Зачем человеку нужны измерения. Роль и значение измерений в науке и технике

Наука начинается с тех пор,
как начинают измерять…
Д. И. Менделеев

Вдумайтесь в слова известного ученого. Из них ясна роль измерений в любой науке, а особенно в физике. Но, кроме того, измерения важны в практической жизни. Можете ли вы представить свою жизнь без измерений времени, массы, длины, скорости движения автомобиля, расхода электроэнергии и т. д.?

Как измерить физическую величину? Для этой цели служат измерительные приборы. Некоторые из них вам уже известны. Это разного вида линейки, часы, термометры, весы, транспортир (рис. 20) и др.

Рис. 20

Измерительные приборы бывают цифровые и шкальные . В цифровых приборах результат измерений определяется цифрами. Это электронные часы (рис. 21), термометр (рис. 22), счетчик электроэнергии (рис. 23) и др.

Рис. 21

Рис. 22

Рис. 23

Линейка, стрелочные часы, термометр бытовой, весы, транспортир (см. рис. 20) - это шкальные приборы. Они имеют шкалу. По ней определяется результат измерения. Вся шкала расчерчена штрихами на деления (рис. 24). Одно деление - это не один штрих (как иногда ошибочно считают учащиеся). Это промежуток между двумя ближайшими штрихами. На рисунке 25 между числами 10 и 20 - два деления, а штриха - 3. Приборы, которые мы будем использовать в лабораторных работах, в основном шкальные.

Рис. 24

Рис. 25

Измерить физическую величину - значит сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу .

Например, чтобы измерить длину отрезка прямой между точками А и В, надо приложить линейку и по шкале (рис. 26) определить, сколько миллиметров укладывается между точками А и В. Однородной величиной, с которой проводилось сравнение длины отрезка АВ, была длина, равная 1 мм.

Рис. 26

Если физическая величина измеряется непосредственно путем снятия данных со шкалы прибора, то такое измерение называют прямым .

Например, приложив линейку к бруску в разных местах, мы определим его длину а (рис. 27, а), ширину b и высоту с. Значение длины, ширины, высоты мы определили непосредственно, сняв отсчет со шкалы линейки. Из рисунка 27, б следует: а = 28 мм. Это прямое измерение.

Рис. 27

А как определить объем бруска?

Надо провести прямые измерения его длины а, ширины b и высоты с, а затем по формуле

V = a . b . c

вычислить объем бруска.

В этом случае мы говорим, что объем бруска определили по формуле, т. е. косвенно, и измерение объема называется косвенным измерением.

Рис. 28

Подумайте и ответьте

1. На рисунке 28 представлено несколько измерительных приборов.
   1. Как называются эти измерительные приборы?
   2. Какие из них цифровые?
   3. Какую физическую величину измеряет каждый прибор?
   4. Что представляет однородная величина на шкале каждого прибора, представленного на рисунке 28, с которой сравнивают измеряемую величину?
2. Разрешите спор.

   Таня и Петя решают задачу: «Определите линейкой толщину одного листа книги, содержащей 300 страниц. Толщина всех листов равна 3 см». Петя утверждает, что это можно сделать прямым измерением линейкой толщины листа. Таня же считает, что определение толщины листа - это косвенное измерение.

   А как считаете вы? Обоснуйте свой ответ.

Интересно знать!

Изучая строение человеческого тела и работу его органов, ученые также проводят множество измерений. Оказывается, что человек, масса которого примерно 70 кг, имеет около 6 л крови. Сердце человека в спокойном состоянии сокращается 60-80 раз в минуту. За одно сокращение оно выбрасывает в среднем 60 см 3 крови, в минуту - около 4 л, в сутки - около 6-7 т, в год - более 2000 т. Так что наше сердце - большой труженик!

Кровь человека 360 раз в течение суток проходит через почки, очищаясь там от вредных веществ. Общая протяженность почечных кровеносных сосудов 18 км. Ведя здоровый образ жизни, мы помогаем нашему организму работать без сбоев!

Домашнее задание

Рис. 29

1. Перечислите в тетради измерительные приборы, которые есть в вашей квартире (доме). Разнесите их по группам:

   1) цифровые; 2) шкальные.

2. Проверьте справедливость правила Леонардо да Винчи (рис. 29) - гениального итальянского художника, математика, астронома, инженера. Для этого:
   1. измерьте свой рост: попросите кого-нибудь с помощью треугольника (рис. 30) поставить на дверном косяке небольшую черточку карандашом; измерьте расстояние от пола до отмеченной черточки;
   2. измерьте расстояние по горизонтальной прямой между концами пальцев рук (рис. 31);
   3. сравните полученное в пункте б) значение со своим ростом; у большинства людей эти значения равны, что впервые было подмечено Леонардо да Винчи.

Рис. 30

Рис. 31

Основы метрологии

учебное пособие

«Три пути ведут к познанию:

путь размышления – самый благородный;

путь подражания – самый легкий;

путь опыта – самый трудный»

Конфуций

С 32 Ю. П. Щербак Основы метрологии:

Учебное пособие для вузов.

Рассматриваются основные понятия и положения метрологии, основные понятия теории погрешностей, обработки результатов измерений, классификации сигналов и помех. Для студентов вузов, обучающихся по естественно-научным и техническим специальностям.

