Zakoni klasične fizike. Keplerovi zakoni kretanja planeta
Naučnici sa planete Zemlje koriste gomilu alata kako bi pokušali opisati kako priroda i svemir u cjelini funkcioniraju. Da dolaze do zakona i teorija. Koja je razlika? Naučni zakon se često može svesti na matematičku izjavu, kao što je E = mc²; ova izjava je zasnovana na empirijskim podacima i njena istinitost je, po pravilu, ograničena na određeni skup uslova. U slučaju E = mc² - brzina svjetlosti u vakuumu.
Naučna teorija često nastoji sintetizirati skup činjenica ili zapažanja određenih pojava. I općenito (ali ne uvijek) postoji jasna i provjerljiva izjava o tome kako priroda funkcionira. Uopšte nije neophodno svesti naučnu teoriju na jednačinu, ali ona predstavlja nešto fundamentalno o funkcionisanju prirode.
I zakoni i teorije zavise od osnovnih elemenata naučne metode, kao što su postavljanje hipoteza, izvođenje eksperimenata, pronalaženje (ili nenalaženje) empirijskih dokaza i izvođenje zaključaka. Na kraju krajeva, naučnici moraju biti u stanju da repliciraju rezultate ako eksperiment želi da postane osnova za opšteprihvaćeni zakon ili teoriju.
U ovom članku ćemo se osvrnuti na deset znanstvenih zakona i teorija koje možete pratiti čak i ako, na primjer, ne koristite toliko često skenirajući elektronski mikroskop. Počnimo s eksplozijom i završimo s neizvjesnošću.
Ako je vrijedno poznavati barem jednu naučnu teoriju, onda neka objasni kako je svemir dosegao svoje trenutno stanje (ili ga nije dostigao). Na osnovu studija Edwina Hubblea, Georgesa Lemaitrea i Alberta Einsteina, teorija Velikog praska postulira da je svemir počeo prije 14 milijardi godina ogromnim širenjem. U nekom trenutku, svemir je bio zatvoren u jednoj tački i obuhvatio je svu materiju trenutnog univerzuma. Ovo kretanje se nastavlja do danas, a sam univerzum se neprestano širi.
Teorija Velikog praska dobila je široku podršku u naučnim krugovima nakon što su Arno Penzias i Robert Wilson otkrili kosmičku mikrotalasnu pozadinu 1965. godine. Koristeći radioteleskope, dva astronoma su otkrila kosmičku buku, ili statičku, koja se ne raspršuje tokom vremena. U saradnji sa istraživačem s Princetona Robertom Dickeom, par naučnika je potvrdio Dickeovu hipotezu da je originalni Veliki prasak iza sebe ostavio nisko zračenje koje se može naći u cijelom svemiru.
Hubbleov zakon kosmičke ekspanzije
Zadržimo Edwin Hubble na trenutak. Dok je 1920-ih bjesnila Velika depresija, Hubble je izvodio revolucionarna astronomska istraživanja. Ne samo da je dokazao da postoje i druge galaksije osim Mliječnog puta, već je također otkrio da se te galaksije udaljuju od naše, kretanje koje je nazvao povlačenjem.
Kako bi kvantificirao brzinu ovog galaktičkog kretanja, Hubble je predložio zakon kosmičke ekspanzije, zvani Hubbleov zakon. Jednačina izgleda ovako: brzina = H0 x udaljenost. Brzina je brzina recesije galaksija; H0 je Hubble konstanta, ili parametar koji pokazuje brzinu širenja svemira; udaljenost je udaljenost jedne galaksije do one s kojom se vrši poređenje.
Hablova konstanta je već neko vrijeme izračunata na različitim vrijednostima, ali trenutno je zaglavljena na 70 km/s po megaparsecu. Za nas to nije toliko važno. Važno je da je zakon zgodan način za mjerenje brzine jedne galaksije u odnosu na našu. I što je još važnije, zakon je utvrdio da se Univerzum sastoji od mnogih galaksija, čije se kretanje može pratiti do Velikog praska.
Keplerovi zakoni kretanja planeta
Vekovima su se naučnici borili jedni protiv drugih i verskih vođa oko orbita planeta, posebno bez obzira da li se one okreću oko Sunca. U 16. veku, Kopernik je izneo svoj kontroverzni koncept heliocentričnog Sunčevog sistema, u kojem se planete okreću oko Sunca, a ne oko Zemlje. Međutim, tek Johannes Kepler, koji se oslanjao na radove Tychoa Brahea i drugih astronoma, pojavila se jasna naučna osnova za kretanje planeta.
Keplerova tri zakona o kretanju planeta, razvijena početkom 17. stoljeća, opisuju kretanje planeta oko Sunca. Prvi zakon, koji se ponekad naziva i zakon orbita, kaže da se planete okreću oko Sunca po eliptičnoj orbiti. Drugi zakon, zakon površina, kaže da linija koja povezuje planetu sa Suncem formira jednaka područja u pravilnim intervalima. Drugim riječima, ako izmjerite područje stvoreno povučenom linijom od Zemlje od Sunca i pratite kretanje Zemlje 30 dana, površina će biti ista bez obzira na položaj Zemlje u odnosu na ishodište.
Treći zakon, zakon perioda, omogućava vam da uspostavite jasnu vezu između orbitalnog perioda planete i udaljenosti do Sunca. Zahvaljujući ovom zakonu, znamo da planeta koja je relativno blizu Sunca, poput Venere, ima mnogo kraći period orbite od udaljenih planeta poput Neptuna.
Univerzalni zakon gravitacije
Ovo može biti uobičajeno za danas, ali prije više od 300 godina, Sir Isaac Newton je predložio revolucionarnu ideju: bilo koja dva objekta, bez obzira na njihovu masu, vrše gravitacijsko privlačenje jedan na drugi. Ovaj zakon je predstavljen jednačinom s kojom se mnogi školarci susreću u višim razredima fizike i matematike.
F = G × [(m1m2)/r²]
F je gravitaciona sila između dva objekta, mjerena u njutnima. M1 i M2 su mase dvaju objekata, dok je r udaljenost između njih. G je gravitaciona konstanta, trenutno izračunata kao 6,67384(80) 10 −11 ili N m² kg −2.
Prednost univerzalnog zakona gravitacije je u tome što vam omogućava da izračunate gravitaciono privlačenje između bilo koja dva objekta. Ova sposobnost je izuzetno korisna kada naučnici, na primer, lansiraju satelit u orbitu ili odrede kurs meseca.
Newtonovi zakoni
Dok smo na temi jednog od najvećih naučnika koji je ikada živeo na Zemlji, hajde da pričamo o drugim čuvenim Njutnovim zakonima. Njegova tri zakona kretanja čine suštinski dio moderne fizike. I kao i mnogi drugi zakoni fizike, oni su elegantni u svojoj jednostavnosti.
Prvi od tri zakona kaže da objekt u pokretu ostaje u pokretu osim ako na njega ne djeluje vanjska sila. Za lopticu koja se kotrlja po podu, vanjska sila može biti trenje između lopte i poda, ili dječak koji udara loptu u drugom smjeru.
Drugi zakon uspostavlja vezu između mase objekta (m) i njegovog ubrzanja (a) u obliku jednačine F = m x a. F je sila koja se mjeri u njutnima. On je također vektor, što znači da ima usmjerenu komponentu. Zbog ubrzanja, lopta koja se kotrlja po podu ima poseban vektor u smjeru svog kretanja, a to se uzima u obzir pri izračunavanju sile.
Treći zakon je prilično smislen i trebao bi vam biti poznat: za svaku akciju postoji jednaka i suprotna reakcija. To jest, za svaku silu primijenjenu na objekt na površini, predmet se odbija istom silom.
Zakoni termodinamike
Britanski fizičar i pisac C.P. Snow jednom je rekao da je nenaučnik koji nije poznavao drugi zakon termodinamike sličan naučniku koji nikada nije čitao Šekspira. Snouova sada poznata izjava naglašava važnost termodinamike i potrebu da je znaju čak i ljudi daleko od nauke.
Termodinamika je nauka o tome kako energija funkcioniše u sistemu, bilo da je u pitanju motor ili jezgro Zemlje. Može se svesti na nekoliko osnovnih zakona, koje je Snow opisao na sljedeći način:
- Ne možete pobijediti.
- Nećete izbjeći gubitke.
