Zakoni klasične fizike. Keplerovi zakoni gibanja planeta
Znanstvenici s planeta Zemlje koriste gomilu alata kako bi pokušali opisati kako priroda i svemir u cjelini funkcioniraju. Da dolaze do zakona i teorija. Koja je razlika? Znanstveni se zakon često može svesti na matematičku izjavu, poput E = mc²; ova se tvrdnja temelji na empirijskim podacima i njezina je istinitost u pravilu ograničena na određeni skup uvjeta. U slučaju E = mc² - brzina svjetlosti u vakuumu.
Znanstvena teorija često nastoji sintetizirati skup činjenica ili opažanja specifičnih pojava. I općenito (ali ne uvijek) postoji jasna i provjerljiva izjava o tome kako priroda funkcionira. Nije uopće potrebno reducirati znanstvenu teoriju na jednadžbu, ali ona predstavlja nešto temeljno o funkcioniranju prirode.
I zakoni i teorije ovise o osnovnim elementima znanstvene metode, kao što su postavljanje hipoteza, provođenje eksperimenata, pronalaženje (ili nenalaženje) empirijskih dokaza i izvođenje zaključaka. Uostalom, znanstvenici moraju biti u stanju ponoviti rezultate ako eksperiment želi postati temelj za općeprihvaćen zakon ili teoriju.
U ovom ćemo članku pogledati deset znanstvenih zakona i teorija kojih se možete osvježiti čak i ako, na primjer, ne koristite tako često skenirajući elektronski mikroskop. Počnimo s eksplozijom, a završimo s neizvjesnošću.
Ako vrijedi znati barem jednu znanstvenu teoriju, onda neka objasni kako je svemir došao do sadašnjeg stanja (ili ga nije dosegao). Na temelju studija Edwina Hubblea, Georgesa Lemaitrea i Alberta Einsteina, teorija Velikog praska postulira da je svemir započeo prije 14 milijardi godina s masivnim širenjem. U nekom trenutku, svemir je bio zatvoren u jednoj točki i obuhvaćao je svu materiju sadašnjeg svemira. To kretanje traje do danas, a sam svemir se neprestano širi.
Teorija Velikog praska dobila je široku podršku u znanstvenim krugovima nakon što su Arno Penzias i Robert Wilson otkrili kozmičku mikrovalnu pozadinu 1965. godine. Koristeći radioteleskope, dva su astronoma otkrila kozmičku buku, ili statiku, koja ne nestaje tijekom vremena. U suradnji s Robertom Dickeom, istraživačem s Princetona, dva su znanstvenika potvrdila Dickeovu hipotezu da je izvorni Veliki prasak iza sebe ostavio nisku razinu zračenja koja se može pronaći u cijelom svemiru.
Hubbleov zakon kozmičkog širenja
Zadržimo Edwina Hubblea na trenutak. Dok je 1920-ih bjesnila Velika depresija, Hubble je izvodio revolucionarna astronomska istraživanja. Ne samo da je dokazao da postoje druge galaksije osim Mliječne staze, nego je također otkrio da te galaksije jure od naše, kretanje koje je on nazvao udaljavanjem.
Kako bi se kvantificirala brzina ovog galaktičkog gibanja, Hubble je predložio zakon kozmičke ekspanzije, poznat i kao Hubbleov zakon. Jednadžba izgleda ovako: brzina = H0 x udaljenost. Brzina je brzina udaljavanja galaksija; H0 je Hubbleova konstanta ili parametar koji pokazuje brzinu širenja svemira; udaljenost je udaljenost jedne galaksije od one s kojom se uspoređuje.
Hubbleova konstanta je već neko vrijeme izračunata na različitim vrijednostima, ali trenutno je zapela na 70 km/s po megaparseku. Za nas to nije toliko važno. Važna stvar je da je zakon prikladan način za mjerenje brzine galaksije u odnosu na našu. I što je još važnije, zakon je utvrdio da se svemir sastoji od mnogo galaksija, čije se kretanje može pratiti do Velikog praska.
Keplerovi zakoni gibanja planeta
Stoljećima su se znanstvenici borili jedni protiv drugih i vjerskih vođa oko orbita planeta, posebno oko toga okreću li se oko Sunca. U 16. stoljeću Kopernik je iznio svoj kontroverzni koncept heliocentričnog Sunčevog sustava, u kojem se planeti okreću oko Sunca, a ne oko Zemlje. Međutim, tek se nakon Johannesa Keplera, koji se oslanjao na rad Tycha Brahea i drugih astronoma, pojavila jasna znanstvena osnova za kretanje planeta.
Keplerova tri zakona o gibanju planeta, razvijena početkom 17. stoljeća, opisuju kretanje planeta oko Sunca. Prvi zakon, koji se ponekad naziva i zakon orbita, kaže da se planeti okreću oko Sunca u eliptičnoj orbiti. Drugi zakon, zakon površina, kaže da linija koja povezuje planet sa Suncem tvori jednake površine u pravilnim razmacima. Drugim riječima, ako izmjerite površinu stvorenu povučenom linijom 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 razdoblja, omogućuje vam uspostavljanje jasnog odnosa između orbitalnog razdoblja planeta i udaljenosti do Sunca. Zahvaljujući ovom zakonu, znamo da planet koji je relativno blizu Suncu, poput Venere, ima mnogo kraći orbitalni period od udaljenih planeta poput Neptuna.
Univerzalni zakon gravitacije
To bi moglo biti uobičajeno danas, ali prije više od 300 godina, Sir Isaac Newton predložio je revolucionarnu ideju: bilo koja dva objekta, bez obzira na njihovu masu, privlače jedno drugo gravitacijsko privlačenje. Ovaj zakon predstavljen je jednadžbom s kojom se mnogi školarci susreću u višim razredima fizike i matematike.
F = G × [(m1m2)/r²]
F je gravitacijska sila između dva objekta, mjerena u newtonima. M1 i M2 su mase dva objekta, dok je r udaljenost između njih. G je gravitacijska konstanta, trenutno izračunata kao 6,67384(80) 10 −11 ili N m² kg −2.
Prednost univerzalnog zakona gravitacije je u tome što vam omogućuje izračunavanje gravitacijske privlačnosti između bilo koja dva objekta. Ova sposobnost je izuzetno korisna kada znanstvenici, na primjer, lansiraju satelit u orbitu ili određuju smjer Mjeseca.
Newtonovi zakoni
Dok smo na temi jednog od najvećih znanstvenika koji su ikada živjeli na Zemlji, razgovarajmo o drugim poznatim Newtonovim zakonima. Njegova tri zakona gibanja čine bitan dio moderne fizike. I poput mnogih drugih zakona fizike, elegantni su u svojoj jednostavnosti.
Prvi od tri zakona kaže da objekt u pokretu ostaje u pokretu osim ako na njega ne djeluje vanjska sila. Za loptu 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 odnos između mase tijela (m) i njegovog ubrzanja (a) u obliku jednadžbe F = m x a. F je sila mjerena u njutnima. Također je vektor, što znači da ima usmjerenu komponentu. Lopta koja se kotrlja po podu zbog ubrzanja ima poseban vektor u smjeru svog gibanja i to se uzima u obzir pri izračunavanju sile.
Treći zakon je prilično smislen i trebao bi vam biti poznat: za svaku radnju postoji jednaka i suprotna reakcija. To jest, za svaku silu primijenjenu na predmet na površini, predmet se odbija istom silom.
Zakoni termodinamike
Britanski fizičar i pisac C. P. Snow jednom je rekao da je neznanstvenik koji ne poznaje drugi zakon termodinamike poput znanstvenika koji nikada nije čitao Shakespearea. Snowova sada poznata izjava naglašava važnost termodinamike i potrebu da je poznaju čak i ljudi daleko od znanosti.