© Ю. П. Щербак, 2007

Глава 1 . Предмет и задачи метрологии……………………………………………………….4

1.1 Предмет метрология………………………………………………………………………....4

1.2 Роль измерений в развитии науки, промышленности…………………………………….4

1.3 Достоверность научного знания…………………………………………………………..16

Глава 2 . Основные положения метрологии………………………………………………....23

2.1 Физические величины……………………………………………………………………...23

2.2 Система физических величин и их единиц……………………………………………….30

2.3 Воспроизведение единиц физических величин и передача их размеров………………35

2.4 Измерение и его основные операции……………………………………………………..39

Глава 3 . Основные понятия теории погрешностей………………………………………....49

3.1 Классификация погрешностей…………………………………………………………….52

3.2 Систематические погрешности…………………………………………………………....58

3.3 Случайные погрешности…………………………………………………………………..62

3.3.1 Общие понятия…………………………………………………………………………...62

3.3.2 Основные законы распределения……………………………………………………….64

3.3.3 Точечные оценки параметров законов распределения………………………………...67

3.3.4 Доверительный интервал (доверительные оценки)…………………………………....69

3.3.5 Грубые погрешности и методы их исключения………………………………………..71

Глава 4 . Обработка результатов измерений………………………………………………....72

4.1 Однократные измерения…………………………………………………………………..72

4.2 Многократные равноточные измерения……………………………………………….....73

4.3 Косвенные измерения……………………………………………………………………..75

4.4 Некоторые правила выполнения измерений и представление результатов…………...77

Глава 5 . Измерительные сигналы…………………………………………………………...79

5.1 Классификация сигналов………………………………………………………………….79

5.2 Математическое описание сигналов. Параметры измерительных сигналов………….81

5.3 Дискретные сигналы……………………………………………………………………...86

5.4 Цифровые сигналы………………………………………………………………………..89

5.5 Помехи……………………………………………………………………………………..91

Литература……………………………………………………………………………………109

Глава 1. Предмет и задачи метрологии

Предмет метрология

Метрология – наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности (ГОСТ 16263-70).

Греческое слово «метрология» состоит из 2-х слов «метрон» - мера и «логос» - учение.

Предметом метрологии – является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью.

Средства метрологии – это совокупность средств измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих их рациональное использование.

Без измерений не может обойтись ни одна наука.

Основное понятие метрологии – измерение.

Измерение – это нахождение значения физической величины (ФВ)

Опытным путем с помощью специальных технических средств (ГОСТ 16263-70).

Измерения могут быть представлены тремя аспектами [Л.1]:

• Философский аспект измерения : измерения являются важнейшим универсальным методом познания физических явлений и процессов
• Научный аспект измерения : с помощью измерений (эксперимента) осуществляется связь теории и практики («практика – критерий истины»)
• Технический аспект измерений : измерения обеспечивают получение количественной информации об объекте управления или контроля.

Роль измерения в развитии науки, промышленности.

Приведем высказывания известных ученых о роли измерений [Л.3].

В. Томпсон : «Я часто говорю, что когда вы можете измерить то, о чем вы говорите и можете выразить это в числах, то вы кое-что знаете об этом; но когда вы не можете измерить это, не можете выразить это в числах, то ваши знания будут жалкого и неудовлетворительного рода; это может представлять собой начало знания, но в ваших мыслях вы едва придвинулись к тому, что заслуживает название науки, каков бы ни был предмет исследования» (Строение материи, 1895г.)

А. Ле Шателье : «Выучиться правильно измерять – одно из наиболее важных, но и наиболее трудно осуществимых этапов науки. Достаточно одного ложного измерения для того, чтобы помешать открытию закона и, что еще хуже, привести к установлению несуществующего закона. Таково было, например, происхождение закона о непредельных соединениях водорода и кислорода, основанных на экспериментальных ошибках в измерениях Бунзена» (Наука и промышленность, 1928г.).

Проиллюстрируем первую часть высказывания А. Ле Шателье примерами некоторых важных измерений в области механики и гравитации за последние ~ 300 лет и их влияние на развитие науки и техники.

1. 1583 г. – Г. Галилей установил изохронность колебаний маятника.

Изохронность колебаний маятника явилась основой создания новых часов – хронометров, которые стали важнейшим инструментом навигации в эпоху великих географических открытий (измерение времени полудня в точке нахождения корабля по сравнению с портом отплытия давало возможность определить долготу, измерения высоты Солнца над горизонтом в полдень – широту …)

(Период колебаний маятника: - угловая скорость; период колебаний не зависит от массы и амплитуды колебаний – изохронность).

1. 1604 г. – Г. Галилей установил равноускоренность движения тела по наклонной плоскости
2. 1619 г. – И. Кеплер сформулировал на основе измерений III закон движения планет: Т 2 ~ R 3 (Т – период, R – радиус орбиты)
3. 1657 г. – Х. Гюйгенс сконструировал маятниковые часы со спусковым механизмом (анкер)
4. 1678 г. – Х. Гюйгенс измерил величину силы тяжести для Парижа (g = 979,9 см/с 2)
5. 1798 г. – Г. Кавендиш измерил с помощью крутильных весов силу притяжения двух тел и определил гравитационную константу в законе Ньютона, определил среднюю плотность Земли (5,18 г/см 3)

Создание Х. Гюйгенсом точных часов со спусковым механизмом (анкер) стало основой измерительной техники; а измерение силы тяжести – основой баллистики.

В результате этих экспериментов были сформулированы 3-й закон движения планет И. Кеплера, закон всемирного тяготения (И. Ньютон) – основа всей современной деятельности человека, связанной с космосом.

1. 1842 г. – Х. Доплер предположил влияние относительного движения тел на частоту звука (эффект Доплера, в 1848 г. А. Физо распространил этот принцип на оптические явления)

Сдвиг частоты из-за относительного движения источника и приемника звука или света (Х. Доплер, А. Физо) явился основой для создания модели расширяющейся Вселенной (Э. Хаббл). Измерение реликтового излучения (А. Пензиас и Р. Вильсон) – решающее свидетельство справедливости модели расширяющейся Вселенной, начало которой имело форму «Большого взрыва».

Современные представления :

Первая («инфляционная») стадия расширения Вселенной продолжалась всего ~ 10 -35 секунды. За это время появившийся из абсолютного ничто «зародыш» Вселенной увеличился до 10 100 раз. Согласно современным представлениям рождение Вселенной из сингулярности в результате Большого взрыва обусловлено квантовой флуктуацией вакуума. При этом уже в момент Большого взрыва в квантовых флуктуациях вакуума были заложены разнообразные свойства и параметры, в т.ч. фундаментальные физические константы (ε, h, γ, k и т.д.)

Если бы к моменту Т 0 =1с скорость разлета вещества отличалась от реального значения на 10 -18 (10 -16 %) доли своей величины в ту или другую сторону, то Вселенная либо сколапсировалась в материальную точку, либо вещество полностью рассеялось.

