Тема 1
« Предмет и метод физики. Измерения. Физические величины.»
Первые научные представления возникли давно - по-видимому, на самых ранних этапах истории человечества, отраженной в письменных источниках. Однако, физика как наука в своем современном виде берет начало со времен Галилео Галилея (1Галилей и его последователь Исаак Ньютон (1совершили революцию в научном познании. Галилей предложил в качестве основного метода исследования метод экспериментального познания, а Ньютон сформулировал первые законченные физические теории (классическая механика, классическая оптика, теория тяготения).
В своем историческом развитии физика прошла 3 этапа (смотри диаграмму).
Революционный переход от одного этапа к следующему связан со сломом старых базовых представлений об окружающем мире в связи с полученными новыми экспериментальными результатами.
Слово physis в буквальном переводе означает природа, то есть сущность, внутреннее основное свойство явления, какая-то скрытая закономерность, определяющая протекание, ход явления.
Физика - это наука о наиболее простых и вместе с тем наиболее общих свойствах тел и явлений. Физика - фундамент естествознания.
Связь физики со всеми остальными науками представлена на диаграмме.
В основании физики (как и любой естественной науки) лежат утверждения о материальности мира и существовании объективных устойчивых причинно-следственных связей между явлениями. Физика объективна, так как изучает реальные природные явления, но одновременно и субъективна вследствие сущности процесса познания, как отражения действительности.
По современным представлениям все, что нас окружает, представляет собой комбинацию небольшого количества так называемых элементарных частиц, между которыми возможны 4 различных вида взаимодействий. Элементарные частицы характеризуются 4 числами (квантовыми зарядами), значения которых определяют в какой вид взаимодействия может вступать рассматриваемая элементарная частица (Таблица 1.1).
Табл. 1.1
Заряды | Взаимодействия |
массовый | гравитационное |
электрический | электромагнтное |
барионный | сильное |
лептонный | слабое |
Такая формулировка обладает двумя важными свойствами:
- адекватно описывает наши современные представления об окружающем мире;
- достаточно обтекаема и с вряд ли придет в противоречие с новыми экспериментальными фактами.
Дадим краткие пояснения незнакомым понятиям, используемым в этих утверждениях. Почему мы говорим о так называемых элементарных частицах? Элементарные частицы в точном значении этого термина – первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. Однако, большинство известных элементарных частиц не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку являются составными системами. Согласно модели Цвейга и Гелл-Мана структурными единицами таких частиц являются кварки. В свободном состоянии кварки не наблюдаются. Необычное название «кварки» было заимствовано из книги Джеймса Джойса «Поминки по Финнигану», где встречается словосочетание «три кварка», которое слышится герою романа в кошмарном бреду. В настоящее время известно более 350 элементарных частиц, в основном нестабильных и их число постоянно растет.
Вы встречались с проявлением трех из этих взаимодействий, когда изучали явление радиоактивного распада (смотри схему внизу).
Вы ранее уже сталкивались с таким проявлением сильного взаимодействия как ядерные силы, удерживающие протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Сильное взаимодействие вызывает процессы, протекающие с наибольшей, по сравнению с другими процессами, интенсивностью и приводит к самой сильной связи элементарных частиц. В отличие от гравитационного и электромагнитного сильное взаимодействие является короткодействующим: его радиус
 |
Характерные времена сильного взаимодействия
Краткая хронология изучения сильного взаимодействия
• 1911 – атомное ядро
• 1932 – протонно-нейтронное строение
• (, В. Гейзенберг)
• 1935 – пи-мезон (Юкава)
• 1964 – кварки (М. Гелл-Манн, Г. Цвейг)
• глюоны
• 70-е XX века - квантовая хромодинамика
• 80-е XX века - теория великого объединения
Слабое взаимодействие ответственно за распады элементарных частиц, стабильных относительно сильного и электромагнитного взаимодействий. Эффективный радиус слабого взаимодействия не превышает Поэтому на больших расстояния оно существенно слабее электромагнитного, которое в свою очередь до расстояний меньше 1 Ферми слабее сильного взаимодействия. На расстояниях, меньших слабые и электромагнитные взаимодействия образуют единое электрослабое взаимодействие. Слабое взаимодействие вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в том числе распады квазистабильных элементарных частиц, времена жизни которых лежат в диапазоне Несмотря на малую величину слабое взаимодействие играет очень важную роль в природе. В частности процесс превращения протона в нейтрон, в результате которого 4 протона превращаются в ядро гелия (основной источник выделения энергии внутри Солнца) обусловлен слабым взаимодействием.
