Áèáëèîòåêà
Òåîëîãèÿ
ÊîíôåññèèÈíîñòðàííûå ÿçûêèÄðóãèå ïðîåêòû |
Âàø êîììåíòàðèé î êíèãå Êîíöåïöèè ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿÎÃËÀÂËÅÍÈÅÃëàâà 3 ÏÐÎÑÒÐÀÍÑÒÂÎ, ÂÐÅÌß, ÏÐÈÍÖÈÏÛ ÎÒÍÎÑÈÒÅËÜÍÎÑÒÈ3.1. Íüþòîíîâñêàÿ êîíöåïöèÿ àáñîëþòíîãî ïðîñòðàíñòâà è âðåìåíè. Çàêîíû äâèæåíèÿÂîïðîñû ïðîñòðàíñòâà è âðåìåíè âñåãäà èíòåðåñîâàëè ÷åëîâå÷åñêîå îáùåñòâî. Îäíà èç êîíöåïöèé ýòèõ ïîíÿòèé èäåò îò äðåâíèõ àòîìèñòîâ – Äåìîêðèòà, Ýïèêóðà è äð. Îíè ââåëè â íàó÷íûé îáîðîò ïîíÿòèå ïóñòîãî ïðîñòðàíñòâà è ðàññìàòðèâàëè åãî êàê îäíîðîäíîå è áåñêîíå÷íîå.  ïðîöåññå ñîçäàíèÿ îáùåé êàðòèíû ìèðîçäàíèÿ Èñààê Íüþòîí (1642–1726), êîíå÷íî, òàêæå íå ìîã îáîéòè âîïðîñ ïîíÿòèÿ ïðîñòðàíñòâà è âðåìåíè.  1687 ã. îí îïóáëèêîâàë òðóä «Ìàòåìàòè÷åñêèå íà÷àëà íàòóðàëüíîé ôèëîñîôèè», êîòîðûé ñòàë âåðøèíîé äîñòèæåíèé åñòåñòâîçíàíèÿ XVII â. Ïî Íüþòîíó, ìèð ñîñòîèò èç ìàòåðèè, ïðîñòðàíñòâà è âðåìåíè. Ýòè òðè êàòåãîðèè íåçàâèñèìû äðóã îò äðóãà. Ìàòåðèÿ ðàçìåùàåòñÿ â áåñêîíå÷íîì ïðîñòðàíñòâå. Äâèæåíèå ìàòåðèè ïðîèñõîäèò â ïðîñòðàíñòâå è âðåìåíè. Íüþòîí ðàçäåëÿë ïðîñòðàíñòâî íà àáñîëþòíîå è îòíîñèòåëüíîå. Àáñîëþòíîå ïðîñòðàíñòâî íåïîäâèæíî, áåñêîíå÷íî. Îòíîñèòåëüíîå – ýòî ÷àñòü àáñîëþòíîãî. Òàê æå îí êëàññèôèöèðîâàë è âðåìÿ. Ïîäàáñîëþòíûì, èñòèííûì (ìàòåìàòè÷åñêèì) âðåìåíåì îí ïîíèìàë âðåìÿ, êîòîðîå òå÷åò âñåãäà è âåçäå ðàâíîìåðíî, à îòíîñèòåëüíîå âðåìÿ, ïî Íüþòîíó, åñòü ìåðà ïðîäîëæèòåëüíîñòè, êîòîðàÿ ñóùåñòâóåò â ðåàëüíîé æèçíè: ñåêóíäà, ìèíóòà, ÷àñ, ñóòêè, ìåñÿö, ãîä. Ó Íüþòîíà àáñîëþòíîå âðåìÿ ñóùåñòâóåò è äëèòñÿ ðàâíîìåðíî ñàìî ïî ñåáå, áåçîòíîñèòåëüíî ê êàêèì-ëèáî ñîáûòèÿì. Àáñîëþòíîå ïðîñòðàíñòâî è àáñîëþòíîå âðåìÿ ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé âìåñòèëèùå âñåõ ìàòåðèàëüíûõ òåë è ïðîñòðàíñòâ è íå çàâèñÿò íè îò ýòèõ òåë, íè îò ýòèõ ïðîöåññîâ, íè äðóã îò äðóãà. Ìàññó Íüþòîí îïðåäåëÿåò êàê êîëè÷åñòâî ìàòåðèè è ââîäèò ïîíÿòèå «ïàññèâíîé ñèëû» (ñèëû èíåðöèè) è «àêòèâíîé ñèëû», ñîçäàþùåé äâèæåíèå òåë. Èçó÷èâ è âûÿâèâ çàêîíîìåðíîñòè äâèæåíèÿ, Íüþòîí òàêèì îáðàçîì ñôîðìóëèðîâàë åãî çàêîíû: 1– é çàêîí. Âñÿêîìó òåëó ïðîäîëæàòü ñâîå ñîñòîÿíèå ïîêîÿ èëè ðàâíîìåðíîãî ïðÿìîëèíåéíîãî äâèæåíèÿ, ïîñêîëüêó îíî íå ïðèíóæäàåòñÿ ïðèëîæåííûìè ñèëàìè èçìåíÿòü ýòî ñîñòîÿíèå. 2– é çàêîí. Èçìåíåíèþ äâèæåíèÿ áûòü ïðîïîðöèîíàëüíûì ïðèëîæåííîé äâèæóùåé ñèëå è ïðîèñõîäèòü ïî íàïðàâëåíèþ òîé ïðÿìîé, ïî êîòîðîé ýòà ñèëà äåéñòâóåò. 3– é çàêîí. Äåéñòâèþ âñåãäà âñòðå÷àòü ðàâíîå ïðîòèâîäåéñòâèå, èëè âîçäåéñòâèþ äâóõ òåë äðóã íà äðóãà áûòü ìåæäó ñîáîé ðàâíûìè è íàïðàâëåííûìè â ïðîòèâîïîëîæíûå ñòîðîíû.  íàøå âðåìÿ çíàìåíèòûå çàêîíû ôîðìóëèðóþòñÿ â áîëåå óäîáíîé ôîðìå: > 1. Âñÿêîå ìàòåðèàëüíîå òåëî ñîõðàíÿåò ñîñòîÿíèå ïîêîÿ èëè ðàâíîìåðíîãî ïðÿìîëèíåéíîãî äâèæåíèÿ äî òåõ ïîð, ïîêà âîçäåéñòâèå ñî ñòîðîíû äðóãèõ òåë íå çàñòàâèò åãî èçìåíèòü ýòî ñîñòîÿíèå. Ñòðåìëåíèå òåëà ñîõðàíèòü ñîñòîÿíèå ïîêîÿ èëè ðàâíîìåðíîãî ïðÿìîëèíåéíîãî äâèæåíèÿ íàçûâàåòñÿ èíåðòíîñòüþ. Ïîýòîìó ïåðâûé çàêîí íàçûâàþò òàêæå çàêîíîì èíåðöèè. > 2. Óñêîðåíèå, ïðèîáðåòàåìîå òåëîì, ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíî ñèëå, äåéñòâóþùåé íàòåëî, è îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíî ìàññå òåëà. > 3. Ñèëû, ñ êîòîðûìè äåéñòâóþò äðóã íà äðóãà âçàèìîäåéñòâóþùèå òåëà, ðàâíû ïî âåëè÷èíå è ïðîòèâîïîëîæíû ïî íàïðàâëåíèþ. Âòîðîé çàêîí Íüþòîíà íàì èçâåñòåí â âèäå F = m × a, èëè a = F/m, ãäå óñêîðåíèå à, ïîëó÷àåìîå òåëîì ïîääåéñòâèåì ñèëû F, îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíî ìàññå òåëà m. Âåëè÷èíà m íàçûâàåòñÿ èíåðòíîé ìàññîé òåëà, îíà õàðàêòåðèçóåò ñïîñîáíîñòü òåëà îêàçûâàòü ñîïðîòèâëåíèå äåéñòâóþùåé («àêòèâíîé») ñèëå, òî åñòü ñîõðàíÿòü ñîñòîÿíèå ïîêîÿ. Âòîðîé çàêîí Íüþòîíà ñïðàâåäëèâ òîëüêî â èíåðöèàëüíûõ ñèñòåìàõ îòñ÷åòà. Ïåðâûé çàêîí ìîæíî ïîëó÷èòü èç âòîðîãî, òàê êàê â ñëó÷àå îòñóòñòâèÿ âîçäåéñòâèÿ íà òåëî ñî ñòîðîíû äðóãèõ ñèë óñêîðåíèå òàêæå ðàâíî íóëþ. Îäíàêî ïåðâûé çàêîí ðàññìàòðèâàåòñÿ êàê ñàìîñòîÿòåëüíûé çàêîí, ïîñêîëüêó îí óòâåðæäàåò ñóùåñòâîâàíèå èíåðöèàëüíûõ ñèñòåì îòñ÷åòà. > Èíåðèèàëüíûå ñèñòåìû îòñ÷åòà – ýòî òàêèå ñèñòåìû, â êîòîðûõ ñïðàâåäëèâ çàêîí èíåðöèè: ìàòåðèàëüíàÿ òî÷êà, êîãäà íà íåå íå äåéñòâóþò íèêàêèå ñèëû (èëè äåéñòâóþò ñèëû, âçàèìíî óðàâíîâåøåííûå), íàõîäèòñÿ â ñîñòîÿíèè ïîêîÿ èëè ðàâíîìåðíîãî ïðÿìîëèíåéíîãî äâèæåíèÿ. Òåîðåòè÷åñêè ìîæåò ñóùåñòâîâàòü ñêîëü óãîäíî ðàâíîïðàâíûõ èíåðöèàëüíûõ ñèñòåì îòñ÷åòà, è âî âñåõ òàêèõ ñèñòåìàõ çàêîíû ôèçèêè îäèíàêîâû. Ýòî óòâåðæäàåò ïðèíöèï îòíîñèòåëüíîñòè Ãàëèëåÿ (1636 ã.). Íàó÷íîå äîêàçàòåëüñòâî ñóùåñòâîâàíèÿ âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ è ìàòåìàòè÷åñêîå âûðàæåíèå îïèñûâàþùåãî åãî çàêîíà ñòàëî âîçìîæíûì òîëüêî íà îñíîâå îòêðûòûõ È. Íüþòîíîì çàêîíîâ ìåõàíèêè. Çàêîí âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ áûë ñôîðìóëèðîâàí Íüþòîíîì â òðóäå «Ìàòåìàòè÷åñêèå íà÷àëà íàòóðàëüíîé ôèëîñîôèè» (1687 ã.). Çàêîí âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ Íüþòîí ôîðìóëèðóåò â ñëåäóþùèõ òåçèñàõ: «òÿãîòåíèå ñóùåñòâóåò äëÿ âñåõ òåë âîîáùå è ïðîïîðöèîíàëüíî ìàññå êàæäîãî èç íèõ», «òÿãîòåíèå ê îòäåëüíûì ðàâíûì ÷àñòèöàì òåë îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíî êâàäðàòàì ðàññòîÿíèé ìåñò ê ÷àñòèöàì». Ýòîò çàêîí èçâåñòåí â âèäå: ![]() ãäå m1, ø2 – ìàññû äâóõ ÷àñòèö, r – ðàññòîÿíèå ìåæäó íèìè, G – ãðàâèòàöèîííàÿ ïîñòîÿííàÿ (â ñèñòåìå ÑÈ G = 6,672 · 10-11 ì2/êã2). Ôèçè÷åñêèé ñìûñë ãðàâèòàöèîííîé ïîñòîÿííîé çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî îíà õàðàêòåðèçóåò ñèëó ïðèòÿæåíèÿ äâóõ ìàññ âåñîì â 1 êã íà ðàññòîÿíèè â 1 ì. Îòêðûâ çàêîí âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ, Íüþòîí ñìîã äàòü îòâåò íà âîïðîñ, ïî÷åìó Ëóíà îáðàùàåòñÿ âîêðóã Çåìëè è ïî÷åìó ïëàíåòû äâèæóòñÿ âîêðóã Ñîëíöà.  êàæäîì îòäåëüíîì ñëó÷àå îí ìîã ðàññ÷èòàòü ñèëó òÿãîòåíèÿ. Íî êàê ïåðåäàåòñÿ âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó ìàññàìè, ïðèòÿãèâàþùèìèñÿ äðóã ê äðóãó, êàêîâà ïðèðîäà ýòîé ñèëû, Íüþòîí îáúÿñíèòü íå ìîã.  òðóäàõ Íüþòîíà òÿãîòåíèå – ýòî ñèëà, êîòîðàÿ äåéñòâóåò íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ è êàê áû áåç êàêîãî-òî ìàòåðèàëüíîãî ïîñðåäíèêà. Ýòî ïðèâåëî ê ïîíÿòèþ «äàëüíîäåéñòâèå». Ïðèðîäó «äàëüíîäåéñòâèÿ» Íüþòîí îáúÿñíèòü íå ìîã. Îí äóìàë î êàêîì-òî ìàòåðèàëüíîì «àãåíòå», ñ ïîìîùüþ êîòîðîãî îñóùåñòâëÿåòñÿ ãðàâèòàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå, íî â ðåøåíèè ýòîé ïðîáëåìû îí ïîòåðïåë íåóäà÷ó. Îñíîâûâàÿñü íà çàêîíå âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ Íüþòîíà, íåáåñíàÿ ìåõàíèêà äîïóñêàåò ïðèíöèïèàëüíóþ âîçìîæíîñòü ìãíîâåííîé ïåðåäà÷è ñèãíàëîâ, ÷òî ïðîòèâîðå÷èò ñîâðåìåííîé ôèçèêå (îáùåé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè). Ïîýòîìó áóêâàëüíîå ïîíèìàíèå çàêîíà òÿãîòåíèÿ Íüþòîíà ñ ñîâðåìåííîé òî÷êè çðåíèÿ íåäîïóñòèìî. Íüþòîíîâñêàÿ ìåõàíèñòè÷åñêàÿ ïàðàäèãìà â åñòåñòâîçíàíèè ãîñïîäñòâîâàëà áîëåå 200 ëåò, õîòÿ è ïîäâåðãàëàñü êðèòèêå ïî ðÿäó ïîçèöèé, â òîì ÷èñëå è â ïîíèìàíèè ïðîñòðàíñòâà è âðåìåíè (Ëåéáíèö, Ãåãåëü, Áåðêëè è äð.).  êîíöå XIX è â íà÷àëå XX â. âîçíèêëè ïðèíöèïèàëüíî íîâûå íàó÷íûå ïðåäñòàâëåíèÿ îá îêðóæàþùåé ïðèðîäå. Ïîÿâèëèñü íîâûå ïàðàäèãìû: ñíà÷àëà ðåëÿòèâèñòñêàÿ, à çàòåì êâàíòîâàÿ (ñì. ðàíåå).  ôèçè÷åñêóþ êàðòèíó ìèðà ïîëíîïðàâíî âîøëà êîíöåïöèÿ ïîëÿ êàê ìàòåðèàëüíîé ñðåäû, ñâÿçûâàþùåé ÷àñòèöû âåùåñòâà, âñå ôèçè÷åñêèå îáúåêòû ìàòåðèàëüíîãî ìèðà.  ñîâðåìåííîé ôèçèêå èçâåñòíû ÷åòûðå âèäà âçàèìîäåéñòâèÿ ìàòåðèàëüíûõ îáúåêòîâ: ýëåêòðîìàãíèòíîå, ãðàâèòàöèîííîå, ñèëüíîå è ñëàáîå (ñì. âûøå). Îíè îòâåòñòâåííû çà âñå ïðîöåññû âçàèìîäåéñòâèÿ. 3.2. Çàêîíû ñîõðàíåíèÿÐàññìîòðèì íàèáîëåå îáùèå çàêîíû ñîõðàíåíèÿ, êîòîðûì ïîä÷èíÿåòñÿ âåñü ìàòåðèàëüíûé ìèð è êîòîðûå ââîäÿò â ôèçèêó ðÿä ôóíäàìåíòàëüíûõ ïîíÿòèé: ýíåðãèÿ, êîëè÷åñòâî äâèæåíèÿ (èìïóëüñ), ìîìåíò èìïóëüñà, çàðÿä. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ èìïóëüñàÊàê èçâåñòíî, êîëè÷åñòâîì äâèæåíèÿ, èëè èìïóëüñîì, íàçûâàþò ïðîèçâåäåíèå ñêîðîñòè íà ìàññó äâèæóùåãîñÿ òåëà: p = mv Ýòà ôèçè÷åñêàÿ âåëè÷èíà ïîçâîëÿåò íàéòè èçìåíåíèå äâèæåíèÿ òåëà çà êàêîé-íèáóäü îïðåäåëåííûé ïðîìåæóòîê âðåìåíè. Äëÿ ðåøåíèÿ ýòîé çàäà÷è ñëåäîâàëî áû ïðèìåíÿòü âòîðîé çàêîí Íüþòîíà áåñ÷èñëåííîå ÷èñëî ðàç, âî âñå ïðîìåæóòî÷íûå ìîìåíòû âðåìåíè. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ êîëè÷åñòâà äâèæåíèÿ (èìïóëüñà) ìîæíî ïîëó÷èòü, èñïîëüçóÿ âòîðîé è òðåòèé çàêîíû Íüþòîíà. Åñëè ðàññìàòðèâàòü äâå (èëè áîëåå) ìàòåðèàëüíûå òî÷êè (òåëà), âçàèìîäåéñòâóþùèå ìåæäó ñîáîé è îáðàçóþùèå ñèñòåìó, èçîëèðîâàííóþ îò äåéñòâèÿ âíåøíèõ ñèë, òî çà âðåìÿ äâèæåíèÿ èìïóëüñû êàæäîé òî÷êè (òåëà) ìîãóò èçìåíÿòüñÿ, íî îáùèé èìïóëüñ ñèñòåìû äîëæåí îñòàâàòüñÿ íåèçìåííûì: m1v+ m1v2 = const. Âçàèìîäåéñòâóþùèå òåëà îáìåíèâàþòñÿ èìïóëüñàìè ïðè ñîõðàíåíèè îáùåãî èìïóëüñà.  îáùåì ñëó÷àå ïîëó÷àåì: ![]() ãäå PΣ – îáùèé, ñóììàðíûé èìïóëüñ ñèñòåìû, mivi – èìïóëüñû îòäåëüíûõ âçàèìîäåéñòâóþùèõ ÷àñòåé ñèñòåìû. Ñôîðìóëèðóåì çàêîí ñîõðàíåíèÿ èìïóëüñà: > Åñëè ñóììà âíåøíèõ ñèë ðàâíà íóëþ, èìïóëüñ ñèñòåìû òåë îñòàåòñÿ ïîñòîÿííûì ïðè ëþáûõ ïðîèñõîäÿùèõ â íåé ïðîöåññàõ. Ïðèìåð äåéñòâèÿ çàêîíà ñîõðàíåíèÿ èìïóëüñà ìîæíî ðàññìîòðåòü íà ïðîöåññå âçàèìîäåéñòâèÿ ëîäêè ñ ÷åëîâåêîì, êîòîðàÿ óòêíóëàñü íîñîì â áåðåã, à ÷åëîâåê â ëîäêå áûñòðî èäåò èç êîðìû â íîñ ñî ñêîðîñòüþ v1.  