Современное естествознание базируется на многократном наблюдении факта, повторение его в различных условиях – эксперименте, его количественном описании; создание модели этого факта, явления или процесса, установление формул, зависимостей, связей. Одновременно развиваются практические применения явления. Далее возникает (создается) фундаментальная теория. Такая теория предлагает обобщение и устанавливает связи данного явления с другими явлениями или процессами; в настоящее время часто проводится математическое моделирование явления. На основе фундаментальной теории возникают новые, более широкие применения.

На рис. 1.1 приведена условная схема методологии естествознания [Л.2]

Новые практические применения

Рис. 1.1

На примере экспериментально открытого Х. Доплером влияния относительного движения тел на частоту звука можно проследить этапы этой методологической схемы

1 этап .

Проблемы регистрации факта, точности измерений для последующего количественного описания, выбор единиц измерений. (Эксперимент)

Пример : Х. Доплер зафиксировал (измерил) в 1842 году влияние относительного движения тел на частоту звука (эффект Доплера).

2 этап .

Установление зависимости, формул, связей, включая анализ размерности величин, установление констант. (Модель)

Пример : На основании опытов Х. Доплера разработана модель явления:

звук – это продольные колебания воздуха; при движении источника изменяется число колебаний, принимаемых приемником в 1 с., т.е. меняется частота.

Этап.

Пример : Разработка приборов на эффекте Доплера: эхолокаторы, измерители скорости движущихся тел (локатор ГИБДД).

Этап.

Формулировка принципов и обобщения, создание фундаментальной теории, выяснение связей с другими явлениями, прогнозы (включая математическое моделирование). (Фундаментальная теория).

Пример : Сформулированы принципы относительности Галилея, затем Эйнштейна:

равноправие всех инерциальных систем отсчета.

Этап.

Анализ широкого круга явлений, поиск закономерностей в других областях физики. (Другие явления).

Пример : В 1848 году А. Физо распространил принцип Доплера на оптические явления:

Свет– это поперечные колебания электромагнитного поля, поэтому применим эффект Доплера и для света (эффект ФИЗО).

6 этап .

Создание новых устройств, применение в других областях. (Новые практические применения).

Пример :

§ Измерение расстояний в космологии по красному смещению излучения далеких Галактик

§ Сдвиг частоты из-за относительного движения источника и приемника излучения явилось основой для создания модели расширяющейся Вселенной (Э. Хаббл)

§ Измерение реликтового излучения (А. Пензиас и Р. Вильсон) явилось свидетельством справедливости модели расширяющейся Вселенной, начало которой имело форму «Большого взрыва».

Создание измерительного прибора или выработка метода измерений – важнейший шаг к обнаружению новых явлений и зависимостей. В наше время очень мало шансов открыть что-либо существенно новое, не прибегая к точной аппаратуре: все новое, ставшее известным за последнее время, не далось в результате простого невооруженного наблюдения над обыденным кругом явлений повседневной жизни, как это бывало у истоков науки.

Однако важно на первых этапах общего прощупывания не прибегать к чрезмерно тонкой технике эксперимента – излишнее усложнение вызывает задержки и уводит в густую чащу вспомогательных деталей, отвлекающих от основного.

Умение обходиться простыми средствами всегда ценится исследователями.

Каждый исследователь должен считаться с общепринятыми системами мер, должен хорошо разбираться в соотнесении производных единиц с принятыми за основные, т.е. в размерности. Понятие о системах единиц и о размерностях должно быть настолько ясным, чтобы были совершенно исключены такие «студенческие» случаи, когда размерности левой и правой частей уравнения различны, или величины – в разных системах единиц.

Когда принципиальный путь измерения установлен, стремятся повысить точность измерения. Каждый имеющий дело с измерениями должен быть знаком с приемами оценки точности результатов. Если исследователь неопытен, он редко умеет ответить на вопрос о том, какова точность произведенного им измерения, не отдает себе отчета ни в том, какой точности он должен в своей задаче добиваться, ни в том, что именно лимитирует его точность. Напротив, опытный исследователь умеет выразить в цифрах точность каждого своего измерения, а если получаемая точность оказывается ниже требуемой, он может заранее сказать – какой из элементов измерения окажется наиболее существенным улучшать.

Если не задают себе подобных вопросов, происходят неприятные случаи даже со сведущими людьми; например, профессор Московского университета Лейст на протяжении 20 лет строил карту магнитной аномалии, в которой измерения магнитного поля были точными, но координаты точек измерения не были соответственной точности, так что не оказалось возможности надежно определить градиенты составляющих напряженности поля, необходимые для оценки массы, залегающей под землей. В результате, всю работу пришлось повторить.

Как бы не стремился исследователь к точности измерения, все же он столкнется с неизбежными погрешностями результатов измерений.

Вот что говорил по этому поводу еще в 1903 году А. Пуанкаре («Гипотеза и наука»): «Представим себе, что мы измеряем некоторую длину неверным метром, например, слишком длинным по сравнению с нормальным. Получившееся число, выражающее измеряемую длину, всегда будет несколько менее истинного, и эта ошибка не устранится, сколько бы мы не повторяли измерение; это пример систематической ошибки. Но измеряя нашу длину верным метром, мы тем не менее не избежим ошибок, например от того, что неверно прочтем число делений; но эти ошибочные наблюдения могут быть и более или менее истинной величины, так что если мы произведем большое число наблюдений и возьмем среднее из них, то ошибка будет близка к нулю; вот пример случайных ошибок».

«Наиболее тяжелы систематические погрешности, источник происхождения которых еще неизвестен. Когда с ними сталкиваются в работе – это катастрофа. У одного ученого явилась мысль построить психрометр с помощью крысиного пузыря. Сжатие пузыря вызывало подъем ртути капиллярной трубке и отражало гидротермическое состояние воздуха. Было постановлено, чтобы все суда английского флота в течении года производили по всему свету соответствующие измерения. Таким путем надеялись построить полную психрометрическую карту всего мира. Когда работа была закончена, оказалось, что способность крысиного пузыря к сокращению сильно изменилась за год, причем изменялась неравномерно, в зависимости от климата, в котором он находился. И вся огромная работа пропала даром». (Ле Шателье, Наука и промышленность).

