возможных направления времени - из прошлого в будущее и из будущего в прошлое - оказываются равноправными и одинаково возможными. То есть время изотропно по отношению к законам классической механики. Но если мы вспомним об ушедшем безвозвратно детстве, о тех годах, которые проходят и не собираются возвращаться, то поймем, что в реальности время не является изотропным. В природе реализуется только одно направление времени - из прошлого в будущее. Причины этой неизотропности времени кроются в самом устройстве нашего Мира и тесно связаны с такими понятиями, как случай, вероятность, энтропия. Но об этом мы поговорим чуть позже.

Дата добавления: 2014-12-16