Termodinamika je znanost o tome kako energija funkcionira u sustavu, bilo da se radi o motoru ili jezgri 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 malo ovo. Ono što je Snow mislio rekavši da ne možete pobijediti je da budući da su materija i energija očuvane, ne možete dobiti jedno a da ne izgubite drugo (to jest, E=mc²). To također znači da trebate osigurati toplinu za rad motora, ali u nedostatku savršeno zatvorenog sustava, dio topline će neizbježno pobjeći u otvoreni svijet, što dovodi do drugog zakona.
Drugi zakon - gubici su neizbježni - znači da se zbog porasta entropije ne možete vratiti u prijašnje energetsko stanje. Energija koncentrirana na jednom mjestu uvijek će težiti mjestima niže koncentracije.
Na kraju, treći zakon - ne možete izaći iz igre - odnosi se na najnižu teoretski moguću temperaturu - minus 273,15 Celzijevih stupnjeva. Kada sustav dosegne apsolutnu nulu, kretanje molekula prestaje, što znači da će entropija dosegnuti svoju najnižu vrijednost i neće biti ni kinetičke energije. Ali u stvarnom svijetu nemoguće je dosegnuti apsolutnu nulu - samo vrlo blizu nje.
Arhimedova snaga
Nakon što je starogrčki Arhimed otkrio svoj princip uzgona, navodno je uzviknuo "Eureka!" (Pronađen!) i trčao gol kroz Syracuse. Tako kaže legenda. Otkriće je bilo tako važno. Legenda također kaže da je Arhimed otkrio princip kada je primijetio da se voda u kadi diže kada se tijelo uroni u nju.
Prema Arhimedovom principu uzgona, sila koja djeluje na potopljeno ili djelomično potopljeno tijelo jednaka je masi tekućine koju tijelo istiskuje. Ovo je načelo od najveće važnosti u izračunima gustoće, kao iu projektiranju podmornica i drugih oceanskih plovila.
Evolucija i prirodna selekcija
Sada kada smo uspostavili neke od osnovnih koncepata o tome kako je svemir nastao i kako fizikalni zakoni utječu na naše svakodnevne živote, obratimo pozornost na ljudski oblik i saznajmo kako smo došli do ove točke. Prema većini znanstvenika, 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 općem smislu, ta se diferencijacija dogodila u procesu evolucije. Populacije organizama i njihove osobine prošle su kroz mehanizme kao što su mutacije. One s više osobina za preživljavanje, poput smeđih žaba koje se kamufliraju u močvarama, prirodno su odabrane za preživljavanje. Odatle dolazi izraz prirodna selekcija.
Ove dvije teorije možete pomnožiti mnogo, mnogo puta, a zapravo je Darwin to učinio u 19. stoljeću. Evolucija i prirodna selekcija objašnjavaju ogromnu raznolikost života na Zemlji.
Opća teorija relativnosti
Albert Einstein bio je i ostao najvažnije otkriće koje je zauvijek promijenilo naš pogled na svemir. Einsteinov glavni proboj bila je izjava da prostor i vrijeme nisu apsolutni, a gravitacija nije samo sila koja djeluje na objekt ili masu. Umjesto toga, gravitacija ima veze s činjenicom da masa iskrivljuje prostor i samo vrijeme (prostorvrijeme).
Da biste ovo shvatili, zamislite da se vozite preko Zemlje ravnom linijom u smjeru istoka sa, recimo, sjeverne hemisfere. Nakon nekog vremena, ako netko želi točno odrediti vašu lokaciju, bit ćete mnogo južnije i istočnije od svoje prvobitne pozicije. To je zato što je zemlja zakrivljena. Da biste vozili ravno prema istoku, morate uzeti u obzir oblik Zemlje i voziti pod kutom malo sjevernije. Usporedite okruglu loptu i list papira.
Prostor je uglavnom isti. Primjerice, putnicima rakete koja leti oko Zemlje bit će očito da lete pravocrtno u svemiru. Ali u stvarnosti, prostor-vrijeme oko njih se krivuda pod silom Zemljine gravitacije, uzrokujući da se kreću naprijed i ostaju u Zemljinoj orbiti.
Einsteinova teorija imala je ogroman utjecaj na budućnost astrofizike i kozmologije. Objasnila je malu i neočekivanu anomaliju u Merkurovoj orbiti, pokazala kako se svjetlost zvijezda savija i postavila teoretske temelje za crne rupe.
Heisenbergov princip neodređenosti
Einsteinovo širenje relativnosti naučilo nas je više o tome kako svemir funkcionira i pomoglo nam je postaviti temelje za kvantnu fiziku, što je dovelo do potpuno neočekivane neugodnosti teorijske znanosti. Godine 1927. spoznaja da su svi zakoni svemira fleksibilni u određenom kontekstu dovela je do zapanjujućeg otkrića njemačkog znanstvenika Wernera Heisenberga.
Postulirajući svoje načelo nesigurnosti, Heisenberg je shvatio da je nemoguće znati dva svojstva čestice istovremeno s visokom razinom točnosti. Možete znati položaj elektrona s visokim stupnjem točnosti, ali ne i njegov moment, i obrnuto.
Kasnije je Niels Bohr došao do otkrića koje je pomoglo objasniti Heisenbergov princip. Bohr je otkrio da elektron ima svojstva i čestice i vala. Koncept je postao poznat kao dualnost val-čestica i činio je temelj kvantne fizike. Stoga, kada mjerimo položaj elektrona, definiramo ga kao česticu u određenoj točki prostora s neodređenom valnom duljinom. Kada mjerimo zamah, elektron smatramo valom, što znači da možemo znati amplitudu njegove duljine, ali ne i položaj.
Uvod
1. Newtonovi zakoni
1.1. Zakon inercije (prvi Newtonov zakon)
1.2 Zakon gibanja
1.3. Zakon očuvanja količine gibanja (Zakon očuvanja količine gibanja)
1.4. Sile inercije
1.5. Zakon viskoznosti
2.1. Zakoni termodinamike
Zakon gravitacije
3.2. Gravitacijska interakcija
3.3. Nebeska mehanika
Jaka gravitacijska polja
3.5. Moderne klasične teorije gravitacije
Zaključak
Književnost
Uvod
Temeljni zakoni fizike opisuju najvažnije pojave u prirodi i svemiru. Omogućuju nam da objasnimo, pa čak i predvidimo mnoge pojave. Dakle, oslanjajući se samo na temeljne zakone klasične fizike (Newtonove zakone, zakone termodinamike itd.), čovječanstvo uspješno istražuje svemir, šalje svemirske letjelice na druge planete.
U ovom radu želim razmotriti najvažnije zakone fizike i njihov odnos. Najvažniji zakoni klasične mehanike su Newtonovi zakoni, koji su dovoljni za opis pojava u makrokozmosu (bez uzimanja u obzir velikih vrijednosti brzine ili mase, što se proučava u GR - općoj relativnosti, ili SRT - specijalnoj relativnosti.)
Newtonovi zakoni
Newtonovi zakoni mehanike - tri zakona u osnovi tzv. klasična mehanika. Formulirao I. Newton (1687). Prvi zakon: "Svako se tijelo nastavlja održavati u stanju mirovanja ili ravnomjernog i pravocrtnog gibanja sve dok i u onoj mjeri u kojoj je primijenjena sila prisiljena promijeniti to stanje." Drugi zakon: "Promjena količine gibanja proporcionalna je primijenjenoj pogonskoj sili i događa se u smjeru ravne linije duž koje ta sila djeluje." Treći zakon: "Uvijek postoji jednaka i suprotna reakcija na akciju, inače, međudjelovanja dva tijela jedno protiv drugog su jednaka i usmjerena u suprotnim smjerovima."
1.1. Zako ́ devet ́ rcije (Prvi zakon Novi ́ ton) : slobodno tijelo, na koje ne djeluju sile drugih tijela, nalazi se u stanju mirovanja ili jednolikog pravocrtnog gibanja (pojam brzine ovdje se odnosi na centar mase tijela u slučaju netranslatornog gibanja). Drugim riječima, tijela karakteriziraju inercija (od latinskog inertia - "neaktivnost", "inercija"), odnosno fenomen održavanja brzine ako se vanjski utjecaji na njih kompenziraju.
Referentni okviri u kojima je ispunjen zakon tromosti nazivaju se inercijski referentni okviri (ISR).
Zakon tromosti prvi je formulirao Galileo Galilei, koji je nakon mnogih pokusa zaključio da nije potreban vanjski uzrok da bi se slobodno tijelo gibalo konstantnom brzinom. Prije toga je bilo općenito prihvaćeno drugačije gledište (još od Aristotela): slobodno tijelo miruje, a da bi se kretalo konstantnom brzinom potrebna je primjena konstantne sile.
Nakon toga, Newton je formulirao zakon inercije kao prvi od svoja tri poznata zakona.
Galilejevo načelo relativnosti: u svim inercijalnim referentnim okvirima svi fizikalni procesi odvijaju se na isti način. U referentnom okviru koji je doveden u stanje mirovanja ili ravnomjernog pravocrtnog gibanja u odnosu na inercijalni referentni okvir (uvjetno "miruje"), svi se procesi odvijaju na potpuno isti način kao u okviru koji miruje.
Treba napomenuti da je koncept inercijalnog referentnog okvira apstraktni model (neki idealni objekt koji se razmatra umjesto stvarnog objekta. Apsolutno kruto tijelo ili bestežinska nit služe kao primjeri apstraktnog modela), stvarni referentni okviri su uvijek povezan s nekim objektom i korespondencija stvarno opaženog kretanja tijela u takvim sustavima s rezultatima proračuna bit će nepotpuna.
1.2 Zakon gibanja - matematička formulacija kako se tijelo giba ili kako dolazi do gibanja općenitijeg oblika.
U klasičnoj mehanici materijalne točke zakon gibanja su tri ovisnosti triju prostornih koordinata o vremenu, odnosno ovisnost jedne vektorske veličine (radijus vektora) o vremenu, oblika
Zakon gibanja može se pronaći, ovisno o zadatku, iz diferencijalnih zakona mehanike ili iz integralnih.
Zakon održanja energije - osnovni zakon prirode, koji se sastoji u tome da se energija zatvorenog sustava čuva u vremenu. Drugim riječima, energija ne može nastati ni iz čega i ne može nestati nigdje, može samo prijeći iz jednog oblika u drugi.
Zakon održanja energije nalazimo u raznim granama fizike i očituje se u očuvanju raznih vrsta energije. Na primjer, u klasičnoj mehanici zakon se očituje u očuvanju mehaničke energije (zbroj potencijalne i kinetičke energije). U termodinamici se zakon održanja energije naziva prvim zakonom termodinamike i govori o očuvanju energije u ukupnosti s toplinskom energijom.
Budući da se zakon održanja energije ne odnosi na određene količine i pojave, već odražava opći obrazac koji je primjenjiv svugdje i uvijek, ispravnije je nazvati ga ne zakonom, već principom očuvanja energije.
Poseban slučaj - Zakon održanja mehaničke energije - mehanička energija konzervativnog mehaničkog sustava je očuvana u vremenu. Jednostavno rečeno, u nedostatku sila poput trenja (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 svojstvo je njihova zajedničkog djelovanja. Na primjer, ponekad se kaže da je nemogućnost stvaranja perpetuum mobile uzrokovana zakonom održanja energije. Ali nije. Naime, u svakom projektu perpetuum mobile pokretača se aktivira jedan od diferencijalnih zakona i on je taj koji onesposobljava motor. Zakon održanja energije jednostavno generalizira ovu činjenicu.
Prema Noetherovom teoremu, zakon održanja mehaničke energije posljedica je homogenosti vremena.
1.3. Zako ́ n spremiti ́ i ́ puls (Zako ́ n spremiti ́ ako ́ kvaliteta kretanja) tvrdi da je zbroj momenta svih tijela (ili čestica) zatvorenog sustava konstantna vrijednost.
Iz Newtonovih zakona može se pokazati da je pri kretanju u praznom prostoru količina gibanja očuvana u vremenu, a u prisutnosti međudjelovanja brzina njegove promjene određena je zbrojem primijenjenih sila. U klasičnoj mehanici zakon o održanju količine gibanja obično se izvodi kao posljedica Newtonovih zakona. Međutim, ovaj zakon očuvanja također vrijedi u slučajevima kada je Newtonova mehanika neprimjenjiva (relativistička fizika, kvantna mehanika).
Kao i svaki drugi zakon očuvanja, zakon održanja impulsa opisuje jednu od temeljnih simetrija, homogenost prostora
Newtonov treći zakon objašnjava što se događa s dva tijela koja međusobno djeluju. Uzmimo za primjer zatvoreni sustav koji se sastoji od dva tijela. Prvo tijelo može djelovati na drugo s nekom silom F12, a drugo - na prvo s silom F21. Kako su sile povezane? Treći Newtonov zakon kaže da je sila djelovanja jednaka po veličini i suprotnog smjera sili reakcije. Naglašavamo da su te sile primijenjene na različita tijela, te stoga uopće nisu kompenzirane.
Sam zakon:
Tijela djeluju jedno na drugo silama usmjerenim duž iste prave, jednake veličine i suprotnog smjera: .
1.4. Sile inercije
Newtonovi zakoni, strogo govoreći, vrijede samo u inercijalnim referentnim okvirima. Ako iskreno napišemo jednadžbu gibanja tijela u neinercijalnom referentnom okviru, ona će se izgledom razlikovati od drugog Newtonovog zakona. Međutim, često se, radi pojednostavljenja razmatranja, uvodi neka fiktivna "sila tromosti", a zatim se te jednadžbe gibanja prepisuju u obliku vrlo sličnom drugom Newtonovom zakonu. Matematički je ovdje sve točno (korektno), ali sa stajališta fizike, nova fiktivna sila ne može se smatrati nečim stvarnim, kao rezultatom neke stvarne interakcije. Još jednom naglašavamo: "inercijalna sila" je samo zgodna parametrizacija toga kako se zakoni gibanja razlikuju u inercijalnim i neinercijalnim referentnim okvirima.
1.5. Zakon viskoznosti
Newtonov zakon viskoznosti (unutarnjeg trenja) je matematički izraz koji povezuje naprezanje unutarnjeg trenja τ (viskoznost) i promjenu brzine medija v u prostoru
(brzina deformacije) za fluidna tijela (tekućine i plinove):
gdje se vrijednost η naziva koeficijent unutarnjeg trenja ili dinamički koeficijent viskoznosti (CGS jedinica – poise). Kinematički koeficijent viskoznosti je vrijednost μ = η / ρ (CGS jedinica je Stokes, ρ je gustoća medija).
Newtonov zakon može se dobiti analitički metodama fizičke kinetike, pri čemu se viskoznost obično razmatra istovremeno s toplinskom vodljivošću i odgovarajućim Fourierovim zakonom za toplinsku vodljivost. U kinetičkoj teoriji plinova koeficijent unutarnjeg trenja izračunava se po formuli
gdje je prosječna brzina toplinskog gibanja molekula, λ je srednji slobodni put.
2.1. Zakoni termodinamike
Termodinamika se temelji na tri zakona, koji su formulirani na temelju eksperimentalnih podataka i stoga se mogu prihvatiti kao postulati.
* 1. zakon termodinamike. To je formulacija općeg zakona održanja energije za termodinamičke procese. U svom najjednostavnijem obliku, može se napisati kao δQ \u003d δA + d "U, gdje je dU ukupni diferencijal unutarnje energije sustava, 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 koncepta. Sa stajališta kvantnih koncepata, ovaj se zakon može tumačiti na sljedeći način: dU je promjena energije danog kvantnog sustava, δA je promjena energije sustava zbog promjene naseljenosti energetskih razina sustava, a δQ je promjena energije kvantnog sustava zbog promjene strukture razine energije.
* 2. zakon termodinamike: Drugi zakon termodinamike isključuje mogućnost stvaranja perpetuum mobile druge vrste. Postoji nekoliko različitih, ali ujedno i ekvivalentnih formulacija ovog zakona. 1 - Clausiusov postulat. Proces u kojem se ne događaju nikakve druge promjene, osim prijenosa topline s vrućeg tijela na hladno, nepovratan je, odnosno toplina ne može prijeći s hladnog tijela na vruće bez ikakvih drugih promjena u sustavu. Taj se fenomen naziva disipacija ili disperzija energije. 2 - Kelvinov postulat. Proces u kojem se rad pretvara u toplinu bez ikakvih drugih promjena u sustavu je ireverzibilan, odnosno nemoguće je svu toplinu preuzetu iz izvora jednolike temperature pretvoriti u rad bez drugih promjena u sustavu.
* 3. zakon termodinamike: Nernstov teorem: Entropija bilo kojeg sustava pri temperaturi apsolutnoj nuli uvijek se može uzeti jednakom nuli
3.1. Zakon gravitacije
Gravitacija (univerzalna gravitacija, gravitacija) (od latinskog gravitas - "gravitacija") je dugotrajna temeljna interakcija u prirodi, kojoj su podložna sva materijalna tijela. Prema suvremenim podacima, ona je univerzalna interakcija u smislu da, za razliku od bilo koje druge sile, daje jednako ubrzanje svim tijelima bez iznimke, bez obzira na njihovu masu. Prije svega, gravitacija igra odlučujuću ulogu na kozmičkoj razini. Pojam gravitacija također se koristi kao naziv grane fizike koja proučava gravitacijsku interakciju. Najuspješnija suvremena fizikalna teorija u klasičnoj fizici koja opisuje gravitaciju je opća teorija relativnosti; kvantna teorija gravitacijske interakcije još nije izgrađena.
3.2. Gravitacijska interakcija
Gravitacijska interakcija jedna je od četiri temeljne interakcije u našem svijetu. U okviru klasične mehanike, gravitacijska interakcija opisana je Newtonovim zakonom univerzalne gravitacije, koji kaže da je sila gravitacijskog privlačenja između dviju materijalnih točaka mase m1 i m2, razdvojenih udaljenosti R, jednaka
Ovdje je G gravitacijska 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.
Gravitacijsko polje je potencijalno. To znači da je moguće uvesti potencijalnu energiju gravitacijske privlačnosti para tijela, a ta se energija neće promijeniti nakon pomicanja tijela duž zatvorene konture. Potencijalnost gravitacijskog polja povlači za sobom zakon održanja zbroja kinetičke i potencijalne energije, a pri proučavanju gibanja tijela u gravitacijskom polju često uvelike pojednostavljuje rješenje. U okviru Newtonove mehanike, gravitacijska interakcija je dugodometna. To znači da bez obzira na to kako se masivno tijelo kreće, u bilo kojoj točki prostora gravitacijski potencijal ovisi samo o položaju tijela u određenom trenutku u vremenu.
Veliki svemirski objekti - planeti, zvijezde i galaksije imaju ogromnu masu i stoga stvaraju značajna gravitacijska polja. Gravitacija je najslabija sila. No, budući da djeluje na svim udaljenostima i sve su mase pozitivne, ipak je vrlo važna sila u svemiru. Za usporedbu: ukupni električni naboj ovih tijela jednak je nuli, jer je tvar kao cjelina električki neutralna. Također, gravitacija je, za razliku od drugih interakcija, univerzalna u svom djelovanju na svu materiju i energiju. Nisu pronađeni objekti koji uopće nemaju gravitacijsku interakciju.
Zbog svoje globalne prirode, gravitacija je odgovorna za tako velike učinke kao što su struktura galaksija, crne rupe i širenje svemira, te za elementarne astronomske pojave - orbite planeta, te za jednostavno privlačenje Zemljine površine i tijela koja padaju.
Gravitacija je bila prva interakcija koju je opisala matematička teorija. U antičko doba Aristotel je vjerovao da objekti različitih masa padaju različitim brzinama. Tek mnogo kasnije Galileo Galilei eksperimentalno je utvrdio da to nije tako - ako se eliminira otpor zraka, sva tijela ubrzavaju jednako. Zakon gravitacije Isaaca Newtona (1687.) bio je dobar opis općeg ponašanja gravitacije. Godine 1915. Albert Einstein stvorio je Opću teoriju relativnosti, koja točnije opisuje gravitaciju u smislu geometrije prostorvremena.
3.3. Nebeska mehanika i neki njezini zadaci
Dio mehanike koji proučava gibanje tijela u praznom prostoru samo pod utjecajem gravitacije naziva se nebeska mehanika.
Najjednostavniji zadatak nebeske mehanike je gravitacijska interakcija dvaju tijela u praznom prostoru. Ovaj problem je analitički riješen do kraja; rezultat njegova rješenja često se formulira u obliku triju Keplerovih zakona.
Kako se broj tijela koja međusobno djeluju povećava, problem postaje mnogo kompliciraniji. Dakle, već poznati problem triju tijela (odnosno gibanja tri tijela s masama različitim od nule) ne može se analitički riješiti u općem obliku. Kod numeričkog rješenja vrlo brzo nastupa nestabilnost rješenja u odnosu na početne uvjete. Kada se primijeni na Sunčev sustav, ova nestabilnost onemogućuje predviđanje kretanja planeta na skalama većim od sto milijuna godina.
U nekim posebnim slučajevima moguće je pronaći približno rješenje. Najvažniji je slučaj kada je masa jednog tijela znatno veća od mase ostalih tijela (primjeri: Sunčev sustav i dinamika Saturnovih prstenova). U ovom slučaju, u prvoj aproksimaciji, možemo pretpostaviti da svjetlosna tijela ne djeluju jedno na drugo i da se kreću Keplerovom putanjom oko masivnog tijela. Interakcije između njih mogu se uzeti u obzir u okviru teorije poremećaja i usrednjeti tijekom vremena. U tom slučaju mogu nastati netrivijalni fenomeni, kao što su rezonancije, atraktori, slučajnost itd. Dobar primjer takvih fenomena je netrivijalna struktura Saturnovih prstenova.
Unatoč pokušajima da se opiše ponašanje sustava velikog broja tijela koja se privlače približno iste mase, to nije moguće zbog fenomena dinamičkog kaosa.
3.4. Jaka gravitacijska polja
U jakim gravitacijskim poljima, pri kretanju relativističkim brzinama, počinju se javljati učinci opće teorije relativnosti:
Odstupanje zakona gravitacije od Newtonovog;
Kašnjenje potencijala povezano s konačnom brzinom širenja gravitacijskih poremećaja; pojava gravitacijskih valova;
Nelinearni učinci: gravitacijski valovi teže međusobnom djelovanju, pa princip superpozicije valova u jakim poljima više ne vrijedi;
Mijenjanje geometrije prostor-vremena;
Pojava crnih rupa;
3.5. Moderne klasične teorije gravitacije
Zbog činjenice da su kvantni učinci gravitacije iznimno mali čak i pod najekstremnijim eksperimentalnim i promatračkim uvjetima, još uvijek ne postoje njihova pouzdana opažanja. Teorijske procjene pokazuju da se u velikoj većini slučajeva može ograničiti na klasični opis gravitacijske interakcije.
Postoji moderna kanonska klasična teorija gravitacije – opća teorija relativnosti, te mnoge hipoteze koje je dorađuju i teorije različitog stupnja razvoja koje se međusobno natječu (vidi članak Alternativne teorije gravitacije). Sve te teorije daju vrlo slična predviđanja unutar aproksimacije u kojoj se trenutno provode eksperimentalna ispitivanja. Slijede neke od glavnih, najbolje razvijenih ili poznatih teorija gravitacije.
Newtonova teorija gravitacije temelji se na konceptu gravitacije, koja je sila dugog dometa: ona djeluje trenutno na bilo kojoj udaljenosti. Ova trenutna priroda djelovanja nespojiva je s paradigmom polja moderne fizike, a posebice s posebnom teorijom relativnosti koju je 1905. stvorio Einstein, inspiriran radom Poincaréa i Lorentza. Prema Einsteinovoj teoriji, niti jedna informacija ne može putovati brže od brzine svjetlosti u vakuumu.
Matematički, Newtonova gravitacijska sila izvedena je iz potencijalne energije tijela u gravitacijskom polju. Gravitacijski potencijal koji odgovara ovoj potencijalnoj energiji pokorava se Poissonovoj jednadžbi, koja nije invarijantna prema Lorentzovim transformacijama. Razlog neinvarijantnosti 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 elektromagnetskog polja i dovodi do negativne energije gravitacijskih valova, što je povezano s prirodom interakcije: slični naboji (mase) u gravitaciji se privlače, a ne odbijaju, kao u elektromagnetizmu. Stoga je Newtonova teorija gravitacije nespojiva s temeljnim načelom specijalne teorije relativnosti - nepromjenjivošću zakona prirode u bilo kojem inercijalnom referentnom okviru, te izravnom vektorskom generalizacijom Newtonove teorije, koju je prvi predložio Poincaré 1905. u svom rad "O dinamici elektrona", dovodi do fizički nezadovoljavajućih rezultata .
Einstein je počeo tragati za teorijom gravitacije koja bi bila kompatibilna s načelom nepromjenjivosti zakona prirode s obzirom na bilo koji referentni okvir. Rezultat te potrage bila je opća teorija relativnosti, utemeljena na načelu istovjetnosti gravitacijske i inercijske mase.
Načelo jednakosti gravitacijskih i inercijskih masa
U klasičnoj Newtonovoj mehanici postoje dva koncepta mase: prvi se odnosi na drugi Newtonov zakon, a drugi na zakon univerzalne gravitacije. Prva masa - inercijalna (ili inercijalna) - je omjer negravitacijske sile koja djeluje na tijelo i njegovog ubrzanja. Druga masa - gravitacijska (ili, kako se ponekad naziva, teška) - određuje snagu privlačenja tijela drugim tijelima i vlastitu silu privlačenja. Općenito govoreći, te dvije mase mjere se, kao što se iz opisa vidi, u različitim pokusima, pa uopće ne moraju biti međusobno proporcionalne. Njihova stroga proporcionalnost omogućuje nam da govorimo o jednoj masi tijela iu negravitacijskim iu gravitacijskim interakcijama. Odgovarajućim izborom jedinica te se mase mogu međusobno izjednačiti.
Sam princip je iznio Isaac Newton, a jednakost masa je eksperimentalno provjerio s relativnom točnošću od 10−3. Krajem 19. stoljeća Eötvös je izveo suptilnije pokuse, dovodeći točnost provjere principa na 10−9. Tijekom 20. stoljeća eksperimentalne tehnike omogućile su potvrdu jednakosti masa s relativnom točnošću od 10−12-10−13 (Braginsky, Dicke i dr.).
Ponekad se načelo jednakosti gravitacijskih i inercijskih masa naziva slabim načelom ekvivalencije. Albert Einstein ga je stavio u temelj opće teorije relativnosti.
Princip kretanja duž geodetskih linija
Ako je gravitacijska masa točno jednaka inercijskoj masi, tada se u izrazu za ubrzanje tijela, na koje djeluju samo gravitacijske sile, smanjuju obje mase. Dakle, ubrzanje tijela, a time i njegova putanja, ne ovisi o masi i unutarnjoj građi tijela. Ako sva tijela u istoj točki prostora dobiju istu akceleraciju, tada se ta akceleracija ne može povezati sa svojstvima tijela, već sa svojstvima samog prostora u toj točki.
Dakle, opis gravitacijske interakcije između tijela može se svesti na opis prostora-vremena u kojem se tijela gibaju. Prirodno je pretpostaviti, kao što je to činio Einstein, da se tijela gibaju po inerciji, odnosno tako da im je akceleracija u vlastitom referentnom sustavu jednaka nuli. Putanje tijela tada će biti geodetske linije, čiju su teoriju razvili matematičari još u 19. stoljeću.
Same geodetske linije mogu se pronaći određivanjem u prostor-vremenu analogije udaljenosti između dva događaja, tradicionalno nazvane interval ili svjetska funkcija. Interval u trodimenzionalnom prostoru i jednodimenzionalnom vremenu (drugim riječima, u četverodimenzionalnom prostor-vremenu) zadan je s 10 neovisnih komponenti metričkog tenzora. Ovih 10 brojeva čine metriku prostora. Definira "udaljenost" između dvije beskonačno bliske točke 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 vlastitog vremena, odnosno vremena mjerenog satom čvrsto pričvršćenim za tijelo koje prati ovu putanju.
Suvremeni pokusi potvrđuju gibanje tijela duž geodetskih linija s istom točnošću kao i jednakost gravitacijskih i inercijskih masa.
Zaključak
Iz Newtonovih zakona odmah proizlaze neki zanimljivi zaključci. Dakle, treći Newtonov zakon kaže da, bez obzira na to kako tijela međusobno djeluju, ne mogu promijeniti svoj ukupni zamah: javlja se zakon očuvanja zamaha. Nadalje, potrebno je zahtijevati da potencijal interakcije dvaju tijela ovisi samo o modulu razlike koordinata tih tijela U(|r1-r2|). Tada nastaje zakon održanja ukupne mehaničke energije tijela koja međusobno djeluju:
Newtonovi zakoni su osnovni zakoni mehanike. Iz njih se mogu izvesti svi ostali zakoni mehanike.
U isto vrijeme, Newtonovi zakoni nisu najdublja razina formulacije klasične mehanike. U okviru Lagrangeove mehanike postoji samo jedna formula (bilježi mehaničko djelovanje) i jedan jedini postulat (tijela se gibaju tako da je djelovanje minimalno), a iz toga se mogu izvesti svi Newtonovi zakoni. Štoviše, u okviru Lagrangeova formalizma lako se mogu razmatrati hipotetske situacije u kojima radnja ima neki drugi oblik. U tom slučaju jednadžbe gibanja više neće nalikovati Newtonovim zakonima, ali će sama klasična mehanika i dalje biti primjenjiva...
Rješenje jednadžbi gibanja
Jednadžba F = ma (odnosno drugi Newtonov zakon) je diferencijalna jednadžba: ubrzanje je druga derivacija koordinate u odnosu na vrijeme. To znači da se evolucija mehaničkog sustava u vremenu može jednoznačno odrediti ako su određene njegove početne koordinate i početne brzine. Imajte na umu da kada bi jednadžbe koje opisuju naš svijet bile jednadžbe prvog reda, onda bi takvi fenomeni kao što su inercija, oscilacije i valovi nestali iz našeg svijeta.
Proučavanje Temeljnih zakona fizike potvrđuje da se znanost progresivno razvija: svaka faza, svaki otkriveni zakon je faza u razvoju, ali ne daje konačne odgovore na sva pitanja.
Književnost:
Velika sovjetska enciklopedija (Newtonovi zakoni mehanike i drugi članci), 1977., “Sovjetska enciklopedija”
Online enciklopedija www.wikipedia.com
Federalna agencija za obrazovanje
GOU VPO Rybinsk Državna zrakoplovna akademija. P.A. Solovjova
Zavod za opću i tehničku fiziku
ESEJ
U disciplini "Pojmovi moderne prirodne znanosti"Tema: “Temeljni 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 io njezinom kretanju, dok rezultati mjerenja prostornih i vremenskih intervala ne ovise o odabranom referentni sustavi, posebno o brzini kretanja mjerenog objekta u odnosu na promatrača;
Temeljne teorije klasične fizike su
- Termodinamika i statistička fizika
Formiranje "nove fizike"
Kvantna teorija
Zahvaljujući kvantnim konceptima, bilo je moguće pronaći odgovarajuće opise pojava koje se događaju u jezgrama atoma iu dubinama zvijezda, radioaktivnosti, fizike elementarnih čestica, fizike čvrstog stanja, fizike niskih temperatura (supravodljivost i superfluidnost). Te su ideje poslužile kao teorijska osnova za stvaranje mnogih praktičnih primjena fizike: nuklearna energija, tehnologija poluvodiča, laseri itd.
Teorija relativnosti
Godine 1905. Albert Einstein predložio je Specijalnu teoriju relativnosti, koja odbacuje koncept apsolutnosti prostora i vremena, te proglašava njihovu relativnost: veličina prostornih i vremenskih segmenata vezanih uz neki fizički objekt ovisi o brzini objekta u odnosu na odabrani referentni sustav (koordinatni sustav). U različitim koordinatnim sustavima ove veličine mogu imati različite vrijednosti. Konkretno, istovremenost neovisnih fizičkih događaja također je bila relativna: događaji koji su se dogodili istovremeno u jednom koordinatnom sustavu mogli su se dogoditi u različito vrijeme u drugom. Ova je teorija omogućila izgradnju logički dosljedne kinematičke slike svijeta bez korištenja pojmova neopažljivog apsolutnog prostora, apsolutnog vremena i etera. još jedan planet bliži Suncu od Merkura, a koji nikada nije otkriven. Danas već postoji velik broj eksperimentalnih dokaza o valjanosti teorije relativnosti. Konkretno, objašnjenje otkrivenog još u 19. stoljeću. ovisnost mase elektrona o njegovoj brzini: prema teoriji relativnosti promatrana masa svakog fizičkog tijela je to veća što je veća brzina njegovog gibanja u odnosu na promatrača, a elektroni promatrani u pokusima obično imaju dovoljno velika brzina da bi manifestacija relativističkih učinaka bila uočljiva.
Klasična fizika danas
Unatoč činjenici da mnogi fenomeni nisu adekvatno opisani u okvirima klasične fizike, ona je i danas bitan dio "zlatnog fonda" ljudskog znanja, te je najtraženija u većini primjena fizikalnih i tehničkih disciplina. Obvezna je sastavnica općih kolegija fizike koji se predaju u svim prirodoslovnim i tehničkim obrazovnim institucijama u svijetu.
To se objašnjava činjenicom da prednosti "nove fizike" utječu samo u posebnim slučajevima.
- Kvantni efekti značajno se očituju u mikrokozmosu – na udaljenostima usporedivim s veličinom atoma, na mnogo većim udaljenostima, kvantne jednadžbe se svode na klasične.
- Heisenbergova nesigurnost, koja je značajna na razini mikrosvijeta, iščezavajuće je mala na razini makrokozmosa u usporedbi s pogreškama praktičnih mjerenja fizikalnih veličina i rezultata izračuna na temelju tih mjerenja.
- Relativistička fizika točnije opisuje objekte gigantske mase (usporedive s masom galaksija), te kretanje tijela brzinama bliskim brzini svjetlosti. Pri malim brzinama i malim masama opisanih objekata jednadžbe teorije relativnosti svode se na jednadžbe klasične mehanike.
Pritom je matematički aparat klasične fizike jednostavniji i razumljiviji sa stajališta svakodnevnog iskustva, a u većini slučajeva točnost rezultata dobivenih metodama klasične fizike u potpunosti zadovoljava potrebe prakse.
Dakle, “nova fizika” ne samo da nije dovela do potpunog poricanja metoda i postignuća klasične fizike, nego ju je spasila od “općeg poraza”, o kojem je pisao A. Poincaré 1905. godine, po cijenu napuštanja takve fizike. klasična načela kao što su determinizam, kontinuitet promjena fizikalnih veličina i apsolutnost prostora i vremena.
Fizikalni zakoni nisu "kako priroda zapravo funkcionira". Zakone izmišljaju ljudi, promatrajući prirodu. U nekim slučajevima (mikrosvijet) priroda se ponaša na jedan način, u drugim slučajevima (makrosvijet, "običan svijet") - na drugi način. Ljudi to promatraju, odabiru odgovarajuće formule - i pojavljuje se zakon.
Zašto je Newtonov zakon univerzalne gravitacije F = G * m1 * m2 / (r * r) ovakav? Kako on radi? Malo je vjerojatno da svaki planet, komet, asteroid okom određuje sve najbliže objekte i pomoću nekakvog ugrađenog kalkulatora množi, zbraja i tako odlučuje kamo će letjeti. Ne, definitivno je nešto drugo. Ali Newton nije odgovorio na ovo pitanje. Nije znao zašto se planeti tako ponašaju. Samo je dobro razmislio - i pogodio da formula (gore napisana) ovdje savršeno pristaje. To je cijeli zakon.
A kada fizičari promatraju prirodu na kvantnoj razini, uočavaju da su klasične formule ovdje pogrešne. Moglo bi se, naravno, prekrižiti cijelu Newtonovu fiziku i reći da su "zapravo" sve te formule ovakve (ako zakone kvantnog svijeta proširimo na veliki svijet, dobivamo samo Newtonovu mehaniku, samo u puno složeniji oblik). Ali zašto se odreći dobrih, provjerenih formula, ako postoje mnoga područja primjene u kojima su te formule prikladnije?
P.S. Osim toga, postoje situacije u kojima su kvantni zakoni vrlo slabo prikladni (smatra se da uopće nisu prikladni) za izračune. Mislim na dobro poznatu "suprotnost" 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 funkcionira u mikrokozmosu. Očekuje se da znanstvenici pokušavaju razviti novu, univerzalnu teoriju koja će moći "preuzeti najbolje" iz teorije relativnosti i kvantne fizike.
Vaš odgovor u cjelini - nije proturječan. Odgovor je uglavnom dobar.
Ali fraza "sa stajališta moderne znanosti, svijet funkcionira prema jednom jedinom zakonu koji još nije otkriven" je facepalm. Vjerujem da ste se na ovaj 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", "čovjek je potekao od majmuna, ali nemamo pojma kako" i slično.
Moderna znanost ne može kategorički tvrditi nešto što još nije otkrila. Znanstvenici su ljudi koji svoje riječi shvaćaju ozbiljno. Nije otvorio, nije provjerio - šuti. Ili možete reći "postoje hipoteze koje", "imamo razloga vjerovati", itd. A ne kao ultimatum "u stvari, postoji, ali mi to nikada nismo vidjeli."
Dobar bi izraz mogao biti "moderna fizika prepoznaje da postoje praznine u postojećim teorijama, a znanstvenici se nadaju da će popuniti te praznine novom teorijom koja će moći kombinirati postojeće."
Čini se da ste rekli istu stvar, ali vaša rečenica daje drugačiji ton. Prema tvojoj frazi, ispada da je moderna znanost nekako otkrila (insajderska informacija od boga stvoritelja?) da postoji određeni zakon, da postoji, ali je skriven ("tražiš na krivom mjestu") . I znanstvenici sada znaju da postoji zakon ("Kunem se svojom majkom"), ali ga još ne mogu pronaći.
Gore opisani dinamički zakoni univerzalne su prirode, to jest, primjenjuju se na sve objekte koji se proučavaju bez iznimke. Posebnost takvih zakona je da su predviđanja dobivena na njihovoj osnovi pouzdana i nedvosmislena. Uz njih, u prirodnoj su znanosti sredinom prošlog stoljeća formulirane zakonitosti čija predviđanja nisu sigurna, već samo vjerojatna. Ti su zakoni dobili naziv po prirodi informacija koje su korištene za njihovo formuliranje. Nazvani su probabilističkim jer zaključci temeljeni na njima ne slijede logično iz dostupnih informacija, pa stoga nisu pouzdani i jednoznačni. Budući da je informacija sama po sebi statističke prirode, često se takve zakonitosti nazivaju i statističkim, a taj se naziv znatno više raširio u prirodnoj znanosti. 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 sustavi koji se sastoje od ogromnog broja čestica, jedna mora postaviti problem na potpuno drugačiji način nego što je to učinjeno u Newtonovoj mehanici. Da bi to učinio, Maxwell je u fiziku uveo koncept vjerojatnosti, koji su ranije razvili matematičari u analizi slučajnih pojava, posebice kockanja.
Brojni fizikalni i kemijski pokusi pokazali su da je u načelu nemoguće ne samo pratiti promjene količine gibanja ili položaja jedne molekule tijekom dugog vremenskog intervala, već i točno odrediti momente i koordinate svih molekula plina ili drugo makroskopsko tijelo u određenom trenutku vremena. Uostalom, broj molekula ili atoma u makroskopskom tijelu je reda veličine 1023. Od makroskopskih uvjeta u kojima se plin nalazi (određena temperatura, volumen, tlak itd.), određene vrijednosti momenta i koordinate molekula ne slijede nužno. Treba ih promatrati kao slučajne varijable koje u danim makroskopskim uvjetima mogu poprimiti različite vrijednosti, kao što kod bacanja kocke može ispasti bilo koji broj bodova od 1 do 6. Nemoguće je predvidjeti koliki će broj bodova pasti van s danim bacanjem kocke. Ali vjerojatnost ispadanja, na primjer, 5, može se izračunati. Ova vjerojatnost ima objektivan karakter, budući da izražava objektivne odnose stvarnosti, a njezino uvođenje nije samo zbog našeg nepoznavanja pojedinosti tijeka objektivnih procesa. Dakle, za kockicu je vjerojatnost dobivanja bilo kojeg broja bodova od 1 do 6 1/6, što ne ovisi o poznavanju ovog procesa i stoga je objektivna pojava. U pozadini mnogih slučajnih događaja, otkriva se određeni obrazac, izražen brojem. Ovaj broj - vjerojatnost događaja - omogućuje određivanje statističkih prosjeka (zbroj pojedinačnih vrijednosti svih veličina, podijeljen njihovim brojem). Dakle, ako bacite kost 300 puta, tada će prosječni broj padajućih pet biti jednak 300 "L \u003d 50 puta. Štoviše, potpuno je svejedno hoćete li baciti istu kost ili istovremeno baciti 300 identičnih kostiju. Nesumnjivo, ponašanje molekula plina u posudi mnogo je kompliciranije od one bačene. Ali čak i ovdje se mogu otkriti određene kvantitativne pravilnosti koje omogućuju izračunavanje statističkih prosjeka, samo ako se problem postavi na isti način kao u teoriji igara, i ne kao u klasičnoj mehanici. ovom trenutku, već pokušati pronaći vjerojatnost određene vrijednosti ovog momenta. Maxwell je uspio riješiti ovaj problem. Pokazalo se da je statistički zakon raspodjele molekula u momentu bio jednostavan. Ali Maxwellov glavni zasluga nije bila u rješavanju, već u samoj formulaciji novog problema.Jasno je shvatio da je slučajno u danim makroskopskim uvjetima ponašanje pojedinačnih molekula podložno određenom neki probabilistički (ili statistički) zakon. Nakon poticaja koji je dao Maxwell, molekularna kinetička teorija (ili statistička mehanika, kako je kasnije postala poznata) počela se brzo razvijati. Statistički zakoni i teorije imaju sljedeće karakteristike. 1. U statističkim teorijama, svako stanje je vjerojatnosna karakteristika sustava. To znači da se stanje u statističkim teorijama ne određuje prema vrijednostima fizikalnih veličina, već prema statističkim (vjerojatnim) distribucijama tih veličina. Ovo je bitno drugačija karakteristika stanja nego u dinamičkim teorijama, gdje je stanje zadano vrijednostima samih fizikalnih veličina. 2. U statističkim teorijama, iz poznatog početnog stanja, kao rezultat nisu jedinstveno određene vrijednosti samih fizikalnih veličina, već vjerojatnosti tih vrijednosti unutar zadanih intervala. Dakle, prosječne vrijednosti fizičkih veličina su jedinstveno određene. Ovi prosjeci igraju istu ulogu u statističkim teorijama kao što same fizičke veličine igraju u dinamičkim teorijama. Pronalaženje prosječnih vrijednosti fizikalnih 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 izvanredno jedinstvo u najbitnijem pogledu. Evolucija stanja u statističkim teorijama jedinstveno je određena jednadžbama gibanja, baš kao iu dinamičkim teorijama. Prema zadanoj statističkoj raspodjeli (zadanoj vjerojatnosti) u početnom trenutku vremena, jednadžba gibanja jednoznačno određuje statističku raspodjelu (vjerojatnost) u bilo kojem sljedećem trenutku vremena, ako energija međudjelovanja čestica međusobno i s vanjskim tijelima poznato je. Srednje vrijednosti svih fizikalnih veličina jedinstveno su određene. Ovdje nema razlike u odnosu na dinamičke teorije s obzirom na jedinstvenost rezultata. Uostalom, statističke teorije, kao i dinamičke, izražavaju nužne veze u prirodi, a općenito se ne mogu izraziti drugačije nego kroz jednoznačnu povezanost stanja. Na razini statističkih zakona i obrazaca također se susrećemo s kauzalnošću. Ali determinizam u statističkim obrascima je dublji oblik determinizma u prirodi. Za razliku od krutog klasičnog determinizma, može se nazvati probabilističkim (ili modernim) determinizmom. Statistički zakoni i teorije savršeniji su oblik opisa fizičkih obrazaca; bilo koji proces koji je danas poznat u prirodi točnije je opisan statističkim zakonima nego dinamičkim. Nedvosmislena povezanost stanja u statističkim teorijama govori o njihovoj sličnosti s dinamičkim teorijama. Razlika između njih je u jednom – načinu fiksiranja (opisa) stanja sustava. Pravo, sveobuhvatno značenje probabilističkog determinizma postalo je očito nakon stvaranja kvantne mehanike - statističke teorije koja opisuje fenomene atomske ljestvice, odnosno kretanja elementarnih čestica i sustava koji se od njih sastoje (ostale statističke teorije su: statistička teorija neravnotežnih procesa, elektronska teorija, kvantna elektrodinamika). Suvremena fizička slika svijeta sustav je temeljnih znanja o zakonitostima postojanja anorganske tvari, o temeljima cjelovitosti i raznolikosti prirodnih pojava. Moderna fizika polazi od niza temeljnih premisa: - prvo, priznaje objektivno postojanje fizičkog svijeta, ali odbija vizualizaciju, zakoni moderne fizike nisu uvijek demonstrativni, u nekim slučajevima njihova vizualna potvrda - iskustvo - jednostavno je nemoguća; - drugo, moderna fizika tvrdi postojanje tri kvalitativno različite strukturne razine materije: mega svijet - svijet svemirskih objekata i sustava; makrokozmos - svijet makroskopskih tijela, poznati svijet našeg empirijskog iskustva; mikrosvijet - svijet mikroobjekata, molekula, atoma, elementarnih čestica itd. Klasična fizika je proučavala načine međudjelovanja i strukturu makroskopskih tijela, zakoni klasične mehanike opisuju procese makrokozmosa. Moderna fizika (kvantna) bavi se proučavanjem mikrosvijeta, odnosno zakoni kvantne mehanike opisuju ponašanje mikročestica. Megasvijet je predmet astronomije i kozmologije, koji se temelje na hipotezama, idejama i principima neklasične (relativističke i kvantne) fizike; - treće, neklasična fizika tvrdi ovisnost opisa ponašanja fizičkih objekata o uvjetima promatranja, tj. od osobe koja poznaje te procese (načelo komplementarnosti);
Četvrto, moderna fizika priznaje postojanje ograničenja na opis stanja objekta (načelo neodređenosti); - peto, relativistička fizika odbacuje modele i principe mehanicističkog determinizma, formuliranog u klasičnoj filozofiji koji sugerira mogućnost opisa stanja svijeta u bilo kojem trenutku, na temelju poznavanja početnih uvjeta. Procesi u mikrosvijetu opisuju se statističkim pravilnostima, dok su predviđanja u kvantnoj fizici probabilistička. Uz sve razlike, moderna fizika, kao i klasična mehanika, proučava zakone postojanja prirode. Zakon se shvaća kao objektivna, nužna, univerzalna, ponavljajuća i bitna veza između pojava i događaja. Svaki zakon ima ograničen opseg. To je točno sa stajališta moderne prirodne znanosti, ali je li točno "sa stajališta vječnosti?" Jer znanstvena teorija počiva na određenom konačnom području činjenica. U isto vrijeme, univerzalna teorija tvrdi da opisuje beskonačan skup eksperimentalnih situacija u svakom trenutku i na bilo kojem području svijeta. Čak i tako jednostavan empirijski zakon kao što je izjava: "sva tijela se šire kada se zagrijavaju" trebao bi obuhvatiti ne samo one objekte koji su na raspolaganju istraživaču, već i sve druge makro-objekte. Isto, ali u još većoj mjeri, vrijedi za temeljne zakone kao što su zakoni mehanike ili Maxwellove jednadžbe. A ako je tako, nikada ne može biti sigurnosti o univerzalnoj istini teorije. Ako je nemoguće “dokazati” univerzalnu istinitost teorije, čak i s proizvoljno velikim brojem eksperimentalnih činjenica koje je potvrđuju, onda samo jedna činjenica koja joj proturječi može biti dovoljna da se dokaže neuniverzalnost teorije!
