Классическая механика. Принцип относительности

         Здесь очень важно подчеркнуть,  что хрональное – это реально  существующее физическое явление,  присущее различным живым и  неживым телам природы. Ход  реального физического времени  может быть как положительным,  так и отрицательным, ведущим  как в будущее, так и в  прошлое; мы можем управлять  им по произволу. В противоположность  этому наше привычное время  – это условное, реально не  существующее, социальное, эталонное, абсолютное, ни от чего внешнего не зависящее ньютоновское время, которое всегда течет равномерно и только в направлении из прошлого через настоящее в будущее. Некоторые физические законы, например уравнения Максвелла, содержат эталонное время. В другие законы, например во второй закон механики Ньютона, входит реальное физическое время. В принципе недопустимо смешивать эти два времени, но это было сделано в преобразованиях Лоренца и теории относительности, а также при экспериментальном подтверждении теории Эйнштейна.

         В изложенной новой концепции  пространство и время лишаются  своей исключительности и всеобщности.  Дается новое определение их  физической сути, вводятся соответствующие  специфические количественные меры  и на этой основе строится  расчетный теоретический аппарат  исследования, отличающийся колоссальной  прогностической силой. Многочисленные  выводы теории подтверждены соответствующими  экспериментами, в частности в  ней отсутствуют второй закон  термодинамики Клаузиуса и все  его запреты, что дало возможности  создать различного типа вечные двигатели второго рода. Новая теория отвечает критериям корректности (внутренней непротиворечивости), адекватности (соответствия всем известным опытным фактам, включая накопившиеся в прежних теориях аномалии, или противоречия) и перспективности (возможности предсказывать новые явления, недоступные для прежних теорий).

3. Пространство и время. Понятие состояния. Принципы симметрии. Законы сохранения

Пространство и время  это формы существования материи. Представления об этих понятиях изменялось по мере достижений науки. До появления  теории относительности их считали  независимыми (ньютоновские представления), потом поняли, что они органически  связаны друг с другом. Согласно Ньютону пространство и время  абсолютны, т.е. св-ва не меняются со временем и не зависят от распределения  в-ва, время во всех точках течет  равномерно и одинаково. Распределение  в-ва в таком пространстве и его  движение описывается законом всемирного тяготения. Это пространство называется евклидовым или линейным. Положение  тела в пространстве определяется тремя  координатами x, у, z, но для описания движения необходимо ввести четвертую  координату — время, координаты пространства и время рассматриваются независимо. Процессы рассматриваются обратимые, т.е. знак этого параметра (времени) может меняться на обратный. Для классической механики характерна симметрия процессов во времени, которая выражается в обратимости времени. Т.е. выходит, что время не влияет на процессы, что не соответствует действительности (с течением времени неизбежно протекают различные необратимые физические процессы).

Все эти положения о  времени и пространстве остаются верными в относительно небольших  по астрономическим масштабам областях пространства и для относительно коротких по этим меркам отрезков времени. Но когда речь заходит об описаниях  Вселенной в целом или ее части, или в условиях сильных полей  тяготения, то эти представления  перестают соответствовать действительности.

Из общей теории относительности  Эйнштейна следует, что реальное пространство во Вселенной неэвклидово, геометрия его меняется со временем, а время течет с разной скоростью  в разных точках Вселенной. Понятия  пространства и времени соединены  в единое понятие пространственно-временной  непрерывности. В этом случае состояние  любого тела описываются тремя пространственными  координатами и четвертой координатой  — временной.

Самой простой симметрией является — однородность и изотропность пространства. Это проявляется в  том, что любой физический прибор работает одинаково в любой точке  пространства если не меняются окружающие физические условия. Т.е. физические законы инвариантны (неизменны) относительно перемещений и поворотов. Еще  одна важная симметрия — однородность времени. Все физические процессы протекают  одинаково, когда бы они не начались. Но эта симметрия нарушается в  слабом распаде некоторых элементарных частиц. И хотя эти нарушения очень  малы, они играют важную роль в физике элементарных частиц, т.к. приводят к  абсолютному различию между частицами  и античастицами. Существует кроме  того зеркальная симметрия. Так существует зеркальная симметрия строения молекул.