Этот пример показывает, что систематические ошибки могут представлять собой наложение незамеченного побочного явления на измеряемое – это разъясняет их характер и опасность.

Систематические погрешности присутствуют в любом эксперименте. Источников их множество – это неточность калибровки прибора, «сбитая» шкала, влияние прибора на объект исследования и мн. другое.

Пример , иллюстрирующий влияние прибора на исследуемую схему (рис.1.2).

Необходимо измерить с помощью

амперметра А ток в нагрузке.

Рис. 1.2

Реальный амперметр имеет внутреннее сопротивление r А. (Сопротивление рамки у амперметра магнитоэлектрической или электромагнитной системы).

Если мы знаем величину r А (она всегда приводится в технических характеристиках прибора) то систематическую погрешность легко рассчитать и учесть поправкой.

Пусть r А =1.Ом,

Тогда эквивалентная схема будет иметь вид:

В идеальной схеме (r А = 0)

В реальной схеме(с включенным

прибором)

I Нх =

Рис 1.3

Погрешность измерения (абсолютная) равна:

Относительная систематическая погрешность равна: (!).

Если прибор (амперметр) имеет класс точности 1,0 % и мы не будем учитывать влияние прибора на точность эксперимента, то ошибка измерения будет почти на порядок превышать ожидаемую погрешность (обусловленную классом точности прибора). Вместе с тем, зная природу систематической погрешности, ее легко учесть (в главе 3 будут подробно рассмотрены причины появления систематических погрешностей и способы их компенсации).

В нашем примере, зная величину r А легко рассчитать эту погрешность

() и ввести в результат соответствующую поправку (D n = - D сист):

Iн = Iн х + D n = 2,73А +0,27А=3,00А

Совершенно иной характер имеют случайные ошибки, о которых говорил Пуанкаре.

Случайность в науке и технике обычно рассматривается как враг, как досадная помеха, препятствующая точному измерению. Люди давно вступили в борьбу со случайностью.

Долгое время считалось, что случайности связаны просто с нашим незнанием причин, их вызывающих. Характерно в этом смысле высказывание известного русского ученого К. А. Тимирязева.

«…Что такое случай? Пустое слово, которым прикрывается невежество, уловка ленивого ума. Разве случай существует в природе? Разве он возможен? Разве возможно действие без причины?» («Краткий очерк Теории Дарвина»).

Действительно, если выявить все причины случайного события, то можно случайность устранить. Но это – однобокое понятие, здесь случайность отождествляется с беспричинностью . Здесь и кроется заблуждение великого ученого.

Всякое событие имеет вполне определенную причину, в том числе и случайное событие. Хорошо, когда цепь причин и следствий проста, легко просматривается. В этом случае событие нельзя считать случайным. Например, на вопрос: упадет брошенная монета на пол или на потолок – можно ответить определенно, случайности здесь нет.

Если же цепь причин и следствий сложна и не поддается обозрению, то событие становится непредсказуемым и называется случайным .

Например: упадет ли подбрасываемая монета вверх цифрой или гербом – можно точно описать цепью причин и следствий. Но проследить такую цепь практически невозможно. Выходит, хотя причина и есть – предсказать результат мы не можем – он случаен.

«Никто не обнимет необъятного»

(К. Прутков)

Рассмотрим задачу, которая может служить отличным примером относительности наших знаний и хорошо иллюстрирует афоризм К. Пруткова.

Задача : На столе лежит знаменитое Ньютоновское яблоко.

Что нужно было бы принять во внимание, чтобы вычислить абсолютно точно ту силу, с которой яблоко в данный момент давит на стол?

Решение абстрактное :

Сила F , с которой яблоко давит на стол, равна весу яблока P:

Если яблоко весит 0,2 кг, то и F = 0,2 кг.с = 0,2 х 9,80665Н = 1,96133Н(система СИ).

Перечислим все причины, влияющие на давление яблока в данное мгновение на стол.

Итак: F = P = mg ., где m – масса яблока, g – ускорение свободного падения.

В итоге мы имеем 4 элемента, на которые могут влиять внешние факторы.

1 . Масса яблока m .

На него влияют:

§ Испарение воды под действием тепла, солнечных лучей;

§ Выделение и поглощение газов из-за продолжающихся химических реакций (созревание, гниение, фотосинтез);

§ Вылет электронов под действием солнечных лучей, рентгеновского и γ – излучений;

§ Поглощение электронов, протонов и др. квантов;

§ Поглощение радиоволн и мн. др.

2. Ускорение свободного падения g меняется и в пространстве, и во времени.

§ В пространстве : зависит от географической широты, высоты над уровнем моря (яблоко – несимметрично, от его положения – центр массы, т.е. высота; земной шар – неоднороден, и т.д.

§ Во времени : g меняется: непрерывное перемещение масс внутри Земли, перемещение морских волн, возрастание массы Земли за счет метеоритной пыли и т.д.

3. Если выражение P = mg – точное, но тогда неверно равенство F = P, т. к. кроме Земли, на яблоко действует Луна, Солнце, другие планеты, центробежные силы инерции, вызванные вращением Земли и т.д.

4. Верно ли равенство F = P ?

§ Нет, т.к. оно не учитывает, что яблоко «плавает» в воздухе и поэтому из Р нужно вычесть силу Архимеда, которая сама меняется вместе с атмосферным давлением;

§ Нет, потому что на яблоко действуют переменные силы конвекции нагретого и холодного воздуха;

§ Нет, потому что на яблоко давят солнечные лучи;

и т.д., и т.п.

Вывод:

Всякая физическая задача бесконечно сложна , потому что на всякое физическое тело действуют одновременно все законы физики, в том числе и еще не открытые!

Физическая задача может быть решена лишь приближенно . И в зависимости от той точности, которая требуется в конкретной ситуации.

Случайность можно исследовать и нужно. Именно поэтому еще в XVII в. были заложены основы теории вероятностей – наука о случайных событиях. Это и является вторым направлением в борьбе со случайностью. Оно имеет своей целью изучение закономерности в случайных событиях. Знание закономерностей дает возможность вести эффективную борьбу с непредсказуемостью случайных событий.

