CREDO NEW теоретический журнал

Поиск по сайту

Главная arrow Подшивка arrow 2000 arrow Теоретический журнал "Credo" arrow Эволюция понятия "состояние" в классической физике,В.А. Любичанковский
Эволюция понятия "состояние" в классической физике,В.А. Любичанковский

В.А. Любичанковский,

кандидат философских наук

ЭВОЛЮЦИЯ ПОНЯТИЯ “СОСТОЯНИЕ” В КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКЕ

          В основу анализа положим следующие пять постулатов:
          1.Три элемента составляют основу любой фундаментальной физической теории: понятие состояния, уравнения движения, описывающие эволюцию состояния, и совокупность наблюдаемых физических величин, с помощью которых описываются объекты данной физической теории [1]. Под событием в развитых физических теориях понимают изменение состояния физической системы.
          2.Созданные с помощью абстрактного мышления научные теории являются теориями об определенных объектах. Предметная область теории – это сфера реальности, включающая объекты, на описание и объяснение свойств и поведения которых претендует теория. Предметная область теории может быть не очень отчетливо выраженной, меняться с развитием теории, но она всегда существует. Формулировки большинства теорий не содержат четких указаний границ их предметных областей. Говоря о предметной области, подчеркнем, что любая теория дает, как правило, достоверное знание только о некоторых объектах, т.е. о части предметной области. Эту ее часть принято называть областью применения данной теории [2].
          3. Объекты предметной области сами в теорию не входят. Они представлены там некоторыми другими (абстрактными) объектами. Формы такого представления – идеальная модель или идеализация [3].
          4. Бессмысленно задавать состояние физической системы безотносительно к классу поставленных по отношению к системе задач. Какие именно параметры характеризуют конкретное состояние системы определяется законами, на основании которых и решаются поставленные задачи.
          5. В классической физике понятие “состояние” отражает доминирующий в определенном отношении способ существования физических объектов (систем), характеризующийся мгновенным значением всех (взаимосвязанных и равноценных) динамических переменных, проявляющихся в данном отношении [4]. Фундаментальный статус понятия “состояние” в физике определяется тем, что физическая теория описывает процессы в виде связи состояний. Математический формализм, различные уравнения и зависимости, содержащиеся во всех физических теориях, есть не что иное, как уравнение состояний определенных процессов изменения.
          Научный метод включает в себя экспериментальное (опытное) и теоретическое начала. Последнее воплощается, прежде всего, в математике. Постепенное овладение началами научного метода привело естествознание к разработке первых научных теорий как относительно целостных концептуальных систем. Таковыми в классической физике явились, прежде всего, классическая механика Ньютона, а затем классическая термодинамика и классическая электродинамика.
          Классическая механика Ньютона изучает механическое движение любого тела, механическая скорость которого значительно меньше скорости света в вакууме (V<<C). Классическая механика работает с идеализацией “материальная точка”. Классическая материальная точка или классическая частица – это маленький, локализованный в ограниченной области пространства комочек материи, движущийся по законам механики Ньютона. Тело можно рассматривать как материальную точку, если его размеры малы по сравнению с расстоянием, которое оно проходит, или по сравнению с расстоянием от него до других тел. Существенно то, что физические характеристики локализованы на механически движущихся телах, а не распределены по некоторой области пространства. Кроме того, если, например, складываются два противоположных (равных по величине) движения, частица оказывается в состоянии покоя. Сама частица при этом никуда не исчезает.
          С точки зрения Ньютона, решить основную механическую задачу – это означает найти при заданном комплексе условий траекторию движения тела. Весьма существенно, что эта траектория определяется в механике единственным образом. Если же траектория движения макротела не определена однозначно или значения ее некоторых характеристик строго не определены, то с точки зрения механики Галилея-Ньютона задача считается некорректно поставленной.
          Значение механики Ньютона для физики далеко не в последнюю роль определяется именно тем, что Ньютон первым понял: состоянию систем материальных точек в любой заданный момент времени t полностью определяется значением их координат и импульсов (а не ускорениями, взаимодействиями и т.д.).
          Зная эти величины в момент t, можно определить эволюцию системы под влиянием известных сил во все последующие моменты времени, решив систему уравнений Ньютона:

