- •Содержание
- •2.2. Трансдисциплинарная идея моделирования природы
- •2.3. Трансдисциплинарная идея единства объекта и его окружения
- •2.4. Трансдисциплинарная идея пространственно-временных отношений в природе
- •2.5. Трансдисциплинарная идея целостности природы
- •2.6. Трансдисциплинарная идея экспериментальной достоверности
- •2.7. Роль трансдисциплинарных идей в целостном понимании природы
- •3.1.2. Концепция единого пространства-времени.
- •3.1.3. Концепция моделирования объектов
- •3.1.4. Концепция контролируемого воздействия.
- •3.1.5. Специфика классических моделей химии и биологии
- •3.2. Образ природы в неклассическом естествознании
- •3.2.1. Концепция измерения в неклассическом естествознании
- •3.2.2. Концепция моделирования состояний
- •3.2.3. Целостность микросостояний. Особенность микросостояний системы тождественных частиц
- •3.2.4.Концепция макросостояний объектов
- •3.2.5. Концепция флуктуации и их корреляций
- •3.2.6. Флуктуации и альтернативная корреляция между ними в микромире
- •Лекция №4.
- •4. Концепция измерения в классическом естествознании. Классические измерительные системы. Проблема измерения в классическом естествознании. Единицы измерения и системы единиц
- •4.1. Проблема измерения в классическом естествознании
- •4.2. Единицы измерения и системы единиц
- •4.3. Возникновение систем мер.
- •4.4.Возникновение и распространение метрической системы мер.
- •4.5. Эталоны.
- •4.6. Атомные часы.
- •Лекция №5.
- •5.1. Временные отношения в природе
- •5.2. Пространственные отношения в природе
- •5.3. Движение частицы. Взаимосвязь Пространства и времени
- •5.4. Целостное описание пространства-времени
- •Лекция №6.
- •6.1. Моделирование
- •6.2. Традиции атомизма и непрерывности в естествознании.
- •6.3. Фундаментальные физические модели объектов
- •6.4. Масса как универсальная характеристика инертности и гравитаци.
- •6.5. Импульс как фундаментальная характеристика объекта
- •6.6. Полная энергия и полный момент как фундаментальные характеристики объекта
- •6.7. Роль фундаментальных законов сохранения в описании природы
- •Лекция №7.
- •7.1. Воздействие и взаимодействие
- •7.2. Характеристики контролируемого воздействия на частицу
- •7.3. Фундаментальные силы
- •7.4. Механическая энергия и динамика частицы
- •7.5. Энергия взаимодействия в системе частиц
- •Лекция №8.
- •8.1. Концепция измерения в неклассическом естествознании
- •8.2. Концепция моделирования состояний
- •8.2.1. Неклассические представления о характеристиках объектов и состояний
- •8.2.2. Фундаментальные модели неклассической физики
- •Лекция №9.
- •9.1. Ограничение воздействия на микроуровне как фундаментальный закон природы
- •9.2. Микросостояние одной микрочастицы.
- •9.3. Целостность микросостояний. Особенность микросостояний системы тождественных частиц
- •Лекция №10.
- •10.1. Тепловое равновесие как макросостояние.
- •10.2. Детерминированное и стохастическое движения. Ограничение воздействия на макроуровне как фундаментальный закон природы
- •10.3. Макропараметры как характеристики объектов и их макросостояний в тепловом равновесии
- •10.4. Два способа описания природы на макроуровне.
- •Лекция №11.
- •11.1. Флуктуации и их роль в описании природы
- •11.2. Флуктуации и альтернативная корреляция между ними в микромире
- •11.3. Флуктуации и неальтернативная корреляция между ними в макромире
- •11.4. Универсальные корреляции между флуктуациями в неклассической физике.
- •Лекция №12.
- •12. Физические принципы создания современной эталонной базы. Использование явления сверхпроводимости.
- •12.1. Свойство сверхпроводимости
- •12.2. Изотопический эффект
- •12.3. Функциональные устройства на магнитных вихрях в сверхпроводниках второго рода
- •12.4 Высокотемпературная сверхпроводимость
- •Лекция №13.
- •13. Явление Зеемана. Явление Джозефсона.