Но самую важную симметрию  открыл Эйнштейн, обнаружив всеобщность  пространственно-временной симметрии. Т.е. все физические, химические, биологические  явления не изменяются при поворотах  поворот означает такое изменение  координат, когда не изменяются расстояния между точками постоянство распространения  света при повороте. Так все  симметрии выше названные были объединены в одну всеобщую — все явления  природы инвариантны относительно сдвигов, поворотов и отражений  в четырехмерном пространстве-времени.

Важнейшим следствием симметрии  состоит в том, что каждой симметрии  соответствует свой закон сохранения. В частности закон сохранения энергии есть строгое следствие  однородности времени (полная энергия  замкнутой системы тел остается неизменной), а закон сохранения импульса (в замкнутой системе  геометрическая сумма импульсов  остается постоянной) следует из однородности пространства. То же относится к  законам сохранения вещества и заряда. (В замкнутой системе алгебраическая сумма электрических зарядов  остается постоянной).

4.Классическая термодинамика. Понятие энтропии.

Термодинамика описывает  тепловые явления в макромире. Классическая термодинамика сформулировала несколько  принципов, или начал, которые вели к важным мировоззренческим выводам. Первое начало термодинамики основано на представлениях о том, что термодинамическая  система обладает внутренней энергией теплового движения молекул и  потенциальной энергией их взаимодействия.

 Согласно первому началу термодинамики количество теплоты, сообщенное телу, увеличивает его внутрен-нюю энергию и идет на совершение телом работы. Согласно второму началу термодинамики нельзя осуществить работу за счет энергии тел, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, энтропия замкнутой системы возрастает, а ее максимальное значение достигается в состоянии теплового равновесия. Термодинамические процессы необратимы, а предоставленная самой себе система стремится к состоянию теплового равновесия, в котором температуры тел выравниваются.

  Второе начало термодинамики называют также законом возрастания энтропии. Распространение второго начала термодинамики на всю Вселенную, понимаемую как закрытая система, привело к созданию теории тепловой смерти, согласно которой все процессы в мире ведут к состоянию наибольшего равновесия, т.е. хаосу Теория тепловой смерти Вселенной была разработана в середине XIX в. В. Томпсоном и Р. Клаузйусом, ее постулаты звучат следующим образом:

- энергия Вселенной постоянна; 

- энтропия Вселенной,  понимаемой как закрытая система,  возрастает.

 Смысл этих постулатов заключается в том, что со временем все виды энергии во Вселенной превратятся в тепловую, а последняя перестанет претерпевать качественные изменения и преобразовываться в другие формы. Наступившее состояние теплового равновесия будет означать смерть Вселенной. При этом общее количество энергии в мире останется тем же самым, т.е. универсальный закон сохранения энергии не будет нарушен. Теория тепловой смерти сразу же после создания была подвергнута критике.

 В частности, появилась флуктуационная теория Л. Больцмана, согласно которой Вселенная выводится из состояния равновесия с помощью внутренне присущих ей флуктуации. Третьей составляющей классической физики является оптика. На протяжении двух столетий в оптике соперничали корпускулярная и волновая теории, объяснявшие природу световых явлений на разных основаниях. В XVII в. дискуссия развернулась между И. Ньютоном, который придерживался корпускулярной теории, и нидерландским ученым X. Гюйгенсом - сторонником волновой теории.

 В соответствии с теорией И. Ньютона, свет есть поток материальных частиц-корпускул, наделенных неиз-менными свойствами и взаимодействующих с другими частицами в соответствии с законами механики. Согласно теории X. Гюйгенса свет представляет собой волну, распространение которой аналогично распространению волн на поверхности воды, и подчиняется тем же законам. На протяжении XVIII в. большинство ученых придерживалось корпускулярной теории И. Ньютона, несмотря на эвристическую силу и убедительность волновой теории X. Гюйгенса. Немалую роль здесь сыграл непререкаемый авторитет, которым пользовался И. Ньютон в среде научного сообщества.

Понятие «Энтропии».

 Феноменологическая термодинамика свела всю совокупность тепловых явлений в три начала без всякой модели вещества, т. е. они просто описывают все явления (отсюда и термин — феноменологическая). Клаузиус не только уточнил идеи Карно, но отказался от теплорода, объясняя природу теплоты в соответствии с концепцией атомизма. Важную роль в этом сыграла и новая абстрактная величина — энтропия (от греч. entropia— поворот, превращение), введенная им в 1865 г. Клаузиус определил понятие энтропии и показал, что в термически изолированных системах энтропия при обратимых процессах не изменяется, а при реальных и необратимых — растет всегда. Поэтому она является как бы мерой отклонения реальных процессов от идеальных.