Итак, можно сказать:

Случайность – это, прежде всего, непредсказуемость, которая является результатом нашего невежества, результатом нашего незнания, результатом отсутствия необходимой информации.

С этой точки зрения Тимирязев совершенно прав.

Всякое событие (Б) является следствием малого или большого ряда причин (А 1 А 2 ,…)

Рис. 1.4

Если причин очень много – интересующее нас событие нельзя предсказать точно, оно станет случайным, непредсказуемым. Здесь случайность образуется за счет недостаточного знания.

Означает ли это, что в одно прекрасное время, когда мы станем уж очень умными, случайность исчезнет с нашей планеты? Вовсе нет. Этому будут препятствовать по крайней мере три обстоятельства, которые надежно защищают случайность.

Абсолютная система измерения физических величин

В последние два столетия в науке происходила бурная дифференциация научных дисциплин. В физике помимо классической динамики Ньютона появились электродинамика, аэродинамика, гидродинамика, термодинамика, физика различных агрегатных состояний, специальная и общая теории относительности, квантовая механика и многое другое. Произошла узкая специализация. Физики перестали понимать друг друга. Теорию суперструн, например, понимают лишь насколько сот человек во всем мире. Чтобы профессионально разбираться в теории суперструн, нужно заниматься только теорией суперструн, на остальное просто не хватит времени.

Но не следует забывать, что столь разные научные дисциплины изучают одну и ту же физическую реальность – материю. Наука, а особенно физика, вплотную подошла к тому рубежу, когда дальнейшее развитие возможно только путем интегрирования (синтеза) различных научных направлений. Рассматриваемая абсолютная система измерения физических величин – первый шаг в этом направлении.

В отличие от международной системы единиц СИ, имеющей 7 основных и 2 дополнительные единицы измерения, в абсолютной системе единиц измерения используется одна единица – метр (см. табл.). Переход к размерностям абсолютной системы измерения осуществляется по правилам:

Где: L, T и М – размерности длины, времени и массы соответственно в системе СИ.

Физическая сущность преобразований (1.1) и (1.2) состоит в том, что (1.1) отражает диалектическое единство пространства и времени, а из (1.2) следует, что массу можно измерять в квадратных метрах. Правда, />в (1.2) – это не квадратные метры нашего трехмерного пространства, а квадратные метры двумерного пространства. Двумерное пространство получается из трехмерного, если трехмерное пространство разогнать до скорости, близкой к скорости света. Согласно специальной теории относительности, из-за сокращения линейных размеров в направлении движения, куб превратится в плоскость.

Размерности всех остальных физических величин установлены на основании так называемой «пи-теоремы», утверждающей, что любая верная зависимость между физическими величинами с точностью до постоянного безразмерного множителя соответствует какому-либо физическому закону.

Чтобы ввести новую размерность какой-либо физической величины, нужно:

Подобрать формулу, содержащую эту величину, в которой размерности всех других величин известны;

Алгебраически найти из формулы выражение этой величины;

В полученное выражение подставить известные размерности физических величин;

Выполнить требуемые алгебраические действия над размерностями;

Принять полученный результат как искомую размерность.

«Пи-теорема» позволяет не только устанавливать размерности физических величин, но и выводить физические законы. Рассмотрим для примера задачу о гравитационной неустойчивости среды.

Известно, что как только длина волны звукового возмущения оказывается больше некоторого критического значения, силы упругости (давление газа) не в состоянии вернуть частицы среды в первоначальное состояние. Требуется установить зависимость между физическими величинами.

Имеем физические величины:

/>- длина фрагментов, на которые распадается однородная бесконечно протяженная среда;

/>- плотность среды;

A - скорость звука в среде;

G - гравитационная постоянная.

В системе СИ физические величины будут иметь размерность:

/>~ L; />~ />; a~/>; G ~ />

Из />/>, />и />составляем безразмерный комплекс:

где: />и /> - неизвестные показатели степеней.

Таким образом:

Так как П по определению величина безразмерная, то получаем систему уравнений:

Решением системы будет:

следовательно,

Откуда находим:

Формула (1.3) с точностью до постоянного безразмерного множителя описывает известный критерий Джинса. В точной формуле />.

Формула (1.3) удовлетворяет размерностям абсолютной системы измерения физических величин. Действительно, входящие в (1.3) физические величины имеют размерности:

/>~ />; />~ />; />~ />; />~ />

Подставив размерности абсолютной системы в (1.3), получим:

Анализ абсолютной системы измерения физических величин показывает, что механическая сила, постоянная Планка, электрическое напряжение и энтропия имеют одинаковую размерность: />. Это означает, что законы механики, квантовой механики, электродинамики и термодинамики – инвариантны.

Например, второй закон Ньютона и закон Ома для участка электрической цепи имеют одинаковую формальную запись:

/>~ />(1.4)

/>~ />(1.5)

При больших скоростях движения во второй закон Ньютона (1.4) вводится переменный безразмерный множитель специальной теории относительности:

Если такой же множитель ввести в закон Ома (1.5), то получим:

Согласно (1,6) закон Ома допускает появление сверхпроводимости, так как />при низких температурах может принимать значение, близкое к нулю. Если бы физика с самого начала применяла абсолютную систему измерения физических величин, то явление сверхпроводимости было бы предсказано вначале теоретически, а уже потом обнаружено экспериментально, а не наоборот.

Много разговоров ведется об ускоренном расширении Вселенной. Замерить ускорение расширения современные технические средства не могут. Применим для решения этой задачи абсолютную систему измерения физических величин.

PAGE_BREAK--

Вполне естественно предположить, что ускорение расширения Вселенной />зависит от расстояния между космическими объектами />и от скорости расширения Вселенной />. Решение задачи изложенным выше методом дает формулу:

Анализ физического смысла формулы (1.7) выходит за рамки обсуждаемой проблемы. Скажем лишь, что в точной формуле />.

Инвариантность физических законов позволяет уточнить физическую сущность многих физических понятий. Одно из таких «темных» понятий – понятие энтропия. В термодинамике механическому ускорению />~/>соответствует массовая плотность энтропии

где: S – энтропия;

m – масса системы.