ýòîì ñëó÷àå ëîäêà îòîéäåò îò áåðåãà ñî ñêîðîñòüþ v2: ![]() Àíàëîãè÷íûé ïðèìåð ìîæíî ïðèâåñòè ñî ñíàðÿäîì, êîòîðûé ðàçîðâàëñÿ â âîçäóõå íà íåñêîëüêî ÷àñòåé. Âåêòîðíàÿ ñóììà èìïóëüñîâ âñåõ îñêîëêîâ ðàâíà èìïóëüñó ñíàðÿäà äî ðàçðûâà. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ìîìåíòà èìïóëüñàÂðàùåíèå òâåðäûõ òåë óäîáíî õàðàêòåðèçîâàòü ôèçè÷åñêîé âåëè÷èíîé, êîòîðàÿ íàçûâàåòñÿ ìîìåíòîì èìïóëüñà. Ïðè âðàùåíèè òâåðäîãî òåëà âîêðóã íåïîäâèæíîé îñè êàæäàÿ îòäåëüíàÿ ÷àñòèöà òåëà äâèæåòñÿ ïî îêðóæíîñòè ðàäèóñîì ri ñ êàêîé-òî ëèíåéíîé ñêîðîñòüþ vi. Ñêîðîñòü vi è èìïóëüñ p = mivi ïåðïåíäèêóëÿðíû ðàäèóñó ri. Ïðîèçâåäåíèå èìïóëüñà p = mivi íà ðàäèóñ ri íàçûâàåòñÿ ìîìåíòîì èìïóëüñà ÷àñòèöû: Li = mi vi ri = Pi ri · Ìîìåíò èìïóëüñà âñåãî òåëà: ![]() Åñëè çàìåíèòü ëèíåéíóþ ñêîðîñòü óãëîâîé ù (vi = ωri), òî ![]() ãäå J = mr2– ìîìåíò èíåðöèè. Ìîìåíò èìïóëüñà çàìêíóòîé ñèñòåìû íå èçìåíÿåòñÿ âî âðåìåíè, òî åñòü L = const è Jω = const. Ïðè ýòîì ìîìåíòû èìïóëüñà îòäåëüíûõ ÷àñòèö âðàùàþùåãîñÿ òåëà ìîãóò êàê óãîäíî èçìåíÿòüñÿ, îäíàêî îáùèé ìîìåíò èìïóëüñà (ñóììà ìîìåíòîâ èìïóëüñà îòäåëüíûõ ÷àñòåé òåëà) îñòàåòñÿ ïîñòîÿííûì. Ïðîäåìîíñòðèðîâàòü çàêîí ñîõðàíåíèÿ ìîìåíòà èìïóëüñà ìîæíî, íàáëþäàÿ âðàùåíèå ôèãóðèñòà íà êîíüêàõ ñ ðóêàìè, âûòÿíóòûìè â ñòîðîíû, è ñ ðóêàìè, ïîäíÿòûìè íàä ãîëîâîé. Òàê êàê Jω = const, òî âî âòîðîì ñëó÷àå ìîìåíò èíåðöèè J óìåíüøàåòñÿ, çíà÷èò, ïðè ýòîì äîëæíà âîçðàñòè óãëîâàÿ ñêîðîñòü ù, òàê êàê Jω = const. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèèÝíåðãèÿ – ýòî óíèâåðñàëüíàÿ ìåðà ðàçëè÷íûõ ôîðì äâèæåíèÿ è âçàèìîäåéñòâèÿ. Ýíåðãèÿ, îòäàííàÿ îäíèì òåëîì äðóãîìó, âñåãäà ðàâíà ýíåðãèè, ïîëó÷åííîé äðóãèì òåëîì. Äëÿ êîëè÷åñòâåííîé îöåíêè ïðîöåññà îáìåíà ýíåðãèåé ìåæäó âçàèìîäåéñòâóþùèìè òåëàìè â ìåõàíèêå ââîäèòñÿ ïîíÿòèå ðàáîòû ñèëû, âûçûâàþùåé äâèæåíèå. Êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ìåõàíè÷åñêîé ñèñòåìû – ýòî ýíåðãèÿ ìåõàíè÷åñêîãî äâèæåíèÿ ýòîé ñèñòåìû. Ñèëà, âûçûâàþùàÿ äâèæåíèå òåëà, ñîâåðøàåò ðàáîòó, à ýíåðãèÿ äâèæóùåãîñÿ òåëà âîçðàñòàåò íà âåëè÷èíó çàòðà÷åííîé ðàáîòû. Êàê èçâåñòíî, òåëî ìàññîé m, äâèæóùååñÿ ñî ñêîðîñòüþ v, îáëàäàåò êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèåé E = mv2/2. Ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ – ýòî ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ñèñòåìû òåë, êîòîðûå âçàèìîäåéñòâóþò ïîñðåäñòâîì ñèëîâûõ ïîëåé, íàïðèìåð ïîñðåäñòâîì ãðàâèòàöèîííûõ ñèë. Ðàáîòà, ñîâåðøàåìàÿ ýòèìè ñèëàìè, ïðè ïåðåìåùåíèè òåëà èç îäíîãî ïîëîæåíèÿ â äðóãîå íå çàâèñèò îò òðàåêòîðèè äâèæåíèÿ, à çàâèñèò òîëüêî îò íà÷àëüíîãî è êîíå÷íîãî ïîëîæåíèÿ òåëà â ñèëîâîì ïîëå. Òàêèå ñèëîâûå ïîëÿ íàçûâàþò ïîòåíöèàëüíûìè, à ñèëû, äåéñòâóþùèå â íèõ, – êîíñåðâàòèâíûìè. Ãðàâèòàöèîííûå ñèëû ÿâëÿþòñÿ êîíñåðâàòèâíûìè ñèëàìè, à ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ òåëà ìàññîé m, ïîäíÿòîãî íà âûñîòó h íàä ïîâåðõíîñòüþ Çåìëè, ðàâíà Åïîò = mgh, ãäå g – óñêîðåíèå ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ. Ïîëíàÿ ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ðàâíà ñóììå êèíåòè÷åñêîé è ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè: E = Åêèí + Åïîò Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè (1686 ã., Ëåéáíèö) ãëàñèò, ÷òî â ñèñòåìå òåë, ìåæäó êîòîðûìè äåéñòâóþò òîëüêî êîíñåðâàòèâíûå ñèëû, ïîëíàÿ ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ñîõðàíÿåòñÿ íåèçìåííîé âî âðåìåíè. Ïðè ýòîì ìîãóò ïðîèñõîäèòü ïðåâðàùåíèÿ êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè â ïîòåíöèàëüíóþ è îáðàòíî â ýêâèâàëåíòíûõ êîëè÷åñòâàõ. Ñóùåñòâóþò åùå îäèí âèä ñèñòåì, â êîòîðûõ ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ìîæåò óìåíüøàòüñÿ çà ñ÷åò ïðåîáðàçîâàíèÿ â äðóãèå ôîðìû ýíåðãèè. Íàïðèìåð, ïðè äâèæåíèè ñèñòåìû ñ òðåíèåì ÷àñòü ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè óìåíüøàåòñÿ çà ñ÷åò òðåíèÿ. Òàêèå ñèñòåìû íàçûâàþòñÿ äèññèïàòèâíûìè, òî åñòü ñèñòåìàìè, ðàññåèâàþùèìè ìåõàíè÷åñêóþ ýíåðãèþ.  òàêèõ ñèñòåìàõ çàêîí ñîõðàíåíèÿ ïîëíîé ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè íåñïðàâåäëèâ. Îäíàêî ïðè óìåíüøåíèè ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè âñåãäà âîçíèêàåò ýêâèâàëåíòíîå ýòîìó óìåíüøåíèþ êîëè÷åñòâî ýíåðãèè äðóãîãî âèäà. Òàêèì îáðàçîì, ýíåðãèÿ íèêîãäà íå èñ÷åçàåò è íå ïîÿâëÿåòñÿ âíîâü, îíà ëèøü ïðåâðàùàåòñÿ èç îäíîãî âèäà â äðóãîé. Çäåñü ïðîÿâëÿåòñÿ ñâîéñòâî íåóíè÷òîæèìîñòè ìàòåðèè è åå äâèæåíèÿ. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ çàðÿäà Ýëåêòðè÷åñêèå çàðÿäû – ýòî èñòî÷íèêè ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ. Âñÿ ñîâîêóïíîñòü ýëåêòðè÷åñêèõ ÿâëåíèé åñòü ïðîÿâëåíèå ñóùåñòâîâàíèÿ äâèæåíèÿ è âçàèìîäåéñòâèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ çàðÿäîâ.  êîíöå XIX â. àíãëèéñêèì ôèçèêîì Òîìñîíîì áûë îòêðûò ýëåêòðîí – íîñèòåëü îòðèöàòåëüíîãî ýëåìåíòàðíîãî ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà (-1,6 · 10-19 Êë), à â íà÷àëå XX â. Ðåçåðôîðä îòêðûë ïðîòîí, îáëàäàþùèé òàêèì æå ïî âåëè÷èíå ýëåìåíòàðíûì ïîëîæèòåëüíûì çàðÿäîì. Ïîñêîëüêó êàæäàÿ ÷àñòèöà õàðàêòåðèçóåòñÿ îïðåäåëåííûì, ïðèñóùèì åé ýëåêòðè÷åñêèì çàðÿäîì, çàêîí ñîõðàíåíèÿ çàðÿäà ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ñëåäñòâèå ñîõðàíåíèÿ ÷èñëà ÷àñòèö, åñëè ïðè ýòîì íå ïðîèñõîäèò âçàèìîïðåâðàùåíèÿ ÷àñòèö. Ïðè ýëåêòðèçàöèè ôèçè÷åñêèõ òåë ÷èñëî çàðÿæåííûõ ÷àñòèö íå ìåíÿåòñÿ, à ïðîèñõîäèò ëèøü èõ ïåðåðàñïðåäåëåíèå â ïðîñòðàíñòâå.  îáùåì çàêîí ñîõðàíåíèÿ çàðÿäà ìîæíî ñôîðìóëèðîâàòü òàê: > â çàìêíóòîé ñèñòåìå àëãåáðàè÷åñêàÿ ñóììà çàðÿäîâ ñèñòåìû îñòàåòñÿ íåèçìåííîé âî âðåìåíè, êàêèå áû ïðîöåññû íè ïðîèñõîäèëè âíóòðè ýòîé çàìêíóòîé ñèñòåìû. Òàêîå ïîíÿòèå ñóùåñòâîâàëî â ôèçèêå äàâíî, à â 1843 ã. Ì. Ôàðàäåé ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîäòâåðäèë ýòîò çàêîí. Êàê è äðóãèå çàêîíû ñîõðàíåíèÿ, çàêîí ñîõðàíåíèÿ çàðÿäà ñïðàâåäëèâ íà âñåõ ñòðóêòóðíûõ óðîâíÿõ ìàòåðèàëüíîãî ìèðà. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ çàðÿäà âìåñòå ñ çàêîíîì ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè õàðàêòåðèçóåò óñòîé÷èâîñòü ýëåêòðîíà. Îí íå ìîæåò ïðåâðàòèòüñÿ ñàìîïðîèçâîëüíî â áîëåå òÿæåëóþ ÷àñòèöó èëè â áîëåå ëåãêóþ.  ïåðâîì ñëó÷àå ýòî íå ïîçâîëÿåò çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè, à âî âòîðîì – çàêîí ñîõðàíåíèÿ çàðÿäà. 3.3. Ïðèíöèïû ñîâðåìåííîé ôèçèêèÏðèíöèï ñèììåòðèèÏîä ñèììåòðèåé ïîíèìàþò îäíîðîäíîñòü, ïðîïîðöèîíàëüíîñòü, ãàðìîíèþ êàêèõ-òî ìàòåðèàëüíûõ îáúåêòîâ. Àñèììåòðèÿ – ïîíÿòèå ïðîòèâîïîëîæíîå. Ëþáîé ôèçè÷åñêèé îáúåêò ñîäåðæèò ýëåìåíòû ñèììåòðèè è àñèììåòðèè. Ðàññìîòðèì ñèììåòðèè â ôèçèêå, õèìèè è áèîëîãèè.  ôèçèêå ñèììåòðèÿ îïðåäåëÿåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì: åñëè ôèçè÷åñêèå çàêîíû íå ìåíÿþòñÿ ïðè îïðåäåëåííûõ ïðåîáðàçîâàíèÿõ, êîòîðûì ìîæåò áûòü ïîäâåðãíóòà ñèñòåìà (ôèçè÷åñêèé îáúåêò), òî ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî ýòè çàêîíû îáëàäàþò ñèììåòðèåé (èëè èíâàðèàíòíû) îòíîñèòåëüíî ýòèõ ïðåîáðàçîâàíèé. Ñèììåòðèè äåëÿò íà ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííûå è âíóòðåííèå, ïîñëåäíèå îòíîñÿòñÿ òîëüêî ê ìèêðîìèðó. Ñðåäè ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííûõ ðàññìîòðèì îñíîâíûå. 1. Ñäâèã âðåìåíè. Èçìåíåíèå íà÷àëà îòñ÷åòà íå èçìåíÿåò ôèçè÷åñêèõ çàêîíîâ. Âðåìÿ îäíîðîäíî ïî âñåìó ïðîñòðàíñòâó. 2. Ñäâèã ñèñòåìû îòñ÷åòà ïðîñòðàíñòâåííûõ êîîðäèíàò. Òàêàÿ îïåðàöèÿ íå èçìåíÿåò ôèçè÷åñêèõ çàêîíîâ. Âñå òî÷êè ïðîñòðàíñòâà ðàâíîïðàâíû, è ïðîñòðàíñòâî îäíîðîäíî. 3. Ïîâîðîò ñèñòåìû îòñ÷åòà ïðîñòðàíñòâåííûõ êîîðäèíàò òàêæå ñîõðàíÿåò ôèçè÷åñêèå çàêîíû íåèçìåííûìè – çíà÷èò, ïðîñòðàíñòâî èçîòðîïíî. 4. Êëàññè÷åñêèé ïðèíöèï îòíîñèòåëüíîñòè Ãàëèëåÿ óñòàíàâëèâàåò ñèììåòðèþ ìåæäó ïîêîåì è ðàâíîìåðíûì ïðÿìîëèíåéíûì äâèæåíèåì. 5. Îáðàùåíèå çíàêà âðåìåíè íå èçìåíÿåò ôóíäàìåíòàëüíûõ çàêîíîâ â ìàêðîìèðå, òî åñòü ïðîöåññû ìàêðîìèðà ìîãóò îïèñûâàòüñÿ è ïðè îáðàùåíèè çíàêà âðåìåíè. Íà óðîâíå ìàêðîìèðà íàáëþäàåòñÿ íåîáðàòèìîñòü ïðîöåññîâ, òàê êàê îíè ñâÿçàíû ñ íåðàâíîâåñíûì ñîñòîÿíèåì Âñåëåííîé.  õèìèè ñèììåòðèè ïðîÿâëÿþòñÿ â ãåîìåòðè÷åñêîé êîíôèãóðàöèè ìîëåêóë. Ýòî îïðåäåëÿåò êàê õèìè÷åñêèå, òàê è ôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà ìîëåêóë. Áîëüøèíñòâî ïðîñòûõ ìîëåêóë èìåþò îñè ñèììåòðèè, ïëîñêîñòè ñèììåòðèè. Íàïðèìåð, ìîëåêóëà àììèàêà NH3 ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïðàâèëüíóþ òðåóãîëüíóþ ïèðàìèäó, ìîëåêóëà ìåòàíà CH4 – ïðàâèëüíûé òåòðàýäð. Ïðåäñòàâëåíèÿ î ñèììåòðèè âåñüìà ïîëåçíû ïðè òåîðåòè÷åñêîì àíàëèçå ñòðîåíèÿ êîìïëåêñíûõ ñîåäèíåíèé, èõ ñâîéñòâ è ïîâåäåíèÿ.  