  Энтропия, как характеристика состояния системы сыграла в развитии науки фундаментальную роль. Как каждому уровню высоты над поверхностью Земли отвечает своя потенциальная энергия, так и каждому состоянию — своя энтропия. Как работа в поле тяжести не зависит от вида пути, а определяется только изменением потенциальной энергии, так и энтропия не зависит от вида процесса, определяясь только состоянием. Понятие энтропии как функции состояния было введено из рассмотрения квазистатических циклов.

5. Электромагнетизм. Корпускулярная и волновая теории объяснения природы излучения.

Электромагнетизм-группа явлений, вызываемых взаимодействием электрического тока и магнетизма.

Корпускулярно-волновая природа излучения

Волновые свойства света  были экспериментально установлены  ещё в 17-м столетии. О волновой природе света неопровержимо  свидетельствуют чисто волновые явления дифракции - огибания небольших  пространственных препятствий световой волной, а далее интерференции  – возникновения пространственно  чередующихся областей взаимного усиления (в фазе) и взаимного ослабления (в противофазе) налагающихся когерентных  волн, исходящих из двух или нескольких точек пространства (кольца Ньютона, зоны Френеля и т. д.). Механические волны распространяются в сплошной среде, и для световой волны по аналогии также постулировали гипотетическую сплошную среду, которую назвали эфиром.

Во 2-й половине 19 века открыли  электромагнитное поле, и стало ясно, что световая волна представляет его колебания, а эфир - не более, чем гипотетическая модель непрерывной  среды. Ожидаемые свойства эфира  не подтвердились. Оказалось, что оптический видимый диапазон длин волн охватывает лишь очень малую часть огромной шкалы электромагнитного спектра, он в длинноволновой области переходит  в радиочастотный диапазон, а в  коротковолновой – в рентгеновское, а далее в-излучение.

Волновая теория, вытекающая из электродинамики, до мельчайших особенностей объяснила все геометрические закономерности распространения излучения в  пространстве, и в терминах механики это означает, что кинематика света  подчиняется волновым законам.

На рубеже 19-20 веков были экспериментально открыты факты, которые  не укладывались в волновую концепцию  света. Все такие явления затрагивают  взаимодействие излучения и вещества – законы поглощения и испускания (абсорбции и эмиссии) света. Рентгеновское  излучение, имеет ту же природу, что  и видимый свет. Это обычное  электромагнитное поле, но отличается от оптического диапазона очень  малыми длинами волн, наименьшими  из известных в то время. При описании свойств коротковолнового излучения  не удалось ограничиться лишь волновыми  законами, и пришлось ввести корпускулярные представления о структуре электромагнитного  поля.

Среди первичных явлений, необъяснимых без корпускулярной модели оказались фотоэффект, термодинамика  равновесного излучения абсолютно  чёрным телом, и рассеяние рентгеновского излучения веществом (эффект Комптона). Для количественного описания экспериментальных  фактов потребовалось ввести представления  об элементарных частицах электромагнитного  излучения – фотонах, а переносимые  ими порции энергии были названы  квантами. Особенность фотонов состоит  в том, что их масса покоя нулевая.

Возникла, как показалось на первый взгляд, противоречивая ситуация.

С одной стороны движущееся электромагнитное поле - непрерывная  среда, а с другой структурно-дискретное образование – поток частиц-фотонов.

Заключение

Теория относительности  показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении  их характеристик в зависимости  от концентрации масс и их движения. Время и пространство перестали  рассматриваться независимо друг от друга и возникло представление  о пространственно-временном четырехмерном  континууме.

 Направленность времени,  связанная с эволюцией систем, в физических картинах мира  следует из второго начала  термодинамики. Направленность времени,  определяющая принцип причинности,  отличает временные координаты  от пространственных, причем для  одновременных событий нет симметрии  между

 «правым» и «левым».  В современной картине мира  в основу положены необратимые  процессы, и поэтому возможно  единообразное описание живого  и неживого миров.

 Можно сделать вывод  об основных результатах к  которым приходит теория относительности:

- относительность свойств  пространства-времени;