Полученное выражение свидетельствует о том, что энтропию, вопреки существующему заблуждению, можно не только вычислить, но и измерить. Рассмотрим для примера металлическую спиральную пружину, которую можно считать механической системой атомов кристаллической решетки металла. Если сжать пружину, то кристаллическая решетка деформируется и создаст силы упругости, которые всегда можно измерить. Сила упругости пружины будет той самой механической энтропией. Если энтропию разделить на массу пружины, то получим массовую плотность энтропии пружины, как системы атомов кристаллической решетки.

Пружину можно представить и одним из элементов гравитационной системы, вторым элементом которой является наша Земля. Гравитационной энтропией такой системы будет сила притяжения, которую можно измерить несколькими способами. Разделив силу притяжения на массу пружины, получим гравитационную плотность энтропии. Гравитационная плотность энтропии – это ускорение свободного падения.

Наконец, в соответствии с размерностями физических величин в абсолютной системе измерения, энтропия газа – это сила, с которой газ давит на стенки сосуда, в который он заключен. Удельная газовая энтропия – это просто давление газа.

Важные сведения о внутреннем устройстве элементарных частиц можно получить, исходя из инвариантности законов электродинамики и аэро-гидродинамики, а инвариантность законов термодинамики и теории информации позволяет наполнить физическим содержанием уравнения теории информации.

Абсолютная система измерения физических величин опровергает широко распространенное заблуждение об инвариантности закона Кулона и закона всемирного тяготения. Размерность массы />~/>не совпадает с размерностью электрического заряда q ~/>, поэтому закон всемирного притяжения описывает взаимодействие двух сфер, или материальных точек, а закон кулона описывает взаимодействие двух проводников с током, или окружностей.

Используя абсолютную систему измерения физических величин, мы можем чисто формально вывести знаменитую формулу Эйнштейна:

/>~ />(1.8)

Между специальной теорией относительности и квантовой теорией нет непреодолимой пропасти. Формулу Планка можно получить тоже чисто формально:

Можно и далее демонстрировать инвариантность законов механики, электродинамики, термодинамики и квантовой механики, но рассмотренных примеров достаточно для того, чтобы понять, что все физические законы являются частными случаями некоторых общих законов пространственно-временных преобразований. Интересующиеся этими законами найдут их в книге автора « Теория многомерных пространств ». – М.: Ком Книга, 2007.

Переход от размерностей международной системы (СИ) к размерностям абсолютной системы (АС) измерения физических величин

1. Основные единицы

Наименование физической величины

Размерность в системе

Название физической величины

Килограмм

Сила электрического тока

Термодинамическая температура

Количество вещества

Сила света

2. Дополнительные единицы

Плоский угол

Телесный угол

Стерадиан

3. Производные единицы

3.1 Пространственно-временные единицы

Квадратный метр

Кубический метр

Скорость

Продолжение
--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--

Ампер на квадратный метр

Электрический заряд

Плотность электрического заряда линейная

Кулон на метр

Плотность электрического заряда поверхостная

Кулон на метр квадратный

Магнитодвижущая сила

Напряженность магнитного поля

Ампер на метр

Индуктивность

Магнитная постоянная

Генри на метр

Магнитный момент электрического тока

Ампер – квадратный метр

Намагниченность

Ампер на метр

Магнитное сопротивление

Ампер на вебер

3.5 Энергетическая фотометрия

Световой поток

Освешенность

Поток излучения

Энергетическая освещенность и светимость

Ватт на квадратный метр

Энергетическая яркость

Ватт на стерадиан квадратный метр

Спектральная плотность энергетической светимости:

По длине волны

По частоте

Ватт на м3

• Перевод

Теория относительности утверждает, что мы живём в четырёх измерениях. Теория струн - что в десяти. Что такое «измерения» и как они влияют на реальность?

Когда я пишу тексты за своим столом, я могу протянуть руку вверх, чтобы включить лампу, или вниз, чтобы открыть ящик стола и достать ручку. Протянув руку вперёд, я касаюсь небольшой и странной на вид статуэтки, которую мне на счастье подарила сестра. Потянувшись назад, я могу похлопать чёрную кошку, крадущуюся у меня за спиной. Справа лежат заметки, сделанные во время исследований для статьи, слева - куча вещей, которые необходимо сделать (счета и корреспонденция). Вверх, вниз, вперёд, назад, вправо, влево - я управляю самим собой в моём личном космосе трёхмерного пространства. Невидимые оси этого мира налагает на меня прямоугольная структура моего кабинета, определяемая, как и большая часть западной архитектуры, тремя составленными вместе прямыми углами.

Наши архитектура, образование и словари сообщают нам о трёхмерности пространства. Оксфордский словарь английского языка так определяет пространство: «непрерывная область или простор, свободная, доступная или не занятое ничем. Измерения высоты, глубины и ширины, в рамках которых существуют и движутся все вещи». [словарь Ожегова говорит похожим образом: «Протяженность, место, не ограниченное видимыми пределами. Промежуток между чем-н., место, где что-н. вмещается.» / прим. перев. ]. В XVIII веке Иммануил Кант утверждал, что трёхмерное евклидово пространство является априорной необходимостью, и нам, пресыщенным изображениями, созданными компьютером, и видеоиграми, постоянно напоминают об этом представлении в виде вроде бы аксиоматичной прямоугольной системы координат. В точки зрения XXI века это кажется уже почти самоочевидным.

И всё же идея о жизни в пространстве, описываемом какой-то математической структурой - это радикальная инновация западной культуры, сделавшая необходимостью опровержение старинных верований по поводу природы реальности. Хотя зарождение современной науки часто описывают как переход к механизированному описанию природы, вероятно, более важным его аспектом - и однозначно более длительным - был переход к понятию о пространстве как о геометрической конструкции.

В прошлом веке задача описания геометрии пространства стала основным проектом теоретической физики, в котором эксперты, начиная с Альберта Эйнштейна, пытались описать все фундаментальные взаимодействия природы в виде побочных продуктов формы самого пространства. Хотя на локальном уровне нас приучили думать о пространстве как о трёхмерном, общая теория относительности описывает четырёхмерную Вселенную, а теория струн говорит о десяти измерениях - или об 11, если взять за основу её расширенный вариант, М-теорию . Существуют варианты этой теории с 26-ю измерениями, а недавно математики с энтузиазмом приняли версию , описывающую 24 измерения. Но что это за «измерения»? И что означает наличие десяти измерений в пространстве?