- •13.2. Явление Джозефсона.
- •Лекция №14.
- •14. Явление Мессбауэра. Другие эффекты квантовой физики
- •14.1. Краткая история жизни знаменитого ученого. Научные достижения
- •14.2. Предыстория вопроса
- •14.3. Открытие Мёссбауэра
- •14.4. Природа эффекта
- •14.5. Мёссбауэровские изотопы
- •14.6. Общие применения метода
- •14.7. Применение эффекта Мессбаура для изучения свойств поверхности и объема кристаллов
- •14.8. Химические применения метода
- •14.9. Выводы
- •Лекция №15.
- •15.1.Общие сведения.
- •15.2. Объяснение эффекта Холла с помощью электронной теории
- •15.3. Эффект Холла в ферромагнетиках.
- •15.4. Эффект Холла в полупроводниках
- •15.5. Эффект Холла на инерционных электронах в полупроводниках
- •15.6. Датчик эдс Холла
- •Лекция №16.
- •16. Измерение абсолютного заряда электрона и его удельного заряда. Опыт Милликена. Метод Томсона. Метод магнитной фокусировки Буша.
- •16.1. Инерционный метод измерения заряда. История открытия электрона
- •16.2. Метод магнитной фокусировки Буша
- •16.3. Опыт Милликена
- •Лекция №17.
- •17.1. Шумы, обусловленные дискретностью вещества. Помехи
- •17.2. Дробовый эффект
- •17.3.Критерий устойчивости Найквиста. Формула Найквиста
- •17.4. Естественные пределы точности измерений
- •17.5. Методы повышения точности средств измерений и выполнения измерений
- •17.6. Фундаментальный источник погрешностей измерений. Основные понятия и виды погрешностей
- •17.7. Броуновское движение
- •Список используемой литературы:
5.3. Движение частицы. Взаимосвязь Пространства и времени
Процесс измерения расстояния сопряжен с процессом измерения времени, причем в разных точках пространства. И наоборот, измерение промежутка времени между двумя событиями требует измерения расстояния, если события происходят в разных точках.
Взаимосвязанное описание пространственно-временных отношений можно ввести, рассматривая движение материального объекта более строго. Будем считать, что он движется вдоль некоторой прямой. Это значит, что его положение зависит от времени. В этом случае можно даже составить как бы мысленное расписание его движения и по нему определить среднюю скорость cp как отношение . При этом подразумевается, что мы можем доверять показаниям «местных» часов, расположенных в каждой точке оси X, по которым фиксируется время прохождения объектом данного пункта1. Тогда каждой паре значений координаты и времени на плоскости с осями (X, t) можно сопоставить некую точку. Кроме того, ось X должна быть связана с достаточно «жестким» материальным объектом – телом отсчета, относительно которого измеряются все расстояния вдоль этой оси. Тело отсчета вместе с совокупностью «местных» часов называется системой отсчета (СО). Пока мы условно будем считать ее неподвижной.
В заданной СО каждому событию, характеризующему, где и когда находится материальный объект, соответствуют два числа х и t, называемые пространственно-временными координатами события. То есть в самом простейшем случае природные явления можно описать в двумерном мире событий.
Теперь нужно уточнить, что следует понимать под измерением промежутка времени t между двумя событиями и расстоянием х между ними. Если два события происходят в одной точке пространства (т.е. одноместно), то промежуток времени между ними может измеряться по одним и тем же часам, расположенным там же. Если же мы измеряем расстояние между двумя удаленными событиями, то это следует делать жесткой линейкой в один и тот же момент времени (одновременно).
Понятиями события, мировой точки и мира событий в повседневной жизни неявно пользуется каждый человек. Без них невозможно описать даже столь простое явление, как прямолинейное движение малого материального объекта, или частицы. При этом ему в двумерном мире событий, т.е. на плоскости (X, t), сопоставляется непрерывная совокупность событий, указывающих, где и когда находится частица, в виде непрерывной произвольной функции, которая называется законом движения или мировой линией. Так, для равномерного движения частицы закон движения имеет вид x(t)=0t, для равноускоренного движения x(t)=аt2/2, для гармонических колебаний грузика на пружине x(t)=Acos (t+). Отметим также, что для покоящейся частицы мировая линия имеет вид прямой, параллельной оси X: x(t) = const.