          С макротелами происходят и другие изменения, не связанные с их макроскопическими перемещениями. В первую очередь, это тепловые процессы. Тела могут нагреваться и остывать. При этом их температура меняется.
          Физика и физики поняли, что температура – очень важная характеристика состояния тел. Ее изменения могут вызывать изменения тел более существенные, чем простые перемещения из одной области пространства в другую. Так, газ может превратиться в жидкость, жидкость – в твердое тело (или наоборот) и т.д.
          Подобного рода процессы описываются термодинамикой. Эта наука возникла вслед за классической механикой. Термодинамика изучает тепловые свойства макроскопических систем, не обращаясь к их микроскопическому состоянию.
          Термодинамическая система – это макроскопическое тело, выделенное из окружающей среды при помощи перегородок или оболочек (они могут быть также и мысленными, условными), которое можно характеризовать макроскопическими параметрами: температура T, давление P, объем V и другими. Для этого термодинамическая система должна состоять из достаточно большого числа частиц.

           Физические величины, характеризующие то или иное состояние вещества, стали называть в классической физике параметрами состояния. Если между параметрами состояния существует какое-нибудь определенное однозначное соотношение, которое сохраняется при переходе из одного состояния в другое, то это соотношение называется уравнением состояния. Например, для разряженных газов соблюдается уравнение
          Это соотношение связывает между собой значения объема, давления и температуры для множества отличающихся друг от друга состояний данной массы газообразного вещества. Для других агрегатных состояний - твердого и жидкого – такие простые соотношения между параметрами не найдены.
          Важным свойством замкнутых термодинамических систем является существование у них равновесных состояний, в которых они могут пребывать сколь угодно долго. Для газа, заключенного в некотором сосуде, равновесным является состояние, в котором температура, давление и плотность (или число молекул в единице объема) в пределах объема газа одинаковы. Если в каком-нибудь месте этого объема вызвать местное нагревание или сжатие, то в системе начнется процесс выравнивания температур и давления. Этот процесс будет происходить в течение того времени, пока имеется внешнее воздействие. Однако только после прекращения этого воздействия процесс выравнивания приведет систему к новому равновесному состоянию.
          В термодинамике продолжало “работать” и понятие неравновесного состояния. Состояния изолированных термодинамических систем, в которых они, несмотря на отсутствие внешних воздействий, не могут пребывать в течение конечных промежутков времени, называются неравновесными. Система, первоначально находящаяся в неравновесном состоянии, с течением времени переходит в равновесное состояние.
          В классической физике широко используется и понятие стационарного состояния. Состояние физической системы, при котором некоторые существенные для характеристики системы величины не меняются со временем, называется стационарным. Например, состояние потока жидкости стационарно, если скорость движения (и другие характеристики) остаются в каждой точке пространства неизменными.
          Расширение класса задач сразу же показало физикам, что состояние тел может меняться не только с изменением температуры. Так, макроскопические свойства куска железа изменяются, если его намагнитить. Соответственно вводится величина, характеризующая магнитное состояние образца – вектор намагничивания. Электрическое поле также изменяет состояние макроскопического тела. Оно поляризуется.
          Итак, классическая физика считала, что состояние физической системы всегда задается физическими параметрами. Это, например, координата, импульс, температура, вектор намагничивания и т.д. С расширением класса физических задач расширяется и число физических параметров, вводимых для характеристики состояния физических систем. Какие именно параметры характеризуют конкретное состояние системы определяется законами, на основании которых и решаются поставленные задачи.
          Любая система может быть описана лишь с какой-то степенью приближения. Это касается и набора параметров, задающих состояние системы, и значения параметров, которые всегда, конечно, приближенны. Другими словами, всегда существует разница между истинным состоянием системы и описанием этого состояния.
