Взаимосвязь физических теорий
Наличие общих физических величин
Вы, наверное, обратили внимание на то, что в разных физических теориях нередко используются одни и те же физические величины. Например, масса m используется и в механике для характеристики тела, и в кинетической теории вещества для характеристики тела и его частиц. Физическую величину скорость v мы тоже встречаем и в механике, и в кинетической теории вещества. А такая физическая величина, как энергия E, используется во всех физических теориях.
Может показаться, что такое проникновение одной и той же физической величины в несколько теорий объясняется историческим развитием науки. Ведь первой была развита механика. И вполне естественно, что при создании других теорий ученые использовали уже сложившиеся представления об окружающем мире, которые дала механика. Это так. Но более существенная причина в другом.
Как мы уже отмечали, физики-теоретики имеют дело с теоретическими моделями изучаемых природных объектов и процессов. Свойства природных объектов и процессов учитываются в теоретических моделях с помощью физических величин. Те свойства, которые оказывают существенное влияние на механические процессы, характеризуются механическими величинами. Вспомните: в механике действие одного тела на другое мы характеризовали силой F; движение тела в выбранной системе отсчета – скоростью v, импульсом mv и кинетической энергией Eк; взаимодействие (связь) тел друг с другом мы оценивали (характеризовали) потенциальной энергией Eп. Для характеристики свойств, существенных при построении теоретических моделей электромагнитных процессов, используются сила тока I, напряженность электрического поля E и т.д.
Таким образом, вопрос о том, какими именно физическими величинами нужно пользоваться в механике, а какими – в электродинамике, решает «сама природа». История развития науки и философские воззрения ученых (а иногда и их остроумие) сказываются лишь на выборе названия той или иной физической величины, но не на ее физическом смысле. Использование какой-либо физической величины в нескольких физических теориях объясняется именно взаимосвязью процессов в природе. Например, то свойство тела, которое мы характеризуем его массой m, оказывается существенным при анализе и механического, и теплового аспектов происходящих в природе явлений.
Наличие общих законов
В природе свойства объектов и процессов связаны между собой. Эта связь свойств на языке физических теорий отображается в виде физических законов. Вспомните, например, второй закон Ньютона
(mv) = F • t.
Он связывает между собой изменение импульса mv тела с силой F и промежутком времени t, в течение которого эта сила действовала.
Естественно предположить, что некоторые связи свойств природных объектов могут проявляться в разных аспектах происходящих в природе явлений. И действительно, некоторые физические законы «действуют» не в одной, а в нескольких теориях. Особое место среди таких законов занимают так называемые законы сохранения. Мы познакомились с двумя из них: законом сохранения импульса и законом сохранения энергии. Оба эти закона замечательны тем, что действуют во всех без исключения физических теориях. У ученых, естественно, возникла мысль: а не отражают ли законы сохранения импульса и энергии глубинных свойств окружающего мира?
И действительно, в 1918 г. немецкий математик Эмма Нетер доказала: законы сохранения импульса и энергии связаны со свойствами пространства и времени.
Сохранение энергии связано с однородностью времени, т.е. с тем, что природные процессы при одних и тех же внешних условиях сто лет назад протекали так же, как они протекают сегодня и будут протекать в следующем тысячелетии. Именно из-за однородности времени мы можем в своих исследованиях выбирать момент начала отсчета времени (запускать секундомер) произвольно, когда нам это удобно.
Сохранение импульса связано с однородностью пространства. Однородность пространства означает, что при одинаковых внешних условиях природный процесс протекает одинаково и в Москве, и в Лондоне, и в мчащемся далеко от Земли космическом корабле.
Так как все природные изменения происходят в пространстве и протекают во времени, то свойства пространства и времени накладывают на них свой отпечаток. Именно поэтому законы сохранения импульса и энергии действуют во всех естественнонаучных теориях, не только физических, но и биологических, химических и др. С помощью законов сохранения каждая научная теория позволяет выражать особое, присущее только ей, отображение свойств пространства и времени. Но в изученных нами теориях просматривается точка зрения и на другие глубинные свойства природы. Рассмотрим некоторые из них.
Немного больше о технологиях >>>
Обзор биологических наномоторов
Многие
молекулярные наномашины, давно работающие в живых организмах, могут послужить
первыми строительными кирпичиками будущих нанороботов. Причем таких
"моторов" в природе достаточно много. В этой статье мы расскажем об
основных биомоторах и их возможном применении в ...
Эскиз к портрету биологической эволюции
История
развития биологии сродни интеллектуальному детективу. Сначала –
феноменологические дебри, несистемное накопление знаний, затем первые попытки
систематизации. Когда стало ясно, что мир развивается, появились эволюционные
гипотезы. Они отражали отдельные звенья этого слож ...