- Ne možete izaći iz igre.
Pogledajmo ovo malo. Ono što je Snow mislio kada je rekao da ne možete pobijediti je da pošto se materija i energija čuvaju, ne možete dobiti jedno, a da ne izgubite drugo (tj. E=mc²). To takođe znači da morate da obezbedite toplotu za pokretanje motora, ali u nedostatku savršeno zatvorenog sistema, nešto toplote će neizbežno pobeći u otvoreni svet, što će dovesti do drugog zakona.
Drugi zakon – gubici su neizbježni – znači da se zbog povećanja entropije ne možete vratiti u prethodno energetsko stanje. Energija koncentrisana na jednom mjestu uvijek će težiti mjestima niže koncentracije.
Konačno, treći zakon – ne možete izaći iz igre – odnosi se na najnižu teoretski moguću temperaturu – minus 273,15 stepeni Celzijusa. Kada sistem dostigne apsolutnu nulu, kretanje molekula prestaje, što znači da će entropija dostići najnižu vrijednost i neće biti ni kinetičke energije. Ali u stvarnom svijetu nemoguće je doseći apsolutnu nulu - samo vrlo blizu nje.
Arhimedova snaga
Nakon što je drevni grčki Arhimed otkrio njegov princip uzgona, navodno je uzviknuo "Eureka!" (Pronađen!) i trčao gol kroz Sirakuzu. Tako kaže legenda. Otkriće je bilo tako važno. Legenda takođe kaže da je Arhimed otkrio princip kada je primetio da voda u kadi raste kada je telo uronjeno u nju.
Prema Arhimedovom principu uzgona, sila koja djeluje na potopljeni ili djelomično potopljeni objekt jednaka je masi fluida koju predmet istiskuje. Ovaj princip je od najveće važnosti u proračunima gustoće, kao iu dizajnu podmornica i drugih okeanskih plovila.
Evolucija i prirodna selekcija
Sada kada smo uspostavili neke od osnovnih koncepata o tome kako je svemir nastao i kako fizički zakoni utiču na naš svakodnevni život, hajde da skrenemo pažnju na ljudski oblik i saznamo kako smo došli do ove tačke. Prema većini naučnika, sav život na Zemlji ima zajedničkog pretka. Ali da bi se stvorila tako velika razlika između svih živih organizama, neki od njih morali su se pretvoriti u zasebnu vrstu.
U opštem smislu, ova diferencijacija se dogodila u procesu evolucije. Populacije organizama i njihove osobine prošle su kroz mehanizme kao što su mutacije. Oni sa više osobina preživljavanja, poput smeđih žaba koje se kamufliraju u močvarama, prirodno su odabrani za preživljavanje. Odatle dolazi termin prirodna selekcija.
Ove dvije teorije možete pomnožiti mnogo, mnogo puta, a zapravo je Darvin to učinio u 19. vijeku. Evolucija i prirodna selekcija objašnjavaju ogromnu raznolikost života na Zemlji.
Opća teorija relativnosti
Albert Ajnštajn je bio i ostao najvažnije otkriće koje je zauvek promenilo naš pogled na univerzum. Ajnštajnov glavni proboj bila je izjava da prostor i vreme nisu apsolutni, a gravitacija nije samo sila primenjena na objekat ili masu. Umjesto toga, gravitacija ima veze s činjenicom da masa iskrivljuje prostor i vrijeme (prostor vrijeme).
Da biste ovo shvatili, zamislite da se vozite preko Zemlje u pravoj liniji u istočnom smjeru sa, recimo, sjeverne hemisfere. Nakon nekog vremena, ako neko želi precizno odrediti vašu lokaciju, bit ćete mnogo južnije i istočno od svoje prvobitne pozicije. To je zato što je zemlja zakrivljena. Da biste vozili pravo na istok, morate uzeti u obzir oblik Zemlje i voziti pod uglom blago sjeverno. Uporedite okruglu loptu i list papira.
Prostor je skoro isti. Na primjer, putnicima rakete koja leti oko Zemlje bit će očigledno da lete pravolinijski u svemiru. Ali u stvarnosti, prostor-vrijeme oko njih se savija pod silom Zemljine gravitacije, zbog čega se kreću naprijed i ostaju u Zemljinoj orbiti.
Ajnštajnova teorija imala je ogroman uticaj na budućnost astrofizike i kosmologije. Objasnila je malu i neočekivanu anomaliju u Merkurovoj orbiti, pokazala kako se svjetlost zvijezda savija i postavila teorijske temelje za crne rupe.
Heisenbergov princip nesigurnosti
Ajnštajnova ekspanzija relativnosti nas je naučila više o tome kako univerzum funkcioniše i pomogla je u postavljanju temelja za kvantnu fiziku, što je dovelo do potpuno neočekivane sramote teorijske nauke. Godine 1927. spoznaja da su svi zakoni univerzuma fleksibilni u određenom kontekstu dovela je do zapanjujućeg otkrića njemačkog naučnika Wernera Heisenberga.
Postulirajući svoj princip nesigurnosti, Heisenberg je shvatio da je nemoguće znati dva svojstva čestice istovremeno sa visokim nivoom tačnosti. Možete znati položaj elektrona sa visokim stepenom tačnosti, ali ne i njegov impuls, i obrnuto.
Kasnije je Niels Bohr došao do otkrića koje je pomoglo da se objasni Heisenbergov princip. Bohr je otkrio da elektron ima kvalitete i čestice i vala. Koncept je postao poznat kao dualitet talas-čestica i formirao je osnovu kvantne fizike. Stoga, kada mjerimo položaj elektrona, definišemo ga kao česticu u određenoj tački u prostoru sa neodređenom talasnom dužinom. Kada mjerimo impuls, smatramo elektron kao val, što znači da možemo znati amplitudu njegove dužine, ali ne i poziciju.
Uvod
1. Newtonovi zakoni
1.1. Zakon inercije (prvi Newtonov zakon)
1.2 Zakon kretanja
1.3. Zakon održanja impulsa (Zakon održanja impulsa)
1.4. Sile inercije
1.5. Zakon viskoznosti
2.1. Zakoni termodinamike
Zakon gravitacije
3.2. Gravitaciona interakcija
3.3. Nebeska mehanika
Jaka gravitaciona polja
3.5. Moderne klasične teorije gravitacije
Zaključak
Književnost
Uvod
Osnovni zakoni fizike opisuju najvažnije pojave u prirodi i svemiru. Oni nam omogućavaju da objasnimo, pa čak i predvidimo mnoge pojave. Dakle, oslanjajući se samo na fundamentalne zakone klasične fizike (Newtonove zakone, zakone termodinamike, itd.), čovječanstvo uspješno istražuje svemir, šalje svemirske letjelice na druge planete.
Želim u ovom radu razmotriti najvažnije zakone fizike i njihov odnos. Najvažniji zakoni klasične mehanike su Newtonovi zakoni, koji su dovoljni za opisivanje pojava u makrokosmosu (ne uzimajući u obzir visoke vrijednosti brzine ili mase, što se proučava u GR – Općoj relativnosti, ili SRT – Specijalnoj relativnosti).
Newtonovi zakoni
Njutnovi zakoni mehanike - tri zakona u osnovi tzv. klasična mehanika. Formulisao I. Newton (1687). Prvi zakon: „Svako tijelo nastavlja biti u stanju mirovanja ili ravnomjernog i pravolinijskog kretanja sve dok ga primjenjene sile ne prisile da promijeni ovo stanje.” Drugi zakon: "Promjena količine gibanja je proporcionalna primijenjenoj pokretačkoj sili i događa se u smjeru prave linije duž koje ova sila djeluje." Treći zakon: "Uvijek postoji jednaka i suprotna reakcija na akciju, inače su interakcije dvaju tijela jedno protiv drugog jednake i usmjerene u suprotnim smjerovima."
1.1. Zako ́ n ine ́ rcije (Prvi zakon, novi ́ ton) : slobodno tijelo, na koje ne djeluju sile drugih tijela, nalazi se u stanju mirovanja ili ravnomjernog pravolinijskog kretanja (koncept brzine ovdje se primjenjuje na centar mase tijela u slučaju netranslacijskog kretanja). Drugim riječima, tijela karakterizira inercija (od latinskog inertia - "neaktivnost", "inercija"), odnosno fenomen održavanja brzine ako se na njih kompenziraju vanjski utjecaji.