áèîëîãèè ñèììåòðèè äàâíî èçó÷àþòñÿ ñïåöèàëèñòàìè. Íàèáîëüøèé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿåò ñòðóêòóðíàÿ ñèììåòðèÿ áèîîáúåêòîâ. Îíà ïðîÿâëÿåòñÿ â âèäå òîãî èëè èíîãî çàêîíîìåðíîãî ïîâòîðåíèÿ. Íà íèçøèõ ýòàïàõ ðàçâèòèÿ æèâîé ïðèðîäû âñòðå÷àþòñÿ ïðåäñòàâèòåëè âñåõ êëàññîâ òî÷å÷íîé ñèììåòðèè (ïðàâèëüíûå ìíîãîãðàííèêè, øàðû). Íà áîëåå âûñîêèõ ñòóïåíÿõ ýâîëþöèè âñòðå÷àþòñÿ ðàñòåíèÿ è æèâîòíûå â îñíîâíîì ñ àêñèàëüíîé è àêòèíîìîðôíîé ñèììåòðèåé. Áèîîáúåêòû ñ àêñèàëüíîé ñèììåòðèåé õàðàêòåðèçóþòñÿ îñüþ ñèììåòðèè (ìåäóçà, öâåòîê ôëîêñà), à ñ àêòèíîìîðôíîé – îñüþ ñèììåòðèè è ïåðåñåêàþùèìèñÿ íà ýòîé îñè ïëîñêîñòÿìè (íàïðèìåð, áàáî÷êà ñ äâóñòîðîííåé ñèììåòðèåé). Øèðîêî èçâåñòíà ñèììåòðèÿ êðèñòàëëîâ. Ýòî ñâîéñòâî êðèñòàëëîâ êàê áû ñîâìåùàòüñÿ ñ ñîáîé â ðàçëè÷íûõ ïîëîæåíèÿõ ïóòåì ïîâîðîòîâ, îòðàæåíèé, ïàðàëëåëüíûõ ïåðåíîñîâ. Ñèììåòðèÿ âíåøíåé ôîðìû êðèñòàëëîâ îïðåäåëÿåòñÿ ñèììåòðèåé èõ àòîìíîãî ñòðîåíèÿ. Âñå ýòî ñâÿçàíî ñ ñèììåòðèåé ôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâ êðèñòàëëîâ. Ñèììåòðèÿ è çàêîíû ñîõðàíåíèÿ 1918 ã. íåìåöêèé ìàòåìàòèê Ýììè Íåòåð äîêàçàëà ôóíäàìåíòàëüíóþ òåîðåìó, óñòàíàâëèâàþùóþ ñâÿçü ìåæäó ñâîéñòâàìè ñèììåòðèè è çàêîíàìè ñîõðàíåíèÿ. Ñóòü òåîðåìû â òîì, ÷òî íåïðåðûâíûìè ïðåîáðàçîâàíèÿìè â ïðîñòðàíñòâå-âðåìåíè, îñòàâëÿþùèìè èíâàðèàíòíûì äåéñòâèå, ÿâëÿþòñÿ: ñäâèã âî âðåìåíè, ñäâèã â ïðîñòðàíñòâå, òðåõìåðíîå ïðîñòðàíñòâåííîå âðàùåíèå, ÷åòûðåõìåðíûå âðàùåíèÿ â ïðîñòðàíñòâå-âðåìåíè. Ñîãëàñíî òåîðåìå Íåòåð, èç èíâàðèàíòíîñòè îòíîñèòåëüíî ñäâèãà âî âðåìåíè ñëåäóåò çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè; èç èíâàðèàíòíîñòè îòíîñèòåëüíî ïðîñòðàíñòâåííûõ ñäâèãîâ – çàêîí ñîõðàíåíèÿ èìïóëüñà; èç èíâàðèàíòíîñòè îòíîñèòåëüíî ïðîñòðàíñòâåííîãî âðàùåíèÿ – çàêîí ñîõðàíåíèÿ ìîìåíòà èìïóëüñà; èíâàðèàíòíîñòü îòíîñèòåëüíî ïðåîáðàçîâàíèé Ëîðåíöà (÷åòûðåõìåðíûå âðàùåíèÿ â ïðîñòðàíñòâå-âðåìåíè) – îáîáùåííûé çàêîí äâèæåíèÿ öåíòðà ìàññ: öåíòð ìàññ ðåëÿòèâèñòñêîé ñèñòåìû äâèæåòñÿ ðàâíîìåðíî è ïðÿìîëèíåéíî. Òåîðåìà Íåòåð îòíîñèòñÿ íå òîëüêî ê ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííûì ñèììåòðèÿì, íî è ê âíóòðåííèì. Íàïðèìåð, ïðè âñåõ ïðåâðàùåíèÿõ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö ñóììà ýëåêòðè÷åñêèõ çàðÿäîâ ÷àñòèö ñîõðàíÿåòñÿ íåèçìåííîé. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ çàðÿäà â ìàêðîñèñòåìàõ áûë ïîäòâåðæäåí ýêñïåðèìåíòàëüíûì ïóòåì çàäîëãî äî Íåòåð, â 1843 ã. Ì. Ôàðàäååì. Ñòðîãîãî íàó÷íîãî îáúÿñíåíèÿ ïðè÷èí âûïîëíåíèÿ çàêîíà ñîõðàíåíèÿ çàðÿäà ïîêà íåò. Ïðèíöèï äîïîëíèòåëüíîñòèÏðèíöèï äîïîëíèòåëüíîñòè ÿâëÿåòñÿ îñíîâîïîëàãàþùèì â ñîâðåìåííîé ôèçèêå. Ïîíÿòèå äîïîëíèòåëüíîñòè áûëî ââåäåíî â íàóêó Í. Áîðîì â 1928 ã. Ýòî áûëî âðåìÿ ñòàíîâëåíèÿ êâàíòîâîé ìåõàíèêè. Òðóäíî ïåðåîöåíèòü çíà÷åíèå ïðèíöèïà äîïîëíèòåëüíîñòè äëÿ ðàçâèòèÿ íàøèõ ïðåäñòàâëåíèé î ìèðå è ïîçíàíèÿ ðàçëè÷íûõ çàêîíîìåðíîñòåé. Ìû ïðàêòè÷åñêè âñåãäà îïåðèðóåì ïðèíöèïîì äîïîëíèòåëüíîñòè. Òàê, äëÿ õàðàêòåðèñòèêè ìíîãèõ ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ èñïîëüçóåòñÿ îäíîâðåìåííî äâå âåëè÷èíû. Íàïðèìåð, ïðè îöåíêå äâèæåíèÿ ìàòåðèàëüíîé òî÷êè – êîîðäèíàòà òî÷êè è åå ñêîðîñòü. Îäíà âåëè÷èíà êàê áû äîïîëíÿåò äðóãóþ. Ýòî õàðàêòåðíî ïðàêòè÷åñêè äëÿ ëþáûõ äâèæóùèõñÿ ìàòåðèàëüíûõ îáúåêòîâ. Òàê ðàáîòàåò íà ïðàêòèêå ïðèíöèï äîïîëíèòåëüíîñòè. Îñîáåííî ÿðêî ïðèíöèï äîïîëíèòåëüíîñòè âûñòóïàåò â ìèêðîìèðå. Âñå ìèêðî÷àñòèöû èìåþò äóàëèñòè÷åñêóþ êîðïóñêóëÿðíî-âîëíî-âóþ ïðèðîäó. Èíñòðóìåíòàëüíûå ñïîñîáû ïîçâîëèëè îáíàðóæèòü ýòó äâîéñòâåííîñòü ìèêðî÷àñòèö ñíà÷àëà ó ôîòîíà, çàòåì ó ýëåêòðîíà è äðóãèõ ìèêðî÷àñòèö. Ëþáîå óñòðîéñòâî äëÿ äåòåêòèðîâàíèÿ ìèêðî÷àñòèö ðåãèñòðèðóåò èõ êàê íå÷òî öåëîå, ëîêàëèçîâàííîå â âåñüìà ìàëîé îáëàñòè ïðîñòðàíñòâà. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ìîæíî íàáëþäàòü äèôðàêöèþ è èíòåðôåðåíöèþ ýòèõ æå ìèêðî÷àñòèö íà êðèñòàëëè÷åñêèõ ðåøåòêàõ èëè èñêóññòâåííî ñîçäàííûõ ïðåïÿòñòâèÿõ ïðè èõ äâèæåíèè, òî åñòü ìèêðî÷àñòèöû îáëàäàþò âûðàæåííûìè âîëíîâûìè ñâîéñòâàìè. Îäíàêî ïðè îöåíêå ÿâëåíèé îêðóæàþùåãî íàñ ìèðà ìû íàõîäèìñÿ â ïëåíó íàøèõ ìàêðîñêîïè÷åñêèõ ïðåäñòàâëåíèé. Ïîýòîìó íàáëþäàòåëü, îöåíèâàÿ ìèêðîïðîöåññû, äîëæåí, ïðèíèìàÿ áåç ñîìíåíèÿ ìèêðî÷àñòèöû êàê ëîêàëèçîâàííûå îáúåêòû (÷àñòèöû èëè êîðïóñêóëû), îäíîâðåìåííî «äîìûñëèâàòü» èõ âîëíîâûå ñâîéñòâà. Íàáëþäàòåëü äîëæåí ïðèìåíÿòü äâà äîïîëíÿþùèõ äðóã äðóãà ïîíÿòèÿ. Òîëüêî â ñîâîêóïíîñòè ýòèõ äâóõ íàáîðîâ ïîíÿòèé èíôîðìàöèÿ î ìèêðîïðîöåññàõ áóäåò äîñòîâåðíîé. Òàêèì îáðàçîì, îäíà õàðàêòåðèñòèêà ñïîñîáíà îòðàçèòü òîëüêî ÷àñòü èñòèíû, à ñîáðàâ ïðîòèâîðå÷àùèå äðóã äðóãó õàðàêòåðèñòèêè îäíîãî îáúåêòà, ìîæíî ïîëó÷èòü ïîëíóþ êàðòèíó ýòîãî îáúåêòà.  îáùåé ôîðìå ïðèíöèï äîïîëíèòåëüíîñòè ìîæíî ñôîðìóëèðîâàòü òàê: >  îáëàñòè êâàíòîâûõ ÿâëåíèé íàèáîëåå îáùèå ôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà êàêîé-ëèáî ñèñòåìû äîëæíû áûòü âûðàæåíû ñ ïîìîùüþ äîïîëíÿþùèõ äðóã äðóãà ïàð íåçàâèñèìûõ ïåðåìåííûõ, êàæäàÿ èç êîòîðûõ ìîæåò áûòü ëó÷øå îïðåäåëåíà òîëüêî çà ñ÷åò ñîîòâåòñòâóþùåãî óìåíüøåíèÿ ñòåïåíè îïðåäåëåííîñòè äðóãîé.[2] Ïðèíöèï íåîïðåäåëåííîñòè ÃåéçåíáåðãàÏðèíöèï íåîïðåäåëåííîñòè ÿâëÿåòñÿ ôóíäàìåíòàëüíûì çàêîíîì ìèêðîìèðà. Åãî ìîæíî ñ÷èòàòü ÷àñòíûì âûðàæåíèåì ïðèíöèïà äîïîëíèòåëüíîñòè.  êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêå ÷àñòèöà äâèæåòñÿ ïî îïðåäåëåííîé òðàåêòîðèè, è â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè âîçìîæíî òî÷íî îïðåäåëèòü åå êîîðäèíàòû è åå èìïóëüñ. Îòíîñèòåëüíî ìèêðî÷àñòèöû òàêîå ïðåäñòàâëåíèå íåïðàâîìåðíî. Ìèêðî÷àñòèöà íå èìååò ÷åòêî âûðàæåííîé òðàåêòîðèè, îíà îáëàäàåò è ñâîéñòâàìè ÷àñòèöû, è ñâîéñòâàìè âîëíû (êîðïóñêóëÿðíî-âîëíîâîé äóàëèçì).  ýòîì ñëó÷àå ïîíÿòèå «äëèíà âîëíû â äàííîé òî÷êå» íå èìååò ôèçè÷åñêîãî ñìûñëà, à ïîñêîëüêó èìïóëüñ ìèêðî÷àñòèöû âûðàæàåòñÿ ÷åðåç äëèíó âîëíû – p = ê/ë, òî îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî ìèêðî÷àñòèöà ñ îïðåäåëåííûì èìïóëüñîì èìååò ïîëíîñòüþ íåîïðåäåëåííóþ êîîðäèíàòó, è íàîáîðîò. Â. Ãåéçåíáåðã (1927 ã.), ó÷èòûâàÿ äâîéñòâåííóþ ïðèðîäó ìèêðî÷àñòèö, ïðèøåë ê âûâîäó, ÷òî íåâîçìîæíî îäíîâðåìåííî ñ ëþáîé íàïåðåä çàäàííîé òî÷íîñòüþ õàðàêòåðèçîâàòü ìèêðî÷àñòèöó è êîîðäèíàòàìè, è èìïóëüñîì. Ñîîòíîøåíèÿìè íåîïðåäåëåííîñòåé Ãåéçåíáåðãà íàçûâàþòñÿ íåðàâåíñòâà: Δx · Δpx ≥ h, Δy · Δpy ≥ h, Δz · Δpz ≥ h. Çäåñü Δx, Δy, Δz îçíà÷àþò èíòåðâàëû êîîðäèíàò, â êîòîðûõ ìîæåò áûòü ëîêàëèçîâàíà ìèêðî÷àñòèöà (ýòè èíòåðâàëû è åñòü íåîïðåäåëåííîñòè êîîðäèíàò), Δpx, Δpy, Δpz îçíà÷àþò èíòåðâàëû ïðîåêöèé èìïóëüñà íà êîîðäèíàòíûå îñè x, y, z, h – ïîñòîÿííàÿ Ïëàíêà. Ñîãëàñíî ïðèíöèïó íåîïðåäåëåííîñòåé, ÷åì òî÷íåå ôèêñèðóåòñÿ èìïóëüñ, òåì çíà÷èòåëüíåå áóäåò íåîïðåäåëåííîñòü ïî êîîðäèíàòå, è íàîáîðîò. Ïðèíöèï ñîîòâåòñòâèÿÏî ìåðå ðàçâèòèÿ íàóêè, óãëóáëåíèÿ íàêîïëåííûõ çíàíèé íîâûå òåîðèè ñòàíîâÿòñÿ áîëåå òî÷íûìè. Íîâûå òåîðèè îõâàòûâàþò âñå áîëåå øèðîêèå ãîðèçîíòû ìàòåðèàëüíîãî ìèðà è ïðîíèêàþò â ðàíåå íåèçâåäàííûå ãëóáèíû. Äèíàìè÷åñêèå òåîðèè ñìåíÿþòñÿ ñòàòè÷åñêèìè. Êàæäàÿ ôóíäàìåíòàëüíàÿ òåîðèÿ èìååò îïðåäåëåííûå ãðàíèöû ïðèìåíèìîñòè. Ïîýòîìó ïîÿâëåíèå íîâîé òåîðèè íå îçíà÷àåò ïîëíîãî îòðèöàíèÿ ñòàðîé. Òàê, äâèæåíèå òåë â ìàêðîìèðå ñî ñêîðîñòÿìè çíà÷èòåëüíî ìåíüøèìè, ÷åì ñêîðîñòü ñâåòà, âñåãäà áóäåò îïèñûâàòüñÿ êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêîé Íüþòîíà. Îäíàêî ïðè ñêîðîñòÿõ, ñîèçìåðèìûõ ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà (ðåëÿòèâèñòñêèõ ñêîðîñòÿõ), ìåõàíèêà Íüþòîíà íåïðèìåíèìà. Îáúåêòèâíî èìååò ìåñòî ïðååìñòâåííîñòü ôóíäàìåíòàëüíûõ ôèçè÷åñêèõ òåîðèé. Ýòî è åñòü ïðèíöèï ñîîòâåòñòâèÿ, êîòîðûé ìîæíî ñôîðìóëèðîâàòü ñëåäóþùèì îáðàçîì: íèêàêàÿ íîâàÿ òåîðèÿ íå ìîæåò áûòü ñïðàâåäëèâîé, åñëè îíà íå ñîäåðæèò â êà÷åñòâå ïðåäåëüíîãî ñëó÷àÿ ñòàðóþ òåîðèþ, îòíîñÿùóþñÿ ê òåì æå ÿâëåíèÿì, ïîñêîëüêó ñòàðàÿ òåîðèÿ óæå îïðàâäàëà ñåáÿ â ñâîåé îáëàñòè. 3.4. Ïîíÿòèå î ñîñòîÿíèè ñèñòåìû. Ëàïëàñîâñêèé äåòåðìèíèçì êëàññè÷åñêîé ôèçèêå ñèñòåìà ïîíèìàåòñÿ êàê ñîâîêóïíîñòü êàêèõ-òî ÷àñòåé, ñâÿçàííûõ ìåæäó ñîáîé îïðåäåëåííûì îáðàçîì. Ýòè ÷àñòè (ýëåìåíòû) ñèñòåìû ìîãóò âîçäåéñòâîâàòü äðóã íà äðóãà, è ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî èõ âçàèìîâîçäåéñòâèå âñåãäà ìîæåò îöåíèâàòüñÿ ñ ïîçèöèé ïðè÷èííî-ñëåäñòâåííûõ îòíîøåíèé ìåæäó âçàèìîäåéñòâóþùèìè ýëåìåíòàìè ñèñòåìû. Ôèëîñîôñêîå ó÷åíèå îá îáúåêòèâíîñòè çàêîíîìåðíîé âçàèìîñâÿçè è âçàèìîîáóñëîâëåííîñòè ÿâëåíèé ìàòåðèàëüíîãî è äóõîâíîãî ìèðà íàçûâàþò äåòåðìèíèçìîì. Öåíòðàëüíûì ïîíÿòèåì äåòåðìèíèçìà ÿâëÿåòñÿ ïîëîæåíèå î ñóùåñòâîâàíèè ïðè÷èííîñòè; ïðè÷èííîñòü èìååò ìåñòî, êîãäà îäíî ÿâëåíèå ïîðîæäàåò äðóãîå ÿâëåíèå (ñëåäñòâèå). Êëàññè÷åñêàÿ ôèçèêà ñòîèò íà ïîçèöèÿõ æåñòêîãî äåòåðìèíèçìà, êîòîðûé íàçûâàþò ëàïëàñîâñêèì, – èìåííî Ïüåð Ñèìîí Ëàïëàñ ïðîâîçãëàñèë ïðèíöèï ïðè÷èííîñòè êàê ôóíäàìåíòàëüíûé çàêîí ïðèðîäû. Ëàïëàñ ñ÷èòàë, ÷òî åñëè èçâåñòíî ðàñïîëîæåíèå ýëåìåíòîâ (êàêèõ-òî òåë) ñèñòåìû è äåéñòâóþùèå â íåé ñèëû, òî ìîæíî ñ ïîëíîé äîñòîâåðíîñòüþ ïðåäñêàçàòü, êàê áóäåò äâèãàòüñÿ êàæäîå òåëî ýòîé ñèñòåìû ñåé÷àñ è â áóäóùåì. Îí ïèñàë: «Ìû äîëæíû ðàññìàòðèâàòü ñóùåñòâóþùåå ñîñòîÿíèå Âñåëåííîé êàê ñëåäñòâèå ïðåäûäóùåãî ñîñòîÿíèÿ è êàê ïðè÷èíó ïîñëåäóþùåãî. Óì, êîòîðûé â äàííûé ìîìåíò çíàë áû âñå ñèëû, äåéñòâóþùèå â ïðèðîäå, è îòíîñèòåëüíîå ïîëîæåíèå âñåõ ñîñòàâëÿþùèõ åå ñóùíîñòåé, åñëè áû îí åùå áûë ñòîëü îáøèðåí, ÷òîáû ââåñòè â ðàñ÷åò âñå ýòè äàííûå, îõâàòèë áû îäíîé è òîé æå ôîðìóëîé äâèæåíèÿ êðóïíåéøèõ òåë Âñåëåííîé è ëåã÷àéøèõ àòîìîâ. Íè÷òî íå áûëî áû äëÿ íåãî íåäîñòîâåðíûì, è áóäóùåå, êàê è ïðîøåäøåå, ñòîÿëî áû ïåðåä åãî ãëàçàìè». Òðàäèöèîííî ýòî ãèïîòåòè÷åñêîå ñóùåñòâî, êîòîðîå ìîãëî áû (ïî Ëàïëàñó) ïðåäñêàçàòü ðàçâèòèå Âñåëåííîé, â íàóêå íàçûâàþò «äåìîíîì Ëàïëàñà».  êëàññè÷åñêèé ïåðèîä ðàçâèòèÿ åñòåñòâîçíàíèÿ óòâåðæäàåòñÿ ïðåäñòàâëåíèå î òîì, ÷òî òîëüêî äèíàìè÷åñêèå çàêîíû ïîëíîñòüþ õàðàêòåðèçóþò ïðè÷èííîñòü â ïðèðîäå. Ëàïëàñ ïûòàëñÿ îáúÿñíèòü âåñü ìèð, â òîì ÷èñëå ôèçèîëîãè÷åñêèå, ïñèõîëîãè÷åñêèå, ñîöèàëüíûå ÿâëåíèÿ ñ òî÷êè çðåíèÿ ìåõàíèñòè÷åñêîãî äåòåðìèíèçìà, êîòîðûé îí ðàññìàòðèâàë êàê ìåòîäîëîãè÷åñêèé ïðèíöèï ïîñòðîåíèÿ âñÿêîé íàóêè. Îáðàçåö ôîðìû íàó÷íîãî ïîçíàíèÿ Ëàïëàñ âèäåë â íåáåñíîé ìåõàíèêå. Òàêèì îáðàçîì, ëàïëàñîâñêèé äåòåðìèíèçì îòðèöàåò îáúåêòèâíóþ ïðèðîäó ñëó÷àéíîñòè, ïîíÿòèå âåðîÿòíîñòè ñîáûòèÿ. Äàëüíåéøåå ðàçâèòèå åñòåñòâîçíàíèÿ ïðèâåëî ê íîâûì ïðåäñòàâëåíèÿì ïðè÷èííîñòè è ñëåäñòâèÿ. Äëÿ íåêîòîðûõ ïðèðîäíûõ ïðîöåññîâ òðóäíî îïðåäåëèòü ïðè÷èíó – íàïðèìåð, ðàäèîàêòèâíûé ðàñïàä ïðîèñõîäèò ñëó÷àéíî. Íåëüçÿ îäíîçíà÷íî ñâÿçàòü âðåìÿ «âûëåòà» α– èëè β-÷àñòèöû èç ÿäðà è çíà÷åíèå åå ýíåðãèè. Ïîäîáíûå ïðîöåññû îáúåêòèâíî ñëó÷àéíû. Îñîáåííî ìíîãî òàêèõ ïðèìåðîâ â áèîëîãèè.  íûíåøíåì åñòåñòâîçíàíèè ñîâðåìåííûé äåòåðìèíèçì ïðåäëàãàåò ðàçíîîáðàçíûå, îáúåêòèâíî ñóùåñòâóþùèå ôîðìû âçàèìîñâÿçè ïðîöåññîâ è ÿâëåíèé, ìíîãèå èç êîòîðûõ âûðàæàþòñÿ â âèäå ñîîòíîøåíèé, íå èìåþùèõ âûðàæåííûõ ïðè÷èííûõ ñâÿçåé, òî åñòü íå ñîäåðæàùèõ â ñåáå ìîìåíòîâ ïîðîæäåíèÿ îäíîãî äðóãèì. Ýòî è ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííûå ñâÿçè, îòíîøåíèÿ ñèììåòðèè è îïðåäåëåííûõ ôóíêöèîíàëüíûõ çàâèñèìîñòåé, âåðîÿòíîñòíûå ñîîòíîøåíèÿ è ò. ä. Îäíàêî âñå ôîðìû ðåàëüíûõ âçàèìîäåéñòâèé ÿâëåíèé îáðàçóþòñÿ íà îñíîâå âñåîáùåé äåéñòâóþùåé ïðè÷èííîñòè, âíå êîòîðîé íå ñóùåñòâóåò íè îäíîãî ÿâëåíèÿ äåéñòâèòåëüíîñòè, â òîì ÷èñëå è òàê íàçûâàåìûõ ñëó÷àéíûõ ÿâëåíèé, â ñîâîêóïíîñòè êîòîðûõ ïðîÿâëÿþòñÿ ñòàòè÷åñêèå çàêîíû. Íàóêà ïðîäîëæàåò ðàçâèâàòüñÿ, îáîãàùàåòñÿ íîâûìè êîíöåïöèÿìè, çàêîíàìè, ïðèíöèïàìè, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò îá îãðàíè÷åííîñòè ëàïëàñîâñêîãî äåòåðìèíèçìà. Îäíàêî êëàññè÷åñêàÿ ôèçèêà, â ÷àñòíîñòè êëàññè÷åñêàÿ ìåõàíèêà, èìååò è ñåãîäíÿ ñâîþ íèøó ïðèìåíåíèÿ. Åå çàêîíû âïîëíå ïðèìåíèìû äëÿ îòíîñèòåëüíî ìåäëåííûõ äâèæåíèé, ñêîðîñòü êîòîðûõ çíà÷èòåëüíî ìåíüøå ñêîðîñòè ñâåòà. Çíà÷åíèå êëàññè÷åñêîé ôèçèêè â ñîâðåìåííûé ïåðèîä õîðîøî îïðåäåëèë îäèí èç ñîçäàòåëåé êâàíòîâîé ìåõàíèêè Íèëüñ Áîð: «Êàê áû äàëåêî íè âûõîäèëè ÿâëåíèÿ çà ðàìêè êëàññè÷åñêîãî ôèçè÷åñêîãî îáúÿñíåíèÿ, âñå îïûòíûå äàííûå äîëæíû îïèñûâàòüñÿ ïðè ïîìîùè êëàññè÷åñêèõ ïîíÿòèé. Îáîñíîâàíèå ýòîãî ñîñòîèò ïðîñòî â êîíñòàòàöèè òî÷íîãî çíà÷åíèÿ ñëîâà «ýêñïåðèìåíò». Ñëîâîì «ýêñïåðèìåíò» ìû óêàçûâàåì íà òàêóþ ñèòóàöèþ, êîãäà ìû ìîæåì ñîîáùàòü äðóãèì, ÷òî èìåííî ìû ñäåëàëè è ÷òî èìåííî ìû óçíàëè. Ïîýòîìó ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ óñòàíîâêà è ðåçóëüòàòû íàáëþäåíèé äîëæíû îïèñûâàòüñÿ îäíîçíà÷íûì îáðàçîì íà ÿçûêå êëàññè÷åñêîé ôèçèêè». 3.5. Ñïåöèàëüíàÿ òåîðèÿ îòíîñèòåëüíîñòè (ÑÒÎ)Ââåäåíèå â ÑÒÎÑ òåîðèåé îòíîñèòåëüíîñòè ìû çíàêîìèìñÿ åùå â ñðåäíåé øêîëå. Ýòà òåîðèÿ îáúÿñíÿåò íàì ÿâëåíèÿ îêðóæàþùåãî ìèðà òàêèì îáðàçîì, ÷òî ýòî ïðîòèâîðå÷èò «çäðàâîìó ñìûñëó». Ïðàâäà, åùå òîò æå À. Ýéíøòåéí â ñâîå âðåìÿ çàìåòèë: «Çäðàâûé ñìûñë – ýòî ïðåäðàññóäêè, êîòîðûå ñêëàäûâàþòñÿ â âîçðàñòå äî âîñåìíàäöàòè ëåò». Åùå â XVIII â. ó÷åíûå ïûòàëèñü îòâåòèòü íà âîïðîñû î òîì, êàê ïåðåäàåòñÿ ãðàâèòàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå è êàê ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ ñâåò (ïîçæå âîîáùå ëþáûå ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû). Ïîèñêè îòâåòîâ íà ýòè âîïðîñû è ÿâèëèñü ïðè÷èíîé ðàçðàáîòêè òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè.  XIX â. ôèçèêè áûëè óáåæäåíû, ÷òî ñóùåñòâóåò òàê íàçûâàåìûé ýôèð (ìèðîâîé ýôèð, ñâåòîíîñíûé ýôèð). Ïî ïðåäñòàâëåíèÿì ïðîøëûõ ñòîëåòèé, ýòî íåêàÿ âñåïðîíèêàþùàÿ âñåçàïîëíÿþùàÿ ñðåäà. Ðàçâèòèå ôèçèêè âî âòîðîé ïîëîâèíå XIX â. òðåáîâàëî îò ó÷åíûõ ìàêñèìàëüíî êîíêðåòèçèðîâàòü ïðåäñòàâëåíèÿ îá ýôèðå. Åñëè ïðåäïîëîæèòü, ÷òî ýôèð ïîäîáåí ãàçó, òî â íåì ìîãëè áû ðàñïðîñòðàíÿòüñÿ òîëüêî ïðîäîëüíûå âîëíû, à ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû – ïîïåðå÷íûå. Íåïîíÿòíî, êàê â òàêîì ýôèðå ìîãëè áû äâèãàòüñÿ íåáåñíûå òåëà. Èìåëèñü è äðóãèå ñåðüåçíûå âîçðàæåíèÿ ïðîòèâ ýôèðà.  òî æå âðåìÿ øîòëàíäñêèé ôèçèê Äæåéìñ Ìàêñâåëë (1831–1879) ñîçäàë òåîðèþ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ, èç êîòîðîé, â ÷àñòíîñòè, ñëåäîâàëà âåëè÷èíà êîíå÷íîé ñêîðîñòè ðàñïðîñòðàíåíèÿ ýòîãî ïîëÿ â ïðîñòðàíñòâå – 300 000 êì/ñ. Íåìåöêèé ôèçèê Ãåíðèõ Ãåðö (1857–1894) äîêàçàë îïûòíûì ïóòåì èäåíòè÷íîñòü ñâåòà, òåïëîâûõ ëó÷åé è ýëåêòðîìàãíèòíîãî «âîëíîâîãî äâèæåíèÿ». Îí îïðåäåëèë, ÷òî ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ñèëà äåéñòâóåò ñî ñêîðîñòüþ 300 000 êì/ñ. Áîëüøå òîãî, Ãåðö óñòàíîâèë, ÷òî «ýëåêòðè÷åñêèå ñèëû ìîãóò îòäåëÿòüñÿ îò âåñîìûõ òåë è ñóùåñòâîâàòü äàëåå ñàìîñòîÿòåëüíî êàê ñîñòîÿíèå èëè èçìåíåíèå ïðîñòðàíñòâà». Îäíàêî ñèòóàöèÿ ñ ýôèðîì ñòàâèëà ìíîãî âîïðîñîâ, è äëÿ îòìåíû ýòîãî ïîíÿòèÿ òðåáîâàëñÿ ïðÿìîé ýêñïåðèìåíò. Èäåþ åãî ñôîðìóëèðîâàë åùå Ìàêñâåëë, ïðåäëîæèâøèé èñïîëüçîâàòü â êà÷åñòâå äâèæóùåãîñÿ òåëà Çåìëþ, êîòîðàÿ ïåðåìåùàåòñÿ ïî îðáèòå ñî ñêîðîñòüþ 30 êì/ñ. Òàêîé îïûò òðåáîâàë êðàéíå âûñîêîé òî÷íîñòè èçìåðåíèé. Ýòó òðóäíåéøóþ çàäà÷ó â 1881 ã. ðåøèëè àìåðèêàíñêèå ôèçèêè À. Ìàéêåëüñîí è Ý. Ìîðëè. Ñîãëàñíî ãèïîòåçå «íåïîäâèæíîãî ýôèðà», ìîæíî íàáëþäàòü «ýôèðíûé âåòåð» ïðè äâèæåíèè Çåìëè ñêâîçü «ýôèð», à ñêîðîñòü ñâåòà ïî îòíîøåíèþ ê Çåìëå äîëæíà çàâèñåòü îò íàïðàâëåíèÿ ñâåòîâîãî ëó÷à îòíîñèòåëüíî íàïðàâëåíèÿ äâèæåíèÿ Çåìëè â ýôèðå (òî åñòü ñâåò íàïðàâëÿåòñÿ ïî äâèæåíèþ Çåìëè è ïðîòèâ). Ñêîðîñòè ïðè íàëè÷èè ýôèðà äîëæíû áûëè áûòü ðàçëè÷íûìè. Íî îíè îêàçàëèñü íåèçìåííûìè. Ýòî ïîêàçûâàëî, ÷òî ýôèðà íåò. Ýòîò îòðèöàòåëüíûé ðåçóëüòàò ñòàë ïîäòâåðæäåíèåì òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè. Îïûò Ìàéêåëüñîíà è Ìîðëè ïî îïðåäåëåíèþ ñêîðîñòè ñâåòà íåîäíîêðàòíî ïîâòîðÿëñÿ ïîçäíåå, â 1885–1887 ãã., ñ òåì æå ðåçóëüòàòîì.  1904 ã. íà íàó÷íîì êîíãðåññå ôðàíöóçñêèé ìàòåìàòèê Àíðè Ïóàíêàðå (1854–1912) âûñêàçàë ìíåíèå, ÷òî â ïðèðîäå íå ìîæåò áûòü ñêîðîñòåé, áîëüøèõ ñêîðîñòè ñâåòà. Òîãäà æå À. Ïóàíêàðå ñôîðìóëèðîâàë ïðèíöèï îòíîñèòåëüíîñòè êàê âñåîáùèé çàêîí ïðèðîäû.  1905 ã. îí ïèñàë: «Íåâîçìîæíîñòü äîêàçàòü ïóòåì îïûòîâ àáñîëþòíîå äâèæåíèå Çåìëè ÿâëÿåòñÿ, î÷åâèäíî, îáùèì çàêîíîì ïðèðîäû». Çäåñü æå îí óêàçûâàåò íà ïðåîáðàçîâàíèÿ Ëîðåíöà è íà îáùóþ ñâÿçü ïðîñòðàíñòâåííûõ è âðåìåííûõ êîîðäèíàò. Àëüáåðò Ýéíøòåéí (1879–1955), ñîçäàâàÿ ñïåöèàëüíóþ òåîðèþ îòíîñèòåëüíîñòè, î ðåçóëüòàòàõ Ïóàíêàðå åùå íå çíàë. Ïîçæå Ýéíøòåéí íàïèøåò: «ß ñîâåðøåííî íå ïîíèìàþ, ïî÷åìó ìåíÿ ïðåâîçíîñÿò êàê ñîçäàòåëÿ òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè. Íå áóäü ìåíÿ, ÷åðåç ãîä ýòî áû ñäåëàë Ïóàíêàðå, ÷åðåç äâà ãîäà ñäåëàë áû Ìèíêîâñêèé, â êîíöå êîíöîâ, áîëåå ïîëîâèíû â ýòîì äåëå ïðèíàäëåæèò Ëîðåíöó. Ìîè çàñëóãè ïðåóâåëè÷åíû». Îäíàêî Ëîðåíö ñî ñâîåé ñòîðîíû â 1912 ã. ïèñàë: «Çàñëóãà Ýéíøòåéíà ñîñòîèò â òîì, ÷òî îí ïåðâûì âûðàçèë ïðèíöèï îòíîñèòåëüíîñòè â âèäå âñåîáùåãî, ñòðîãîãî çàêîíà». Äâà ïîñòóëàòà Ýéíøòåéíà â ÑÒÎÄëÿ îïèñàíèÿ ôèçè÷åñêèõ ÿâëåíèé Ãàëèëåé ââåë ïîíÿòèå èíåðöèàëüíîé ñèñòåìû.  òàêîé ñèñòåìå òåëî, íà êîòîðîå íå äåéñòâóåò êàêàÿ-ëèáî ñèëà, íàõîäèòñÿ â ïîêîå èëè â ñîñòîÿíèè ðàâíîìåðíîãî ïðÿìîëèíåéíîãî äâèæåíèÿ. Çàêîíû, îïèñûâàþùèå ìåõàíè÷åñêîå äâèæåíèå, â ðàçëè÷íûõ èíåðöèàëüíûõ ñèñòåìàõ îäèíàêîâî ñïðàâåäëèâû, òî åñòü íå èçìåíÿþòñÿ ïðè ïåðåõîäå îò îäíîé ñèñòåìû êîîðäèíàò ê äðóãîé. Íàïðèìåð, åñëè ïàññàæèð èäåò â äâèæóùåìñÿ âàãîíå ïîåçäà â íàïðàâëåíèè åãî äâèæåíèÿ ñî ñêîðîñòüþ v1 = 4 êì/÷, à ïîåçä äâèæåòñÿ ñî ñêîðîñòüþ v2 = 46 êì/÷, òî ñêîðîñòü ïàññàæèðà îòíîñèòåëüíî æåëåçíîäîðîæíîãî ïîëîòíà áóäåò vΣ = v1 + v2 = 50 êì/÷, òî åñòü çäåñü èìååòñÿ ñëîæåíèå ñêîðîñòåé. Ïî «çäðàâîìó ñìûñëó» ýòî íåçûáëåìûé ôàêò: vΣ= v1 + v2 Îäíàêî â ìèðå áîëüøèõ ñêîðîñòåé, ñîèçìåðèìûõ ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà, óêàçàííàÿ ôîðìóëà ñëîæåíèÿ ñêîðîñòåé ïðîñòî íåâåðíà.  ïðèðîäå ñâåò ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ ñî ñêîðîñòüþ ñ = 300 000 êì/ñ íåçàâèñèìî îò òîãî, â êàêóþ ñòîðîíó ïî îòíîøåíèþ ê íàáëþäàòåëþ äâèæåòñÿ èñòî÷íèê ñâåòà.  1905 ã. â íåìåöêîì íàó÷íîì æóðíàëå «Àííàëû ôèçèêè» 26-ëåòíèé Àëüáåðò Ýéíøòåéí îïóáëèêîâàë ñòàòüþ «Îá ýëåêòðîäèíàìèêå äâèæóùèõñÿ òåë».  ýòîé ñòàòüå îí ñôîðìóëèðîâàë äâà çíàìåíèòûõ ïîñòóëàòà, êîòîðûå ëåãëè â îñíîâàíèå ÷àñòíîé, èëè ñïåöèàëüíîé, òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè (ÑÒÎ), èçìåíèâøåé êëàññè÷åñêèå ïðåäñòàâëåíèÿ î ïðîñòðàíñòâå è âðåìåíè.  ïåðâîì ïîñòóëàòå Ýéíøòåéí ðàçâèë êëàññè÷åñêèé ïðèíöèï îòíîñèòåëüíîñòè Ãàëèëåÿ. Îí ïîêàçàë, ÷òî ýòîò ïðèíöèï ÿâëÿåòñÿ âñåîáùèì, â òîì ÷èñëå è äëÿ ýëåêòðîäèíàìèêè (à íå òîëüêî äëÿ ìåõàíè÷åñêèõ ñèñòåì). Ýòî ïîëîæåíèå íå áûëî îäíîçíà÷íûì, òàê êàê ïîòðåáîâàëîñü îòêàçàòüñÿ îò íüþòîíîâñêîãî äàëüíîäåéñòâèÿ. Îáîáùåííûé ïðèíöèï îòíîñèòåëüíîñòè Ýéíøòåéíà óòâåðæäàåò, ÷òî íèêàêèìè ôèçè÷åñêèìè îïûòàìè (ìåõàíè÷åñêèìè è ýëåêòðîìàãíèòíûìè) âíóòðè äàííîé ñèñòåìû îòñ÷åòà íåëüçÿ óñòàíîâèòü, äâèæåòñÿ ýòà ñèñòåìà ðàâíîìåðíî èëè ïîêîèòñÿ. Ïðè ýòîì ïðîñòðàíñòâî è âðåìÿ ÿâëÿþòñÿ ñâÿçàííûìè äðóã ñ äðóãîì, çàâèñÿùèìè äðóã îò äðóãà (ó Ãàëèëåÿ è Íüþòîíà ïðîñòðàíñòâî è âðåìÿ íåçàâèñèìû äðóã îò äðóãà). Âòîðîé ïîñòóëàò ñïåöèàëüíîé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè Ýéíøòåéí ïðåäëîæèë ïîñëå àíàëèçà ýëåêòðîäèíàìèêè Ìàêñâåëëà – ýòî ïðèíöèï ïîñòîÿíñòâà ñêîðîñòè ñâåòà â âàêóóìå, êîòîðàÿ ïðèìåðíî ðàâíà 300 000 êì/ñ. Ñêîðîñòü ñâåòà – ýòî ñàìàÿ áîëüøàÿ ñêîðîñòü â íàøåé Âñåëåííîé. Áîëüøå ñêîðîñòè 300 000 êì/ñ â îêðóæàþùåì íàñ ìèðå áûòü íå ìîæåò.  ñîâðåìåííûõ óñêîðèòåëÿõ ìèêðî÷àñòèöû ðàçãîíÿþòñÿ äî îãðîìíûõ ñêîðîñòåé. Íàïðèìåð, ýëåêòðîí ðàçãîíÿåòñÿ äî ñêîðîñòè vå = 0,9999999 Ñ, ãäå vå, Ñ – ñêîðîñòè ýëåêòðîíà è ñâåòà ñîîòâåòñòâåííî. Ïðè ýòîì, ñ òî÷êè çðåíèÿ íàáëþäàòåëÿ, ìàññà ýëåêòðîíà âîçðàñòàåò â 2500 ðàç: ![]() Çäåñü me0 – ìàññà ïîêîÿ ýëåêòðîíà, me – ìàññà ýëåêòðîíà íà ñêîðîñòè ve. Äîñòè÷ü ñêîðîñòè ñâåòà ýëåêòðîí íå ìîæåò Îäíàêî ñóùåñòâóþò ìèêðî÷àñòèöû, êîòîðûå èìåþò ñêîðîñòü ñâåòà, èõ íàçûâàþò «ëþêñîíû». Ê íèì îòíîñÿòñÿ ôîòîíû è íåéòðèíî. Ó íèõ ïðàêòè÷åñêè íåò ìàññû ïîêîÿ, èõ íåëüçÿ çàòîðìîçèòü, îíè âñåãäà äâèæóòñÿ ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà ñ. Âñå îñòàëüíûå ìèêðî÷àñòèöû (òàðäèîíû) äâèæóòñÿ ñî ñêîðîñòÿìè ìåíüøå ñêîðîñòè ñâåòà. Ìèêðî÷àñòèöû, ó êîòîðûõ ñêîðîñòü äâèæåíèÿ ìîãëà áû áûòü áîëüøå ñêîðîñòè ñâåòà, íàçûâàþò òàõèîíàìè. Òàêèõ ÷àñòèö â íàøåì ðåàëüíîì ìèðå íåò. Èñêëþ÷èòåëüíî âàæíûì ðåçóëüòàòîì òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè ÿâëÿåòñÿ âûÿâëåíèå ñâÿçè ìåæäó ýíåðãèåé è ìàññîé òåëà. Ïðè ìàëûõ ñêîðîñòÿõ ![]() ãäå E = m0c2– ýíåðãèÿ ïîêîÿ ÷àñòèöû ñ ìàññîé ïîêîÿ m0,à EK – êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ äâèæóùåéñÿ ÷àñòèöû. Îãðîìíûì äîñòèæåíèåì òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè ÿâëÿåòñÿ óñòàíîâëåííûé åþ ôàêò ýêâèâàëåíòíîñòè ìàññû è ýíåðãèè (E = m0c2). Îäíàêî ðå÷ü èäåò íå î ïðåâðàùåíèè ìàññû â ýíåðãèþ è íàîáîðîò, à î òîì, ÷òî ïðåâðàùåíèå ýíåðãèè èç îäíîãî âèäà â äðóãîé ñîîòâåòñòâóåò ïåðåõîäó ìàññû èç îäíîé ôîðìû â äðóãóþ. Ýíåðãèþ íåëüçÿ çàìåíèòü ìàññîé, òàê êàê ýíåðãèÿ õàðàêòåðèçóåò ñïîñîáíîñòü òåëà âûïîëíÿòü ðàáîòó, à ìàññà – ìåðó èíåðöèè. Ïðè ñêîðîñòÿõ ðåëÿòèâèñòñêèõ, áëèçêèõ ê ñêîðîñòè ñâåòà: ![]() ãäå E – ýíåðãèÿ, m – ìàññà ÷àñòèöû, m – ìàññà ïîêîÿ ÷àñòèöû, ñ – ñêîðîñòü ñâåòà â âàêóóìå. Èç ïðèâåäåííîé ôîðìóëû âèäíî, ÷òî äëÿ äîñòèæåíèÿ ñêîðîñòè ñâåòà ÷àñòèöå íóæíî ñîîáùèòü áåñêîíå÷íî áîëüøóþ ýíåðãèþ. Äëÿ ôîòîíîâ è íåéòðèíî ýòà ôîðìóëà íåñïðàâåäëèâà, òàê êàê ó íèõ v = c. Ðåëÿòèâèñòñêèå ýôôåêòû Ïîä ðåëÿòèâèñòñêèìè ýôôåêòàìè â òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè ïîíèìàþò èçìåíåíèÿ ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííûõ õàðàêòåðèñòèê òåë ïðè ñêîðîñòÿõ, ñîèçìåðèìûõ ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà.  êà÷åñòâå ïðèìåðà îáû÷íî ðàññìàòðèâàåòñÿ êîñìè÷åñêèé êîðàáëü òèïà ôîòîííîé ðàêåòû, êîòîðûé ëåòèò â êîñìîñå ñî ñêîðîñòüþ, ñîèçìåðèìîé ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà. Ïðè ýòîì íåïîäâèæíûé íàáëþäàòåëü ìîæåò çàìåòèòü òðè ðåëÿòèâèñòñêèõ ýôôåêòà: 1. Óâåëè÷åíèå ìàññû ïî ñðàâíåíèþ ñ ìàññîé ïîêîÿ. Ñ ðîñòîì ñêîðîñòè ðàñòåò è ìàññà. Åñëè áû òåëî ìîãëî äâèãàòüñÿ ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà, òî åãî ìàññà âîçðîñëà áû äî áåñêîíå÷íîñòè, ÷òî íåâîçìîæíî. Ýéíøòåéí äîêàçàë, ÷òî ìàññà òåëà åñòü ìåðà ñîäåðæàùåéñÿ â íåé ýíåðãèè (E= mc2). Ñîîáùèòü òåëó áåñêîíå÷íóþ ýíåðãèþ íåâîçìîæíî. 2. Ñîêðàùåíèå ëèíåéíûõ ðàçìåðîâ òåëà â íàïðàâëåíèè åãî äâèæåíèÿ. ×åì áîëüøå áóäåò ñêîðîñòü êîñìè÷åñêîãî êîðàáëÿ, ïðîëåòàþùåãî ìèìî íåïîäâèæíîãî íàáëþäàòåëÿ, è ÷åì áëèæå îíà áóäåò ê ñêîðîñòè ñâåòà, òåì ìåíüøå áóäóò ðàçìåðû ýòîãî êîðàáëÿ äëÿ íåïîäâèæíîãî íàáëþäàòåëÿ. Ïðè äîñòèæåíèè êîðàáëåì ñêîðîñòè ñâåòà åãî íàáëþäàåìàÿ äëèíà áóäåò ðàâíà íóëþ, ÷åãî áûòü íå ìîæåò. Íà ñàìîì æå êîðàáëå êîñìîíàâòû ýòèõ èçìåíåíèé íå áóäóò íàáëþäàòü. 3. Çàìåäëåíèå âðåìåíè.  êîñìè÷åñêîì êîðàáëå, äâèæóùåìñÿ ñî ñêîðîñòüþ, áëèçêîé ê ñêîðîñòè ñâåòà, âðåìÿ òå÷åò ìåäëåííåå, ÷åì ó íåïîäâèæíîãî íàáëþäàòåëÿ. Ýôôåêò çàìåäëåíèÿ âðåìåíè ñêàçàëñÿ áû íå òîëüêî íà ÷àñàõ âíóòðè êîðàáëÿ, íî è íà âñåõ ïðîöåññàõ, ïðîòåêàþùèõ íà íåì, à òàêæå íà áèîëîãè÷åñêèõ ðèòìàõ êîñìîíàâòîâ. Îäíàêî ôîòîííóþ ðàêåòó íåëüçÿ ðàññìàòðèâàòü êàê èíåðöèàëüíóþ ñèñòåìó, èáî îíà âî âðåìÿ ðàçãîíà è òîðìîæåíèÿ äâèæåòñÿ ñ óñêîðåíèåì (à íå ðàâíîìåðíî è ïðÿìîëèíåéíî).  òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè ïðåäëîæåíû ïðèíöèïèàëüíî íîâûå îöåíêè ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííûõ îòíîøåíèé ìåæäó ôèçè÷åñêèìè îáúåêòàìè.  êëàññè÷åñêîé ôèçèêå ïðè ïåðåõîäå îò îäíîé èíåðöèàëüíîé ñèñòåìû (¹ 1) ê äðóãîé (¹ 2) âðåìÿ îñòàåòñÿ òåì æå – t2 = tLà ïðîñòðàíñòâåííàÿ êîîðäèíàòà èçìåíÿåòñÿ ïî óðàâíåíèþ x2 = x1– vt.  òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè ïðèìåíÿþòñÿ òàê íàçûâàåìûå ïðåîáðàçîâàíèÿ Ëîðåíöà: ![]() Èç îòíîøåíèé âèäíî, ÷òî ïðîñòðàíñòâåííûå è âðåìåííûå êîîðäèíàòû çàâèñÿò äðóã îò äðóãà. ×òî êàñàåòñÿ ñîêðàùåíèÿ äëèíû â íàïðàâëåíèè äâèæåíèÿ, òî ![]() à õîä âðåìåíè çàìåäëÿåòñÿ: ![]()  1971 ã. â ÑØÀ áûë ïîñòàâëåí ýêñïåðèìåíò ïî îïðåäåëåíèþ çàìåäëåíèÿ âðåìåíè. Èçãîòîâèëè äâîå ñîâåðøåííî îäèíàêîâûõ òî÷íûõ ÷àñîâ. Îäíè ÷àñû îñòàâàëèñü íà çåìëå, à äðóãèå ïîìåùàëèñü â ñàìîëåò, êîòîðûé ëåòàë âîêðóã Çåìëè. Ñàìîëåò, ëåòÿùèé ïî êðóãîâîé òðàåêòîðèè âîêðóã Çåìëè, äâèæåòñÿ ñ íåêîòîðûõ óñêîðåíèåì, è çíà÷èò, ÷àñû íà áîðòó ñàìîëåòà íàõîäÿòñÿ â äðóãîé ñèòóàöèè ïî ñðàâíåíèþ ñ ÷àñàìè, ïîêîÿùèìèñÿ íà çåìëå.  ñîîòâåòñòâèè ñ çàêîíàìè òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè ÷àñû-ïóòåøåñòâåííèêè äîëæíû áûëè îòñòàòü îò ïîêîÿùèõñÿ íà 184 íñ, à íà ñàìîì äåëå îòñòàâàíèå ñîñòàâèëî 203 íñ. Áûëè è äðóãèå ýêñïåðèìåíòû, â êîòîðûõ ïðîâåðÿëñÿ ýôôåêò çàìåäëåíèÿ âðåìåíè, è âñå îíè ïîäòâåðäèëè ôàêò çàìåäëåíèÿ. Òàêèì îáðàçîì, ðàçíîå òå÷åíèå âðåìåíè â ñèñòåìàõ êîîðäèíàò, äâèæóùèõñÿ îòíîñèòåëüíî äðóã äðóãà ðàâíîìåðíî è ïðÿìîëèíåéíî, ÿâëÿåòñÿ íåïðåëîæíûì ýêñïåðèìåíòàëüíî óñòàíîâëåííûì ôàêòîì. Îáùàÿ òåîðèÿ îòíîñèòåëüíîñòèÏîñëå îïóáëèêîâàíèÿ ñïåöèàëüíîé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè â 1905 ã. À. Ýéíøòåéí îáðàòèëñÿ ê ñîâðåìåííîìó ïðåäñòàâëåíèþ òÿãîòåíèÿ.  1916 ã. îí îïóáëèêîâàë îáùóþ òåîðèþ îòíîñèòåëüíîñòè (ÎÒÎ), êîòîðàÿ ñ ñîâðåìåííûõ ïîçèöèé îáúÿñíÿåò òåîðèþ òÿãîòåíèÿ. Îíà îñíîâûâàåòñÿ íà äâóõ ïîñòóëàòàõ ñïåöèàëüíîé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè è ôîðìóëèðóåò òðåòèé ïîñòóëàò – ïðèíöèï ýêâèâàëåíòíîñòè èíåðòíîé è ãðàâèòàöèîííîé ìàññ. Âàæíåéøèì âûâîäîì ÎÒÎ ÿâëÿåòñÿ ïîëîæåíèå îá èçìåíåíèè ãåîìåòðè÷åñêèõ (ïðîñòðàíñòâåííûõ) è âðåìåííûõ õàðàêòåðèñòèê â ãðàâèòàöèîííûõ ïîëÿõ (à íå òîëüêî ïðè äâèæåíèè ñ áîëüøèìè ñêîðîñòÿìè). Ýòîò âûâîä ñâÿçûâàåò ÎÒÎ ñ ãåîìåòðèåé, òî åñòü â ÎÒÎ íàáëþäàåòñÿ ãåîìåòðèçàöèÿ òÿãîòåíèÿ. Êëàññè÷åñêàÿ ãåîìåòðèÿ Åâêëèäà äëÿ ýòîãî íå ãîäèëàñü. Íîâàÿ ãåîìåòðèÿ ïîÿâèëàñü åùå â XIX â. â òðóäàõ ðóññêîãî ìàòåìàòèêà Í. È. Ëîáà÷åâñêîãî, íåìåöêîãî – Á. Ðèìàíà, âåíãåðñêîãî – ß. Áîëüÿéÿ. Ãåîìåòðèÿ íàøåãî ïðîñòðàíñòâà îêàçàëàñü íååâêëèäîâîé. ÎÒÎ[3] – ôèçè÷åñêàÿ òåîðèÿ, â îñíîâå êîòîðîé ëåæèò ðÿä ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ôàêòîâ. Ðàññìîòðèì íåêîòîðûå èç íèõ. Ãðàâèòàöèîííîå ïîëå âëèÿåò íà äâèæåíèå íå òîëüêî ìàññèâíûõ òåë, íî è ñâåòà. Ëó÷ ñâåòà îòêëîíÿåòñÿ â ïîëå Ñîëíöà. Èçìåðåíèÿ, ïðîâåäåííûå â 1922 ã. àíãëèéñêèì àñòðîíîìîì À. Ýääèíãòîíîì âî âðåìÿ ñîëíå÷íîãî çàòìåíèÿ, ïîäòâåðäèëè ýòî ïðåäñêàçàíèå Ýéíøòåéíà.  ÎÒÎ îðáèòû ïëàíåò íåçàìêíóòû. Íåáîëüøîé ýôôåêò òàêîãî ðîäà ìîæíî îïèñûâàòü êàê âðàùåíèå ïåðèãåëèÿ ýëëèïòè÷åñêîé îðáèòû. Ïåðèãåëèé – ýòî áëèæàéøàÿ ê Ñîëíöó òî÷êà îðáèòû íåáåñíîãî òåëà, êîòîðîå äâèæåòñÿ âîêðóã Ñîëíöà ïî ýëëèïñó, ïàðàáîëå èëè ãèïåðáîëå. Àñòðîíîìàì èçâåñòíî, ÷òî ïåðèãåëèé îðáèòû Ìåðêóðèÿ ïîâîðà÷èâàåòñÿ çà ñòîëåòèå ïðèìåðíî íà 6000». Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ ãðàâèòàöèîííûìè âîçìóùåíèÿìè ñî ñòîðîíû äðóãèõ ïëàíåò. Ïðè ýòîì îñòàâàëñÿ íåóñòðàíèìûé îñòàòîê îêîëî 40» çà ñòîëåòèå.  1915 ã. Ýéíøòåéí îáúÿñíèë ýòî ðàñõîæäåíèå â ðàìêàõ ÎÒÎ. Ñóùåñòâóþò îáúåêòû, â êîòîðûõ ýôôåêòû ÎÒÎ èãðàþò îïðåäåëÿþùóþ ðîëü. Ê íèì îòíîñÿòñÿ «÷åðíûå äûðû». «×åðíàÿ äûðà» âîçíèêàåò òîãäà, êîãäà çâåçäà ñæèìàåòñÿ íàñòîëüêî ñèëüíî, ÷òî ñóùåñòâóþùåå ãðàâèòàöèîííîå ïîëå íå âûïóñêàåò âî âíåøíåå ïðîñòðàíñòâî äàæå ñâåò. Ïîýòîìó èç òàêîé çâåçäû íå èñõîäèò íèêàêîé èíôîðìàöèè. Ìíîãî÷èñëåííûå àñòðîíîìè÷åñêèå íàáëþäåíèÿ óêàçûâàþò íà ðåàëüíîå ñóùåñòâîâàíèå òàêèõ îáúåêòîâ. ÎÒÎ äàåò ÷åòêîå îáúÿñíåíèå ýòîìó ôàêòó.  1918 ã. Ýéíøòåéí ïðåäñêàçàë íà îñíîâå ÎÒÎ ñóùåñòâîâàíèå ãðàâèòàöèîííûõ âîëí: ìàññèâíûå òåëà, äâèãàÿñü ñ óñêîðåíèåì, èçëó÷àþò ãðàâèòàöèîííûå âîëíû. Ãðàâèòàöèîííûå âîëíû äîëæíû ðàñïðîñòðàíÿòüñÿ ñ òîé æå ñêîðîñòüþ, ÷òî ýëåêòðîìàãíèòíûå, òî åñòü ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà. Ïî àíàëîãèè ñ êâàíòàìè ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ ïðèíÿòî ãîâîðèòü î ãðàâèòîíàõ êàê î êâàíòàõ ãðàâèòàöèîííîãî ïîëÿ.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ôîðìèðóåòñÿ íîâàÿ îáëàñòü íàóêè – ãðàâèòàöèîííî-âîëíîâàÿ àñòðîíîìèÿ. Åñòü íàäåæäà, ÷òî ãðàâèòàöèîííûå ýêñïåðèìåíòû äàäóò íîâûå ðåçóëüòàòû. Íà îñíîâàíèè óðàâíåíèé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè îòå÷åñòâåííûé ìàòåìàòèê-ôèçèê À. Ôðèäìàí â 1922 ã. íàøåë íîâîå êîñìîëîãè÷åñêîå ðåøåíèå óðàâíåíèé ÎÒÎ Ýòî ðåøåíèå óêàçûâàåò íà òî, ÷òî íàøà Âñåëåííàÿ íå ñòàöèîíàðíà, îíà íåïðåðûâíî ðàñøèðÿåòñÿ. Ôðèäìàí íàøåë äâà âàðèàíòà ðåøåíèÿ óðàâíåíèé Ýéíøòåéíà, òî åñòü äâà âàðèàíòà âîçìîæíîãî ðàçâèòèÿ Âñåëåííîé.  çàâèñèìîñòè îò ïëîòíîñòè ìàòåðèè Âñåëåííàÿ èëè áóäåò è äàëåå ðàñøèðÿòüñÿ, èëè ÷åðåç êàêîå-òî âðåìÿ íà÷íåò ñæèìàòüñÿ.  1929 ã. àìåðèêàíñêèé àñòðîíîì Ý. Õàááë ýêñïåðèìåíòàëüíî óñòàíîâèë çàêîí, êîòîðûé îïðåäåëÿåò ñêîðîñòü ðàçëåòà ãàëàêòèê â çàâèñèìîñòè îò ðàññòîÿíèÿ äî íàøåé ãàëàêòèêè. ×åì äàëüøå ðàçáåãàþùàÿñÿ ãàëàêòèêà, òåì áîëüøå ñêîðîñòü åå ðàçáåãàíèÿ. Õàááë èñïîëüçîâàë ýôôåêò Äîïëåðà, â ñîîòâåòñòâèè ñ êîòîðûì ó èñòî÷íèêà ñâåòà, óäàëÿþùåãîñÿ îò íàáëþäàòåëÿ, äëèíà âîëíû óâåëè÷èâàåòñÿ, òî åñòü ñìåùàåòñÿ ê êðàñíîìó êîíöó ñïåêòðà (êðàñíååò). Òàêèì îáðàçîì, âñå èçâåñòíûå íàó÷íûå ôàêòû ïîäòâåðæäàþò ñïðàâåäëèâîñòü îáùåé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè, êîòîðàÿ ÿâëÿåòñÿ ñîâðåìåííîé òåîðèåé òÿãîòåíèÿ. 3.6. Íà÷àëà òåðìîäèíàìèêè. Ïðåäñòàâëåíèÿ îá ýíòðîïèèÎáùèå ñâåäåíèÿ î òåðìîäèíàìèêå> Òåðìîëèíàìèêà – ýòî íàóêà î íàèáîëåå îáùèõ ñâîéñòâàõ ìàêðîñêîïè÷åñêèõ òåë è ñèñòåì, íàõîäÿùèõñÿ â ñîñòîÿíèè òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ, è î ïðîöåññàõ ïåðåõîäà èç îäíîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãîå. Êëàññè÷åñêàÿ òåðìîäèíàìèêà èçó÷àåò ôèçè÷åñêèå îáúåêòû ìàòåðèàëüíîãî ìèðà òîëüêî â ñîñòîÿíèè òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ. Çäåñü ïîäðàçóìåâàåòñÿ òàêîå ñîñòîÿíèå, â êîòîðîå ñ òå÷åíèåì âðåìåíè ïðèõîäèò ñèñòåìà, íàõîäÿùàÿñÿ ïðè îïðåäåëåííûõ íåèçìåííûõ âíåøíèõ óñëîâèÿõ è îïðåäåëåííîé ïîñòîÿííîé òåìïåðàòóðå îêðóæàþùåé ñðåäû. Äëÿ òàêèõ ðàâíîâåñíûõ ñîñòîÿíèé ïîíÿòèå âðåìåíè íåñóùåñòâåííî. Ïîýòîìó âðåìÿ â ÿâíîì âèäå êàê ïàðàìåòð â òåðìîäèíàìèêå íå èñïîëüçóåòñÿ.  ïåðâîíà÷àëüíîì âèäå ýòà äèñöèïëèíà íàçûâàëàñü «ìåõàíè÷åñêàÿ òåîðèÿ òåïëà». Òåðìèí «òåðìîäèíàìèêà» áûë ââåäåí â íàó÷íóþ ëèòåðàòóðó â 1854 ã. Â. Òîìñîíîì. Ðàâíîâåñíûå ïðîöåññû êëàññè÷åñêîé òåðìîäèíàìèêè ïîçâîëÿþò òàêæå ñóäèòü î çàêîíîìåðíîñòÿõ ïðîöåññîâ, ïðîèñõîäÿùèõ ïðè óñòàíîâëåíèè ðàâíîâåñèÿ, òî åñòü ðàññìàòðèâàåò ïóòè ê óñòàíîâëåíèþ òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ. Âìåñòå ñ òåì òåðìîäèíàìèêà ðàññìàòðèâàåò óñëîâèÿ ñóùåñòâîâàíèÿ íåîáðàòèìûõ ïðîöåññîâ. Íàïðèìåð, ðàñïðîñòðàíåíèå ìîëåêóë ãàçà (çàêîí äèôôóçèè) âåäåò â êîíöå êîíöîâ ê ðàâíîâåñíîìó ñîñòîÿíèþ, à îáðàòíûé ïåðåõîä òàêîé ñèñòåìû ê ïåðâîíà÷àëüíîìó ñîñòîÿíèþ òåðìîäèíàìèêà çàïðåùàåò. Çàäà÷åé òåðìîäèíàìèêè íåîáðàòèìûõ ïðîöåññîâ ñíà÷àëà áûëî èçó÷åíèå íåðàâíîâåñíûõ ïðîöåññîâ äëÿ ñîñòîÿíèé, íå ñëèøêîì ñèëüíî îòëè÷àþùèõñÿ îò ðàâíîâåñíîãî. Âîçíèêíîâåíèå òåðìîäèíàìèêè íåîáðàòèìûõ ïðîöåññîâ îòíîñèòñÿ ê 50-ì ãã. ïðîøëîãî ñòîëåòèÿ. Îíà ñôîðìèðîâàëàñü íà áàçå êëàññè÷åñêîé òåðìîäèíàìèêè, êîòîðàÿ âîçíèêëà âî âòîðîé ïîëîâèíå XIX â.  ñòàíîâëåíèè êëàññè÷åñêîé òåðìîäèíàìèêè âûäàþùóþñÿ ðîëü ñûãðàëè ðàáîòû Í. Êàðíî, Á. Êëàïåéðîíà, Ð. Êëàóçèóñà è äð. Ïðîøëî ñðàâíèòåëüíî ìíîãî âðåìåíè, ïðåæäå ÷åì ñòàëî ïîíÿòíî, ÷òî êëàññè÷åñêàÿ òåðìîäèíàìèêà ÿâëÿåòñÿ ïî ñóùåñòâó òåðìîñòàòèêîé, à îñíîâîïîëàãàþùèå óðàâíåíèÿ Ôóðüå– Îìà—Ôèêà è Íàâüå—Ñòîêñà ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ýëåìåíòû áóäóùåé òåðìîäèíàìèêè. Çäåñü ñëåäóåò íàçâàòü îäíîãî èç ïèîíåðîâ íîâîãî íàïðàâëåíèÿ â òåðìîäèíàìèêå – àìåðèêàíñêîãî ôèçèêà Ë. Îíñàãåðà (Íîáåëåâñêàÿ ïðåìèÿ 1968 ã.), à òàêæå ãîëëàíäñêî-áåëüãèéñêóþ øêîëó È. Ïðèãîæèíà, Ñ. äå Ãðîòà, Ï. Ìàçóðà.  1977 ã. áåëüãèéñêîìó ôèçèêó è ôèçèêî-õèìèêó ðóññêîãî ïðîèñõîæäåíèÿ Èëüå Ðîìàíîâè÷ó Ïðèãîæèíó áûëà ïðèñóæäåíà Íîáåëåâñêàÿ ïðåìèÿ ïî õèìèè «çà âêëàä â òåîðèþ íåðàâíîâåñíîé òåðìîäèíàìèêè, â îñîáåííîñòè – â òåîðèþ äèññèïàòèâíûõ ñòðóêòóð, è çà åå ïðèìåíåíèÿ â õèìèè è áèîëîãèè». Òåðìîäèíàìèêà êàê ôóíêöèÿ ñîñòîÿíèÿÐàâåíñòâî òåìïåðàòóð âî âñåõ òî÷êàõ êàêèõ-òî ñèñòåì èëè ÷àñòåé îäíîé ñèñòåìû ÿâëÿåòñÿ óñëîâèåì ðàâíîâåñèÿ. Ñîñòîÿíèå îäíîðîäíûõ æèäêîñòåé èëè ãàçà ïîëíîñòüþ ôèêñèðóåòñÿ çàäàíèåì ëþáûõ äâóõ èç òðåõ âåëè÷èí: òåìïåðàòóðû Ã, îáúåìà V, äàâëåíèÿ ð. Ñâÿçü ìåæäó p, V è T íàçûâàåòñÿ óðàâíåíèåì ñîñòîÿíèÿ. Ôðàíöóçñêèé ôèçèê Á. Êëàïåéðîí â 1934 ã. âûâåë óðàâíåíèå ñîñòîÿíèÿ äëÿ èäåàëüíîãî ãàçà, îáúåäèíèâ çàêîíû Áîéëÿ-Ìàðèîòòà è Ãåé-Ëþñàêà. Ä. È. Ìåíäåëååâ îáúåäèíèë óðàâíåíèÿ Êëàïåéðîíà ñ çàêîíîì Àâîãàäðî. Ñîãëàñíî çàêîíó Àâîãàäðî, ïðè îäèíàêîâûõ äàâëåíèÿõ ð è òåìïåðàòóðå à ìîëè âñåõ ãàçîâ çàíèìàþò îäèíàêîâûé ìîëÿðíûé îáúåì Vm, ïîýòîìó äëÿ âñåõ ãàçîâ ñóùåñòâóåò ìîëÿðíàÿ ãàçîâàÿ ïîñòîÿííàÿ R. Òîãäà Óðàâíåíèå Êëàïåéðîíà—Ìåíäåëååâà ìîæíî çàïèñàòü â âèäå: pVm= RT. ×èñëîâîå çíà÷åíèå ìîëÿðíîé ãàçîâîé ïîñòîÿííîé R = 8,31 Äæ/ìîëü · K. Ïåðâîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêèÏåðâîå íà÷àëî, èëè ïåðâûé çàêîí òåðìîäèíàìèêè, èëè çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè äëÿ òåïëîâûõ ñèñòåì, óäîáíî ðàññìîòðåòü íà ïðèìåðå ðàáîòû òåïëîâîé ìàøèíû.  ñîñòàâ òåïëîâîé ìàøèíû âõîäÿò èñòî÷íèê òåïëà Q1, ðàáî÷åå òåëî, íàïðèìåð öèëèíäð ñ ïîðøíåì, ïîä êîòîðûì ãàç ìîæåò íàãðåâàòüñÿ (ΔQ1) èëè îõëàæäàòüñÿ õîëîäèëüíèêîì, îòáèðàþùèì îò ðàáî÷åãî òåëà òåïëî ΔQ2. Ïðè ýòîì ìîæåò ñîâåðøàòüñÿ ðàáîòà ΔA è èçìåíÿåòñÿ âíóòðåííÿÿ ýíåðãèÿ ΔU. Ýíåðãèÿ òåïëîâîãî äâèæåíèÿ ìîæåò ïðåâðàùàòüñÿ â ýíåðãèþ ìåõàíè÷åñêîãî äâèæåíèÿ, è íàîáîðîò. Ïðè ýòèõ ïðåâðàùåíèÿõ ñîáëþäàåòñÿ çàêîí ñîõðàíåíèÿ è ïðåâðàùåíèÿ ýíåðãèè. Ïðèìåíèòåëüíî ê òåðìîäèíàìè÷åñêèì ïðîöåññàì ýòî è åñòü ïåðâîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè, óñòàíîâëåííîå â ðåçóëüòàòå îáîáùåíèÿ ìíîãîâåêîâûõ îïûòíûõ äàííûõ. Îïûò ïîêàçûâàåò, ÷òî èçìåíåíèå âíóòðåííåé ýíåðãèè ΔU îïðåäåëÿåòñÿ ðàçíîñòüþ ìåæäó êîëè÷åñòâîì òåïëîòû Q1, ïîëó÷åííîé ñèñòåìîé, è ðàáîòîé À: ΔU = Q1– A èëè: Q1= A1 + ΔU.  äèôôåðåíöèàëüíîé ôîðìå: dQ = dA + dU. Ïåðâîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè îïðåäåëÿåò âòîðóþ ôóíêöèþ ñîñòîÿíèÿ – ýíåðãèþ, òî÷íåå, âíóòðåííþþ ýíåðãèþ U, êîòîðàÿ ïðåäñòàâëÿåò ýíåðãèþ õàîòè÷åñêîãî äâèæåíèÿ âñåõ ìîëåêóë, àòîìîâ, èîíîâ è ò. ä., à òàêæå ýíåðãèþ âçàèìîäåéñòâèÿ ýòèõ ìèêðî÷àñòèö. Åñëè ñèñòåìà íå îáìåíèâàåòñÿ ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé ýíåðãèåé èëè âåùåñòâîì (èçîëèðîâàííàÿ ñèñòåìà), òî dU = 0, à U = const â ñîîòâåòñòâèè ñ çàêîíîì ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè. Îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî ðàáîòà À ðàâíà êîëè÷åñòâó òåïëîòû Q, òî åñòü ïåðèîäè÷åñêè äåéñòâóþùèé äâèãàòåëü (òåïëîâàÿ ìàøèíà) íå ìîæåò ñîâåðøàòü ðàáîòó áîëüøóþ, ÷åì ñîîáùåííàÿ åìó èçâíå ýíåðãèÿ, à ýòî çíà÷èò, ÷òî íåâîçìîæíî ñîçäàòü äâèãàòåëü, êîòîðûé ïóòåì êàêèõ-òî ïðåîáðàçîâàíèé ýíåðãèè ìîæåò óâåëè÷èòü åå îáùåå êîëè÷åñòâî. Êðóãîâûå ïðîöåññû (öèêëû). Îáðàòèìûå è íåîáðàòèìûå ïðîöåññû> Êðóãîâûì ïðîöåññîì (öèêëîì) íàçûâàåòñÿ òàêîé ïðîöåññ, ïðè êîòîðîì ñèñòåìà ïðîõîäèò ÷åðåç ðÿä ñîñòîÿíèé è âîçâðàùàåòñÿ â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå. Òàêîé öèêë ìîæíî ïðåäñòàâèòü çàìêíóòîé êðèâîé â îñÿõ P, V, ãäå P – äàâëåíèå â ñèñòåìå, à V – åå îáúåì. Çàìêíóòàÿ êðèâàÿ ñîñòîèò èç ó÷àñòêîâ, ãäå îáúåì óâåëè÷èâàåòñÿ (ðàñøèðåíèå), è ó÷àñòêà, ãäå îáúåì óìåíüøàåòñÿ (ñæàòèå). Ïðè ýòîì ðàáîòà, ñîâåðøàåìàÿ çà öèêë, îïðåäåëÿåòñÿ ïëîùàäüþ, îõâàòûâàåìîé çàìêíóòîé êðèâîé. Öèêë, êîòîðûé ïðîòåêàåò ÷åðåç ðàñøèðåíèå, à ïîòîì ñæàòèå, íàçûâàåòñÿ ïðÿìûì, îí èñïîëüçóåòñÿ â òåïëîâûõ ìàøèíàõ – ïåðèîäè÷åñêè äåéñòâóþùèõ äâèãàòåëÿõ, ñîâåðøàþùèõ ðàáîòó çà ñ÷åò ïîëó÷åííîãî èçâíå òåïëà. Öèêë, êîòîðûé ïðîòåêàåò ÷åðåç ñæàòèå, à ïîòîì ðàñøèðåíèå, íàçûâàåòñÿ îáðàòíûì è èñïîëüçóåòñÿ â õîëîäèëüíûõ ìàøèíàõ – ïåðèîäè÷åñêè äåéñòâóþùèõ óñòàíîâêàõ, â êîòîðûõ çà ñ÷åò ðàáîòû âíåøíèõ ñèë òåïëîòà ïåðåíîñèòñÿ îò îäíîãî òåëà ê äðóãîìó.  ðåçóëüòàòå êðóãîâîãî ïðîöåññà ñèñòåìà âîçâðàùàåòñÿ â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå: ΔU =0, Q = A Ñèñòåìà ìîæåò êàê ïîëó÷àòü òåïëîòó, òàê è îòäàâàòü. Åñëè ñèñòåìà ïîëó÷àåò Q1 òåïëîòû, à îòäàåò Q2, òî òåðìè÷åñêèé êîýôôèöèåíò ïîëåçíîãî äåéñòâèÿ äëÿ êðóãîâîãî ïðîöåññà ![]() Îáðàòèìûå ïðîöåññû ìîãóò ïðîèñõîäèòü êàê â ïðÿìîì, òàê è â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè  èäåàëüíîì ñëó÷àå, åñëè ïðîöåññ ïðîèñõîäèò ñíà÷àëà â ïðÿìîì, à çàòåì â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè è ñèñòåìà âîçâðàùàåòñÿ â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå, òî â îêðóæàþùåé ñðåäå íå ïðîèñõîäèò íèêàêèõ èçìåíåíèé Îáðàòèìûå ïðîöåññû – ýòî èäåàëèçàöèÿ ðåàëüíûõ ïðîöåññîâ, ïðè êîòîðûõ âñåãäà ïðîèñõîäèò íåêîòîðàÿ ïîòåðÿ ýíåðãèè (íà òðåíèå, òåïëîïðîâîäíîñòü è ò ä) Ïîíÿòèå îáðàòèìîãî êðóãîâîãî ïðîöåññà ââåë â ôèçèêó â 1834 ã ôðàíöóçñêèé ó÷åíûé Á Êëàïåéðîí Èäåàëüíûé öèêë òåïëîâîãî äâèãàòåëÿ ÊàðíîÊîãäà ìû ãîâîðèì îá îáðàòèìîñòè ïðîöåññîâ, ñëåäóåò ó÷èòûâàòü, ÷òî ýòî íåêîòîðàÿ èäåàëèçàöèÿ. Âñå ðåàëüíûå ïðîöåññû íåîáðàòèìû, ïîýòîìó è öèêëû, ïî êîòîðûì ðàáîòàþò òåïëîâûå ìàøèíû, òàêæå íåîáðàòèìû, à çíà÷èò è íåðàâíîâåñíû. Îäíàêî äëÿ óïðîùåíèÿ êîëè÷åñòâåííûõ îöåíîê òàêèõ öèêëîâ íåîáõîäèìî ñ÷èòàòü èõ ðàâíîâåñíûìè, òî åñòü êàê åñëè áû îíè ñîñòîÿëè òîëüêî èç ðàâíîâåñíûõ ïðîöåññîâ. Ýòîãî òðåáóåò õîðîøî ðàçðàáîòàííûé àïïàðàò êëàññè÷åñêîé òåðìîäèíàìèêè. Çíàìåíèòûé öèêë èäåàëüíîãî äâèãàòåëÿ Êàðíî ñ÷èòàåòñÿ ðàâíîâåñíûì îáðàòíûì êðóãîâûì ïðîöåññîì.  ðåàëüíûõ óñëîâèÿõ ëþáîé öèêë íå ìîæåò áûòü èäåàëüíûì, òàê êàê ñóùåñòâóþò ïîòåðè. Îí ñîâåðøàåòñÿ ìåæäó äâóìÿ èñòî÷íèêàìè òåïëîòû ñ ïîñòîÿííûìè òåìïåðàòóðàìè ó òåïëîîòäàò÷èêà Ò1 è òåïëîïðèåìíèêà Ò2, à òàêæå ðàáî÷èì òåëîì, â êà÷åñòâå êîòîðîãî ïðèíÿò èäåàëüíûé ãàç (ðèñ. 3.1). ![]() Ðèñ. 3.1. Öèêë òåïëîâîãî äâèãàòåëÿ Ïîëàãàåì, ÷òî Ò1 > Ò2 è îòâîä òåïëà îò òåïëîîòäàò÷èêà è ïîäâîä òåïëà ê òåïëîïðèåìíèêó íå âëèÿþò íà èõ òåìïåðàòóðû, T1 è T2 îñòàþòñÿ ïîñòîÿííûìè. Îáîçíà÷èì ïàðàìåòðû ãàçà ïðè ëåâîì êðàéíåì ïîëîæåíèè ïîðøíÿ òåïëîâîãî äâèãàòåëÿ: äàâëåíèå – Ð1 îáúåì – V1, òåìïåðàòóðà Ò1. Ýòî òî÷êà 1 íà ãðàôèêå íà îñÿõ P-V.  ýòîò ìîìåíò ãàç (ðàáî÷åå òåëî) âçàèìîäåéñòâóåò ñ òåïëîîòäàò÷èêîì, òåìïåðàòóðà êîòîðîãî òàêæå Ò1. Ïðè äâèæåíèè ïîðøíÿ âïðàâî äàâëåíèå ãàçà â öèëèíäðå óìåíüøàåòñÿ, à îáúåì óâåëè÷èâàåòñÿ. Ýòî áóäåò ïðîäîëæàòüñÿ äî ïðèõîäà ïîðøíÿ â ïîëîæåíèå, îïðåäåëÿåìûå òî÷êîé 2, ãäå ïàðàìåòðû ðàáî÷åãî òåëà (ãàçà) ïðèìóò çíà÷åíèÿ P2, V2, T2. Òåìïåðàòóðà â ýòîé òî÷êå îñòàåòñÿ íåèçìåííîé, òàê êàê òåìïåðàòóðà ãàçà è òåïëîîòäàò÷èêà îäèíàêîâà â ïðîöåññå ïåðåõîäà ïîðøíÿ îò òî÷êè 1 ê òî÷êå 2 (ðàñøèðåíèå). Òàêîé ïðîöåññ, ïðè êîòîðîì Ò íå èçìåíÿåòñÿ, íàçûâàåòñÿ èçîòåðìè÷åñêèì, à êðèâàÿ 1–2 íàçûâàåòñÿ èçîòåðìîé.  ýòîì ïðîöåññå îò òåïëîîòäàò÷èêà ê ðàáî÷åìó òåëó ïåðåõîäèò òåïëîòà Q1.  òî÷êå 2 öèëèíäð ïîëíîñòüþ èçîëèðóåòñÿ îò âíåøíåé ñðåäû (òåïëîîáìåíà íåò) è ïðè äàëüíåéøåì äâèæåíèè ïîðøíÿ âïðàâî óìåíüøåíèå äàâëåíèÿ è óâåëè÷åíèå îáúåìà ïðîèñõîäèò ïî êðèâîé 2–3, êîòîðàÿ íàçûâàåòñÿ àäèàáàòîé (ïðîöåññ áåç òåïëîîáìåíà ñ âíåøíåé ñðåäîé). Êîãäà ïîðøåíü ïåðåìåñòèòñÿ â êðàéíåå ïðàâîå ïîëîæåíèå (òî÷êà 3), ïðîöåññ ðàñøèðåíèÿ çàêîí÷èòñÿ è ïàðàìåòðû áóäóò èìåòü çíà÷åíèÿ Ð3, V3, à òåìïåðàòóðà ñòàíåò ðàâíîé òåìïåðàòóðå òåïëîïðèåìíèêà Ò2. Ïðè ýòîì ïîëîæåíèè ïîðøíÿ èçîëÿöèÿ ðàáî÷åãî òåëà ñíèæàåòñÿ è îíî âçàèìîäåéñòâóåò ñ òåïëîïðèåìíèêîì. Åñëè òåïåðü óâåëè÷èâàòü äàâëåíèå íà ïîðøåíü, òî îí áóäåò ïåðåìåùàòüñÿ âëåâî ïðè íåèçìåííîé òåìïåðàòóðå Ò2 (ñæàòèå). Çíà÷èò, ýòîò ïðîöåññ ñæàòèÿ áóäåò èçîòåðìè÷åñêèì.  ýòîì ïðîöåññå òåïëîòà Q2 ïåðåéäåò îò ðàáî÷åãî òåëà ê òåïëî-ïðèåìíèêó. Ïîðøåíü, äâèãàÿñü âëåâî, ïðèäåò â òî÷êó 4 ñ ïàðàìåòðàìè P4, V4 è T2, ãäå ðàáî÷åå òåëî âíîâü èçîëèðóåòñÿ îò âíåøíåé ñðåäû. Äàëüíåéøåå ñæàòèå ïðîèñõîäèò ïî àäèàáàòå 4–1 ñ ïîâûøåíèåì òåìïåðàòóðû.  òî÷êå 1 ñæàòèå çàêàí÷èâàåòñÿ ïðè ïàðàìåòðàõ ðàáî÷åãî òåëà P1, V1, T1. Ïîðøåíü âîçâðàòèëñÿ â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå.  òî÷êå 1 èçîëÿöèÿ ðàáî÷åãî òåëà îò âíåøíåé ñðåäû ñíèìàåòñÿ è öèêë ïîâòîðÿåòñÿ. Òàêèì îáðàçîì, öèêë Êàðíî ìîæíî ñ÷èòàòü îáðàòèìûì. Õîòÿ ïðè ýòîì íå ó÷èòûâàëèñü ðàçëè÷íûå ñîïóòñòâóþùèå ïîòåðè (òåïëà â îêðóæàþùóþ ñðåäó, íà òðåíèå è íåêîòîðûå äðóãèå óñëîâèÿ èäåàëèçàöèè). Êîýôôèöèåíò ïîëåçíîãî äåéñòâèÿ èäåàëüíîãî äâèãàòåëÿ Êàðíî: ![]() Àíàëèç âûðàæåíèÿ äëÿ ÊÏÄ öèêëà Êàðíî ïîçâîëÿåò ñäåëàòü ñëåäóþùèå âûâîäû: 1) ÊÏÄ òåì áîëüøå, ÷åì áîëüøå Ò1 è ÷åì ìåíüøå Ò2; 2) ÊÏÄ âñåãäà ìåíüøå åäèíèöû; 3) ÊÏÄ ðàâåí íóëþ ïðè Ò1 = Ò2. Öèêë Êàðíî äàåò íàèëó÷øèå èñïîëüçîâàíèÿ òåïëîòû, íî, êàê óêàçûâàëîñü âûøå, îí ÿâëÿåòñÿ èäåàëèçèðîâàííûì è â ðåàëüíûõ óñëîâèÿõ íåîñóùåñòâèì. Îäíàêî çíà÷åíèå åãî âåëèêî. Îí ïîçâîëÿåò îïðåäåëèòü íàèâûñøåå çíà÷åíèå ÊÏÄ òåïëîâîãî äâèãàòåëÿ. Âòîðîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè. ÝíòðîïèÿÂòîðîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè ñâÿçàíî ñ èìåíàìè Í. Êàðíî, Â. Òîìñîíà (Êåëüâèíà), Ð. Êëàóçèóñà, Ë. Áîëüöìàíà, Â. Íåðíñòà. Âòîðîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè ââîäèò â ðàññìîòðåíèå íîâóþ ôóíêöèþ ñîñòîÿíèÿ – ýíòðîïèþ. Òåðìèí «ýíòðîïèÿ», ïðåäëîæåííûé Ð. Êëàóçèóñîì, îáðàçîâàí îò ãðå÷. entropia è îçíà÷àåò «ïðåâðàùåíèå». Óìåñòíî áóäåò ïðèâåñòè ïîíÿòèå «ýíòðîïèÿ» â ôîðìóëèðîâêå À. Çîììåðôåëüäà: «Êàæäàÿ òåðìîäèíàìè÷åñêàÿ ñèñòåìà îáëàäàåò ôóíêöèåé ñîñòîÿíèÿ, íàçûâàåìîé ýíòðîïèåé. Ýíòðîïèÿ âû÷èñëÿåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì. Ñèñòåìà ïåðåâîäèòñÿ èç ïðîèçâîëüíî âûáðàííîãî íà÷àëüíîãî ñîñòîÿíèÿ â ñîîòâåòñòâóþùåå êîíå÷íîå ñîñòîÿíèå ÷åðåç ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ñîñòîÿíèé ðàâíîâåñèÿ; âû÷èñëÿþòñÿ âñå ïðîâîäèìûå ïðè ýòîì ê ñèñòåìå ïîðöèè òåïëà dQ, äåëÿòñÿ êàæäàÿ íà ñîîòâåòñòâóþùóþ åé àáñîëþòíóþ òåìïåðàòóðó Ò, è âñå ïîëó÷åííûå òàêèì îáðàçîì çíà÷åíèÿ ñóììèðóþòñÿ (ïåðâàÿ ÷àñòü âòîðîãî íà÷àëà òåðìîäèíàìèêè). Ïðè ðåàëüíûõ (íåèäåàëüíûõ) ïðîöåññàõ ýíòðîïèÿ èçîëèðîâàííîé ñèñòåìû âîçðàñòàåò (âòîðàÿ ÷àñòü âòîðîãî íà÷àëà òåðìîäèíàìèêè)». Ó÷åòà è ñîõðàíåíèÿ êîëè÷åñòâà ýíåðãèè åùå íåäîñòàòî÷íî äëÿ òîãî, ÷òîáû ñóäèòü î âîçìîæíîñòè òîãî èëè èíîãî ïðîöåññà. Ýíåðãèþ ñëåäóåò õàðàêòåðèçîâàòü íå òîëüêî êîëè÷åñòâîì, íî è êà÷åñòâîì. Ïðè ýòîì ñóùåñòâåííî, ÷òî ýíåðãèÿ îïðåäåëåííîãî êà÷åñòâà ñàìîïðîèçâîëüíî ìîæåò ïðåâðàùàòüñÿ òîëüêî â ýíåðãèþ áîëåå íèçêîãî êà÷åñòâà. Âåëè÷èíîé, îïðåäåëÿþùåé êà÷åñòâî ýíåðãèè, è ÿâëÿåòñÿ ýíòðîïèÿ. Ïðîöåññû â æèâîé è íåæèâîé ìàòåðèè â öåëîì ïðîòåêàþò òàê, ÷òî ýíòðîïèÿ â çàìêíóòûõ èçîëèðîâàííûõ ñèñòåìàõ âîçðàñòàåò, à êà÷åñòâî ýíåðãèè ïîíèæàåòñÿ.  ýòîì è åñòü ñìûñë âòîðîãî íà÷àëà òåðìîäèíàìèêè. Åñëè îáîçíà÷èòü ýíòðîïèþ ÷åðåç S,òî ![]() ÷òî è ñîîòâåòñòâóåò ïåðâîé ÷àñòè âòîðîãî íà÷àëà ïî Çîììåðôåëüäó. Ìîæíî ïîäñòàâèòü âûðàæåíèå äëÿ ýíòðîïèè â óðàâíåíèå ïåðâîãî íà÷àëà òåðìîäèíàìèêè: dU = T × dS – dU. Ýòà ôîðìóëà èçâåñòíà â ëèòåðàòóðå êàê ñîîòíîøåíèå Ãèááñà. Ýòî ôóíäàìåíòàëüíîå óðàâíåíèå îáúåäèíÿåò ïåðâîå è âòîðîå íà÷àëà òåðìîäèíàìèêè è îïðåäåëÿåò, ïî ñóùåñòâó, âñþ ðàâíîâåñíóþ òåðìîäèíàìèêó. Âòîðîå íà÷àëî óñòàíàâëèâàåò îïðåäåëåííîå íàïðàâëåíèå òå÷åíèÿ ïðîöåññîâ â ïðèðîäå, òî åñòü «ñòðåëó âðåìåíè». Íàèáîëåå ãëóáîêî ñìûñë ýíòðîïèè âñêðûâàåòñÿ ïðè ñòàòè÷åñêîé îöåíêå ýíòðîïèè.  ñîîòâåòñòâèè ñ ïðèíöèïîì Áîëüöìàíà ýíòðîïèÿ ñâÿçàíà ñ âåðîÿòíîñòüþ ñîñòîÿíèÿ ñèñòåìû èçâåñòíûì ñîîòíîøåíèåì S = K × LnW, ãäå W – òåðìîäèíàìè÷åñêàÿ âåðîÿòíîñòü, à Ê – ïîñòîÿííàÿ Áîëüöìàíà. Ïîä òåðìîäèíàìè÷åñêîé âåðîÿòíîñòüþ, èëè ñòàòè÷åñêèì âåñîì, ïîíèìàåòñÿ ÷èñëî ðàçëè÷íûõ ðàñïðåäåëåíèé ÷àñòèö ïî êîîðäèíàòàì è ñêîðîñòÿì, ñîîòâåòñòâóþùèõ äàííîìó òåðìîäèíàìè÷åñêîìó ñîñòîÿíèþ. Ïðè ëþáîì ïðîöåññå, êîòîðûé ïðîòåêàåò â èçîëèðîâàííîé ñèñòåìå è ïåðåâîäèò åå èç ñîñòîÿíèÿ 1 â ñîñòîÿíèå 2, èçìåíåíèå ΔW òåðìîäèíàìè÷åñêîé âåðîÿòíîñòè ïîëîæèòåëüíî èëè ðàâíî íóëþ: ΔW = W2– W1≥ 0  ñëó÷àå îáðàòèìîãî ïðîöåññà ΔW = 0, òî åñòü òåðìîäèíàìè÷åñêàÿ âåðîÿòíîñòü, ïîñòîÿííà. Åñëè ïðîèñõîäèò íåîáðàòèìûé ïðîöåññ, òî ΔW > 0 è W âîçðàñòàåò. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî íåîáðàòèìûé ïðîöåññ ïåðåâîäèò ñèñòåìó èç ìåíåå âåðîÿòíîãî ñîñòîÿíèÿ â áîëåå âåðîÿòíîå. Âòîðîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè ÿâëÿåòñÿ ñòàòèñòè÷åñêèì çàêîíîì, îíî îïèñûâàåò çàêîíîìåðíîñòè õàîòè÷åñêîãî äâèæåíèÿ áîëüøîãî ÷èñëà ÷àñòèö, ñîñòàâëÿþùèõ çàìêíóòóþ ñèñòåìó, òî åñòü ýíòðîïèÿ õàðàêòåðèçóåò ìåðó áåñïîðÿäî÷íîñòè, õàîòè÷íîñòè ÷àñòèö â ñèñòåìå. Ð. Êëàóçèóñ îïðåäåëèë âòîðîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè òàê: > íåâîçìîæåí êðóãîâîé ïðîöåññ, åäèíñòâåííûì ðåçóëüòàòîì êîòîðîãî ÿâëÿåòñÿ ïåðåäà÷à òåïëîòû îò ìåíåå íàãðåòîãî òåëà ê áîëåå íàãðåòîìó (1850).  ñâÿçè ñ ýòîé ôîðìóëèðîâêîé â ñåðåäèíå XIX â. áûëà îïðåäåëåíà ïðîáëåìà òàê íàçûâàåìîé òåïëîâîé ñìåðòè Âñåëåííîé. Ðàññìàòðèâàÿ Âñåëåííóþ êàê çàìêíóòóþ ñèñòåìó, Ð. Êëàóçèóñ, îïèðàÿñü íà âòîðîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè, óòâåðæäàë, ÷òî ðàíî èëè ïîçäíî ýíòðîïèÿ Âñåëåííîé äîëæíà äîñòèãíóòü ñâîåãî ìàêñèìóìà. Ïåðåõîä òåïëîòû îò áîëåå íàãðåòûõ òåë ê ìåíåå íàãðåòûì ïðèâåäåò ê òîìó, ÷òî òåìïåðàòóðà âñåõ òåë Âñåëåííîé áóäåò îäèíàêîâîé, íàñòóïèò ïîëíîå òåïëîâîå ðàâíîâåñèå è âñå ïðîöåññû âî Âñåëåííîé ïðåêðàòÿòñÿ – íàñòóïèò òåïëîâàÿ ñìåðòü Âñåëåííîé. Îøèáî÷íîñòü âûâîäà î òåïëîâîé ñìåðòè Âñåëåííîé çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî íåëüçÿ ïðèìåíÿòü âòîðîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè ê ñèñòåìå, êîòîðàÿ ÿâëÿåòñÿ íå çàìêíóòîé, à áåñêîíå÷íî ðàçâèâàþùåé ñèñòåìîé. Âñåëåííàÿ ðàñøèðÿåòñÿ, ãàëàêòèêè ðàçáåãàþòñÿ ñî ñêîðîñòÿìè, êîòîðûå íàðàñòàþò. Âñåëåííàÿ íåñòàöèîíàðíà.  îñíîâó ôîðìóëèðîâîê âòîðîãî íà÷àëà òåðìîäèíàìèêè ïîëîæåíû ïîñòóëàòû, ÿâëÿþùèåñÿ ðåçóëüòàòîì ìíîãîâåêîâîãî ÷åëîâå÷åñêîãî îïûòà. Êðîìå óêàçàííîãî ïîñòóëàòà Êëàóçèóñà íàèáîëüøóþ èçâåñòíîñòü ïîëó÷èë ïîñòóëàò Òîìñîíà (Êåëüâèíà), êîòîðûé ãîâîðèò î íåâîçìîæíîñòè ïîñòðîåíèÿ âå÷íîãî òåïëîâîãî äâèãàòåëÿ âòîðîãî ðîäà (perpetuum mobile), òî åñòü äâèãàòåëÿ, ïîëíîñòüþ ïðåâðàùàþùåãî òåïëîòó â ðàáîòó. Ñîãëàñíî ýòîìó ïîñòóëàòó, èç âñåé òåïëîòû, ïîëó÷åííîé îò èñòî÷íèêà òåïëà ñ âûñîêîé òåìïåðàòóðîé – òåïëîîòäàò÷èêà, òîëüêî ÷àñòü ìîæåò áûòü ïðåâðàùåíà â ðàáîòó. Îñòàëüíàÿ ÷àñòü äîëæíà áûòü îòâåäåíà â òåïëîïðèåìíèê ñ îòíîñèòåëüíî íèçêîé òåìïåðàòóðîé, òî åñòü äëÿ ðàáîòû òåïëîâîãî äâèãàòåëÿ íåîáõîäèìû ïî êðàéíåé ìåðå äâà òåïëîâûõ èñòî÷íèêà ðàçëè÷íîé òåìïåðàòóðû. Ýòèì è îáúÿñíÿåòñÿ ïðè÷èíà, ïî êîòîðîé íåëüçÿ ïåðåâåñòè â ðàáîòó òåïëîòó îêðóæàþùåé íàñ àòìîñôåðû èëè òåïëîòó ìîðåé è îêåàíîâ ïðè îòñóòñòâèè òàêèõ æå ìàñøòàáíûõ èñòî÷íèêîâ òåïëîòû ñ áîëåå íèçêîé òåìïåðàòóðîé. Òðåòüå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè, èëè òåïëîâàÿ òåîðèÿ ÍåðíñòàÑðåäè ôóíêöèé ñîñòîÿíèÿ, êðîìå òåìïåðàòóðû Ò, âíóòðåííåé ýíåðãèè U è ýíòðîïèè S, èìåþòñÿ è òàêèå, êîòîðûå ñîäåðæàò ïðîèçâåäåíèå T ·S. Íàïðèìåð, ïðè èçó÷åíèè õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé âàæíóþ ðîëü èãðàþò òàêèå ôóíêöèè ñîñòîÿíèÿ, êàê ñâîáîäíàÿ ýíåðãèÿ F = U – T · S èëè ïîòåíöèàë Ãèááñà Ô = U+ pV– TS.  ýòè ôóíêöèè ñîñòîÿíèÿ âõîäèò ïðîèçâåäåíèå T ·S. Îäíàêî âåëè÷èíà S îïðåäåëÿåòñÿ ëèøü ñ òî÷íîñòüþ äî ïðîèçâîëüíîé ïîñòîÿííîé S0, òàê êàê ýíòðîïèÿ îïðåäåëÿåòñÿ ÷åðåç åå äèôôåðåíöèàë dS. Ñëåäîâàòåëüíî, áåç êîíêðåòèçàöèè S0 ïðèìåíåíèå ôóíêöèé ñîñòîÿíèÿ ñòàíîâèòñÿ íåîïðåäåëåííûì. Âîçíèêàåò âîïðîñ îá àáñîëþòíîì çíà÷åíèè ýíòðîïèè. Òåïëîâàÿ òåîðèÿ Íåðíñòà îòâå÷àåò íà ýòîò âîïðîñ.  ôîðìóëèðîâêå Ïëàíêà îíà ñâîäèòñÿ ê óòâåðæäåíèþ: ýíòðîïèÿ âñåõ òåë â ñîñòîÿíèè ðàâíîâåñèÿ ñòðåìèòñÿ ê íóëþ ïî ìåðå ïðèáëèæåíèÿ òåìïåðàòóðû ê íóëþ Êåëüâèíà: limS =0. Òàê êàê ýíòðîïèÿ îïðåäåëÿåòñÿ ñ òî÷íîñòüþ äî àääèòèâíîé ïîñòîÿííîé S0, òî ýòó ïîñòîÿííóþ óäîáíî âçÿòü ðàâíîé íóëþ. Òåïëîâàÿ òåîðåìà áûëà ñôîðìóëèðîâàíà Íåðñòîì â íà÷àëå XX â. (Íîáåëåâñêàÿ ïðåìèÿ ïî ôèçèêå â 1920 ã.). Îíà íå âûòåêàåò èç ïåðâûõ äâóõ íà÷àë, ïîýòîìó â ñèëó ñâîåé îáùíîñòè ñ ïîëíûì ïðàâîì ìîæåò ðàññìàòðèâàòüñÿ êàê íîâûé çàêîí ïðèðîäû – òðåòüå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè. Íåðàâíîâåñíàÿ òåðìîäèíàìèêàÍåðàâíîâåñíûå ñèñòåìû õàðàêòåðèçóþòñÿ íå òîëüêî òåðìîäèíàìè÷åñêèìè ïàðàìåòðàìè, íî è ñêîðîñòüþ èõ èçìåíåíèÿ âî âðåìåíè è â ïðîñòðàíñòâå, êîòîðàÿ îïðåäåëÿåò ïîòîêè (ïðîöåññû ïåðåíîñà) è òåðìîäèíàìè÷åñêèå ñèëû (ãðàäèåíò òåìïåðàòóðû, ãðàäèåíò êîíöåíòðàöèè è äð.). Ïîÿâëåíèå ïîòîêîâ â ñèñòåìå íàðóøàåò ñòàòèñòè÷åñêîå ðàâíîâåñèå.  ëþáîé ôèçè÷åñêîé ñèñòåìå âñåãäà ïðîèñõîäÿò ïðîöåññû, ñòàðàþùèåñÿ âåðíóòü ñèñòåìó â ñîñòîÿíèå ðàâíîâåñèÿ. Ïðîèñõîäèò êàê áû ïðîòèâîáîðñòâî ìåæäó ïðîöåññàìè ïåðåíîñà, íàðóøàþùèìè ðàâíîâåñèå, è âíóòðåííèìè ïðîöåññàìè, ñòàðàþùèìèñÿ åãî âîññòàíîâèòü. Ïðîöåññû â íåðàâíîâåñíûõ ñèñòåìàõ îáëàäàþò ñëåäóþùèìè òðåìÿ ñâîéñòâàìè: 1. Ïðîöåññû, ïðèâîäÿùèå ñèñòåìó ê òåðìîäèíàìè÷åñêîìó ðàâíîâåñèþ (âîññòàíîâëåíèå), ïðîèñõîäÿò òîãäà, êîãäà íåò îñîáûõ ôàêòîðîâ, ñîõðàíÿþùèõ íåðàâíîâåñíîå ñîñòîÿíèå âíóòðè ñàìîé ñèñòåìû. Åñëè èñõîäíîå ñîñòîÿíèå ñèëüíî íåðàâíîâåñíî, à íà ôîíå îáùåãî ñòðåìëåíèÿ ñèñòåìû ê ðàâíîâåñèþ ðîæäàþòñÿ ïðåäñòàâëÿþùèå áîëüøîé èíòåðåñ ïîäñèñòåìû, â êîòîðûõ ýíòðîïèÿ ëîêàëüíî óìåíüøàåòñÿ, òî âîçíèêàþò ëîêàëüíûå ïîäñèñòåìû, ãäå óïîðÿäî÷åííîñòü ïîâûøàåòñÿ. Ïðè ýòîì îáùåå âîçðàñòàíèå äëÿ âñåé ñèñòåìû âî ìíîãî ðàç áîëüøå.  èçîëèðîâàííîé ñèñòåìå ëîêàëüíîå óìåíüøåíèå ýíòðîïèè, êîíå÷íî, ÿâëÿåòñÿ âðåìåííûì.  îòêðûòîé æå ñèñòåìå, ÷åðåç êîòîðóþ äëèòåëüíîå âðåìÿ ïðîòåêàþò ìîùíûå ïîòîêè, ñíèæàþùèå ýíòðîïèþ, ìîãóò âîçíèêíóòü êàêèå-òî óïîðÿäî÷åííûå ïîäñèñòåìû. Îíè ìîãóò ñóùåñòâîâàòü, èçìåíÿÿñü è ðàçâèâàÿñü, î÷åíü äîëãî (ïîêà íå ïðåêðàòÿòñÿ ïèòàþùèå èõ ïîòîêè). 2. Ðîæäåíèå ëîêàëüíûõ ñîñòîÿíèé ñ íèçêîé ýíòðîïèåé ïðèâîäèò ê óñêîðåíèþ îáùåãî ðîñòà ýíòðîïèè âñåé ñèñòåìû. Áëàãîäàðÿ óïîðÿäî÷åííûì ïîäñèñòåìàì âñÿ ñèñòåìà â öåëîì äâèæåòñÿ áûñòðåå êî âñå áîëåå íåóïîðÿäî÷åííûì ñîñòîÿíèÿì, ê òåðìîäèíàìè÷åñêîìó ðàâíîâåñèþ. Íàëè÷èå óïîðÿäî÷åííîé ïîäñèñòåìû ìîæåò â ìèëëèîíû è áîëåå ðàç óñêîðèòü âûõîä âñåé ñèñòåìû èç «áëàãîïîëó÷íîãî» ìåòàñòàáèëüíîãî ñîñòîÿíèÿ.  ïðèðîäå íè÷åãî «äàðîì» íå äàåòñÿ. 3. Óïîðÿäî÷åííûå ñîñòîÿíèÿ ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé äèññèïàòèâíûå ñòðóêòóðû, êîòîðûå òðåáóþò äëÿ ñâîåãî ñòàíîâëåíèÿ áîëüøîãî ïðèòîêà ýíåðãèè. Òàêèå ñèñòåìû ðåàãèðóþò íà ìàëûå èçìåíåíèÿ âíåøíèõ óñëîâèé áîëåå ÷óòêî è áîëåå ðàçíîîáðàçíî, ÷åì òåðìîäèíàìè÷åñêîå ðàâíîâåñíîå ñîñòîÿíèå. Îíè ìîãóò ëåãêî ðàçðóøàòüñÿ èëè æå ïðåâðàùàòüñÿ â íîâûå óïîðÿäî÷åííûå ñòðóêòóðû. Âîçíèêíîâåíèå äèññèïàòèâíûõ ñòðóêòóð íîñèò ïîðîãîâûé õàðàêòåð. Íåðàâíîâåñíàÿ òåðìîäèíàìèêà ñâÿçàëà ïîðîãîâûé õàðàêòåð ñ íåóñòîé÷èâîñòüþ. Íîâàÿ ñòðóêòóðà âñåãäà ÿâëÿåòñÿ ðåçóëüòàòîì íåóñòîé÷èâîñòè è âîçíèêàåò èç ôëóêòóàöèè. Âûäàþùåéñÿ çàñëóãîé íåðàâíîâåñíîé òåðìîäèíàìèêè ÿâëÿåòñÿ óñòàíîâëåíèå òîãî, ÷òî ñàìîîðãàíèçàöèÿ ïðèñóùà íå òîëüêî «æèâûì ñèñòåìàì». Ñïîñîáíîñòü ê ñàìîîðãàíèçàöèè ÿâëÿåòñÿ îáùèì ñâîéñòâîì âñåõ îòêðûòûõ ñèñòåì, ó êîòîðûõ âîçìîæåí îáìåí ýíåðãèåé ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé. Ïðè ýòîì èìåííî íåðàâíîâåñíîñòü ñëóæèò èñòî÷íèêîì óïîðÿäî÷åííîñòè. Ýòîò âûâîä ÿâëÿåòñÿ îñíîâíûì òåçèñîì äëÿ êðóãà èäåé ãðóïïû È. Ïðèãîæèíà. Ñîâìåñòèìîñòü âòîðîãî íà÷àëà òåðìîäèíàìèêè ñî ñïîñîáíîñòüþ ñèñòåì ê ñàìîîðãàíèçàöèè – îäíî èç êðóïíåéøèõ äîñòèæåíèé ñîâðåìåííîé íåðàâíîâåñíîé òåðìîäèíàìèêè. Ýíòðîïèÿ è âåùåñòâî. Èçìåíåíèå ýíòðîïèè â õèìè÷åñêèõ ðåàêöèÿõÏðè ïîâûøåíèè òåìïåðàòóðû ðàñòåò ñêîðîñòü ðàçëè÷íûõ âèäîâ äâèæåíèÿ ÷àñòèö. Îòñþäà ÷èñëî ìèêðîñîñòîÿíèé ÷àñòèö, à ñîîòâåòñòâåííî è òåðìîäèíàìè÷åñêàÿ âåðîÿòíîñòü W, è ýíòðîïèÿ âåùåñòâà ðàñòóò. Ïðè ïåðåõîäå âåùåñòâà èç òâåðäîãî ñîñòîÿíèÿ â æèäêîå óâåëè÷èâàåòñÿ íåóïîðÿäî÷åííîñòü ÷àñòèö è ñîîòâåòñòâåííî ýíòðîïèÿ (ΔSïëàâë). Îñîáåííî ðåçêî ðàñòåò íåóïîðÿäî÷åííîñòü è ñîîòâåòñòâåííî ýíòðîïèÿ ïðè ïåðåõîäå âåùåñòâà èç æèäêîãî ñîñòîÿíèÿ â ãàçîîáðàçíîå (ASêèïåí). Ýíòðîïèÿ óâåëè÷èâàåòñÿ ïðè ïðåâðàùåíèè êðèñòàëëè÷åñêîãî âåùåñòâà â àìîðôíîå. ×åì âûøå òâåðäîñòü âåùåñòâà, òåì ìåíüøå åãî ýíòðîïèÿ. Óâåëè÷åíèå àòîìîâ â ìîëåêóëå è óñëîæíåíèå ìîëåêóë âåäåò ê óâåëè÷åíèþ ýíòðîïèè. Ýíòðîïèÿ èçìåðÿåòñÿ â Êàë/ìîëü·Ê (ýíòðîïèéíàÿ åäèíèöà) è â Äæ/ìîëü·Ê Ïðè ðàñ÷åòàõ ïðèìåíÿþò çíà÷åíèÿ ýíòðîïèè â òàê íàçûâàåìîì ñòàíäàðòíîì ñîñòîÿíèè, òî åñòü ïðè 298,15 Ê (25 °C). Òîãäà ýíòðîïèþ îáîçíà÷àþò S0298. Íàïðèìåð, ýíòðîïèÿ êèñëîðîäà 03 – S0298 = 238,8 åä. ý., à 02 – S0298 = 205 åä. ý. Àáñîëþòíûå çíà÷åíèÿ ýíòðîïèè ìíîãèõ âåùåñòâ ÿâëÿþòñÿ òàáëè÷íûìè è ïðèâåäåíû â ñïðàâî÷íèêàõ. Íàïðèìåð: Í20(æ) = 70,8; Í20(ã) = 188,7; ÑÎ(ã) = 197,54; ÑÍ4(r) = 186,19; Í2(ã) = 130,58; ÍÑ1(ã) = 186,69; ÍÑl(ð) = 56,5; ÑÍ30Í(æ) = 126,8; Ñà(ê) = 41,4; Ñà(ÎÍ)2(ê) = 83,4; Ñ(àëìàç) = 2,38; Ñ(ãðàôèò) = 5,74 è ò. ä. Ïðèìå÷àíèå: æ – æèäêîñòü, ã – ãàç, ê – êðèñòàëëû; ð – ðàñòâîð. Èçìåíåíèå ýíòðîïèè ñèñòåìû â ðåçóëüòàòå õèìè÷åñêîé ðåàêöèè (ΔS) ðàâíî ñóììå ýíòðîïèé ïðîäóêòîâ ðåàêöèè çà âû÷åòîì ýíòðîïèé èñõîäíûõ âåùåñòâ. Íàïðèìåð: ÑÍ4 +Í20(ã) = Ñ0 + 3Í2– çäåñü ΔS0298 = S0co.298 + 3S0H2.298 – S0H4.298 – S0H2.298 = 197,54 = 3 · 130,58 – 188,19 – 188,7 = 214,39 Äæ/ìîëü · Ê.  ðåçóëüòàòå ðåàêöèè ýíòðîïèÿ âîçðîñëà (AS > 0), âîçðîñëî ÷èñëî ìîëåé ãàçîîáðàçíûõ âåùåñòâ. Èíôîðìàöèîííàÿ ýíòðîïèÿ. Ýíòðîïèÿ â áèîëîãèèÈíôîðìàöèîííàÿ ýíòðîïèÿ ñëóæèò ìåðîé íåîïðåäåëåííîñòè ñîîáùåíèé. Ñîîáùåíèÿ îïèñûâàþòñÿ ìíîæåñòâîì âåëè÷èí x1, x2 xn, êîòîðûå ìîãóò áûòü, íàïðèìåð, ñëîâàìè: p1, p2…, pn. Èíôîðìàöèîííóþ ýíòðîïèþ îáîçíà÷àþò Sn èëè Hu. Äëÿ îïðåäåëåííîãî äèñêðåòíîãî ñòàòèñòè÷åñêîãî ðàñïðåäåëåíèÿ âåðîÿòíîñòåé Pi èñïîëüçóþò ñëåäóþùåå âûðàæåíèå: ![]() ïðè óñëîâèè: ![]() Çíà÷åíèå Sn = 0, åñëè êàêàÿ-ëèáî âåðîÿòíîñòü Pi = 1, à îñòàëüíûå âåðîÿòíîñòè ïîÿâëåíèÿ äðóãèõ âåëè÷èí ðàâíû íóëþ.  ýòîì ñëó÷àå èíôîðìàöèÿ äîñòîâåðíà, òî åñòü íåîïðåäåëåííîñòü â èíôîðìàöèè îòñóòñòâóåò. Èíôîðìàöèîííàÿ ýíòðîïèÿ ïðèíèìàåò íàèáîëüøåå çíà÷åíèå, êîãäà Pi ðàâíû ìåæäó ñîáîé è íåîïðåäåëåííîñòü â èíôîðìàöèè ìàêñèìàëüíà. Îáùàÿ ýíòðîïèÿ íåñêîëüêèõ ñîîáùåíèé ðàâíà ñóììå ýíòðîïèé îòäåëüíûõ ñîîáùåíèé (ñâîéñòâî àääèòèâíîñòè). Àìåðèêàíñêèé ìàòåìàòèê Êëîä Øåííîí, îäèí èç ñîçäàòåëåé ìàòåìàòè÷åñêîé òåîðèè èíôîðìàöèè, èñïîëüçîâàë ïîíÿòèå ýíòðîïèè äëÿ îïðåäåëåíèÿ êðèòè÷åñêîé ñêîðîñòè ïåðåäà÷è èíôîðìàöèè è ïðè ñîçäàíèè «ïîìåõîóñòîé÷èâûõ êîäîâ». Òàêîé ïîäõîä (èñïîëüçîâàíèå èç ñòàòèñòè÷åñêîé òåðìîäèíàìèêè âåðîÿòíîñòíîé ôóíêöèè ýíòðîïèè) îêàçàëñÿ ïëîäîòâîðíûìè â äðóãèõ íàïðàâëåíèÿõ åñòåñòâîçíàíèÿ. Ïîíÿòèå ýíòðîïèè, êàê ïîêàçàë âïåðâûå Ý. Øðåäèíãåð (1944 ã.), à çàòåì Ë. Áðèëëþýí è äð., ñóùåñòâåííî è äëÿ ïîíèìàíèÿ ìíîãèõ ÿâëåíèé æèçíè è äàæå äåÿòåëüíîñòè ÷åëîâåêà. Òåïåðü ÿñíî, ÷òî ñ ïîìîùüþ âåðîÿòíîñòíîé ôóíêöèè ýíòðîïèè ìîæíî àíàëèçèðîâàòü âñå ñòàäèè ïåðåõîäà ñèñòåìû îò ñîñòîÿíèÿ ïîëíîãî õàîñà, êîòîðîìó ñîîòâåòñòâóþò ðàâíûå çíà÷åíèÿ âåðîÿòíîñòåé è ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå ýíòðîïèè, ê ñîñòîÿíèþ ïðåäåëüíî âîçìîæíîé óïîðÿäî÷åííîñòè, êîòîðîìó ñîîòâåòñòâóåò åäèíñòâåííî âîçìîæíîå ñîñòîÿíèå ýëåìåíòîâ ñèñòåìû. Æèâîé îðãàíèçì ñ òî÷êè çðåíèÿ ïðîòåêàþùèõ â íåì ôèçèêî-õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ñëîæíóþ îòêðûòóþ ñèñòåìó, íàõîäÿùóþñÿ â íåðàâíîâåñíîì, íåñòàöèîíàðíîì ñîñòîÿíèè. Äëÿ æèâûõ îðãàíèçìîâ õàðàêòåðíà ñáàëàíñèðîâàííîñòü ïðîöåññîâ îáìåíà, âåäóùèõ ê óìåíüøåíèþ ýíòðîïèè. Êîíå÷íî, ñ ïîìîùüþ ýíòðîïèè íåëüçÿ îõàðàêòåðèçîâàòü æèçíåäåÿòåëüíîñòü â öåëîì, òàê êàê æèçíü íå ñâîäèòñÿ ê ïðîñòîé ñîâîêóïíîñòè ôèçèêî-õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ. Åé ñâîéñòâåííû äðóãèå ñëîæíûå ïðîöåññû ñàìîðåãóëÿöèè. Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè1. Ñôîðìóëèðóéòå çàêîíû äâèæåíèÿ Íüþòîíà. 2. Ïåðå÷èñëèòå îñíîâíûå çàêîíû ñîõðàíåíèÿ. 3. Íàçîâèòå îáùèå óñëîâèÿ ñïðàâåäëèâîñòè çàêîíîâ ñîõðàíåíèÿ. 4. Îáúÿñíèòå ñóùåñòâî ïðèíöèïà ñèììåòðèè è ñâÿçü ýòîãî ïðèíöèïà ñ çàêîíàìè ñîõðàíåíèÿ. 5. Ñôîðìóëèðóéòå ïðèíöèï äîïîëíèòåëüíîñòè è ïðèíöèï íåîïðåäåëåííîñòè Ãåéçåíáåðãà. 6.  ÷åì ñîñòîèò «êðóøåíèå» ëàïëàñîâñêîãî äåòåðìèíèçìà? 7. Êàê ôîðìóëèðóþòñÿ ïîñòóëàòû Ýéíøòåéíà â ÑÒÎ? 8. Íàçîâèòå è îáúÿñíèòå ðåëÿòèâèñòñêèå ýôôåêòû. 9.  ÷åì ñîñòîèò ñóòü ÎÒÎ? 10. Ïî÷åìó íåâîçìîæåí âå÷íûé äâèãàòåëü ïåðâîãî ðîäà? 11. Îáúÿñíèòå ïîíÿòèå êðóãîâîãî ïðîöåññà â òåðìîäèíàìèêå è èäåàëüíûé öèêë Êàðíî. 12. Îáúÿñíèòå ïîíÿòèå ýíòðîïèè êàê ôóíêöèþ ñîñòîÿíèÿ ñèñòåìû. 13. Ñôîðìóëèðóéòå âòîðîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè. 14. Îáúÿñíèòå ñóòü ïîíÿòèÿ «íåðàâíîâåñíàÿ òåðìîäèíàìèêà». 15. Êàê êà÷åñòâåííî îïðåäåëÿåòñÿ èçìåíåíèå ýíòðîïèè ïðè õèìè÷åñêèõ ðåàêöèÿõ? Âàø êîììåíòàðèé î êíèãå
Ñì. òàêæå
òåîðèÿ îòíîñèòåëüíîñòè Àëüáåðòà Ýéíøòåéíà Âðåìÿ è ïðîñòðàíñòâî ÅÄÈÍÑÒÂÎ È ÌÍÎÃÎÎÁÐÀÇÈÅ ÑÂÎÉÑÒÂ ÏÐÎÑÒÐÀÍÑÒÂÀ È ÂÐÅÌÅÍÈ ÒÅÎÐÈß ÎÒÍÎÑÈÒÅËÜÍÎÑÒÈ ÊÎÍÖÅÏÖÈß ÎÒÍÎÑÈÒÅËÜÍÎÑÒÈ ÏÐÎÑÒÐÀÍÑÒÂÀ È ÂÐÅÌÅÍÈ Ïîíÿòèå ïðîñòðàíñòâà è âðåìåíè Èçìåðåíèå âðåìåíè |
|