Предмет и метод физики

ТЕМА 1. Предмет и метод физики. Измерения.
Физические величины
В ходе изучения важно запомнить: понятие об
элементарных частицах, виды взаимодействий и их свойства,
определение модели и используемые в физике виды моделей, модели
атома, определение физической величины и классификацию
физических величин, основные величины системы СИ.
1.1. Физика – основа естествознания
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 (1564 - 1642). Галилей и его
последователь Исаак Ньютон (1643 - 1727) совершили 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).
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.
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 четыре различных вида взаимодействий.
Элементарные частицы характеризуются четырьмя числами (квантовыми
зарядами), значения которых определяют в какой вид взаимодействия может
вступать рассматриваемая элементарная частица (табл. 1.1).
Таблица 1.1.
Виды взаимодействий
Заряды
Взаимодействия
Массовый
Гравитационное
Электрический
Электромагнитное
Барионный
Сильное
Лептонный
Слабое
Такая формулировка обладает двумя важными свойствами:

адекватно описывает наши современные представления об
окружающем мире;

достаточно обтекаема и 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 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 𝑅 ≈ 1,41 · 10−15 м = 1,41 Ферми.
Характерные времена сильного взаимодействия: 𝑡 = 10−23 − 10−24 с.
Слабое взаимодействие ответственно за распады элементарных частиц,
стабильных относительно сильного и электромагнитного взаимодействий.
Эффективный радиус слабого взаимодействия не превышает 10−18 м.
Поэтому
на
больших
расстояниях
оно
существенно
слабее
электромагнитного, которое в свою очередь до расстояний меньше 1 Ферми
слабее сильного взаимодействия. На расстояниях, меньших 10−18 м, 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 10−6 − 10−14 с. Несмотря на малую величину, слабое
взаимодействие играет очень важную роль в природе. В частности процесс
превращения протона в нейтрон, в результате которого четыре 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.
1.2. Понятие о научном методе
Научное знание об окружающем нас мире формируется в результате
синтеза двух присущих человеку элементов деятельности: творчества и
регулярного освоения окружающего пространства с помощью метода проб и
ошибок.
В основе физики как любой науки о природе лежит наблюдение,
эксперимент. Однако согласно квантовой теории все результаты измерений
являются до некоторой степени неопределенными, причем эта
неопределенность заложена в самой природе вещей, что выражается
соотношением неопределенностей Гейзенберга.
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 в физике подразделяются на механические и математические.
Примеры: атом, материальная точка, абсолютно твердое тело (см. главу
2).
Как правило, для большинства понятий процесс развития моделей идет
путем постепенного усложнения от механических моделей к
математическим. Этот процесс легко проследить на примере понятия атома.
Перечислим основные модели.
•
Шарик (атом древних и классической физики).
•
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.
Рис. 1.1. Модель Дж. Дж. Томпсона
Дж. Томпсоном модели, которую
«пудинг с изюмом»
обычно
называют
«пудинг
с
изюмом» (рис. 1.1).
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.
В рамках модели Томпсона было невозможно объяснить
зафиксированное
в
опытах
Резерфорда 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
Рис. 1.2. Планетарная модель
пришла
планетарная
модель
Резерфорда
Резерфорда (рис.1.2).
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 (см.
также раздел Химия):
1. Атомы могут длительное время находиться только в определенных,
так называемых стационарных состояниях. Энергии стационарных состояний
образуют дискретный спектр. Иначе говоря, возможны только круговые
орбиты с радиусами, задаваемыми соотношением 𝑟𝑛 =
4𝜋𝜀0 ℎ2 1
𝑚𝑒 𝑒 2 𝑍
𝑛2 , где n –
целое число, me – масса электрона, e – заряд электрона, Z – атомный номер,
h - постоянная Планка,  0 – электрическая постоянная.
2. При переходе из одного начального квантового состояния в другое
происходит излучение или поглощение кванта света.
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 ψ. 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 (рис.
1.3). Более подробное описание
квантово-механического
подхода
дано в курсе химии.
К сожалению, язык, которым
мы
пользуемся
в
нашей
повседневной жизни, непригоден для
описания процессов, происходящих в
глубинах материи (применяются
очень абстрактные модели). Физики
«беседуют» с Природой на языке
математики с помощью чисел,
геометрических фигур и линий,
Рис. 1.3. Электронные облака
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?».
1.3. Понятие физической величины
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. (табл. 1.2).
Напомним, что вектором называется упорядоченный набор чисел, а
тензорные физические величины записываются с помощью матриц.
Таблица 1.2
Классификация физических величин
Величины Примеры
Скалярные Температура, объем, давление в газе
Векторные Скорость, ускорение, напряженность
Тензорные Давление в движущейся жидкости
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:
Кулон  Ампер  секунда .
Хочется сделать два замечание относительно правильной
формулировки вопроса о единицах и измерения физических величин и их
возможных значениях. 1) Многие физические величины, как мы видели,
являются векторами, а единицы измерения скалярами. Поэтому вопрос о
единицах измерения, например, скорости и ускорения не совсем корректен.
Однако, в целях упрощения используемого языка мы будем пользоваться
подобными формулировками, подразумевая, что в данных единицах
измеряется модуль соответствующего вектора. 2) Для векторов в отличие от
скаляров не существует понятие больше – меньше, поэтому утверждения об
увеличении или уменьшении векторных величин, а также о положительных
или отрицательных их значениях следует понимать только в отношении
компонент рассматриваемых векторов или как в первом случаи для модулей
векторов.