Referentni okviri u kojima je ispunjen zakon inercije nazivaju se inercijski referentni okviri (ISR).
Zakon inercije prvi je formulirao Galileo Galilei, koji je, nakon mnogih eksperimenata, zaključio da nije potreban nikakav vanjski uzrok da bi se slobodno tijelo kretalo konstantnom brzinom. Prije toga, bilo je općenito prihvaćeno drugačije gledište (koji datira još od Aristotela): slobodno tijelo miruje, a da bi se kretalo konstantnom brzinom, neophodna je primjena stalne sile.
Nakon toga, Newton je formulisao zakon inercije kao prvi od svoja tri poznata zakona.
Galileov princip relativnosti: u svim inercijskim referentnim okvirima, svi fizički procesi se odvijaju na isti način. U referentnom okviru dovedenom u stanje mirovanja ili ravnomjernog pravolinijskog kretanja u odnosu na inercijalni referentni okvir (uslovno „u mirovanju“), svi procesi se odvijaju na potpuno isti način kao u okviru u mirovanju.
Treba napomenuti da je koncept inercijalnog referentnog okvira apstraktni model (neki idealan objekt se razmatra umjesto stvarnog objekta. Apsolutno kruto tijelo ili bestežinska nit služe kao primjeri apstraktnog modela), stvarni referentni okviri su uvek povezan sa nekim objektom i korespondencija stvarno posmatranog kretanja tela u takvim sistemima sa rezultatima proračuna biće nepotpuna.
1.2 Zakon kretanja - matematička formulacija o tome kako se tijelo kreće ili kako se događa kretanje općenitijeg oblika.
U klasičnoj mehanici materijalne tačke, zakon kretanja su tri zavisnosti tri prostorne koordinate od vremena, ili zavisnost jedne vektorske veličine (radijus vektora) o vremenu, oblika
Zakon kretanja se može pronaći, zavisno od zadatka, ili iz diferencijalnih zakona mehanike ili iz integralnih.
Zakon o očuvanju energije - osnovni zakon prirode, koji se sastoji u tome da se energija zatvorenog sistema čuva u vremenu. Drugim riječima, energija ne može nastati ni iz čega i ne može nestati nigdje, može samo prelaziti iz jednog oblika u drugi.
Zakon održanja energije nalazi se u raznim granama fizike i manifestuje se u očuvanju različitih vrsta energije. Na primjer, u klasičnoj mehanici, zakon se manifestira u očuvanju mehaničke energije (zbir potencijalne i kinetičke energije). U termodinamici, zakon održanja energije naziva se prvim zakonom termodinamike i govori o očuvanju energije u zbiru sa toplotnom energijom.
Budući da se zakon održanja energije ne odnosi na određene količine i pojave, već odražava opći obrazac koji je primjenjiv svuda i uvijek, ispravnije ga je nazvati ne zakonom, već principom održanja energije.
Poseban slučaj - Zakon održanja mehaničke energije - mehanička energija konzervativnog mehaničkog sistema se održava u vremenu. Jednostavno rečeno, u nedostatku sila kao što je trenje (disipativne sile), mehanička energija ne nastaje ni iz čega i ne može nigdje nestati.
Ek1+Ep1=Ek2+Ep2
Zakon održanja energije je integralni zakon. To znači da se sastoji od djelovanja diferencijalnih zakona i da je svojstvo njihovog zajedničkog djelovanja. Na primjer, ponekad se kaže da je nemogućnost stvaranja vječnog motora posljedica zakona održanja energije. Ali nije. Zapravo, u svakom projektu vječnog motora, aktivira se jedan od diferencijalnih zakona i on je taj koji čini motor neoperativim. Zakon održanja energije jednostavno generalizira ovu činjenicu.
Prema Noetherovoj teoremi, zakon održanja mehaničke energije je posljedica homogenosti vremena.
1.3. Zako ́ n sačuvati ́ i ́ puls (Zako ́ n sačuvati ́ ako ́ kvalitet pokreta) tvrdi da je zbir impulsa svih tijela (ili čestica) zatvorenog sistema konstantna vrijednost.
Iz Newtonovih zakona može se pokazati da se pri kretanju u praznom prostoru zamah zadržava u vremenu, a u prisustvu interakcije, brzina njegove promjene je određena zbirom primijenjenih sila. U klasičnoj mehanici, zakon održanja količine kretanja obično se izvodi kao posljedica Newtonovih zakona. Međutim, ovaj zakon održanja važi iu slučajevima kada je Njutnova mehanika neprimenljiva (relativistička fizika, kvantna mehanika).
Kao i svaki od zakona održanja, zakon održanja impulsa opisuje jednu od osnovnih simetrija, homogenost prostora
Njutnov treći zakon objašnjava šta se dešava sa dva tela u interakciji. Uzmimo za primjer zatvoreni sistem koji se sastoji od dva tijela. Prvo tijelo može djelovati na drugo nekom silom F12, a drugo - na prvo sa silom F21. Kako su sile povezane? Treći Newtonov zakon kaže da je sila djelovanja jednaka po veličini i suprotnog smjera od sile reakcije. Naglašavamo da se te sile primjenjuju na različita tijela, pa se stoga uopće ne kompenziraju.
sam zakon:
Tijela djeluju jedno na drugo silama usmjerenim duž iste prave, jednake po veličini i suprotnog smjera: .
1.4. Sile inercije
Njutnovi zakoni, strogo govoreći, važe samo u inercijalnim referentnim okvirima. Ako iskreno zapišemo jednačinu kretanja tijela u neinercijskom referentnom okviru, onda će se ona po izgledu razlikovati od drugog Newtonovog zakona. Međutim, često se, radi pojednostavljenja razmatranja, uvodi neka fiktivna "sila inercije", a zatim se ove jednačine kretanja prepisuju u obliku vrlo sličnom Newtonovom drugom zakonu. Matematički, ovdje je sve točno (tačno), ali sa stanovišta fizike, nova fiktivna sila se ne može smatrati nečim stvarnim, kao rezultat neke stvarne interakcije. Još jednom naglašavamo: “inercijalna sila” je samo zgodna parametrizacija kako se zakoni kretanja razlikuju u inercijalnim i neinercijalnim referentnim okvirima.
1.5. Zakon viskoznosti
Newtonov zakon viskoznosti (unutrašnje trenje) je matematički izraz koji povezuje napon unutrašnjeg trenja τ (viskozitet) i promjenu brzine medija v u prostoru
(brzina deformacije) za tečna tijela (tečnosti i gasovi):
pri čemu se vrijednost η naziva koeficijent unutrašnjeg trenja ili dinamički koeficijent viskoznosti (CGS jedinica - poise). Kinematički koeficijent viskoznosti je vrijednost μ = η / ρ (jedinica CGS je Stokes, ρ je gustina medija).
Njutnov zakon se može dobiti analitički metodama fizičke kinetike, gde se viskoznost obično razmatra istovremeno sa toplotnom provodljivošću i odgovarajućim Fourierovim zakonom za toplotnu provodljivost. U kinetičkoj teoriji plinova, koeficijent unutrašnjeg trenja se izračunava po formuli
gdje je prosječna brzina termičkog kretanja molekula, λ je srednji slobodni put.
2.1. Zakoni termodinamike
Termodinamika se zasniva na tri zakona, koji su formulisani na osnovu eksperimentalnih podataka i stoga se mogu prihvatiti kao postulati.
* 1. zakon termodinamike. To je formulacija generaliziranog zakona održanja energije za termodinamičke procese. U svom najjednostavnijem obliku, može se zapisati kao δQ \u003d δA + d "U, gdje je dU ukupni diferencijal unutrašnje energije sistema, a δQ i δA su elementarna količina topline i elementarni rad obavljen na Treba imati na umu da se δA i δQ ne mogu smatrati diferencijalima u uobičajenom smislu ovog pojma. Sa stanovišta kvantnih koncepata, ovaj zakon se može tumačiti na sljedeći način: dU je promjena energije datog kvantnog sistema, δA je promjena energije sistema zbog promjene populacije energetskih nivoa sistema, a δQ je promjena energije kvantnog sistema zbog promjene strukture nivoi energije.
* 2. zakon termodinamike: Drugi zakon termodinamike isključuje mogućnost stvaranja perpetualnog motora druge vrste. Postoji nekoliko različitih, ali istovremeno i ekvivalentnih formulacija ovog zakona. 1 - Clausiusov postulat. Proces u kome se ne dešavaju druge promene, osim prenosa toplote sa toplog tela na hladno, je nepovratan, odnosno toplota ne može da pređe sa hladnog na toplo telo bez ikakvih drugih promena u sistemu. Ova pojava se naziva disipacija ili disperzija energije. 2 - Kelvinov postulat. Proces u kome se rad pretvara u toplotu bez ikakvih drugih promena u sistemu je nepovratan, odnosno nemoguće je svu toplotu uzetu iz izvora sa ujednačenom temperaturom pretvoriti u rad bez drugih promena u sistemu.
* 3. zakon termodinamike: Nernstova teorema: Entropija bilo kojeg sistema na temperaturi apsolutne nule uvijek se može uzeti jednakom nuli
3.1. Zakon gravitacije
Gravitacija (univerzalna gravitacija, gravitacija) (od latinskog gravitas - "gravitacija") je fundamentalna interakcija dugog dometa u prirodi, kojoj su podložna sva materijalna tijela. Prema savremenim podacima, to je univerzalna interakcija u smislu da, za razliku od bilo koje druge sile, daje isto ubrzanje svim tijelima bez izuzetka, bez obzira na njihovu masu. Pre svega, gravitacija igra odlučujuću ulogu na kosmičkim razmerama. Termin gravitacija se takođe koristi kao naziv grane fizike koja proučava gravitacionu interakciju. Najuspješnija moderna fizička teorija u klasičnoj fizici koja opisuje gravitaciju je opća teorija relativnosti; kvantna teorija gravitacijske interakcije još nije izgrađena.
3.2. Gravitaciona interakcija
Gravitaciona interakcija jedna je od četiri fundamentalne interakcije u našem svijetu. U okviru klasične mehanike, gravitacionu interakciju opisuje Newtonov zakon univerzalne gravitacije, koji kaže da je sila gravitacionog privlačenja između dvije materijalne točke mase m1 i m2, razdvojene rastojanjem R, jednaka
Ovdje je G gravitaciona konstanta, jednaka m³ / (kg s²). Znak minus znači da je sila koja djeluje na tijelo uvijek jednaka u smjeru radijus vektora usmjerenog na tijelo, tj. gravitacijska interakcija uvijek dovodi do privlačenja bilo kojeg tijela.
Gravitaciono polje je potencijalno. To znači da je moguće uvesti potencijalnu energiju gravitacionog privlačenja para tijela, a ta energija se neće promijeniti nakon pomicanja tijela po zatvorenoj konturi. Potencijalnost gravitacionog polja podrazumeva zakon održanja zbira kinetičke i potencijalne energije, a kada se proučava kretanje tela u gravitacionom polju, često uveliko pojednostavljuje rešenje. U okviru Njutnove mehanike, gravitaciona interakcija je dugog dometa. To znači da bez obzira na to kako se masivno tijelo kreće, u bilo kojoj tački u prostoru gravitacijski potencijal ovisi samo o položaju tijela u datom trenutku.
Veliki svemirski objekti - planete, zvijezde i galaksije imaju ogromnu masu i stoga stvaraju značajna gravitacijska polja. Gravitacija je najslabija sila. Međutim, budući da djeluje na svim udaljenostima i da su sve mase pozitivne, ona je ipak vrlo važna sila u svemiru. Za poređenje: ukupni električni naboj ovih tijela je nula, budući da je tvar u cjelini električno neutralna. Također, gravitacija je, za razliku od drugih interakcija, univerzalna po svom djelovanju na svu materiju i energiju. Nisu pronađeni objekti koji nemaju nikakvu gravitacionu interakciju.
Zbog svoje globalne prirode, gravitacija je odgovorna za tako velike efekte kao što su struktura galaksija, crne rupe i širenje Univerzuma, te za elementarne astronomske fenomene - orbite planeta, te za jednostavno privlačenje Zemljine površine i tijela koja padaju.
Gravitacija je bila prva interakcija koju opisuje matematička teorija. U antičko doba Aristotel je vjerovao da objekti različite mase padaju različitim brzinama. Tek mnogo kasnije, Galileo Galilei je eksperimentalno utvrdio da to nije slučaj - ako se eliminiše otpor zraka, sva tijela jednako ubrzavaju. Zakon gravitacije Isaka Newtona (1687) bio je dobar opis opšteg ponašanja gravitacije. Godine 1915. Albert Ajnštajn je stvorio Opću teoriju relativnosti, koja preciznije opisuje gravitaciju u smislu geometrije prostor-vremena.
3.3. Nebeska mehanika i neki njeni problemi
Odjeljak mehanike koji proučava kretanje tijela u praznom prostoru samo pod utjecajem gravitacije naziva se nebeska mehanika.
Najjednostavniji zadatak nebeske mehanike je gravitaciona interakcija dvaju tijela u praznom prostoru. Ovaj problem se rješava analitički do kraja; rezultat njegovog rješenja često se formuliše u obliku Keplerova tri zakona.
Kako se broj tijela u interakciji povećava, problem postaje mnogo komplikovaniji. Dakle, već poznati problem tri tijela (tj. kretanje tri tijela s masama različitim od nule) ne može se analitički riješiti u opštem obliku. Kod numeričkog rješenja, nestabilnost rješenja u odnosu na početne uslove nastupa prilično brzo. Kada se primeni na Sunčev sistem, ova nestabilnost onemogućava predviđanje kretanja planeta na razmerama većim od sto miliona godina.
U nekim posebnim slučajevima moguće je pronaći približno rješenje. Najvažniji je slučaj kada je masa jednog tijela znatno veća od mase drugih tijela (primjeri: Sunčev sistem i dinamika Saturnovih prstenova). U ovom slučaju, u prvoj aproksimaciji, možemo pretpostaviti da svjetlosna tijela ne interaguju jedno s drugim i da se kreću duž Keplerovih putanja oko masivnog tijela. Interakcije između njih mogu se uzeti u obzir u okviru teorije perturbacije i usredsređivati tokom vremena. U ovom slučaju mogu nastati netrivijalne pojave, kao što su rezonancije, atraktori, slučajnost, itd. Dobar primjer takvih pojava je netrivijalna struktura Saturnovih prstenova.
Uprkos pokušajima da se opiše ponašanje sistema velikog broja privlačećih tijela približno iste mase, to nije moguće zbog fenomena dinamičkog haosa.
3.4. Jaka gravitaciona polja
U jakim gravitacionim poljima, pri kretanju relativističkim brzinama, počinju da se pojavljuju efekti opšte teorije relativnosti:
Odstupanje zakona gravitacije od Newtonovog;
Kašnjenje potencijala povezano s konačnom brzinom širenja gravitacijskih perturbacija; pojava gravitacionih talasa;
Nelinearni efekti: gravitacijski talasi teže međusobnoj interakciji, tako da princip superpozicije talasa u jakim poljima više ne važi;
Promjena geometrije prostor-vremena;
Pojava crnih rupa;
3.5. Moderne klasične teorije gravitacije
Zbog činjenice da su kvantni efekti gravitacije izuzetno mali čak i pod najekstremnijim eksperimentalnim i opservacijskim uvjetima, još uvijek nema pouzdanih opažanja o njima. Teorijske procjene pokazuju da se u ogromnoj većini slučajeva može ograničiti na klasičan opis gravitacijske interakcije.
Postoji moderna kanonska klasična teorija gravitacije - opća teorija relativnosti, i mnoge hipoteze koje je rafiniraju i teorije različitog stepena razvoja koje se međusobno takmiče (vidi članak Alternativne teorije gravitacije). Sve ove teorije daju vrlo slična predviđanja u okviru aproksimacije u kojoj se trenutno provode eksperimentalni testovi. Sljedeće su neke od glavnih, najrazvijenijih ili najpoznatijih teorija gravitacije.
Newtonova teorija gravitacije zasniva se na konceptu gravitacije, koja je sila velikog dometa: djeluje trenutno na bilo kojoj udaljenosti. Ova trenutna priroda radnje nije u skladu sa paradigmom polja moderne fizike, a posebno sa specijalnom teorijom relativnosti koju je 1905. godine stvorio Ajnštajn, inspirisan radom Poincarea i Lorentza. U Ajnštajnovoj teoriji, nijedna informacija ne može da putuje brže od brzine svetlosti u vakuumu.