Чтобы говорить об одновременности удаленных событий, необходимо согласовать начала отсчета всех «местных» часов. Подобная синхронизация невозможна без обмена информацией о показаниях этих часов, что осуществляется в реальных условиях передачей сигналов «точного времени». Иначе говоря, обмен информацией о показаниях «местных» часов осуществляется с помощью сигнала, распространяющегося с конечной скоростью. Конкретная процедура синхронизации и тип сигнала не существенны. Главное, что представление о едином пространстве-времени, или мире событий, обязательно требует синхронизации «местных» часов. Если это достигнуто, то отсчет времени может производится по единым часам, установленным в начале отсчета системы координат, что и означает введение единого времени.
Учитывая трехмерность реального пространства, то мир событий в общем случае представляет собой единое четырехмерное пространство-время, называемое миром событий. Движение частицы в мире событий считается заданным, если нам удалось узнать зависимость ее положения в пространстве от времени, т.е. закон движения r=r(t). Наглядность этому описанию можно придать двумя способами. Во-первых, можно по аналогии с одномерным случаем рассматривать законы движения или мировые линии частицы х = x(t); у = y(t); z = z(t) на каждой из плоскостей (X,t), (Y,t), (Z,t). Во-вторых, можно исключить из этих зависимостей время и получить зависимость только между координатами частицы. Такая зависимость называется траекторией в пространстве. Например, в случае движения тела под углом к горизонту в плоскости (X, Y) законы движения вдоль осей X и Y имеют вид x = 0t и , а соответствующая траектория на плоскости (XY) имеет вид параболы , где g – ускорение свободного падения, a 0 – начальная скорость вдоль оси X. Соответственно, при трехмерном движении мгновенная скорость частицы направлена по касательной к траектории и определяется пределом отношения .
В роли СО может выступать любой материальный объект, неподвижный или как-то движущийся. В связи с этим возникает проблема: либо для объективного описания природы необходимо найти какую-то единственную систему отсчета, либо нужно требовать, чтобы законы природы не зависели от выбора движущихся СО. Со времен античности шли по первому пути и такой избранной системой отсчета считали Землю. И только Коперник рискнул связать СО с Солнцем. Хотя выбор Коперника облегчил описание движения планет, никакого обоснования преимуществам такого выбора он не дал.
Ответ на этот вопрос нашел Галилей, которого можно считать основателем физики как науки. Он первым понял, что описание движений любых тел выглядит одинаково как в неподвижной системе отсчета, так и в любой системе отсчета, которая движется равномерно и прямолинейно с постоянной скоростью относительно условно неподвижной СО. Такие СО называются инерциальными (ИСО). Соответственно, СО, движущиеся ускоренно, называются неинерциальными. (НСО)
Результаты исследований Галилея и затем Ньютона привели к открытию первого фундаментального закона природы – принципа инерции. В современной формулировке он гласит: существуют такие СО, в которых любая свободная частицы, т.е. частица при отсутствии внешних воздействий на нее, движется равномерно и прямолинейно. Таким образом, ИСО от неинерциальной СО можно отличить по тому, как ведет себя в ней свободная частица (будет ли у нее вектор скорости постоянен или нет). Что касается движения с постоянной скоростью, то отличить его от покоя принципиально невозможно. Состояния равномерного прямолинейного движения и покоя является относительными.
Если ограничиться только скоростями, малыми по сравнению со скоростью света, то пространственные и временные отношения во всех инерциальных системах отсчета описываются одинаково. В ИСО расстояния и промежутки времени остаются неизменными относительно выбора таких систем отсчета. Что касается скорости частицы относительно разных ИСО, то она, естественно, имеет в них различные значения. В справедливости этого утверждения при малых скоростях мы можем неоднократно убедиться, сравнивая скорость перемещения пассажира внутри вагона с его скоростью относительно поверхности Земли. На этом основании даже было сформулировано так называемое «правило сложения скоростей». Но оказалось, что при больших скоростях движения оно не работает, что потребовало дальнейшего углубления наших знаний о свойствах пространства и времени и, в частности, уточнения понятия скорости.