СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. Проблема взаимодействия мега-, макро- и микромира.
Живой предмет желая изучить,
Чтоб ясное о нем понятье получить,
Ученый прежде душу изгоняет,
Затем предмет на части расчленяет
И видит их, да жаль: духовная их связь
Тем временем исчезла, унеслась!
Гете
Прежде чем перейти к дальнейшему рассмотрению, нам следует оценить временные и пространственные масштабы Вселенной и как-то связать их с местом и ролью человека в общей картине мира. Попробуем объединить масштабы некоторых известных объектов и процессов в единую диаграмму (рис. 1), где слева представлены характерные времена, а справа — характерные размеры. В нижнем левом углу рисунка указан минимальный масштаб времени, имеющий какой-то физический смысл. Этот интервал времени, равный 1043 с, называется планковским временем («хрононом»). Он намного короче продолжительности всех известных нам процессов, включая очень краткие процессы физики элементарных частиц (например, время существования самых короткоживущих частиц-резонансов составляет около 1023 с). Выше по диаграмме указана длительность некоторых известных процессов, вплоть до возраста Вселенной.
Размеры физических объектов на рисунке изменяются от 1015 м (характерный размер элементарных частиц) до 1027 м (радиус наблюдаемой Вселенной, приблизительно соответствующий ее возрасту, умноженному на скорость света). Интересно оценить положение, которое на диаграмме занимаем мы, люди. На шкале размеров мы находимся где-то в середине, будучи чрезвычайно крупными по отношению к длине Планка (и превышая на много порядков размеры элементарных частиц), но очень маленькими в масштабах всей Вселенной. С другой стороны, на временной шкале процессов длительность человеческой жизни выглядит совсем неплохо, и ее можно сопоставлять с возрастом Вселенной! Люди (и в особенности поэты) любят жаловаться на эфемерность человеческого существования, однако наше место на временной шкале вовсе не является жалким или ничтожным. Разумеется, нам следует помнить, что все сказанное относится к «логарифмической шкале», однако ее использование представляется совершенно оправданным при рассмотрении столь гигантских диапазонов значений. Говоря другими словами, число человеческих жизней, укладывающихся в возрасте Вселенной, намного меньше, чем число времен Планка (или даже времен жизни элементарных частиц), укладывающихся в продолжительность жизни человека. В сущности, мы являемся довольно стабильными структурами Вселенной. Что же касается пространственных масштабов, то мы действительно находимся где-то в середине шкалы, вследствие чего нам не дано воспринимать в непосредственных ощущениях не очень большие, не очень малые объекты окружающего нас физического мира.
Из протонов и нейтронов образуются ядра атомов. Атомы объединяются в молекулы. Если двигаться дальше по шкале размеров тел, то далее следует обычные макротела, планеты и их системы, звезды скопления галактик и метагалактик, то есть можно представить переход от микро-, макро- и мега - как в размерах, так и моделях физических процессов.
Большое и малое.
Быть может, эти электроны —
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков!
Еще, быть может, каждый атом —
Вселенная, где сто планет.
Там все, что здесь, в объеме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.
Валерий Брюсов
Основная причина, по которой мы разделил физические законы на части, относящиеся к «большому» и «малому», заключается в том, что общие закономерности физических процессов в очень большом и очень малом масштабах представляются весьма различными. Ничто не волнует человека так постоянно и глубоко, как тайны времени и пространства. Цель и смысл познания – понять скрытые механизмы природы и наше место во Вселенной.
Американский астроном Шепли предложил интересную пропорцию:
х в этой пропорции – человек, который является как бы средним геометрическим между звёздами и атомами.
По обе стороны от нас неисчерпаемая бесконечность. Мы не можем познать эволюцию звёзд, не изучая атомное ядро. Нам не может быть ясна роль элементарных частиц во Вселенной без знания эволюции звёзд. Мы стоим как бы на перекрёстке дорог, уходящих в бесконечность. На одной дороге время соизмеримо с возрастом Вселенной, на другой оно измеряется исчезающее малыми промежутками. Но нигде не соизмеримо оно с масштабом человеческой жизни. Человек стремится объяснить Вселенную во всех её подробностях, в пределах познаваемого, приемами и способами, посредством наблюдения, опыта и математического вычисления. Нам необходимы такие понятия и методы исследования, с помощью которых могут быть установлены научные факты. А для установления научных фактов в физике вводится объективная количественная характеристика свойств тел и природных процессов, независящая от субъективных ощущений человека. Введение таких понятий является процессом создания особого языка – языка науки физики. Основу языка физики составляют понятия, называемые физическими величинами. А любая физическая величина должна быть измерена, так как без измерений физических величин нет и физики.
И так, давайте попробуем разобраться, что же такое физическая величина. Физическая величина – физическое свойство материального объекта, физического явления, процесса, которое может быть охарактеризовано количественно. Значение физической величины — число, вектор, характеризующие эту физическую величину, с указанием единицы измерения, на основе которой эти числа или вектор были определены. Размер физической величины — числа, фигурирующие в значении физической величины. Измерить физическую величину – значит сравнить ее с другой величиной, условно принятой за единицу измерения. Русское слово «величина» имеет несколько иной смысл, чем английское слово “quantity“. В Словаре Ожегова (1990) слово “величина“ трактуется как “размер, объем, протяженность предмета“. Согласно интернетовскому словарю слово “величина“ переводится на английский язык в физике 11-ю словами, из которых наиболее подходят по смыслу 4 слова: quantity (физическое явление, свойство), value (значение), amount (количество), size (размер, объём).
Разберемся подробнее в этих определениях. Возьмем, например, такое свойство, как длина. Она действительно применяется для характеристики многих объектов. В механике – это длина пути, в электричестве – длина проводника, в гидравлике – длина трубы, в теплотехнике – толщина стенки радиатора и т.д. Но значение длины у каждого из перечисленных объектов различно. Длина автомобиля равна нескольким метрам, длина рельсового пути или – многим километрам, а толщину стенки радиатора проще оценивать в миллиметрах. Так что это свойство действительно индивидуально для каждого объекта, хотя природа длины во всех перечисленных примерах одна и та же.
|