Matematički, Newtonova gravitaciona sila je izvedena iz potencijalne energije tela u gravitacionom polju. Gravitacijski potencijal koji odgovara ovoj potencijalnoj energiji podliježe Poissonovoj jednadžbi, koja nije invarijantna prema Lorentzovoj transformaciji. Razlog za neinvarijantnost je taj što energija u specijalnoj teoriji relativnosti nije skalarna veličina, već ulazi u vremensku komponentu 4-vektora. Pokazalo se da je vektorska teorija gravitacije slična Maxwellovoj teoriji elektromagnetnog polja i dovodi do negativne energije gravitacijskih valova, što je povezano s prirodom interakcije: poput naboja (mase) u gravitaciji privlače, a ne odbijaju, jer u elektromagnetizmu. Dakle, Newtonova teorija gravitacije nije u skladu s temeljnim principom specijalne teorije relativnosti - nepromjenjivosti zakona prirode u bilo kojem inercijskom referentnom okviru i direktnom vektorskom generalizacijom Newtonove teorije, koju je Poincaré prvi predložio 1905. rad "O dinamici elektrona", dovodi do fizički nezadovoljavajućih rezultata.
Ajnštajn je počeo da traga za teorijom gravitacije koja bi bila kompatibilna sa principom nepromenljivosti zakona prirode u odnosu na bilo koji referentni okvir. Rezultat ove pretrage bila je opšta teorija relativnosti, zasnovana na principu identičnosti gravitacione i inercijalne mase.
Princip jednakosti gravitacionih i inercijskih masa
U klasičnoj Njutnovoj mehanici postoje dva koncepta mase: prvi se odnosi na drugi Newtonov zakon, a drugi na zakon univerzalne gravitacije. Prva masa - inercijska (ili inercijska) - je omjer negravitacijske sile koja djeluje na tijelo i njegovog ubrzanja. Druga masa - gravitaciona (ili, kako se ponekad naziva, teška) - određuje silu privlačenja tijela od strane drugih tijela i vlastitu silu privlačenja. Uopšteno govoreći, ove dvije mase mjere se, kao što se vidi iz opisa, u različitim eksperimentima, tako da uopće ne moraju biti proporcionalne jedna drugoj. Njihova stroga proporcionalnost nam omogućava da govorimo o jednoj tjelesnoj masi u negravitacijskim i gravitacijskim interakcijama. Odgovarajućim izborom jedinica, ove mase mogu biti jednake jedna drugoj.
Sam princip je izneo Isak Njutn, a jednakost masa je on eksperimentalno potvrdio sa relativnom tačnošću od 10−3. Krajem 19. vijeka Eötvös je izvodio suptilnije eksperimente, dovodeći tačnost verifikacije principa na 10−9. Tokom 20. veka eksperimentalne tehnike su omogućile da se potvrdi jednakost masa sa relativnom tačnošću od 10−12-10−13 (Braginski, Dike, itd.).
Ponekad se princip jednakosti gravitacionih i inercijskih masa naziva slabim principom ekvivalencije. Albert Ajnštajn ju je stavio u osnovu opšte teorije relativnosti.
Princip kretanja po geodetskim linijama
Ako je gravitaciona masa tačno jednaka inercijskoj masi, tada se u izrazu za ubrzanje tijela, na koje djeluju samo gravitacijske sile, obje mase smanjuju. Dakle, ubrzanje tijela, a time i njegova putanja, ne zavise od mase i unutrašnje strukture tijela. Ako sva tijela u istoj tački u prostoru primaju isto ubrzanje, onda se to ubrzanje može povezati ne sa svojstvima tijela, već sa svojstvima samog prostora u ovoj tački.
Dakle, opis gravitacijske interakcije između tijela može se svesti na opis prostor-vremena u kojem se tijela kreću. Prirodno je pretpostaviti, kao što je to radio Ajnštajn, da se tela kreću po inerciji, odnosno na takav način da je njihovo ubrzanje u sopstvenom referentnom okviru nula. Putanja tela će tada biti geodetske linije, čiju su teoriju razvili matematičari još u 19. veku.
Same geodetske linije mogu se pronaći specificiranjem u prostor-vremenu analoga udaljenosti između dva događaja, koji se tradicionalno naziva interval ili svjetska funkcija. Interval u trodimenzionalnom prostoru i jednodimenzionalnom vremenu (drugim riječima, u četverodimenzionalnom prostor-vremenu) dat je sa 10 nezavisnih komponenti metričkog tenzora. Ovih 10 brojeva čine prostornu metriku. Definira "udaljenost" između dvije beskonačno bliske tačke prostor-vremena u različitim smjerovima. Geodetske linije koje odgovaraju svjetskim linijama fizičkih tijela čija je brzina manja od brzine svjetlosti pokazuju se kao linije najvećeg pravog vremena, odnosno vremena koje mjeri sat čvrsto pričvršćen za tijelo koje prati ovu putanju.
Moderni eksperimenti potvrđuju kretanje tijela duž geodetskih linija sa istom preciznošću kao i jednakost gravitacijske i inercijalne mase.
Zaključak
Neki zanimljivi zaključci odmah slijede iz Newtonovih zakona. Dakle, treći Newtonov zakon kaže da, bez obzira na to kako tijela stupaju u interakciju, ne mogu promijeniti svoj ukupni impuls: javlja se zakon održanja količine gibanja. Nadalje, potrebno je zahtijevati da interakcijski potencijal dva tijela zavisi samo od modula razlike u koordinatama ovih tijela U(|r1-r2|). Tada nastaje zakon održanja ukupne mehaničke energije tijela u interakciji:
Njutnovi zakoni su osnovni zakoni mehanike. Iz njih se mogu izvesti svi drugi zakoni mehanike.
Istovremeno, Newtonovi zakoni nisu najdublji nivo formulacije klasične mehanike. U okviru Lagranžove mehanike postoji samo jedna formula (zapis mehaničkog dejstva) i jedan jedini postulat (tela se kreću tako da je dejstvo minimalno), iz čega se mogu izvesti svi Njutnovi zakoni. Štaviše, u okviru Lagranžovog formalizma lako se mogu razmatrati hipotetičke situacije u kojima radnja ima neki drugi oblik. U ovom slučaju, jednadžbe kretanja više neće ličiti na Newtonove zakone, ali će i dalje biti primjenjiva klasična mehanika...
Rješenje jednadžbi kretanja
Jednačina F = ma (odnosno, Newtonov drugi zakon) je diferencijalna jednačina: ubrzanje je drugi izvod koordinate u odnosu na vrijeme. To znači da se evolucija mehaničkog sistema u vremenu može nedvosmisleno odrediti ako su specificirane njegove početne koordinate i početne brzine. Imajte na umu da kada bi jednačine koje opisuju naš svijet bile jednačine prvog reda, onda bi fenomeni kao što su inercija, oscilacije i valovi nestali iz našeg svijeta.
Proučavanje osnovnih zakona fizike potvrđuje da se nauka progresivno razvija: svaka faza, svaki otkriveni zakon je faza u razvoju, ali ne daje definitivne odgovore na sva pitanja.
književnost:
Velika sovjetska enciklopedija (Njutnovi zakoni mehanike i drugi članci), 1977, “Sovjetska enciklopedija”
Online enciklopedija www.wikipedia.com
Federalna agencija za obrazovanje
GOU VPO Rybinsk State Aviation Academy. P.A. Solovjova
Katedra za opštu i tehničku fiziku
ESSAY
U disciplini "Koncepti savremene prirodne nauke"Tema: “Osnovni zakoni fizike”
Grupa ZKS-07
Student Balshin A.N.Predavač: Vasilyuk O.V.
To znači da oni ni na koji način ne ovise o materiji koja ispunjava prostor i o njenom kretanju, dok rezultati mjerenja prostornih i vremenskih intervala ne ovise o odabranom referentni sistemi, posebno na brzinu kretanja mjerenog objekta u odnosu na posmatrača;
Osnovne teorije klasične fizike su
- Termodinamika i statistička fizika
Formiranje "nove fizike"
Kvantna teorija
Zahvaljujući kvantnim konceptima, bilo je moguće pronaći adekvatne opise fenomena koji se dešavaju u jezgrima atoma i u dubinama zvijezda, radioaktivnosti, fizike elementarnih čestica, fizike čvrstog stanja, fizike niskih temperatura (supervodljivost i superfluidnost). Ove ideje poslužile su kao teorijska osnova za stvaranje mnogih praktičnih primjena fizike: nuklearne energije, poluvodičke tehnologije, lasera itd.
Teorija relativnosti
Godine 1905. Albert Ajnštajn je predložio specijalnu teoriju relativnosti, koja odbacuje koncept apsolutnosti prostora i vremena, i proglašava njihovu relativnost: veličina prostora i vremenskih segmenata vezanih za neki fizički objekat zavise od brzine objekta u odnosu na odabrani referentni sistem (koordinatni sistem). U različitim koordinatnim sistemima, ove veličine mogu imati različite vrijednosti. Konkretno, simultanost nezavisnih fizičkih događaja takođe je bila relativna: događaji koji su se desili istovremeno u jednom koordinatnom sistemu mogli su se desiti u različito vreme u drugom. Ova teorija je omogućila da se izgradi logički konzistentna kinematička slika svijeta bez korištenja koncepata neopaženog apsolutnog prostora, apsolutnog vremena i etra. još jedna planeta bliža Suncu od Merkura i koja nikada nije otkrivena. Danas već postoji velika količina eksperimentalnih dokaza o valjanosti teorije relativnosti. Konkretno, objašnjenje otkrivenog još u 19. stoljeću. zavisnost mase elektrona od njegove brzine: prema teoriji relativnosti, posmatrana masa svakog fizičkog tela je veća, što je veća brzina njegovog kretanja u odnosu na posmatrača, a elektroni uočeni u eksperimentima obično imaju dovoljno velika brzina da bi se uočljiva manifestacija relativističkih efekata.
Klasična fizika danas
Uprkos činjenici da mnoge pojave nisu adekvatno opisane u okviru klasične fizike, ona je i danas bitan dio „zlatnog fonda“ ljudskog znanja i najtraženija je u većini primjena fizike i inženjerskih disciplina. Obavezna je komponenta u predmetima opšte fizike koji se predaju u svim prirodnim i tehničkim obrazovnim institucijama svijeta.
To se objašnjava činjenicom da prednosti "nove fizike" utiču samo u posebnim slučajevima.
- Kvantni efekti se značajno manifestiraju u mikrokosmosu - na udaljenostima usporedivim s veličinom atoma, na mnogo većim udaljenostima, kvantne jednadžbe se svode na klasične.
- Hajzenbergova nesigurnost, koja je značajna na nivou mikrosvijeta, na nivou makrokosmosa je potpuno mala u poređenju sa greškama praktičnih mjerenja fizičkih veličina i rezultata proračuna na osnovu tih mjerenja.
- Relativistička fizika preciznije opisuje objekte gigantske mase (uporedive s masom galaksija) i kretanje tijela brzinom bliskom brzini svjetlosti. Pri malim brzinama i malim masama opisanih objekata, jednadžbe teorije relativnosti svode se na jednačine klasične mehanike.
Istovremeno, matematički aparat klasične fizike je jednostavniji i razumljiviji sa stanovišta svakodnevnog iskustva, a u većini slučajeva tačnost rezultata dobijenih metodama klasične fizike u potpunosti zadovoljava potrebe prakse.
Dakle, “nova fizika” ne samo da nije dovela do potpunog poricanja metoda i dostignuća klasične fizike, nego ju je spasila od “opšteg poraza”, o kojem je pisao A. Poincaré 1905. godine, po cijenu napuštanja takvih klasični principi kao što su determinizam, kontinuitet promjena fizičkih veličina i apsolutnost prostora i vremena.
Fizički zakoni nisu "kako priroda zapravo funkcionira". Zakone izmišljaju ljudi, posmatrajući prirodu. U nekim slučajevima (mikrosvijet) priroda se ponaša na jedan način, u drugim slučajevima (makrosvijet, "običan svijet") - na drugi način. Ljudi to posmatraju, biraju odgovarajuće formule - i pojavljuje se zakon.
Zašto je Newtonov zakon univerzalne gravitacije F = G * m1 * m2 / (r * r) ovakav? Kako on radi? Malo je vjerovatno da svaka planeta, kometa, asteroid na oko određuje sve najbliže objekte i, koristeći neku vrstu ugrađenog kalkulatora, množe, sabiraju i tako odlučuju kuda će letjeti. Ne, definitivno je nešto drugo. Ali Newton nije odgovorio na ovo pitanje. Nije znao zašto su se planete tako ponašale. Samo je dobro razmislio - i pogodio da se formula (gore napisana) savršeno uklapa ovdje. To je ceo zakon.
A kada fizičari posmatraju prirodu na kvantnom nivou, primećuju da su klasične formule ovde pogrešne. Moglo bi se, naravno, precrtati čitava Njutnova fizika i reći da su "u stvari" sve ove formule ovakve (ako proširimo zakone kvantnog sveta na veliki svet, dobićemo samo Njutnovsku mehaniku, samo u mnogo složeniji oblik). Ali zašto odustati od dobrih, provjerenih formula, ako postoji mnogo područja primjene gdje su te formule prikladnije?
P.S. Osim toga, postoje situacije u kojima su kvantni zakoni vrlo neprikladni (smatramo da uopće nisu prikladni) za proračune. Mislim na dobro poznatu "opoziciju" između teorije relativnosti i kvantne fizike. U slučaju velikih masa i velikih brzina, kvantna fizika ne daje željeni rezultat, što daje teorija relativnosti. A teorija relativnosti, naprotiv, ne funkcioniše u mikrokosmosu. Očekuje se da naučnici pokušavaju da razviju novu, univerzalnu teoriju koja će moći da "uzme najbolje" iz teorije relativnosti i kvantne fizike.
Vaš odgovor u cjelini - nije u suprotnosti. Odgovor je generalno dobar.
Ali fraza "sa gledišta moderne nauke, svijet funkcionira prema jednom jedinom zakonu koji još nije otkriven" je licemjerna. Vjerujem da ste se na taj način osvrnuli na "teorije svega" (na primjer, teorija superstruna). Ali formulacija se pokazala, po mom mišljenju, neuspješnom.
To je kao da kažete: "crne rupe postoje, ali ih još nismo pronašli", "čovek je potekao od majmuna, ali nemamo pojma kako" i slično.
Moderna nauka ne može kategorički tvrditi nešto što još nije otkrila. Naučnici su ljudi koji svoje riječi shvataju ozbiljno. Nije otvorio, nije provjerio - umukni. Ili možete reći "postoje hipoteze koje", "imamo razloga da vjerujemo", itd. A ne kao ultimatum "u stvari, postoji, ali mi to nikada nismo vidjeli."
Dobra fraza bi mogla biti "moderna fizika prepoznaje da postoje praznine u postojećim teorijama, a naučnici se nadaju da će te praznine popuniti novom teorijom koja će moći kombinirati postojeće."
Čini se da ste rekli istu stvar, ali vaša fraza daje drugačiji ton. Prema tvojoj frazi, ispada da je moderna nauka nekako saznala (insajderske informacije od boga stvoritelja?) da postoji određeni zakon, da postoji, ali je skriven ("tražiš na pogrešnom mjestu") . I naučnici sada znaju da postoji zakon ("Kunem se svojom majkom"), ali ga još ne mogu pronaći.
Gore opisani dinamički zakoni su univerzalne prirode, odnosno primjenjuju se na sve objekte koji se proučavaju bez izuzetka. Posebnost takvih zakona je da su predviđanja dobijena na njihovoj osnovi pouzdana i nedvosmislena. Uz njih, u prirodnim naukama sredinom prošlog veka formulisani su zakoni čija predviđanja nisu sigurna, već samo verovatna. Ovi zakoni su dobili ime po prirodi informacija koje su korištene za njihovo formuliranje. Oni su nazvani probabilističkim jer zaključci zasnovani na njima ne proizilaze logički iz dostupnih informacija, pa stoga nisu pouzdani i nedvosmisleni. Budući da je sama informacija statističke prirode, često se takvi zakoni nazivaju i statistički, a ovaj naziv je postao mnogo rašireniji u prirodnim naukama. Koncept pravilnosti posebnog tipa, u kojem su odnosi između veličina uključenih u teoriju dvosmisleni, prvi je uveo Maxwell 1859. On je bio prvi koji je shvatio da kada se razmatraju sistemi koji se sastoje od ogromnog broja čestica, jedan mora postaviti problem na potpuno drugačiji način nego što je to učinjeno u Njutnovskoj mehanici. Da bi to učinio, Maxwell je u fiziku uveo koncept vjerovatnoće, koji su ranije razvili matematičari u analizi slučajnih pojava, posebno kockanja.
Brojni fizički i hemijski eksperimenti su pokazali da je, u principu, nemoguće ne samo pratiti promene u momentu kretanja ili položaja jedne molekule u dužem vremenskom intervalu, već i precizno odrediti impulse i koordinate svih molekula gasa ili drugo makroskopsko tijelo u datom trenutku. Uostalom, broj molekula ili atoma u makroskopskom tijelu je reda 1023. Od makroskopskih uslova u kojima se plin nalazi (određena temperatura, zapremina, pritisak, itd.), određene vrijednosti impulsa i koordinate molekula ne slijede nužno. Treba ih posmatrati kao slučajne varijable koje pod datim makroskopskim uslovima mogu poprimiti različite vrednosti, kao što pri bacanju kocke može ispasti bilo koji broj poena od 1 do 6. Nemoguće je predvideti koji će broj poena pasti. van sa datim bacanjem kocke. Ali vjerovatnoća ispadanja, na primjer, 5, može se izračunati. Ova vjerovatnoća ima objektivan karakter, jer izražava objektivne odnose stvarnosti, a njeno uvođenje nije samo zbog našeg nepoznavanja detalja toka objektivnih procesa. Dakle, za kockicu je vjerovatnoća da se dobije bilo koji broj bodova od 1 do 6 1/6, što ne ovisi o poznavanju ovog procesa i stoga je objektivan fenomen. Na pozadini mnogih nasumičnih događaja otkriva se određeni obrazac, izražen brojem. Ovaj broj - vjerovatnoća događaja - omogućava vam da odredite statističke prosjeke (zbir pojedinačnih vrijednosti svih veličina, podijeljen s njihovim brojem). Dakle, ako bacite kost 300 puta, tada će prosječan broj padajućih pet biti jednak 300 "L = 50 puta. Štaviše, potpuno je svejedno da li ćete baciti istu kost ili istovremeno baciti 300 identičnih kostiju. Nesumnjivo, ponašanje molekula plina u posudi mnogo je složenije od bačenog. Ali čak se i ovdje mogu uočiti određene kvantitativne pravilnosti koje omogućavaju izračunavanje statističkih prosjeka, samo ako se problem postavi na isti način kao u teoriji igara, i ne kao u klasičnoj mehanici.ovaj trenutak,već da pokušamo naći vjerovatnoću određene vrijednosti ovog momenta.Maksvel je uspeo da reši ovaj problem.Statistički zakon raspodele molekula po impulsu pokazao se jednostavnim.Ali Maksvelov glavni zasluga nije bila u rješavanju, već u samoj formulaciji novog problema.On je jasno shvatio da je nasumično u datim makroskopskim uslovima ponašanje pojedinih molekula podložno određenom neki probabilistički (ili statistički) zakon. Nakon Maxwellovog poticaja, molekularna kinetička teorija (ili statistička mehanika, kako je kasnije postala poznata) počela se brzo razvijati. Statistički zakoni i teorije imaju sljedeće karakteristične karakteristike. 1. U statističkim teorijama, svako stanje je vjerovatnoća karakteristika sistema. To znači da stanje u statističkim teorijama nije određeno vrijednostima fizičkih veličina, već statističkim (vjerojatnim) distribucijama ovih veličina. Ovo je bitno drugačija karakteristika stanja nego u dinamičkim teorijama, gdje je stanje dato vrijednostima samih fizičkih veličina. 2. U statističkim teorijama, iz poznatog početnog stanja, kao rezultat se ne određuju jedinstveno vrijednosti samih fizičkih veličina, već vjerovatnoće tih vrijednosti unutar datih intervala. Dakle, prosječne vrijednosti fizičkih veličina su jedinstveno određene. Ovi prosjeci igraju istu ulogu u statističkim teorijama kao i same fizičke veličine u dinamičkim teorijama. Pronalaženje prosječnih vrijednosti fizičkih veličina glavni je zadatak statističke teorije. Probabilističke karakteristike stanja u statističkim teorijama razlikuju se od karakteristika stanja u dinamičkim teorijama. Ipak, dinamičke i statističke teorije pokazuju izuzetno jedinstvo u najbitnijem pogledu. Evolucija stanja u statističkim teorijama je jedinstveno određena jednadžbama kretanja, baš kao iu dinamičkim teorijama. Prema datoj statističkoj raspodjeli (datoj vjerovatnoći) u početnom trenutku vremena, jednačina kretanja jednoznačno određuje statističku distribuciju (vjerovatnost) u bilo kojem sljedećem trenutku vremena, ako je energija interakcije čestica međusobno i sa vanjskim tijelima poznato je. Srednje vrijednosti svih fizičkih veličina su jednoznačno određene. Ovdje nema razlike od dinamičkih teorija u pogledu jedinstvenosti rezultata. Na kraju krajeva, statističke teorije, kao i dinamičke, izražavaju potrebne veze u prirodi, a općenito se one ne mogu izraziti drugačije nego kroz nedvosmislenu povezanost stanja. Na nivou statističkih zakona i obrazaca susrećemo se i sa kauzalnošću. Ali determinizam u statističkim obrascima je dublji oblik determinizma u prirodi. Za razliku od krutog klasičnog determinizma, on se može nazvati probabilističkim (ili modernim) determinizmom. Statistički zakoni i teorije savršeniji su oblik opisivanja fizičkih obrazaca; svaki proces koji je danas poznat u prirodi preciznije je opisan statističkim zakonima nego dinamičkim. Nedvosmislena povezanost stanja u statističkim teorijama govori o njihovoj zajedničkosti sa dinamičkim teorijama. Razlika između njih je u jednom - načinu fiksiranja (opisa) stanja sistema. Pravo, sveobuhvatno značenje probabilističkog determinizma postalo je očigledno nakon stvaranja kvantne mehanike - statističke teorije koja opisuje fenomene atomske skale, odnosno kretanje elementarnih čestica i sistema koji se od njih sastoje (ostale statističke teorije su: statistička teorija neravnotežnih procesa, elektronska teorija, kvantna elektrodinamika). Savremena fizička slika svijeta je sistem temeljnih znanja o zakonitostima postojanja neorganske materije, o osnovama cjelovitosti i raznolikosti prirodnih pojava. Moderna fizika polazi od niza fundamentalnih premisa: - prvo, priznaje objektivno postojanje fizičkog svijeta, ali odbija vizualizaciju, zakoni moderne fizike nisu uvijek demonstrativni, u nekim slučajevima je njihova vizualna potvrda - iskustvo - jednostavno nemoguća; - drugo, savremena fizika potvrđuje postojanje tri kvalitativno različita strukturna nivoa materije: megasvet - svet svemirskih objekata i sistema; makrokosmos - svijet makroskopskih tijela, poznati svijet našeg empirijskog iskustva; mikrosvijet - svijet mikro objekata, molekula, atoma, elementarnih, čestica itd. Klasična fizika proučavala je načine interakcije i strukturu makroskopskih tijela, zakoni klasične mehanike opisuju procese makrokosmosa. Moderna fizika (kvantna) bavi se proučavanjem mikrosvijeta, odnosno zakoni kvantne mehanike opisuju ponašanje mikročestica. Megasvet je predmet astronomije i kosmologije, koje se zasnivaju na hipotezama, idejama i principima neklasične (relativističke i kvantne) fizike; - treće, neklasična fizika tvrdi zavisnost opisa ponašanja fizičkih objekata od uslova posmatranja, tj. od osobe koja poznaje ove procese (princip komplementarnosti);
Četvrto, moderna fizika prepoznaje postojanje ograničenja u opisu stanja objekta (princip nesigurnosti); - peto, relativistička fizika odbija modele i principe mehaničkog determinizma, formulisane u klasičnoj filozofiji i koji sugerišu mogućnost da se opiše stanje sveta u bilo kom trenutku, na osnovu poznavanja početnih uslova. Procesi u mikrosvijetu opisuju se statističkim pravilnostima, dok su predviđanja u kvantnoj fizici vjerovatnostna. Uz sve razlike, moderna fizika, kao i klasična mehanika, proučava zakone postojanja prirode. Zakon se shvata kao objektivna, neophodna, univerzalna, ponavljajuća i suštinska veza između pojava i događaja. Svaki zakon ima ograničen opseg. To je tačno sa stanovišta savremene prirodne nauke, ali da li je tačno „sa stanovišta večnosti?“ Jer naučna teorija počiva na određenom konačnom domenu činjenica. Istovremeno, univerzalna teorija tvrdi da opisuje beskonačan skup eksperimentalnih situacija u svakom trenutku iu bilo kojem području svijeta. Čak i tako jednostavan empirijski zakon kao što je izjava: "sva tijela se šire kada se zagrije" trebao bi pokrivati ne samo one objekte koji su na raspolaganju istraživaču, već i sve druge makro objekte. Isto, ali u još većoj mjeri, vrijedi i za takve fundamentalne zakone kao što su zakoni mehanike ili Maxwellove jednačine. A ako je tako, nikada ne može postojati sigurnost u univerzalnu istinitost teorije. Ako je nemoguće “dokazati” univerzalnu istinitost teorije, čak i sa proizvoljno velikim brojem eksperimentalnih činjenica koje to potvrđuju, onda samo jedna činjenica koja je u suprotnosti može biti dovoljna da dokaže neuniverzalnost teorije!
