Физические теории

Пространственно-временная область изучаемых физикой объектов

Все физические явления происходят в пространстве и во времени. Пространственно-временные масштабы изучаемых физикой объектов, чьи размеры и характерные промежутки времени от самых больших до самых малых доступны для наблюдения современными физическими методами, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Из таблицы видно, что размеры самих больших и самых маленьких объектов изучения меняются от галактических до внутриядерных, отличаясь в 10⁴⁴ раз. Большие объекты и происходящие в них явления называются макроскопическими, малые – соответственно микроскопическими. Границей между ними служит размер атома, имеющий порядок 10^-10 м. Это очень важная для физики пространственная характеристика. Самые протяженные и самые короткие промежутки времени различаются в 10²⁹ раз. Явления макро- и микромира также различаются продолжительностью происходящих в них процессов.

Естественным масштабом скорости является скорость света в вакууме с =3^.10⁸ м/с. Ее фундаментальное значение заключается в том, что это предельная скорость движения любых физических объектов. Ни частицы, ни поля не могут распространяться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Это фундаментальный закон природы, т.е. закон, основанный на опытных фактах. Скорость света в вакууме с =3^.10⁸ м/с также является весьма важной физической характеристикой, разделяющей два вида движения. Движение со скоростью v<<c называется нерелятивистским, движение со скоростью v≤c называется релятивистским. Напомним, что первая космическая скорость, которую надо сообщить телу, чтобы вывести его на орбиту спутника Земли, составляет около 8 км/с. Эта, с точки зрения современной техники, весьма большая скорость соответствует нерелятивистскому движению.

Физическая теория, отражающая определенный объем знаний о мире, имеет определенную область применимости. Ее границы уточняются по мере накопления новых знаний. Их появление приводит к формированию новой физической теории, которая не отменяет предыдущую, а четко обозначает ее границы применимости и включает ее в новую теорию как частный случай. Уравнения новой теории в определенном предельном переходе превращаются в уравнения предыдущей теории. Это утверждение называется принципом соответствия.

Все современные физические знания можно разделить на две теории: классическую и квантовую. Количественной границей между ними является фундаментальная физическая константа – постоянная Планка h =6,625^.10^-34 Дж^.с. Она называется квантом действия, так как ее размерность соответствует произведению массы на скорость и на длину: mvr, где m- масса частицы, v – скорость ее движения, r – линейные размеры области движения. Частица называется классической и подчиняется законам классической физики, если mvr >> h. Частица называется квантовой и подчиняется законам квантовой физики при выполнении условия mvr ³ h. Для классической частицы описывающие ее величины, имеющие размерность кванта действия, выражаются числами, по сравнению с которыми численное значение постоянной Планка столь мало, что им можно пренебречь и считать равным нулю. Если в квантовых уравнениях численное значение постоянной Планка принять равным нулю, то эти уравнения приобретают вид аналогичных им классических.

Каждая теория – классическая и квантовая подразделяются в зависимости от скорости движения изучаемых объектов на нерелятивистскую (v << c) и релятивистскую (v ≤ c). Для них выполняется тот же принцип соответствия. Релятивистские уравнения в предельном случае v << c, когда можно принять v/c =0, превращаются в свои нерелятивистские аналоги.

Таким образом, в современной физике можно выделить четыре теории: I – классическая нерелятивистская, опирающаяся на законы Ньютона; II - классическая релятивистская, являющаяся теорией относительности Эйнштейна; Ш – квантовая нерелятивистская, выражением которой является уравнение Шредингера; IV – квантовая релятивистская, выражаемая уравнением Дирака. Схематически это выглядит так:

Все поле схемы условно представляет собой область применимости физических теорий, разделенную на четыре части. Стрелки на схеме указывают ту область, которая содержится как частный случай в области применимости той теории, на обозначении поля которой находится стрелка. Таким образом, раздел IV является самой полной физической теорией, применимой для любых классических и квантовых движений. Уравнения этого раздела физики одинаково успешно справятся с расчетом устройств как для наисовременнейших научных исследований (ускорителя заряженных частиц), так и с расчетом любого давно вошедшего в обиход технического устройства, например, автомобиля. Однако применение этих уравнений для расчета автомобиля нецелесообразно, так как их освоение требует значительно большего запаса базовых физико-математических знаний, а значит, и времени, нежели освоение раздела I –классической нерелятивистской физики. Инженерные задачи чаще всего связаны с классическим нерелятивистским движением, поэтому наиболее подробно в технических вузах изучают именно этот раздел физики. Изучение прочих разделов скорее носит ознакомительный характер. Однако, в современной технике используется немало физических явлений и материалов (например, фотоэффект, полупроводники), чей физический механизм объясняет квантовая физика.

Раздел 1. Физические основы механики.