Может ли быть открыто пятое взаимодействие? Однозначного ответа не существует. Однако, по современным представлениям все четыре вида взаимодействия являются различными проявлениями одного единого взаимодействия. Это утверждение составляет суть теории великого объединения.
Теперь обсудим, как формируется научное знание об окружающем нас мире.
Знанием называют те сведения, опираясь на которые мы можем уверенно планировать нашу деятельность на пути к цели, и деятельность эта непременно приводит к успеху. Чем сложнее цель, тем больше знания требуется для ее достижения.
Научное знание формируется в результате синтеза двух присущих человеку элементов деятельности: творчества и регулярного освоения окружающего пространства с помощью метода проб и ошибок (смотри диаграмму).
В основе физики как любой науки о природе лежит наблюдение, эксперимент. Согласно квантовой теории все результаты измерений являются до некоторой степени неопределенными, причем эта неопределенность заложена в самой природе вещей (смотри дальше: соотношение неопределенностей Гейзенберга).
Используемый в науке метод познания (научный метод) можно проиллюстрировать следующей диаграммой.
Физический закон - это долго живущая и «заслуженная» физическая теория. Только такие попадают в учебники и изучаются в общеобразовательных курсах.
Если опыт не подтвердил предсказание, то весь процесс необходимо начинать сначала.
« Хорошая » физическая теория должна удовлетворять следующим требованиям:
1) должна исходить из небольшого количества фундаментальных положений;
2) должна быть достаточно общей;
3) должна быть точной;
4) должна допускать возможность усовершенствования.
Ценность физической теории определяется тем насколько точно можно установить тот предел, за которым она несправедлива. Эксперимент не может подтвердить теорию, а может ее только опровергнуть.
Процесс познания может идти только через построение модели, что связано с субъективной стороной этого процесса (неполнота информации, многообразие любого явления, облегчение освоения с помощью конкретных образов).
Модель в науке - это не увеличенная или уменьшенная копия предмета, а картина явления, освобожденная от не существенных для поставленной задачи деталей.
Модели подразделяются на механические и математические.
Примеры: материальная точка, атом, абсолютно твердое тело.
Как правило, для большинства понятий процесс развития моделей идет путем постепенного усложнения от механических к математическим.
Рассмотрим этот процесс на примере понятия атома. Перечислим основные модели.
• Шарик (атом древних и классической физики)
• Шарик с крючком
• Атом Томсона
• Планетарная модель (Резерфорд)
• Модель Бора
• Уравнение Шредингера
Модель атома в виде твердого неделимого шарика при всей кажущейся с точки зрения сегодняшних представлений нелепости позволила, например, в рамках кинетической теории газов получить все основные газовые законы.
Открытие в 1897 году электрона привело к созданию Дж. Дж. Томпсоном модели, которую обычно называют «пудинг с изюмом» (смотри рисунок внизу).
Согласно этой модели в положительно заряженном «тесте» плавают отрицательно заряженные изюминки – электроны. Модель объясняла электронейтральность атома, одновременное возникновение свободного электрона и положительно заряженного иона. Однако, результаты опыта Резерфорда по рассеянию альфа частиц принципиально изменили представление о строении атома.
На представленной ниже картинке изображена схема установки в опыте Резерфорда.
В рамках модели Томпсона было невозможно объяснить сильное отклонение траектории движения альфа частиц и, поэтому, возникло понятие атомного ядра. Проведенные расчеты позволили определить размеры ядра, они оказались порядка одного Ферми. Таким образом, на смену модели Томпсона пришла планетарная модель Резерфорда (смотри картинку внизу).
Это типично механическая модель, поскольку атом представляется как аналог солнечной системы: вокруг ядра – Солнца по круговым траекториям движутся планеты – электроны. Известный советский поэт Валерий Брюсов так отозвался об этом открытии
Еще быть может, каждый атом –
Вселенная, где сто планет;
Там всё, что здесь, в объёме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.
С момента возникновения планетарная модель подвергалась серьёзной критике в связи с её нестабильностью. Движущийся по замкнутой орбите электрон должен излучать электромагнитные волны и, следовательно, упасть на ядро. Точные расчеты показывают, что максимальное время жизни атома в модели Резерфорда не больше 20 минут. Великий датский физик Нильс Бор для спасения идеи атомного ядра создал новую модель атома, носящую его имя. Она основана на двух основных положениях (постулатах Бора):
- Атомы могут длительное время находится только в определенных, так называемых стационарных состояниях. Энергии стационарных состояний образуют дискретный спектр. Иначе говоря, возможны только круговые орбиты с радиусами, задаваемыми соотношением
где n – целое число.
- При переходе из одного начального квантового состояния в другое происходит излучение или поглощение кванта света (смотри рисунок).
Модель Бора смогла объяснить большинство известных в то время свойств атомов, но с самого начала выявились и ее существенные недостатки. Прежде всего эта теория не была ни последовательно классической, ни последовательно квантовой. Последовательно квантового описания удалось добиться переходом к математической модели, основанной, например, на уравнении Шредингера. Это уравнение представляет собой дифференциальное уравнение в частных производных относительно волновой функции Физический смысл имеет не сама волновая функция, а квадрат ее модуля, который пропорционален вероятности нахождения частицы (электрона) в данной точке пространства. Иначе говоря, электрон при своем движении как бы «размазан» по всему объему, образуя электронное облако, плотность которого характеризует вероятности нахождения электрона в различных точках объема атома (смотри рисунки снизу).
К сожалению, язык, которым мы пользуемся в нашей повседневной жизни, непригоден для описания процессов, происходящих в глубинах материи (применяются оень абстрактные модели). Физики «беседуют» с Природой на языке математики с помощью чисел, геометрических фигур и линий, уравнений, таблиц, функций и т. д. Такой язык обладает удивительной предсказательной силой: оперируя формулами, можно получить следствия (как в математике), оценить результат количественно и проверить затем опытом справедливость предсказания. За изучение явлений, которые нельзя описать на языке физики из-за неопределенности понятий, невозможности определить процесс измерения, физики просто не берутся.
История развития физики показала, что разумное использование математики неизменно приводило к мощному прогрессу в исследовании природы, а попытки абсолютизировать какой-то математический аппарат как единственно пригодный ведут к застою.
Физика как любая наука может ответить только на вопрос «Как?», но не на вопрос «Почему?».
Наконец, рассмотрим заключительную часть темы №1 о физических величинах.
Физическое понятие, отражающее какое-то свойство тел и явлений и выражаемое числом в процессе измерения называется физической величиной.
Физические величины в зависимости от способа их представления подразделяются на скалярные, векторные, тензорные и т. д. (смотри Таблицу 1.2).
Таблица 1.2
величины | примеры |
скалярные | температура, объем, давление |
векторные | скорость, ускорение, напряженность |
тензорные | давление в двигающейся жидкости |
Вектором называется упорядоченный набор чисел (смотри иллюстрацию сверху). Тензорные физические величины записываются с помощью матриц.
Также все физические величины можно разделить на основные и производные от них. К основным относятся единицы измерения массы, электрического заряда (основные характеристики материи, обуславливающие гравитационное и электромагнитное взаимодействие), длины и времени (так как отражают фундаментальные свойства материи и ее атрибутов – пространства и времени), а также температуры, количества вещества и силы света. Для установления производных единиц используют физические законы, связывающие их с основными единицами.
В настоящее время обязательна к применению в научной и учебной литературе Международная система единиц (СИ), где в качестве основных единиц используются килограмм, Ампер, метр, секунда, Кельвин, моль и Кандела. Причиной замены в качестве основной единицы Кулона (электрический заряд) на Ампер (сила электрического тока) чисто техническая: реализация эталона в 1 Кулон в отличие от 1 Ампера практически невозможна, а сами единицы связаны простым соотношением:
