Кузнецов Дмитрий Юрьевич: другие произведения.

Физика

Журнал "Самиздат": [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь]
Peклaмa:
Конкурс 'Мир боевых искусств.Wuxia' Переводы на Amazon
Конкурсы романов на Author.Today

Зимние Конкурсы на ПродаМан
Получи деньги за своё произведение здесь
Peклaмa
 Ваша оценка:
  • Аннотация:
    Наиболее общая естественная наука о Нашей Вселенной

http://budclub.ru/k/kuznecow_d_j/physics.shtml Physics, English version of this article

Физика - это наиболее общая естественная наука о свойствах Нашей Вселенной, основанная на наблюдениях, измерениях и концепциях преостранства, времени, поля, взаимодействия, причинности, и энтропии, и использующая аппарат математики; особенно математический нализ (матан) и дифференциальные уравнения, для того, чтобы формулировать основные законы природы.

В большинстве концепций, принятых в физике, IXX-XX веков предполагается однородность пространства и времени, которая приводит к сохранению многих физических величин. Обычно физикой занимаются физики, хотя часто в этой деятельности оказываются замешаны математики и инженеры. При рассмотрении квантовых явлений физики обычно постулируют унитарность эволюции, а при рассмотрении статистических эффектов постулируют возрастание энтропии. В обоих случаях, предполагается причинность.

Для формулировки основных законов физики, используются следующие концепции: изолированная система, координата, скорость, вектор состояния, наблюдаемая величина, эволюция, энергия (которая может быть наблюдаемой величиной), температура.

Физика и математика широко используются в других науках; естественные науки строятся на основе физики. Некоторые направления физики, как, например, химия и астрономия, иногда рассматриваются как отдельные науки. В случае химии это связано с недостаточными возможностами расчитывать ab initio некоторые основные параметры, такие, как энергии связи и возбуждения сложных молекул и скоростей химических реакций. В астрономии это связано с невозможностью (по крайней мере на уровне развития техники XXI века) планировать и осуществлять эксперименты по рождению и столкновению планет и звезд, и коллапс объектов в черные дыры. Чтобы подчеркнуть, что речь идет все-таки о физике, а не о феноменологии, часто используется термин астрофизика.

Причинность, воспроизводимость и измерения

Объекты и явления, с которыми имеет дело физика (и физики) допускают повторяемые наблюдения и измерения. Повторяемость означает, что физичекое явление может наблюдаться (и некоторые параметры, описывающие его могут измеряться) снова и снова. По крайней мере в принципе, такие наблюдения должны быть возможны. Это относится к измерению частоты, массы, расстояния, объема, площади, скорости, импульса, углового момента, силы, и величин, связанных с электромагнитными явлениями и фундаментальными константами.

Случаи с сомнительной воспроизводимостью вызывают серьезные дискуссии: например, явление создания вселенных, или падение наблюдателя (вместе с его/ее лабораторией) в черную дыру, или создание живых объектов или субъектов из неживых.
Аналогичные проблемы могут возникать из-за трудностей измерения. Измерение означает, что результаты наблюдений характеризуются числами. При отсутствии измерений, даже повторяющееся (то есть воспроизводимое) явление Тени Отца Гамлета или Кентервильского привидения, или Собаки Баскервиллей, или даже шаровой молнии трудно отнести к физике. Разумеется, если измеряется светимость собаки Баскервиллей или шаровой монии, оценивается её скорость, и/или, хотя бы, частота появлений в тех или иных погодных условиях, или делаются попытка воспроизвести объект, похожий на светящуюся собаку или на шаровую молнию в лаборатории, то такая деятельность может считаться наукой и, вероятно, даже физикой.

Пропорциональность и точность

Многие физические законы формулируются в виде линейных уравнений связывающих физические величины. Размер, длина физического объекта считаются пропорциональмыми числу эталонов, которые на этой длине укладываются один за другим. Эталоном считается достаточно жесткий физический объект, используемый в качестве единицы длины. Другие величины, например, объем жидкости или порошка может измерятся похожим образом.
В частности, масса и объем кучи некоторых "идентичных" зерен предполагается пропорциональным числу этих зерен; в качестве единицы объема может использоваться мерный сосуд.

Обычно физические величины выражаются вещественными числами; физические измерения дают приближенные значения. В примере с зернами можно сосчитать эти зерна, и получить целое число. Аналогичным образом, можно говорить о числе молекул воды в чашке; но испарение воды делает измерение приближенным. В принципе, можно было бы заключить молекулы в герметичный сосуд с малым отверстием, и выпускать молекулы по одной, пересчитывая их. Впрочем, на начало XXI века, нет возможности точно сосчитать порядка 1026 молекул, которые содержатся в литровой кружке воды. Примерно так же, в XX веке не было возможности сосчитать целое число зерен, которые были отправлены из СССР в Германию в первой половине 1941 года; можно предположить, что это число составляет порядка 1013 и, такиим образом, существенно меньше количества молекул в воды кружке. При таких больших (с бытовой точки зрения) значениях, обычно нет возможности подсчитать их точно. Зерна могут дробиться под тяжестью собственного веса, молекулы могут диссоциировать под влиянием космических лучей; и даже если подсчитывать количество слоев молекул в монокристалле, есть дислокации и поверхностные эффекты, которые делают результат приближенным.

Точность измерения характеризуется числом значимых десятичных знаков, коотрые воспроизводятся при повторении измерения. (Физические величины должны воспроизводиться при повторении измерений; даже если эти измерения производятся разными способами.)

Имеется важный вопрос о максимальной точности, которая может быть достигнута при физических измерениях. В принципе, все физичеслие законы, эффекты (в том числе еще не открытые) влияют на результат достаточно точного измерения. Специальный раздел физики, метрология, изучает случаи, когда возможны наиблее точные измерения.

Измерения основаны на пропорциональности. Многие физические законы выражаются в виде линейных соотношений. Такие соотношения осмыслены в виде приближения, в котором Наша Вселенная однородна и изотропна. Во многих экспериментах можно пренебречь кривизной пространства, которая следует из Общей теории относительности. Когда основные понятия и концепции уже сформулированы, дальнейшее развитие и уточнение может быть основано уже на нелинейных уравнениях. На начало XXI века, точные измерения дают порядка 20 значащих цифр; эта точность достаточна, чтобы измерять кривизну пространства и видеть границы применимости простых линейных уравнений физики.

Кинематика. Первый закон Ньютона

Концепция времени основана на наблюдении периодических процессов. Такие процессы позволяют сделать часы. Концепция пространства основана на существовании относительно твердых материалов, которые позволяют сделать линейку. С линейкой и часами, может быть определена система отсчета (reference frame), и в этой системе отсчета, движение объекта может быть описано как функция; координата зависит от времени. Такое описание дает траэкторию объекта и называется кинематикой. Движение тела задается в виде

x = X(t)

где x есть 3-вектор координат, а t - время; векторная функция X вещественного аргумента описывает изменение координат со временем.

Основной постулат кинематики выражается в том, что координаты материальных объектов являются гладкими функциями времени. Производная от координат x по времени называется скоростью (velocity); часто эта величина обозначается буквой v:

v=X'(t)

Произоводная от скорости по времени называется ускорением (acceleration); часто эта величина обозначается буквой a:

a=X''(t)

Ускорение физического объекта может быть результатом взаимодействия с другими объектами.

Если тело достаточно удалено от других тел, то его взаимодействием с другими телами пренебрегают. Первый закон Ньютона устанавливает, что в некоторых системах отсчета такие тела движутся с постоянной скоростью, то есть их координаты являются линейными функциями времени. Такие системы отсчета называются инерциальными.

Силы. Статика. Закон Гука.

Для того, чтобы описывать изменение скорости тела, используется понятие силы как меры взаимодействия между телами. В ньютоновской механике, то есть классической (не квантовой) и не не релятивистской механике, эта физическая величина является 3-вектором. Для сил определены операции сложения и умножения на число. Эталон силы можно представить себе в виде динамометра, пружины, подверженной некоторой фиксированной деформации. Силы исследовались Робертом Гуком (Robert Hooke) и использовались Исааком Ньютоном (Isaac Newton) для законов механики.

Второй закон Ньютона

Для формулировки Второго закона Ньютона, нужны понятия кинематики, силы и Первый закон Ньютона, согласно которому, инерциальные системы отсчета существуют. Обычно по умолчанию предполагается, что используется инерциальная система отсчета (со всеми оговорками выше относительно точности измерений).

Пусть F будет векторная сумма всех сил, действующих на некоторое тело. Пусть a = X''(t) будет ускорение этого тела. Тогда Первый закон Ньютона состоит в том, что

F = m a

где коэффициент пропорциональности m называется массой и для каждого тела считается константой. (Впрочем, если кто-то слишком много ест и толстеет, или если ракета становится легче за счет отработанного топлива, масса тоже может рассматриваться как переменная величина.) Для скоростей, сравнимых со скоростью света, выражение для силы может иметь такой же вид, как и в законе Ньютона, но a обозначает скорость в присоединенной системен отсчета, то есть "собстенное" ускорение тела. Таким образом, разные величины можно называть ускорением, и лишь при малых скоростях эти величины совпадают. Поэтому принято формулировать законы Ньютона для малых скоростей, пользуясь преобразованиями Лоренца для случая больших скоростей.

Ньютоновская механика

Ньютоновская механика построена на том, что тела состоят из частиц, и каждая частица рассматривается как объект без внутренней структуры.

Третий закон Ньютона разрешает взаимодействие только между парами частиц; и если частица A действует на частицу B с силой F, то часитца B действует на частицу A с силой -F.

Четвертый закон Ньютона устанавливает гравитационное взаимодействие меюду частицами: со стороны частицы A на частицу B действует сила

F = G MA MB (XA-XB) / |XA-XB|3

где MA и MB суть массы этих частиц XA и XB суть их координаты, вертикальные палочки обозначают длинну вектора, а G есть универсальная гравитационная константа, которая является вещественным числом. Массы частиц положительны, и гравитационное взаимодействие всегда притяжение. Такой простой вид взаимодействие имеет в случае когда тела малы по сравнению с расстоянием между ними, не слишком массивны и движутся не слишком быстро.

Похожим способом может описываться притяжение между электрическими зарядами; должна быть заменена константа G, а массы тел должны быть заменены на их электрические заряды, тогда уравнение выражает law of Columb. В принципе, феноменологически, в Ньютоновой механике могут рассматриваться и другие силы, описывающие взаимодействие между телами.

Распределенные систены струны, мембраны, жидкости и эластичные среды могут рассматриваться схожим обрасом. Формализмы Эйлера, Лагранжа и Гамильтона разработаны для упрощениния рассмотрения механических систем. Такие формализмы могут строиться аксиоматически; они перестали быть частью физики и считаются разделом математики.

Ньютоновская физика достаточна для построения большинства механизмов и сооружений XVIII - XXI веков. Однако, начиная с IXX века, производство технических изделий требует рассмотрения многих эффектов современой физиики, которые не описываются Ньютоновской механикой. К ним относятся прежде всего химические, тепловые, электрические и оптические явления.

Современная физика

В течение века после Ньютона, законы механики рассматривались как ядро физики, как основная парадигма, которая определяет эволюцию любой системы и сводит построение физики к рассмотрению различных взаимодеиствией. На основе закона Кулона и законов Ньютона, знание сил должно было давать детальное описание физического мира. Впрочем, вскоре оказалось, что это не совсем так. Это обстоятельство выражено следующим стихом:
Был мир в веках глибокой тьмой окутан..
Да будет свет! - и вот, явился Ньютон.
Но Сатана недолго ждал реванша:
Пришёл Эйнштейн - и стало все, как раньше.
Вероятно, это опрометчиво, давать эпохе название "новая эра", а потом "новейшая эра", подготавливая почву для таких названий как "разнаиновейшая эра" и подобных мастодонтов, но в физике результаты пост-ньютоновского развития часто называют "современная физика", (modern physics, модерновая физика), относя сюдя, в частности, результаты ХХ века. Модерновая физика, в частности, включает:
статистическую механику, (и, в частности, описание термических эффектов),
Теорию электромагнетизма (которя ведет к уравнениям Максвелла и Специальной Теории Относительности),
Квантовую механику которая включает химию, хотя и не может пока описать многие химические процессы
, Квантовую теорию поля, которая используется для описания рождения и уничтожения частиц (в частности, света), и ядерную физику, необходимую для энергетики начиная с XX века, и, вероятно, некоторые другие направления.
Рассмотрение взаимодействия между частицами и деформация метрики пространства - времени из-за гравитационного взаомодеиствия принуждает рассматривать квантовую механику и теорию поля в кривом пространстве; причем при последовательном квантовом подходе, компоненты метрического тензора не могут рассматриваться как вещественные числа, и даже топология пространства становится нетривиальной. Особенно в последнем случае, физическая картина мира становится сложной,для расчетов набюдаемых эффектов исполъзуют приближения; часто это разложения по малым параметрам. Выбор адекватных приближений и их проверка составляет существенную часть работы по построению физики.

Заключение

Целью этого текста является спецификация терминов, понятий и концепций, необходимая, чтобы избежать терминологической путаницы. Это выглядит игрой терминов и тавтологией, но мне приходилось видеть и слышать коллег, которые заявляли, например, что отношение длины окружности к диаметру - величина приближенная, или обсуждали вероятность того, что "на самом деле" фундаментальная физическая константа имеет такое-то значение, или предлагали квантовую аннигиляцию оптического солитона, или давали описание оптического материала, которое противоречит Второму началу термодиннамики. В некоторых случаях путаница чисто терминологическая. В попытке упрощения анализа такой путаницы (а в идеале - ее избежания) я пишу этот словарь и эту статью.

Внешние линки:
http://ru.wikipedia.org/wiki/Физика
http://en.citizendium.org/wiki/Physics
http://en.wikipedia.org/wiki/Physics
http://ufn.ru/ufn68/ufn68_3/Russian/r683f.pdf Е.Вигнер. Непостижимая эффективность математики в естественных науках. УФН, 1968, Т.94, вып.3. с.535-546
http://lib.ru/ANEKDOTY/FEINMAN/feinman.txt_with-big-pictures.html Ричард Ф.Фейнман. Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!
Тексты в Вере на близкие темы:
http://budclub.ru/k/kuznecow_d_j/physics.shtml Physics, English version of this article
http://budclub.ru/k/kuznecow_d_j/mathematicsr.shtml Математика, наука, которая составляет основу физики
http://budclub.ru/k/kuznecow_d_j/2010mestor.shtml Место Науки и физики в человеческом знании
http://budclub.ru/k/kuznecow_d_j/hayka.shtml Наука, специальный вид человеческого знания, который включает физику
http://budclub.ru/k/kuznecow_d_j/gravizapa.shtml Гравицапа, устройство, которое претендует на нарушение законов физики
http://budclub.ru/k/kuznecow_d_j/glider.shtml Нетрадиционный параглайдинг, текст, который не является введением в прикладную аэродинамику
http://budclub.ru/k/kuznecow_d_j/lessontopo.shtml Урок квантовой топологии, текст, который не является введением в Квантовую Топологию
http://budclub.ru/k/kuznecow_d_j/blackholer.shtml Черная дыра текст, который не является введением в физику черных дыр
http://budclub.ru/k/kuznecow_d_j/mizugadro.shtml Число Мизугадро, Текст, который не является введением в теорию чисел
http://budclub.ru/k/kuznecow_d_j/000abc.shtml Вера, алфавитный указатель
http://budclub.ru/k/kuznecow_d_j/002vera.shtml Вера, о содержании раздела
Copylert 2009-2011 by Dmitrii Kouznetsov. This text may be used for free, attribute http://budclub.ru/k/kuznecow_d_j/physicsr.shtml


 Ваша оценка:

Популярное на LitNet.com М.Юрий "Небесный Трон 2"(Уся (Wuxia)) Д.Деев "Я – другой 5"(ЛитРПГ) В.Старский ""Темный Мир" Трансформация 2"(Боевая фантастика) Д.Сугралинов "Дисгардиум. Угроза А-класса"(ЛитРПГ) А.Емельянов "Последняя петля 6. Старая империя"(ЛитРПГ) О.Гринберга "Невеста для герцога"(Любовное фэнтези) А.Емельянов "Тайный паладин"(Уся (Wuxia)) В.Соколов "Мажор 2: Обезбашенный спецназ "(Боевик) Я.Ясная "Муж мой - враг мой"(Любовное фэнтези) С.Панченко "Ветер"(Постапокалипсис)
Связаться с программистом сайта.

Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
И.Мартин "Время.Ветер.Вода" А.Кейн, И.Саган "Дотянуться до престола" Э.Бланк "Атрионка.Сердце хамелеона" Д.Гельфер "Серые будни богов.Синтетические миры"

Как попасть в этoт список
Сайт - "Художники" .. || .. Доска об'явлений "Книги"