Принцип суперпозиции полей

Электрическое поле, создаваемое неподвижными зарядами, называется электростатическим. Основная задача электростатики сводится к нахождению поля по заданному расположению зарядов в пространстве. Эта задача решается на основании двух законов: закона Кулона и принципа суперпозиции полей. Используя эти законы можно описать любое электростатическое поле. Закон Кулона определяет электростатическое поле уединенного точечного заряда и устанавливает, что оно радиально, оно сферически симметрично, силовые линии поля начинаются на заряде и нигде не обрываются. При этом одноименные заряды отталкиваются, разноименные - притягиваются.

Суть принципа суперпозиции полей сводится к тому, что поля различных зарядов, находящихся по соседству, не взаимодействуют друг с другом или не искажают друг друга. Если поля различных зарядов не влияют друг на друга, то результирующее поле определяется простым наложением или суммированием полей от отдельных зарядов.

9. Теория относительности

Альберт Эйнштейн (1879–1955) предложил совершенно новую тео­рию пространства и времени – специальную теорию относительности (СТО). Основу его теории составляют два постула­та: 1) скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движе­ния наблюдателя или источника света; 2) все физические явления (механические и электродинамические) происходят одинаково во всех телах, движущихся относительно друг друга прямолинейно и равномерно. Другими словами, во всех инерциальных системах отсчета неизменным остается пространственно-временной интервал.

СТО установила, что абсолютной одновременности событий, происходящих в разных системах, т.е. в разных условиях движения, не может быть, ибо не существует единого всегда и везде равномерного потока времени, что эта одновременность носит относительный характер. Пространственные и временные характеристики в различных соотносительных материальных системах отсчета будут различными. Эти изменения зависят от скорости относительного движения тел.

По мере возрастания скорости движения длина движущегося тела в направлении движения сокращается и течение времени соответственно замедляется (релятивистское замедление времени). Если космический корабль с большой скоростью проносится мимо, то неподвижному наблюдателю его длина кажется короче. Чем ближе к скорости света, тем более становится этот эффект. При с = 300 тыс. км/с, длина тела = 0.

В таком космическом корабле время течет медленнее. Отсюда парадокс близнецов, которые будут стареть неравномерно, если один из них отправился с космической скоростью в путешествие. Когда атомные часы отправляли на сверхзвуковом самолете в кругосветный перелет, то по возвращению на Землю разница во времени составляла около 40 атомных единиц.

Специальная теория относительности установила органическую связь пространства и времени, связав их в единое целое – пространственно-временной континуум. 4-мерное пространство-время отныне не рассматриваются обособленно, а являются выражением наиболее общих отношений материальных объектов и вне материи существовать не могут.

В 1916 г. Эйнштейн добавил в СТО положение о поле тяготения. В результате получилась общая теория относи­тельности (ОТО), или обобщенная теория тяготения. Пространство в понимании общей теории относительности – это атрибут материи, обусловленный связями и взаимосвязями, расположенных в нём тел. Свойства пространства и времени в его теории определяются концентрацией и движением материи в пространстве. При наличии в пространстве тя­готеющих масс, а, следовательно, и поля тяготения, пространство ис­кривляется, становится неевклидовым, а время изменяет ритм течения. Тело влияет на геометрию пространства примерно также как волейбольный мяч на сетку. Благодаря наблюдениям солнечного затмения 1919 года были получены экспериментальные доказательства такого следствия общей теории относительности, как искривление луча света в поле тяготения массивных тел. Излучением от звезд, находящихся за солнцем: мы их видим искаженно, засчет того, что масса солнца искривляет их свет.

Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности масс: не существует эксперимента, с помощью которого можно было бы отличить покой в гравитационном поле от ускоренного движения по отношению к «подвижным» звёздам.

Передвигаться со скоростью света может только фотон, частица, не имеющая массы покоя. Если предположить, что мы разгоняем обычное тело к световой скорости, его масса должна увеличиться в огромной пропорции^[20]. Поэтому никакое тело с отличной от нуля массы нельзя разогнать до скорости света, т.к. для этого требуется бесконечная энергия. Вещество не может двигаться со скоростью большей, чем скорость света в вакууме. Никакую информацию нельзя передать быстрее скорости света, иначе был бы нарушен закон причинности (причина предшествует следствию).

Физик Риман рассчитал, что при приближении к скорости света, пространство сворачивается в параболы. Путь, образуемый через свернутое пространство получил название «Прокол Римановой складки».

Многомерность мира

Хотя соотношение между количеством материи и степенью кри­визны простое, но сложны расчеты – для описания кривизны в каж­дой точке нужно знать значения двадцати функций пространствен­но-временных координат. Десять функций соответствуют той части кривизны, которая распространяется в виде гравитационных волн, т. е. в виде «ряби» кривизны, остальные десять – определяются рас­пределением масс, энергии, импульса, углового момента, внутрен­них напряжений в веществе и значения универсальной гравитацион­ной постоянной G. Из-за малости величины G нужно много масс, чтобы существенно «изогнуть» пространство-время. Поэтому 1/G подчас рассматривают как меру жесткости пространства-време­ни. С точки зрения нашего повседневного опыта пространство-время очень жесткое. Вся масса Земли создает кривизну, составляющую по­рядка одной миллиардной кривизны своей поверхности. Чтобы пред­ставить кривизну пространства-времени вблизи Земли, подбросим мяч в воздух. Если он будет находиться в полете 2 с и опишет дугу в 5 м, то свет за эти 2 с пройдет расстояние 600 000 км. Если предста­вить дугу высотой 5 м, вытянутую по горизонтали до 600 000 км, то ее кривизна и будет соответствовать кривизне пространства-времени. В отличие от теории гравитации Ньютона, теория Эйнштейна пре­тендует на теорию пространства-времени, т. е. на теорию Вселенной в целом.

Многих интересовал вопрос, почему мы способны воспринять только пространство трех измерений. П. Эренфест в 1917 г. исследо­вал этот вопрос специально и указал, что «закон обратных квадра­тов», по которому действуют друг на друга точечные гравитацион­ные массы или электрические заряды, обусловлен трехмерностью пространства. В пространстве п измерений точечные частицы взаимо­действовали бы по закону обратной степени (n -1). Поэтому для n = 3 справедлив закон обратных квадратов, т. к. 3-1=2. Он показал, что при n = 4, что соответствует закону обратных кубов, планеты двига­лись бы по спиралям и быстро бы упали на Солнце. В атомах при числе измерений, большем трех, также не существовало бы устойчи­вых орбит, т. е. не было бы химических процессов и жизни. На связь трехмерности пространства с законом тяготения указывал еще и Кант.

Кроме того, можно показать, что распространение волн «в чис­том виде» невозможно в пространстве с четным числом измерений. Появляются искажения, нарушающие переносимую волной структу­ру (информацию). Пример тому – распространение волны по рези­новому покрытию (по поверхности размерности 2). В 1955 г. матема­тик Г. Дж. Уитроу заключил, что поскольку живым организмам не­обходимы передача и обработка информации, то высшие формы жизни не могут существовать в пространствах четной размерности. Этот вывод относится к известным нам формам жизни и законам природы и не исключает существования иных миров, иной приро­ды. Давид Дойч считает, что простой эксперимент из физики интерференции дискретных фотонов доказывает существование параллельных миров. Дело в том, что при прохождении через пространство фотон оказывается в непредсказуемом месте, как будто он сталкивается с другими фотонами, невидимыми для нас. В своей книге «Ткань реальности» он утверждает, что идея о множественности миров не ставит новые проблемы, а решает их^[21].

10 Время – совокупность отношений, выряжающих координацию сменяющих друг друга состояний (явлений), их последовательность и длительность.

– одномерно;

– однородно (равноправие всех моментов времени);

– необратимо, неповторяемо.

Воздействие на время

Эйнштейн указал в начале XX века на то, что на время «можно влиять». Очень быстрое движение, например, замедляет бег времени. Можно провести мысленный эксперимент: отправить космический корабль летящий со скоростью света к далекой галактике. Когда он вернется на Землю, здесь будет еще вчера. А что если скорость будет выше, а расстояние – большим?

Путешествие во времени теоретически осмысляется сегодня как перемещение в вихревых субатомных потоках. Однако их эфемерность не позволяет пока всерьез говорить о возможности использования их для перемещения во времени. Ограничение для такого перемещения может возникнуть и со стороны квантовой гравитации (пока еще не разработана ее теория).

Можно ли послать информацию в будущее? Для этого нужна скорость, превосходящая скорость света. Такая скорость сейчас зафиксирована в квантовых каналах (1,7 от скорости света).

Воздействие на личное время возможно путем его учета: чем тщательнее мы учитываем затраты времени, тем больше его становится.

Время и причинность

Эксперимент с замедлением времени ставит вопрос о возможности влиять на будущее, оказавшись в прошлом: если я прерву свой род, то перестану ли я существовать? Математические расчеты показали, что при перелете в прошлое возможны только самосогласованные действия, т.е. то, что должно произойти, произойдет, повлиять на ход событий все равно не удаться. Направленность времени тесно связана с по­ниманием причинности: причина должна предшествовать следствию. Это свойство времени относится к классу нерешенных проблем в фи­зике и во всем естествознании и по этой причине в науке существует множество парадоксальных ситуа­ций.

Другими словами случайность не играет самостоятельной физической роли. Если бы мы могли создать машину времени и влиять на события в прошлом, это бы отрицало свободу воли. Эйнштейн был сторонником строгой причинности («Господь Бог не играет в кости») и, как говорят, научился этому у Достоевского^[33]. В «Преступлении и наказании» нет последовательного и прямолинейного движения времени, причина перетекает в следствие, наказание предшествует преступлению^[34]: «Да, это так, это все так. Он, впрочем, это и прежде знал, и совсем это не новый вопрос для него; и когда ночью решено было в воду кинуть, то решено было безо всякого колебания и возражения, а так, как будто иначе и быть невозможно… Вдруг он вздрогнул: одна, тоже вчерашняя, мысль пронеслась в его голове. Но он вздрогнул не от того, что пронеслась эта мысль. Он ведь знал, что предчувствовал, что она непременно пронесется, и уже ждал ее; да и мысль эта была совсем не вчерашняя».

Н.А. Козырев предположил, что течение, или ход времени, – физическая величина, служащая источником механического движения всех тел мира и в том числе скрытой причиной неубывающей светимости звезд. Свое предположение он пытался доказать даже и экспериментально, а свою механику в отличие от любой другой Козырев называет причинной. Виртуальные частицы «физического вакуума» по Козыреву становятся реальными при воздействии поля энергии времени^[35]. В.П. Казначеев также полагает, что именно энергия времени опосредует воздействие геомагнитных и биополей на ноосферу.

Время: длительность, всеобщность

Общепринятая точка зрения связывает время с движением. По кон­цепции Ньютона длительность инициируется всемирным или всеобщим движением (обычно распространяемым на микро-, макро- и мегаобъекты), а по другой – она инициируется характером локального движения (Галилей, Эйнштейн). А.М. Бич в книге «Физическая сущность времени» высказывает гипотезу локально-когерентного времени: собственное время каждой материальной системы Вселенной различно, вне зависимости от факторов, порождающих относительность времени, и в этом смысл термина «локальное», и в то же время в пределах автономной гравитационно связанной системы время «когерентно», т.е. как бы единое – усредненное.

Следует уточнить, что под временем в механике понимается длительность. Точность точных наук абсолютна и дает основание утверждать, что в материально-энергетических процессах, изучаемых физикой, то есть в мире тяготения, электричества, магнетизма, внутриатомных сил не содержится свойства причинности времени. Содержится только причина длительности. Можно признать, что время не является признаком физической реальности, а является признаком какой-то более общей реальности, куда длительность входит только на правах части.

«Течение» времени. Необратимость времени

Необратимость времени является свойством, характеризующим последовательность смены событий в процессе существования (порядок «позже» – «раньше»). Если направление времени есть характеристика порядка существования событий, то необратимость времени есть характеристика однозначности этого порядка. Г. Маргенау проводит различие между необратимостью времени и его однонаправленностью, называя последней тот факт, что частица не может быть в двух различных местах одновременно (тогда как она может быть в различные моменты времени в одном и том же месте).

Бриджмен сомневается в объективности временного направленного порядка: «Если это утверждение подвергнуть операциональному анализу, то, я верю, будет обнаружено, что оно вовсе не является суждением о природе, но просто утверждением об операциях. Говорить о движении времени назад не имеет смысла, ибо по определению «вперёд» есть то направление, в котором время течёт»^[36]. Поскольку порядок «позже» – «раньше» связан с самим характером течения времени, при котором прошлые моменты всегда оказываются раньше последующих, то необратимость времени могла бы показаться собственным свойством времени, уже априорно содержащимся в самом представлении о временном течении. Однако подобное заключение является поспешным и несостоятельным. Необратимость времени может быть лишь выражением необратимости развития процессов во времени. Необратимость есть свойство течения времени, отражающее, как и все черты времени, определённые стороны движения материи.

В качестве критерия необратимости времени можно рассматривать причинно-следственные связи. Время органически связано с причинностью. Именно причинность как генетическое отношение, реализуемое в процессе воздействия одного явления на другие, занимающем определённый интервал времени, необходимо включает в себя однонаправленную временную ориентированность от причины к следствию, от предшествующего к последующему. В этом контексте, время выступает глобальным конвейером, который переводит нас с одного уровня существования на другой. Теория относительности показала, что для пар событий которые находятся в причинно-следственном отношении, порядок их следования друг за другом во времени остаётся неизменным во всех системах отсчёта. Вопрос о необратимости времени решают также через поиски иного коррелята необратимости в природе. Многие авторы, таким законом является закон возрастания энтропии. Согласно этому закону, величина, именуемая энтропией, может только возрастать, но не уменьшаться. Л. Больцман связал изменение энтропии и направление времени.

Время и пространство в ПО

∙ Правовое пространство-время, в отличие от идеального, не абсолютно. Оно ограничено территорией государства с его сухопутными, воздушными и водными границами, а также временем существования общества. Континентальное свойство правового пространства означает, что у каждого государства есть своя территория, пределы которой закреплены в государственных правовых документах. Правовое время означает изменение правовых норм со временем.

∙ Время и пространство относятся к объективным сторонам преступления.

∙ При нарушении закона субъект рискует стать заключенным в иное пространство-время. При этом ожидается, что отбывание срока в ограниченном пространстве будет имеет терапевтический эффект на сознание заключенного.

∙ Рыночные отношения в последнее время усиливают тенденции к учету и денежной компенсации следственного и судебного времени.

11. 1. Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики), во-первых, утверждает существование качественных видов энергии (потенциальной^[38], кинетической^[39], механической, тепловой, электромагнитной и т.д.) и присущую им способность при определенных условиях превращаться друг в друга; во-вторых, указывает, что в любых процессах, происходящих в замкнутых системах (т.е. системе, не обменивающейся ни веществом, ни энергией с окружающим миром), численное значение энергии остается постоянным во времени, т.е. невозможность ее исчезновения или возникновения.

Количественная формулировка первого начала термодинамики: количество теплоты (Q), сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии DU и на совершение телом работы А (Q =DU+А).

Потенциальная и кинетическая энергия переходят друг в друга при движении тел в поле силы тяжести, в колебательном движении тел, например, при колебании маятника. В двигателе внутреннего сгорания химическая энергия превращается в тепловую и кинетическую энергию.

Закон сохранения механической энергии проявляется при движении тел в поле тяжести, падении тел в поле тяжести, при упругом соударении тел, в свободном колебательном движении тел (движение маятника), аннигиляции^[40].

Если закон сохранения энергии выполняется во всех химических процессах, во всех явлениях природы, то закон сохранения иногда выполняется точно, а иногда приблизительно. Например, в химии масса всех веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции. Однако в физике, электрон и позитрон, каждый из которых обладает массой, могут аннигилировать в фотоны, не имеющие массы покоя.

В термоядерных реакциях выполняются закон сохранения электрического заряда, закон сохранения энергии, закон сохранения лептонного заряда, закон сохранения адронного заряда. Закон сохранения энергии и закон сохранения импульса регламентируют превращение вещества в поле и наоборот.

Первый закон термодинамики отрицает возможность вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода. Вечный двигатель первого рода предполагает работу без извлечения энергии из окружающей среды. Нельзя построить периодически действующую машину, которая бы совершала работу больше подводимой к ней извне энергии.

2. Закон рассеяния энергии. Всякая система стремится перейти к состоянию термодинамического равновесия, в котором тела обладают одинаковыми температурами и давлением. Все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы. Это приводит нас ко второму началу термодинамики: тепло не может само собой переходить от холодных тел к более нагретым; или тепловая энергия равномерно распределяется между всеми телами, и всякие тепловые процессы в любой системе полностью прекращаются. Эго приводит к тепловой смерти системы. Данное утверждение справедливо для замкнутых систем. Этот закон характеризует рост энтропии во времени.

Из-за наличия сил трения часть энергии всегда уходит в тепло (или внутреннюю энергию) и перевести эту энергию обратно в более удобные для практического использования формы оказывается очень трудно. Поэтому вечный двигатель второго рода, работающий за счет энергии находящихся в тепловом равновесии тел маловероятен, т.к. необратимые макроскопические процессы очень сложно повернуть вспять. Вечный двигатель второго рода – это своеобразный «холодильник, не потребляющий, а вырабатывающий электроэнергию». В настоящее время на практике пока доказана только возможность осуществления агрегатов, собирающих энергию из окружающей среды. Так, в космонавтике, широко используются тепловые насосы, использующие тепловую энергию окружающего пространства.

Существует еще вечный двигатель третьего рода – механизм, демонстрирующий вечное движение при отсутствии трения. Механизмы, приближающиеся к идеальным уже также созданы, например, это – сверхпроводящие агрегаты, сверхтекучие жидкости и т.д. Таким образом, только вечные двигатели 1-го рода не созданы и не используются в технике. Можно предположить, что заявленные «успешные» вечные двигатели 1-го рода на самом деле являются лишь скрытыми двигателями 2-го рода, источник получения, перекачки энергии которого – неизвестен. Хотя двигатели 2 и 3 рода успешно апробированы, сам термин «перпетуум мобиле» на практике до сих пор используется как «неосуществимый» или «бредовый», т.к., во-первых, ничего не берется ниоткуда, во вторых, все, что имеет начало – имеет конец, понятие «вечный» в данном контексте понимается весьма условно.

Мировые технические корпорации борются с энтропией путем повышения КПД. Если для двигателя считается 70 % очень хорошим КПД, итальянский экономист Вильфредо Паретто в 1897 году сформулировал правило эффективности человека, согласно которому 20% усилий приносят 80% результата.

Второе начало термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии – теплоты (связанной с неупорядоченным движением) и работы (связанной с упорядоченным движением). Неупорядоченную форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную форму энергии. Мерой неупорядоченности в термодинамике является энтропия. Энтропия (мера рассеяния энергии) – это функция состояния системы, характеризующая направление протекания самопроизвольных процессов в замкнутой системе. В замкнутой системе энтропия стремится к максимуму.

Направление тепловых процессов определяется законом возрастания энтропии: энтропия замкнутой системы может только возрастать; максимальное значение энтропии замкнутой системы достигается в равновесии: DS ≥ 0 (где S – энтропия). Приведенное утверждение считается количественной формулировкой второго закона термодинамики.

12. Второе начало термодинамики устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии (однонаправленность всех самопроизвольных процессов).

Так в середине XIX в. закон сохранения и превращения энергии приобрел права всеоб­щего закона природы, объеди­няющего живую и неживую природу. Первое начало термоди­намики кратко формулируют так: «Энергия сохраняется», или: «Тепло, полученное систе­мой, идет на приращение ее внутренней энергии и на произ­водство внешней работы». То, что именно энергия сохраняет­ся, а не теплота, стало одним из основных научных достижений. Понятие энергии позволило рас­сматривать все явления природы и процессы с единой точки зре­ния, объединить все явления. Впервые в науке абстрактное по­нятие заняло центральное место, оно пришло вместо ньютоновой силы, соответствующе чему-то ося­заемому, конкретному, хотя и облаченному Ньютоном в математи­ческие одежды. Понятие энергии прочно вошло в нашу жизнь. Ему нет единого определения, но чаще всего под энергией понимают способность тела совершать работу. В середи­не прошлого века лорд Кельвин признал, что силы могут исчезать и возникать, а энергия не уничтожается. Это понятие соответствовало и религиозным взглядам Кельвина, он считал, что Творец в самый момент творения мира наделил его за­пасом энергии, и этот божественный дар будет существовать вечно, тогда как эфемерные силы подвержены многим превратностям, и с их помощью в мире ткет­ся ткань явлений преходящих. Современная наука не отвергает взгляды Кельви­на, но не отрицает и существования атомов как носителей энергии. Первое начало требует сохранения энергии изолированной систе­мы, но не указывает направления, в котором процессы могут про­исходить в природе. Это направление указывается вторым началом, вторым постулатом термодинамики. Совместно с первым они позво­ляют установить множество точных количественных соотношений между различными макроскопическими параметрами тел в состояни­ях термодинамического равновесия или около него. Кроме того, вто­рой постулат вводит определенность температурной шкалы, не свя­занную с рабочим веществом термометра и его устройством.

Из-за энтропии трагедия большой истории состоит не в том, что какие-то плохие, корыстные и глупые люди толкают человечество в нежелательном направлении, а в том, что оно двигается в этом направлении вопреки воле и желаниям хороших, бескорыстных и умных людей.

3. Третье начало термодинамики касается свойств веществ при низких температурах и утверждает невозможность охлаждения вещества до -273° С (температура абсолютного нуля).

Абсолютно низкую температуру, предсказал еще М. Ломоносов, первый исследователь низких температур. Северный ученый впервые сумел заморозить ртуть и искусственно получить очень низкую температуру (-65° С).

Закон в формулировке Планка гласит, что энтропия идеального кристалла при абсолютном нуле равна нулю. На самом деле невозможно непосредственно измерить абсолютную величину энтропии. В настоящее время с использованием лазерного охлаждения атомов добиваются охлаждения ~10 ^-7¸ 10^-9 К.

Термодинамика, основанная на трех началах и не требующая детального знания о строении вещества, дает представления об основных закономерностях бытия большого числа природных систем: к свойствам газов, жидкостей и твердых тел, к химическим реакциям, к магнитным и электрическим явлениям. Они приложимы к грандиозным космическим процессам и даже явлениям социальной жизни. Ее выводы неоспоримы и незыблемы.

Грядущий кризис энергоносителей заставляет уже сейчас искать новые способы получения и направления энергии. Коренным вопросом будущего является переход от энергии потребления к энергии дарения. Энергия потребления подчиняется законам термодинамики: ничто ниоткуда не берется, за все нужно платить. Поэтому отношения должны быть основаны на расчете. Так мы приходим к точке «замерзания» человеческих отношений. Энергетика будущего должна быть основана на заботе и любви. Ее парадоксальная характеристика такова, что чем больше мы отдаем, тем больше получаем.

13. Самоорганизация

Научному мировоззрению в XIX в. была присуща идея развития, которая в физике формировалась под влиянием статистической механики и равновесной термодинамики. Эти две классические физические теории описывают поведение замкнутых систем, т.е. таких систем, которые не обмениваются ни веществом, ни энергией с другими системами (средой).

В XX в. наука исходит из того, что все системы любого порядка являются открытыми. Такая система способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией, информацией и находиться, как правило, в состоянии далеком от термодинамического равновесия. В понятии самоорганизации отражается идея спонтанного перехода открытой неравновесной системы от простых и неупорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным. События глобального масштаба складываются не из гигантских проявлений како-то силы, но из реальных житейских ничтожностей, которые страшны множественностью и непрерывностью действия.

Date: 2015-09-05; view: 326; Нарушение авторских прав