Чтобы прийти к современному математическому пониманию пространства, сначала необходимо подумать о нём как о некоей арене, которую может занимать материя. По меньшей мере, пространство необходимо представить себе, как нечто протяжённое. Такая идея, пусть и очевидная для нас, показалась бы еретической Аристотелю , чьи концепции представления физического мира преобладали в западном мышлении в поздней античности и в средневековье.

Строго говоря, аристотелева физика включала в себя не теорию пространства, а лишь концепцию места. Рассмотрим чашку чаю, стоящую на столе. Для Аристотеля чашка была окружённой воздухом, самим по себе представлявшим некую субстанцию. В его картине мира не было такой вещи, как пустое пространство - были только границы между веществами - чашкой и воздухом. Или столом. Для Аристотеля пространство, если вы хотите его так называть, было лишь бесконечно тонкой гранью между чашкой и тем, что её окружает. Баз протяжённости пространство не было чем-то таким, внутри чего может быть что-то другое.

С математической точки зрения, «измерение» - это всего лишь ещё одна координатная ось, ещё одна степень свободы, становящаяся символической концепцией, не обязательно связанной с материальным миром. В 1860-х пионер в области логики Огастес де Морган, чьи работы повлияли на Льюиса Кэрролла, подытожил эту становящуюся всё более абстрактной область, отметив, что математика - это чисто «наука о символах», и как таковая не обязана связываться с чем-либо, кроме самой себя. Математика, в каком-то смысле, это логика, свободно перемещающаяся на полях воображения.

В отличие от математиков, свободно играющих на полях идей, физики привязаны к природе, и, по крайней мере, в принципе, зависят от материальных вещей. Но все эти идеи приводят нас к освобождающей возможности - ведь если математика допускает количество измерений больше трёх, и мы считаем, что математика оказывается полезной для описания мира, откуда нам знать, что физическое пространство ограничено тремя измерениями? Хотя Галилей, Ньютон и Кант принимали длину, ширину и высоту как аксиомы, не может ли в нашем мире существовать больше измерений?

Опять-таки, идея Вселенной с количеством измерений больше трёх проникла в сознание общества через художественную среду, на этот раз - через литературные рассуждения, наиболее известной из которых служит работа математика Эдвина Эбботта Эбботта "Флатландия " (1884). Это очаровательная социальная сатира рассказывает историю скромного Квадрата, живущего на плоскости, к которому однажды в гости приходит трёхмерное существо лорд Сфера, выводящее его в великолепный мир трёхмерных тел. В этом рае объёмов Квадрат наблюдает за его трёхмерной версией, Кубом, и начинает мечтать о переходе в четвёртое, пятое и шестое измерение. Почему не гиперкуб? Или не гипер-гиперкуб, думает он?

К сожалению, в Флатландии Квадрата причисляют к лунатикам и запирают в сумасшедший дом. Одной из моралей истории, в отличие от более слащавых её экранизаций и адаптаций, является опасность, таящаяся в игнорировании социальных устоев. Квадрат, рассказывая о других измерениях пространства, рассказывает и о других изменениях бытия - он становится математическим чудаком.

В конце XIX и начале XX веков масса авторов (Герберт Уэллс, математик и автор НФ-романов Чарльз Хинтон , придумавший слово «тессеракт» для обозначения четырёхмерного куба), художников (Сальвадор Дали) и мистиков (Пётр Демьянович Успенский [русский оккультист, философ, теософ, таролог, журналист и писатель, математик по образованию / прим. перев. ] изучала идеи, связанные с четвёртым измерением и тем, чем может стать для человека встреча с ним.

Затем в 1905 году неизвестный тогда физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, описывающую реальный мир как четырёхмерный. В его «специальной теории относительности» время добавлялось к трём классическим измерениям пространства. В математическом формализме относительности все четыре измерения связаны вместе - так в наш лексикон вошёл термин «пространство-время». Такое объединение было не произвольным. Эйнштейн обнаружил, что используя этот подход, можно создать мощный математический аппарат, превосходящий физику Ньютона и позволяющий ему предсказывать поведение электрически заряженных частиц. Электромагнетизм можно полностью и точно описать только в четырёхмерной модели мира.

Относительность стала чем-то гораздо большим, чем просто ещё одной литературной игрой, особенно когда Эйнштейн расширил её от «специальной» до «общей». Многомерное пространство приобрело глубинное физическое значение.

В картине мира Ньютона материя движется через пространство во времени под влиянием естественных сил, в частности, гравитации. Пространство, время, материя и силы - различные категории реальности. С СТО Эйнштейн демонстрировал объединение пространства и времени, уменьшая количество фундаментальных физических категорий с четырёх до трёх: пространства-времени, материи и сил. ОТО делает следующий шаг, вплетая гравитацию в структуру самого пространства-времени. С четырёхмерной точки зрения, гравитация - всего лишь артефакт формы пространства.

Чтобы осознать эту примечательную ситуацию, представим её двумерный аналог. Представьте себе батут, нарисованный на поверхности декартовой плоскости. Теперь разместим на решётке шар для боулинга. Вокруг него поверхность натянется и исказится так, что некоторые точки отдалятся друг от друга сильнее. Мы исказили внутреннюю меру расстояния в пространстве, сделали её неровной. ОТО говорит, что именно такому искажению тяжёлые объекты, такие, как Солнце, подвергают пространство-время, и отклонение от декартового совершенства пространства приводит к появлению явления, которое мы ощущаем, как гравитацию.

В физике Ньютона гравитация появляется из ниоткуда, а у Эйнштейна она естественным образом возникает из внутренней геометрии четырёхмерного многообразия. Там, где многообразие наибольшим образом растягивается, или отходит от декартовой регулярности, гравитация ощущается сильнее. Это иногда называют «физикой резиновой плёнки». В ней огромные космические силы, удерживающие планеты на орбитах вокруг звёзд, а звёзды на орбитах в рамках галактик, являются ничем иным, как побочным эффектом искажённого пространства. Гравитация - это буквально геометрия в действии.

