Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Естествознание постнеклассической науки

Шепель О. М.,

§ 1.1.1. Основные понятия классической физики

Одними из основополагающих понятий классической физики являются:

– пространство;

– время;

– событие;

– наблюдатель;

– тело;

– физическое взаимодействие;

– энергия;

– сила;

– работа;

– энтропийная энергия;

– энтропия;

– физическое поле.

Пространство в классической физике представляется как бесконечная протяженность, в которой всегда можно выделить три взаимно перпендикулярных направления (измерения) – длину, ширину, высоту. В истории естествознания сохранилось под названием «трёхмерное евклидовое пространство».

Время – длительность, бесконечно движущаяся только в одном направлении, от прошлого к будущему.

Событие – явление или процесс, наблюдающиеся в пространстве и протекающие во времени.

Наблюдатель – субъект, воспринимающий события.

Пространство, время, событи и наблюдатель рассматриваются как четыре независимых друг от друга компонента действительности. Всякое событие жёстко детерминировано, то есть, воспринимается как неизбежное следствие причины, вызвавшей это событие.

Тело – это объект, состоящий из вещества, то есть, обладающий массой покоя и представляющий собой форму существования вещества.

Физическое взаимодействие – взаимное воздействие тел друг на друга. На сегодняшний день принято выделять 5 типов фундаментальных физических взаимодействий:

 гравитационное – между гравитационными массами тел;

 электромагнитное – между зарядами тел;

 сильное – между нуклонами атомов (протонами и нейтронами). Обеспечивает объединение нуклонов в ядро (радиус действия ≈ 10–15 м);

 слабое – обеспечивающее распад ядер атомов и элементарных частиц[1] (радиус действия ≈ 2∙10–18 м). Слабее сильного и электромагнитного, но намного сильнее гравитационного.

 поле Хиггса – это взаимодействие между частицей, имеющей массу, и частицей, называемой «Бозон Хиггса», которая была предсказан в 1964 и открыта в 2012 году.

Указанные взаимодействия называют фундаментальными потому что абсолютно любые взаимодействия в природе сводятся к этим пяти. При этом, следует иметь в виду, что в конце 60-х годов 20 века было доказано, что электромагнитное и слабое взаимодействия представляют собой два аспекта единого взаимодействия, которое назвали электрослабым. Схематично такая классификация фундаментальных физических взаимодействий представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Традиционная классификация фундаментальных взаимодействий

Энергия – Скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения материи и перехода движения материи из одних форм в другие.

Сила – векторная физическая величина, являющаяся мерой механического воздействия на данное тело других тел.

Работа – количественная характеристика действия силы и перемещения точки ее приложения.

Энтропийная энергия – энергия, неспособная превратиться в работу (обесцененная). Например, если газ внутри воздушного шара под воздействием солнечных лучей расширится, сохранив первоначальную температуру, то энергия этого газа останется неизменной. Однако, способность газа совершать работу по расширению уменьшится, потому что часть этой работы окажется совершённой. При этом говорят, что возросла энтропийная энергия газа.

Энтропия (S) – мера обесцененной энергии (Q), связанная с нею уравнением:

для изотермических процессов, где Т – абсолютная температура. Иначе энтропию толкуют как меру беспорядка из-за увеличения возможности свободного движения каждого атома газа при увеличении объёма.

Физическое поле – это свойство пространства или среды направленно воздействовать на то или иное физическое тело.

Подобно тому, как любое тело может приобретать различные свойства при неодинаковых условиях, пространство также способно проявлять разнообразные свойства. Например, вода может быть жидкой, твёрдой (лёд, снег), газообразной (пар). А пространство способно проявлять свойства физического поля: электрического, магнитного, гравитационного.

Источником поля называется тело, являющееся началом этого поля.

Гравитационное поле – свойство пространства направленно воздействовать на тело, обладающее массой. Источник гравитационного поля – масса другого тела (рис. 1.2).

Электрическое поле – это свойство пространства направленно воздействовать на покоящийся электрический заряд.

По сути, электрическое поле является аспектом электромагнитного поля, проявляющимся воздействием на покоящееся заряженное тело (электричес-
кий заряд).