          Изучением поведения совокупностей большого количества частиц в классической физике занимается статистическая физика. К моменту ее формирования физике уже были известны две основные формы закономерностей: динамическая и статистическая. Отличаются они по характеру вытекающих из них предсказаний. В законах динамического типа предсказания имеют точно определенный, однозначный характер. В статистических законах предсказания носят не достоверный, а лишь вероятностный характер.
          Для исследования и выражения динамических закономерностей (их часто называют закономерностями жесткой детерминации) используются обычно методы классического математического анализа, особенно методы теории дифференциальных уравнений. Эти методы используются также в познании и выражении статистических закономерностей. Однако решающую роль здесь играют методы теории вероятностей. Привлечение вероятностных методов описания состояния физической системы типично для молекулярно-кинетической теории, позволяющей находить вероятности различных скоростей молекул, длин свободного пробега, плотностей и т.д. При этом, однако, подразумевается, что движение каждой молекулы подчиняется детерминистическим законом классической механики. Они позволяют точно и однозначно предсказать при заданных начальных условиях состояние в будущем, если известны действующие со стороны остальных молекул силы. Лишь из-за того, что количество молекул слишком велико, такое детерминистское описание в действительности оказывается недостижимым.
          Для систем с большим числом частиц более употребителен сокращенный способ описания – язык вероятностей. Он позволяет говорить не об индивидуальной динамической характеристике частицы, а о вероятности реализации данного значения динамической переменной для произвольной, наугад выбранной частицы.
          Попытки сочленения детерминистского и вероятностного подходов привели к появлению в классической физике наглядного приема описания эволюции состояния системы с произвольным числом N частиц. Полный набор динамических переменных в этом случае составляет 6N чисел - 3N координат и 3N импульсов. Тогда состояние системы в целом в данный момент времени можно задать одной точкой в некотором абстрактном пространстве 6N измерений. Такое пространство получило название фазового Г- пространства ( в отличии от фазового m -пространства для одной частицы системы), или просто фазового пространства физической системы. В ходе эволюции, т.е. изменения состояния системы изображающая точка в фазовом пространстве перемещается, описывая фазовую траекторию. Если разбить фазовое пространство на равновеликие ячейки объемом DV , размер которых произволен при анализе проблем с позиций классической механики, фазовая траектория с течением времени будет последовательно занимать различные ячейки. Процедура разбиения Г-пространства на ячейки, с последующим присвоением каждой из них определенного адреса, позволяет эффективно использовать комбинаторные методы при подсчете числа занятых фазовой кривой ячеек, а затем вычислить характерные вероятности и средние значения наблюдаемых величин.
          В классической физике начинает формироваться и развиваться аппарат, использующий фазовое пространство как основу для проведения динамического анализа состояния систем различного уровня сложности. На наш взгляд, прав доктор физико-математических наук М. Г. Кучеренко, подчеркивающий, что “изложение материала с иллюстрированием динамики в фазовом пространстве значительно облегчает переход к разделам статистической физики, ознакомлению с идеями ансамблевого подхода Гиббса. Для фазового пространства этот переход не требует даже каких-либо обобщений, кроме того, что система в молекулярной физике становится многочастичной и для анализа состояния ее термодинамического равновесия эффективно использование комбинаторных методов” [5].
          В 30-60 г.г. XIX века в классической физике М. Фарадеем и Дж. Максвеллом было введено понятие физического поля для описания механизма действия электрических и магнитных сил.
          Концепция силового поля как посредника при передаче взаимодействия возникла в качестве альтернативы идее дальнодействия, т.е. прямого, без какого-либо промежуточного агента, взаимодействия частиц (тел) на расстоянии. Согласно идее дальнодействия, сила, например, между двумя заряженными частицами возникает только при наличии обеих частиц. Пространству около частиц не отводится при этом никакой роли в передаче взаимодействия. Напротив, концепция поля подразумевает, что само наличие заряженной частицы меняет свойства пространства: частица создает вокруг себя силовое электрическое поле. Каждая точка измененного пространства обладает потенциальной способностью проявить действие силы. Для этого достаточно поместить в эту точку второй, пробный заряд. Пробный заряд взаимодействует не непосредственно с зарядом – создателем поля, а с полем в точке, где этот пробный заряд находится. Поле выполняет роль посредника: оно от точки к точке передает действие одного заряда на другой. Такой механизм взаимодействия называется близкодействием.
