Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Естествознание постнеклассической науки

Шепель О. М.,

1.2. Неклассическая физика

Разработка теории относительности представляла собой переход физики на принципиально новый неклассический этап, более высокий уровень развития. Поэтому прежде чем приступить к изучению основ этой теории рассмотрим некоторые основополагающие понятия неклассической физики.

Одними из основополагающих понятий неклассической физики являются:

– пространственно-временной континуум;

– событие;

– наблюдатель;

– тело;

– физическое взаимодействие;

– энергия;

– сила;

– работа;

– энтропийная энергия;

– энтропия;

– физическое поле.

Если сопоставить этот перечень понятий с перечнем для классической физики (§ 1.1), то нетрудно заметить, что пространство и время заменились пространственно-временным континуумом. Однако, значения других понятий, за исключением понятия «тело», также претерпели существенные изменения.

Пространственно-временнóй континуум в неклассической физике представляет собой бесконечную четырёхмерную протяжённость, искривляемую под действием массы тел. Четвёртым измерением (помимо длины, ширины, высоты) является расстояние, определяемое произведением сt, где с – скорость света, t – время.

Таким образом, пространство и время стали восприниматься аспектами единого целого – пространственно-временнóго континуума.

Кроме того, в неклассической физике событие – это точка пространственно-временного континуума, в которой происходит локальное явление. И вместо измерения времени течения какого-либо процесса и его протяжённости в пространстве измеряют расстояние между двумя событиями. Например, если лампочку включили и через 3 секунды выключили, то время её горения рассматривается как расстояние между событием включения и событием выключения лампочки и определяется произведением сt, где с – скорость света (≈ 300 000 км/с), t – время. В данном случае это расстояние составляет 900 000 км. Если же за эти три секунды
горящую лампочку ещё и перенесли, скажем, на… 412 310 км, то расстояние между двумя событиями будет уже определяться квадратным корнем:

Меняется в неклассической физике и представление о наблюдателе. Он оказывается неразрывно связанным с пространством, временем и событием. То есть, пространство, время, событие, и наблюдатель оказываются аспектами единого целого. Наблюдатель – один из аспектов событийно – пространственно-временного единства, движущегося от прошлого к будущему.

Обнаружилось также, что свойства физических полей обусловлены обменом элементарными частицами между взаимодействующими телами. Причём, эти частицы зачастую не являются веществами, то есть не обладают массой покоя. Например, электрическое поле, возникающее между двумя одноимённо заряженными телами, проявляет свои свойства вследствие обмена фотонами между ними.

Таким образом, с точки зрения неклассической физики физическое поле – это поток элементарных частиц, обеспечивающих взаимодействие между их источниками.

Изучение свойств элементарных частиц, а также открытие воздействия массы на геометрические свойства пространственно-временного континуума расширило и представления о физическом взаимодействии. Оказалось, что возможно взаимодействие с пространством. Причём, взаимодействие с пространством не только тел, состоящих из вещества, но и невещественных частиц, не обладающих массой покоя. То есть, в неклассической физике под физическим взаимодействием подразумевается воздействие объектов друг на друга, в отличие от классической физики, где рассматриваются только взаимодействия тел. На основании изложенного классификация взаимодействий в рамках неклассической физики схематично могла бы быть представлена следующим образом (рис. 1.19, сравните с рис. 1.1).

Однако, сравнительно недавно было доказано существование взаимодействия между запутанными частицами, заключающееся в мгновенном изменении квантового состояния одной частицы (например, спина фотона), при изменении квантового состояния другой, находящейся от первой на сколь угодно большом расстоянии. Мерой энергии взаимодействия запутанных частиц может служить работа, совершаемая при смене квантового состояния частицы. Поскольку взаимодействие запутанных частиц, также как и объектно-пространственные, не сводится к фундаментальным, то и его следует считать отдельным типом взаимодействия. Таким образом, классификация взаимодействий, известных на сегодняшний день, приобретает вид, приведённый на рис. 1.20.

При этом, энергия определяется именно как количественная скалярная характеристика взаимодействия наблюдаемых объектов. Констатируется, что энергия может быть только там, где есть взаимодействие. И наоборот, если наблюдается взаимодействие, то оно может измеряться в единицах энергии.

Рис. 1.19. Классификация объектно-объектных
и объектно-пространственных взаимодействий

Рис. 1.20. Классификация взаимодействий,
не сводимых к более элементарным взаимным воздействиям

В связи с этим претерпело изменение и представление об энтропийной энергии. В неклассической физике энтропийная энергия – это количественная скалярная характеристика взаимодействия количества вещества (или невещественных частиц) с занимаемым этим веществом пространством (объёмом).

Соответственно, энтропия – мера энтропийной энергии. Сила – векторная характеристика расхода энергии в конкретном направлении, приходящегося на единицу расстояния. Работа – энергия израсходованная на перемещение объекта.

При сопоставлении двух определений энтропийной энергии целесообразно подчеркнуть, что приведённое неклассическое определение принципиально отличается от классического (уравнение (1.14)) тем, что описывает энтропийную энергию не как свойство известного вида энергии не производить работу, а как отдельный самостоятельный вид энергии, способный увеличиваться за счёт уменьшения энергии взаимодействия с внешней средой и уменьшаться за счёт её увеличения. В этом случае энтропия (S) становится просто мерой энтропийной энергии (QЭ) при заданной температуре T (QЭ = ST). Действительно, зная, на основании уравнения 1.13, что изменение энтропийной энергии n моль газа при изменении его объёма от V1 до V2 при постоянной температуре Т может определяться равенством:

(*)

и, подразумевая под энергией взаимодействия с внешней средой работу, которую может производить газ при бесконечном расширении:

где нетрудно заметить, что

что по абсолютной величине совпадает с уравнением (*) для расчёта изменения энтропийной энергии, но противоположно по знаку

Или в дифференциальной форме для Т = const:

dE = –pdV;

Рассмотрев основные понятия неклассической физики, перейдём к изучению современных неклассических представлений о строении вещества.