Zasnovan na cjelokupnom toku razvoja znanja u 20. vijeku. a o poznatim lenjinističkim propozicijama o apsolutnosti i relativnosti istine može se iznijeti sljedeća teza: svaka teorijski opovrgnuta (falsifikabilna) teorija u principu ne samo da se može opovrgnuti, već prije ili kasnije biti stvarno opovrgnuta tijekom razvoj naučnog znanja. Tačnije, otkriva ograničeni opseg primjenjivosti, odnosno neuniverzalnost ove teorije. Kako piše slavni američki fizičar David Bohm, ako teorija „probije glavu“, prije ili kasnije će biti odsječena. Isto se može reći i za postulate prostor-vreme. Ako je moguće naznačiti zamišljenu eksperimentalnu situaciju u kojoj neko svojstvo prostor-vremena izostaje, onda će jednog dana neuniverzalnost ovog svojstva biti otkrivena u stvarnom eksperimentu. Teoretski možemo dobro zamisliti svjetove u kojima je prostor višedimenzionalan, vrijeme obrnuto (u odnosu na naše) itd. Također možemo ukazati na to kako bi se eksperimenti u ovim navodnim situacijama razlikovali od naših uobičajenih eksperimenata. Naravno, navedeno rješenje problema je previše uopšteno, jer je tačno samo "sa stanovišta vječnosti". Moguće je da će se neuniverzalnost nama poznatih svojstava vremena i prostora otkriti tek u dalekoj budućnosti, recimo, kroz vijekove ili čak milenijume. Stoga je, uz filozofsku, uvijek potrebna i specifična metodološka analiza problema univerzalnosti jednog ili drugog svojstva, zasnovana na fizičkoj slici svijeta i savremenim fizičkim teorijama. Neophodno je uvesti pojam „metodološki univerzalnih“ principa koji su uključeni u savremenu fizičku sliku svijeta iu sve fizičke teorije izgrađene na njenoj osnovi.
Dakle, možemo izvući sljedeći zaključak. Kao što razvoj spoznaje pokazuje, bilo koji specifični naučni principi i teorije imaju ograničeno područje primjene i prije ili kasnije bivaju zamijenjeni drugim, općenitijim i adekvatnijim. U tom smislu se ne može stvoriti konačna fizička teorija ili konačna slika svijeta, jer se jedna slika svijeta u historiji fizike zamjenjuje drugom, potpunijom, i tako u nedogled. Na primjer, neprihvatljivo je proširenje zakona mehanike, koji se opravdavaju unutar makrokosmosa, na nivo kvantnih interakcija. Procesi koji se odvijaju u mikrokosmosu pokoravaju se drugim zakonima. Manifestacija zakona zavisi i od konkretnih uslova u kojima se on, ovaj svet, ostvaruje, promena uslova može pojačati ili, naprotiv, oslabiti dejstvo zakona. Djelovanje jednog zakona se koriguje i mijenja drugim zakonima. Dinamički obrasci karakterišu ponašanje izolovanih, pojedinačnih objekata i omogućavaju uspostavljanje precizno definisanog odnosa između pojedinačnih stanja objekta. Drugim riječima, dinamički obrasci se ponavljaju u svakom konkretnom slučaju i imaju nedvosmislen karakter. Na primjer, zakoni klasične mehanike su dinamički zakoni. Klasična prirodna nauka je apsolutizirala dinamičke obrasce. Apsolutno ispravne ideje o međusobnoj povezanosti svih pojava i događaja u filozofiji 17. - 18. stoljeća dovele su do pogrešnog zaključka o postojanju univerzalne nužnosti u svijetu i odsustvu slučajnosti. Ovaj oblik determinizma naziva se mehanistički. Mehanistički determinizam kaže da su sve vrste međusobnog povezivanja i interakcije mehaničke i poriče objektivnu prirodu slučajnosti. Na primjer, jedan od pristalica ove vrste determinizma, B. Spinoza, vjerovao je da fenomen nazivamo slučajnim samo zbog nedostatka znanja o njemu. Posljedica mehanističkog determinizma je fatalizam – doktrina univerzalne predestinacije pojava i događaja, koja se zapravo stapa s vjerom u božansko predodređenje. Problem ograničenja mehaničkog determinizma postao je posebno jasan u vezi s otkrićima u kvantnoj fizici. Pokazalo se da je obrasce interakcija u mikrokosmosu nemoguće objasniti sa stanovišta principa mehaničkog determinizma. U početku su nova otkrića u fizici dovela do odbacivanja determinizma, ali su kasnije doprinijela formiranju novog sadržaja ovog principa. Mehanistički determinizam je prestao da se povezuje sa determinizmom uopšte. M. Born je napisao: "... da je najnovija fizika odbacila kauzalnost, potpuno je nerazumno." Zaista, moderna fizika je odbacila ili modificirala mnoge tradicionalne ideje; ali bi prestala da bude nauka kada bi prestala da traga za uzrocima pojava. Uzročnost, dakle, nije izbačena iz postklasične nauke, ali se ideje o njoj menjaju. Posljedica toga je transformacija principa determinizma i uvođenje koncepta statističkih pravilnosti. Statistički obrasci se manifestuju u masi pojava, i imaju oblik trenda. Ovi zakoni se inače nazivaju probabilističkim, jer opisuju stanje pojedinačnog objekta samo sa određenim stepenom vjerovatnoće. Statistička pravilnost nastaje kao rezultat interakcije velikog broja elemenata, pa karakterizira njihovo ponašanje u cjelini. Potreba za statističkim obrascima se manifestuje kroz djelovanje mnogih slučajnih faktora. Ova vrsta zakona se inače naziva zakonima prosjeka. Istovremeno, statističke pravilnosti, kao i one dinamičke, izraz su determinizma. Primeri statističkih pravilnosti su zakoni kvantne mehanike i zakoni koji deluju u društvu i istoriji. Koncept vjerovatnoće, koji se pojavljuje u opisu statističkih obrazaca, izražava stepen mogućnosti pojave ili događaja u određenom skupu uslova. Unatoč činjenici da se kvantna mehanika značajno razlikuje od klasičnih teorija, i ovdje je sačuvana struktura zajednička osnovnim teorijama. Fizičke veličine (koordinate, impuls, energija, ugaoni moment, itd.) ostaju, općenito, iste kao u klasičnoj mehanici. Glavna veličina koja karakterizira stanje je kompleksna valna funkcija. Znajući to, može se izračunati vjerovatnoća pronalaženja određene vrijednosti ne samo koordinate, već i bilo koje druge fizičke veličine, kao i prosječne vrijednosti svih veličina. Osnovna jednačina nerelativističke kvantne mehanike - Schrödingerova jednačina - jedinstveno određuje evoluciju stanja sistema u vremenu.
Ujak Vanja radnja drame. „Ujka Ivane. Odnos prema profesoru drugih
Mali Tsakhes, nadimak Zinnober
Maikov, Apolon Nikolajevič - kratka biografija