          При движении, например, заряженной частицы сила, действующая со стороны второго заряда, меняется. Поэтому будет изменяться и его энергия. Будет меняться и сила со стороны первого заряда на второй.
          Сместившись, первый заряд передает полю как сигнал о смещении ту долю энергии, которой он лишился. Следовательно, меняется само поле. Это изменение начнет волной распространяться по полю от точки к точке. Дойдя через определенное время до второго разряда, волна передает ему энергию от первого. С этого момента начнет меняться сила, действующая на второй заряд.
          В таком механизме передачи взаимодействия поле само является физической реальностью. В течение всего времени запаздывания именно полю принадлежит доля энергии, уже отданная первым зарядом и еще не полученная вторым.
          Как всякую физическую систему, поле описывают характеризующими его состояние физическими величинами. Однако, методы описания поля существенно отличаются от методов описания частиц, так как энергия, импульс и другие характеристики поля “размазаны”, распределены по всей области пространства, где имеется поле. В каждый момент времени их следует задавать в каждой точке этой области. Однако нет необходимости знать все физические величины, относящиеся к полю: можно выбрать одну или несколько величин, а все остальные могут быть выражены через них. Например, для электрического поля достаточно задать в каждой точке пространства вектор напряженности поля. Такого рода величину, по которой определяются все физические проявления поля, называют полевой функцией. Уравнение, которому подчиняется полевая функция, описывает эволюцию, т.е. изменение во времени, поля и его взаимодействие с другими физическими объектами – частицами и полями.
          Поле существенно, принципиально отличается от классической частицы: физические характеристики поля не локализованы на отдельных материальных телах, а распределены по некоторой области пространства. Поле от вещества отличается числом степеней свободы. У вещества оно конечно, а у поля – бесконечно (число степеней свободы физического объекта определяется числом его координат в фазовом пространстве).
          Различие между полем и частицей особенно ярко проявляется в их механическом поведении. Движение частицы в пространстве – это её механическое перемещение. Оно может быть, в частности, наложением нескольких движений. Если, например, как мы уже подчеркивали, складываются два противоположных (равных по величине) движения, частица оказывается в состоянии покоя. Сама частица при этом никуда не исчезает. Движение поля в пространстве – это распространяющиеся колебания полевой функции, т.е. волны. Наложение двух волн может привести к усилению, ослаблению, а иногда и к полному гашению поля в некоторой области пространства. Другими словами, для поля возможна интерференция. Присущие полю эффекты интерференции и дифракции в рамках классической физики невозможны для частиц.
          Итак, из проведенного анализа эволюции понятия “состояние” в классической физике можно сделать следующие выводы:
          1. Состояние физической системы в классической физике задается количественным значением физических величин (параметров системы).
          2. Развитие физического знания связано с развитием методов описания состояния физических систем.

          ЛИТЕРАТУРА:

          1. Мякишев Г. Я. Понятие состояния и соотношение между фундаментальными динамическими и статическими теориями.// Философские науки, 1997, №1.- С.144.
          2 Бургин М. С., Кузнецова В. И. Введение в современную точную методологию науки. - М.,1994.
          3. Любичанковский В. А. Классический тип естественнонаучной рациональности // Credo, 1998, №2. – С.5-12
          4. Келепин В. И. Категория “состояния” в научном познании. – М.,1983. – С.45.
          5. Кучеренко М. Г. Отражение научных и методологических проблем естествознания в курсах механики для физиков.// Профессионально-педагогическая культура как основополагающий фактор технологии обучения.(материалы межвузовской научно-методической конференции). – Оренбург: ОГУ, 1999.- С.112.

 
 

CREDO - копилка

на издание журнала
ЯндексЯндекс. ДеньгиХочу такую же кнопку