Na temelju cjelokupnog tijeka razvoja znanja u 20.st. a na dobro poznatim lenjinističkim postavkama o apsolutnosti i relativnosti istine, može se postaviti sljedeća teza: svaka teorijski oboriva (falsifikabilna) teorija u načelu ne samo da se može opovrgnuti, nego prije ili kasnije bude stvarno opovrgnuta tijekom razvoj znanstvenih spoznaja. Točnije, otkriva ograničenost primjenjivosti, odnosno neuniverzalnost ove teorije. Kako piše slavni američki fizičar David Bohm, ako neka teorija “isturi glavu”, prije ili kasnije bit će odsječena. Isto se može reći i za postulate prostor-vrijeme. Ako je moguće naznačiti zamišljenu eksperimentalnu situaciju u kojoj je neko svojstvo prostor-vremena odsutno, tada će se jednog dana u stvarnom eksperimentu otkriti neuniverzalnost tog svojstva. Možemo dobro teoretski zamisliti svjetove u kojima je prostor višedimenzionalan, vrijeme obrnuto (u odnosu na naše), itd. Također možemo istaknuti kako bi se eksperimenti u tim navodnim situacijama razlikovali od naših uobičajenih eksperimenata. Naravno, navedeno rješenje problema je preopćenito, jer je ispravno samo "sa stajališta vječnosti". Moguće je da će se neuniverzalnost nama poznatih svojstava vremena i prostora otkriti tek u dalekoj budućnosti, recimo, kroz stoljeća ili čak tisućljeća. Stoga je uz filozofsku uvijek potrebna i specifična metodološka analiza problema univerzalnosti jednog ili drugog svojstva, utemeljena na fizikalnoj slici svijeta i suvremenim fizikalnim teorijama. Potrebno je uvesti pojam “metodološki univerzalnih” načela koja su uključena u suvremenu fizikalnu sliku svijeta iu sve fizikalne teorije izgrađene na njezinoj osnovi.
Dakle, možemo izvući sljedeći zaključak. Kao što razvoj spoznaje pokazuje, bilo koji specifični znanstveni principi i teorije imaju ograničeno područje primjenjivosti i prije ili kasnije bivaju zamijenjeni drugima, općenitijim i adekvatnijim. S tim u vezi ne može se stvoriti konačna fizikalna teorija ili konačna slika svijeta, jer se jedna slika svijeta u povijesti fizike zamjenjuje drugom, cjelovitijom, i tako u nedogled. Na primjer, neprihvatljivo je proširenje zakona mehanike, koji se opravdavaju unutar makrokozmosa, na razinu kvantnih interakcija. Procesi koji se odvijaju u mikrokozmosu podliježu drugim zakonima. Očitovanje zakona također ovisi o konkretnim uvjetima u kojima se on, ovaj svijet, ostvaruje, promjena uvjeta može pojačati ili, naprotiv, oslabiti djelovanje zakona. Djelovanje jednog zakona ispravljaju i mijenjaju drugi zakoni. Dinamički obrasci karakteriziraju ponašanje izoliranih, pojedinačnih objekata i omogućuju uspostavljanje točno definiranog odnosa između pojedinih stanja objekta. Drugim riječima, dinamički obrasci se ponavljaju u svakom konkretnom slučaju i imaju jednoznačan karakter. Na primjer, zakoni klasične mehanike su dinamički zakoni. Klasična prirodna znanost apsolutizirala je 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 odsutnosti slučajnosti. Ovaj oblik determinizma naziva se mehanicistički. Mehanički determinizam kaže da su sve vrste međupovezanosti i interakcije mehaničke i negira objektivnu prirodu slučajnosti. Primjerice, jedan od pristaša ove vrste determinizma, B. Spinoza, smatrao je da neku pojavu nazivamo slučajnom samo zato što o njoj ne znamo. Posljedica mehanicističkog determinizma je fatalizam – nauk o univerzalnoj predodređenosti pojava i događaja, koji se zapravo stapa s vjerom u božansku predodređenost. Problem ograničenja mehanicističkog determinizma postao je posebno jasan u vezi s otkrićima u kvantnoj fizici. Pokazalo se da je obrasce međudjelovanja u mikrokozmosu nemoguće objasniti sa stajališta načela mehanicističkog determinizma. U početku su nova otkrića u fizici dovela do odbacivanja determinizma, ali su kasnije pridonijela oblikovanju novog sadržaja ovog načela. Mehanički determinizam prestao se povezivati s determinizmom općenito. M. Born je napisao: "... potpuno je nerazumno da je najnovija fizika odbacila uzročnost." Doista, moderna je fizika odbacila ili modificirala mnoge tradicionalne ideje; ali bi prestala biti znanost kad bi prestala tragati za uzrocima pojava. Kauzalnost, dakle, nije izbačena iz postklasične znanosti, ali se ideje o njoj mijenjaju. Posljedica toga je transformacija načela determinizma i uvođenje pojma statističkih pravilnosti. Statistički obrasci očituju se u masi pojava i imaju oblik trenda. Ovi zakoni se inače nazivaju probabilistički, jer opisuju stanje pojedinog objekta samo s određenim stupnjem vjerojatnosti. Statistička pravilnost nastaje kao rezultat međudjelovanja velikog broja elemenata, stoga karakterizira njihovo ponašanje u cjelini. Potreba za statističkim obrascima očituje se kroz djelovanje mnogih slučajnih čimbenika. Ova vrsta zakona se inače naziva zakonima prosjeka. Pritom su statističke pravilnosti, kao i one dinamičke, izraz determinizma. Primjeri statističkih pravilnosti su zakoni kvantne mehanike i zakoni koji djeluju u društvu i povijesti. Pojam vjerojatnosti, koji se pojavljuje u opisu statističkih obrazaca, izražava stupanj mogućnosti pojave ili događaja u određenom skupu uvjeta. Unatoč činjenici da se kvantna mehanika bitno razlikuje od klasičnih teorija, i ovdje je sačuvana struktura zajednička temeljnim teorijama. Fizičke veličine (koordinate, količina gibanja, energija, kutna količina gibanja itd.) ostaju, općenito, iste kao u klasičnoj mehanici. Glavna veličina koja karakterizira stanje je složena valna funkcija. Znajući to, može se izračunati vjerojatnost pronalaska određene vrijednosti ne samo koordinate, već i bilo koje druge fizičke veličine, kao i prosječne vrijednosti svih veličina. Osnovna jednadžba nerelativističke kvantne mehanike - Schrödingerova jednadžba - jednoznačno određuje evoluciju stanja sustava u vremenu.
Govorništvo kao prototip novinarstva
Citati o Napoleonu - dslinkov — LiveJournal
Moja osveta Čovjek na buldožeru uništio je grad