Электрическое поле может возникать от источника – заряженного тела (рис. 1.3), а также существовать вне источника, образуя вихревые, то есть, замкнутые линии напряжённости в результате изменения магнитного поля (рис. 1.4), или являться компонентом
невещественной волновой частицы – фотона, не обладающего массой покоя (рис. 1.5).

Электрическое поле, создаваемое покоящимся заряженным телом, называется электростатическим полем. Раздел физики, изучающий закономерности взаимодействия покоящихся зарядов называется электростатикой. Раздел физики, изучающий закономерности взаимодействия движущихся зарядов называется электродинамикой.

Рис. 1.3. Электрические поля, создаваемые покоящимися электрическими зарядами.  – напряжённость электрического поля, создаваемая покоящимся зарядом – векторная величина, указывающая направление и величину силы, действующей на положительный заряд

Рис. 1.4. Вихревое электрическое поле (), возникшее в результате движения магнита от читателя, перпендикулярно плоскости рисунка

Рис. 1.5. Строение фотона.  – вектор магнитной индукции,  – напряжённость электрического поля, λ – длина волны – расстояние между двумя ближайшими точками волны, находящимися в одной фазе движения[2], и  – амплитуды колебания[3] напряжённости электрического поля и вектора магнитной индукции соответственно,  – вектор движения фотона со скоростью света. Хотя в состав фотона не входит вещество, однако, поскольку электрическое и магнитное поля обладают энергией (Е), то на основании уравнения открытого Альбертом Эйнштейном Е = mc2, где с – скорость движения фотона в вакууме (с ≈ 300 000 км/с) cчитается, что фотон обладает релятивистской массой
m = E/c2. Но его масса покоя равна нулю

При движении заряженной частицы в электрическом поле, она окажется под воздействием не только электрического, но и магнитного поля.

Магнитное поле – это свойство пространства направленно воздействовать на движущийся заряд. Магнитное поле не взаимодействует с покоящимся зарядом. Причиной возникновения магнитного поля является движение электрического заряда (рис. 1.6). Фотоны, включающие в себя магнитное поле, могут возникать в результате колебательного движения заряженной частицы, а также вследствие других форм взаимодействия веществ.

Магнитное поле не имеет источников, потому что оно либо является вихревым, а, значит не имеющим ни начала, ни конца, либо существует в составе фотона – частицы, не являющейся веществом (рис. 1.5). То есть, магнитных зарядов, подобных электрическим, в природе нет. Неразрывность единства электрического и магнитного полей принято подчёркивать термином «электромагнитное поле». Электрическое и магнитное поля считаются аспектами одного электромагнитного поля.

Свойство пространства направленно воздействовать на электрический заряд, покоящийся или движущийся, называется электромагнитным полем.

Единство электромагнитного поля особенно наглядно проявляется в строении фотона.

Следует подчеркнуть, что фотон (рис. 1.5) не считается источником электрического или магнитного поля, поскольку не обладает массой покоя, а, значит, не является телом. Фотон рассматривается в качестве мельчайшей компоненты (кванта) электромагнитной волны (рис. 1.7)

Рис. 1.7. Фрагмент электромагнитной волны, распространяющейся вдоль оси Z со скоростью света (с): колебания происходят вдоль оси Х, колебания вдоль оси Y

Акустическое поле – это свойство колеблющейся среды (газообразной, жидкой или твёрдой) воздействовать на слух. При этом, под колебаниями подразумевают чередующиеся во времени сжатия и разряжения среды в виде продольной волны (рис. 1.8), вызванные каким либо источником.

Рис. 1.8. Иллюстрация продольного колебания среды, состоящей из отдельных частиц (молекул)

Энергия, с точки зрения классической физики, – это скалярная мера различных форм движения материи.

Сила – векторная мера механического воздействия на тело.

1. Дайте определения наиболее фундаментальным понятиям физики.

2. Какие существуют типы взаимодействия?

3. Объясните следующие понятия: электрическое поле, магнитное поле, гравитационное поле, акустическое поле.