Если переход в четырёхмерное пространство помогает объяснить гравитацию, то будет ли какое-либо научное преимущество у пятимерного пространства? «Почему бы не попробовать?» - спросил в 1919 году молодой польский математик Теодор Франц Эдуард Калуца , размышляя над тем, что если Эйнштейн включил гравитацию в пространство-время, то, возможно, дополнительное измерение может схожим образом обращаться с электромагнетизмом, как с артефактом геометрии пространства-времени. Поэтому Калуца добавил дополнительное измерение к уравнениям Эйнштейна, и, к своему восторгу, обнаружил, что в пяти измерениях обе эти силы прекрасно оказываются артефактами геометрической модели.

Математика волшебным образом сходится, но в данном случае проблемой стало то, что дополнительное измерение никак не коррелировало с каким-либо определённым физическим свойством. В ОТО четвёртым измерением было время; в теории Калуцы оно не было чем-либо, что можно увидеть, почувствовать или на что можно указать: оно просто было в математике. Даже Эйнштейн разочаровался в такой эфемерной инновации. Что это? - спрашивал он; где оно?

В 1926 году шведский физик Оскар Клейн дал на этот вопрос ответ, очень похожий на отрывок из произведения о Стране чудес. Он предложил представить себе муравья, живущего на очень длинной и тонкой секции шланга. По шлангу можно бегать вперёд и назад, даже не замечая крохотного кругового изменения под ногами. Это измерение смогут увидеть только муравьиные физики при помощи мощных муравьиных микроскопов. Согласно Клейну, каждая точка нашего четырёхмерного пространства-времени обладает небольшим дополнительным кружком в пространстве подобного рода, который слишком мал для того, чтобы мы его видели. Поскольку он во много раз меньше атома, неудивительно, что мы его пока не нашли. Только физики с очень мощными ускорителями частиц могут надеяться добраться до такой крохотной шкалы.

Когда физики отошли от первоначального шока, идея Клейна их покорила, и в течение 1940-х эта теория была разработана в больших математических подробностях и перенесена в квантовый контекст. К несчастью, бесконечно малая шкала нового измерения не даёт представить, как его существование можно подтвердить экспериментально. Клейн подсчитал, что диаметр крохотного кружка составляет примерно 10 -30 см. Для сравнения, диаметр атома водорода равен 10 -8 см, поэтому мы говорим о чём-то, на 20 порядков меньшем, чем самый мелкий из атомов. Даже сегодня мы вовсе не приблизились к тому, чтобы суметь разглядеть что-то на такой миниатюрной шкале. Так эта идея вышла из моды.

Калуцу же так просто было не напугать. Он верил в своё пятое измерение и в мощь математической теории, поэтому он решил провести собственный эксперимент. Он выбрал такую тему, как плавание. Он не умел плавать, поэтому он прочёл всё, что нашёл, по теории плавания, и когда решил, что достаточно полно овладел принципами поведения на воде, поехал с семьёй к морю, бросился в волны, и внезапно поплыл. С его точки зрения эксперимент по плаванию подтверждал правдивость его теории, и, хотя он не дожил до триумфа своего любимого пятого измерения, в 1960-х специалисты по теории струн возродили идею пространства с высшими измерениями.

К 1960-м физики открыли две дополнительных силы природы, работающие на субатомном масштабе. Их назвали слабым ядерным взаимодействием и сильным ядерным взаимодействием, и они отвечают за некоторые типы радиоактивности и за удержание кварков, формирующих протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра. В концце 1960-х физики начали изучать новую тему теории струн (утверждающей, что частицы похожи на крохотные резиновые полоски, вибрирующие в пространстве), и идеи Калуцы и Клейна вновь вышли на поверхность. Теоретики начали постепенно приходить к мысли, нельзя ли описать две субатомные силы в терминах геометрии пространства-времени.

Оказывается, что для того, чтобы охватить обе эти силы, необходимо добавить ещё пять измерений к нашему математическому описанию. Не существует какой-то особой причины для того, чтобы их было пять; и вновь, никакие из этих дополнительных измерений не связаны с нашими ощущениями напрямую. Они есть только в математике. И это приводит нас к 10 измерениям теории струн. И вот вам четыре крупномасштабных измерения пространства-времени (описываемые ОТО), плюс шесть дополнительных «компактных» измерений (одно для электромагнетизма и пять для ядерных сил), свернувшиеся клубочком в чертовски сложную, сморщенную геометрическую структуру.

Физики и математики прилагают огромные усилия к тому, чтобы понять все возможные формы, которые способно принять это миниатюрное пространство, и какие, если вообще какие-то из множества этих альтернатив, реализуются в реальном мире. Технически эти формы известны как многообразия Калаби-Яу , и они могут существовать в любом количестве высших измерений. Эти экзотические и сложные существа, эти необычайные формы, составляют абстрактную систематику в многомерном пространстве; их двумерное сечение (лучшее, что мы можем сделать для визуализации их внешнего вида) напоминает кристаллические структуры вирусов; они кажутся почти

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).

Заряды	Взаимодействия
массовый	гравитационное
электрический	электромагнтное
барионный
лептонный

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)

70-е XX века - квантовая хромодинамика

80-е XX века - теория великого объединения

https://pandia.ru/text/78/486/images/image007_3.gif" width="47 height=21" height="21">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).

https://pandia.ru/text/78/486/images/image010_2.jpg" width="553" height="172 src=">

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

https://pandia.ru/text/78/486/images/image012.gif" width="240" height="44">

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).

https://pandia.ru/text/78/486/images/image014.gif" width="204" height="246">

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

https://pandia.ru/text/78/486/images/image018.gif" width="144" height="49">

где n – целое число.

При переходе из одного начального квантового состояния в другое происходит излучение или поглощение кванта света (смотри рисунок).

https://pandia.ru/text/78/486/images/image020.gif" width="240" height="238">

Дифференциал" href="/text/category/differentcial/" rel="bookmark">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).

https://pandia.ru/text/78/486/images/image025_0.gif" width="379" height="205">

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

https://pandia.ru/text/78/486/images/image027_0.gif" width="73" height="75 src=">

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: