Концепции пространства и времени

В древности под пространством понимали особое вместилище, в котором могут находиться какие-либо тела.

В современном естествознании пространство не существует самостоятельно777777 рассматривается как физическая сущность, обладающая конкретными свойствами и структурой (трехмерно - широта, долгота, высота).

Аристотель полагал, что пространство заполнено тонкой материей, непрерывно движущейся. Ньютон открыл новые свойства пространства, изучая движение перемещающихся тел (пространство – независимо существующая субстанция, способная динамически действовать на материальные тела).

В 1905 г. Альберт Эйнштейн предложил специальную теорию относительности:

1) скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения наблюдателя или источника света;

2) все физические явления происходят одинаково во всех телах, движущихся относительно друг друга прямолинейно и равномерно.

Время и пространство в теории относительности объединяются в 4-хмерное пространство-время. В 1916 году Эйнштейн включил СТО в свою общую теорию относительности ОТО или обобщенную теорию тяготения. Свойства пространства и времени в его теории определяются распределением и движением материи в пространстве.

При наличии в пространстве тяготеющих масс, а следовательно и поля тяготения, пространство искривляется и становится неевклидовым. 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. 10 из них соответствуют той части кривизны, которая распространяется в виде гравитационных волн, то есть ряби кривизны, остальные 10 – 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 – мера жесткости пространства- времени (с точки зрения повседневного опыта пространство очень жесткое). С точки зрения ОТО пространство не обладает постоянной нулевой кривизной. Кривизна его меняется от точки к точке и определяется полем тяготения. То есть поле тяготения это отклонение свойств реального пространства от свойств идеального евклидова пространства.

Движение точки происходит по геодезической линии искривленного пространства, а не является прямолинейным и равномерным. Теория Эйнштейна претендует на теорию Вселенной в целом. Возникает вопрос: почему мы способны воспринимать только пространство трех измерений? Эренфест в 1917 году указал, что «закон обратных квадратов» по которому действуют друг на друга точечные гравитационные массы или электрические заряды обусловлен трехмерностью пространства. В пространстве n= 4 измерений точечные частицы взаимодействовали бы по закону обратной степени (в атомах не было бы жизни, планеты упали на Землю). Отсюда следует, что трехмерность пространства связана с законом тяготения. В 20 веке в физике создано более 20 альтернативных теорий тяготения.

Время связано с обычной, повседневной жизнью, доступно нашему сознанию, оно непосредственно доступно нашему сознанию. В житейском смысле время понимается как переход из прошлого в будущее. В.И.Даль определяет время как длительность бытия, пространство в бытии; последовательность событий.

Понимание времени, увлекающего мир в непрерывное движение, наиболее ярко выразил Гераклит: «Все течет, все изменяется», «В одну реку нельзя войти дважды» Первая физическая теория времени дана Ньютоном, он ставил время первым среди основных понятий физики.

Ньютон различал абсолютное время, как идеальную меру длительности всех механических процессов, и относительное (кажущееся, обыденное, мера продолжительности, час, день, год) время. А. Эйнштейн рассматривал пространство и время как характеристики физических явлений. По выражению Вернадского теория относительности «отрицала только независимое от пространства, абсолютное время, но не придавала ему никаких новых свойств – принимала его тем же изотропным, каким понимал его Ньютон».

В процессе развития физики возникло утверждение: абсолютное время изменяться не может, оно только идеальное математическое представление. Во – первых, течение времени зависит от скорости движения системы отсчета. При скорости близкой к скорости света время замедляется, то есть возникает релятивистское замедление времени. Во- вторых, поле тяготения приводит к гравитационному замедлению времени.

Важная особенность времени выражена в постулате времени - одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Время имеет направление, то есть наблюдаемые события происходят в определенной последовательности – от прошлого к будущему («стрела времени»). Это качественно отличает временное измерение от пространственного.

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 породило много парадоксов. Разрешению их посвящено много работ, в которых рассматривается единый континуум «пространство-время».

«Попытка понять вселенную – одна из вещей, которые приподнимают человеческую жизнь над уровнем фарса и придают ей черты высокой трагедии». В ХХ веке продолжались попытки пойти путем Эйнштейна, который ввел четырехмерное пространство- время. В 1919 г. Т. Калуца предложил ввести 5 измерение (неощущаемые нами измерения пространства свернуты до очень малых размеров, в 10²⁰ раз меньше размера атомного ядра). Предложенное Калуцой пятое измерение хотя и не наблюдаемо, но возможно. Эти идеи получили второе дыхание в 1970- х годах в теориях Великого объединения (ТВО) и супергравитации. Ю. Б. Румер показал, что пятому измерению можно придать смысл действия. Была предпринята попытка представить наглядно пятое измерение – выдвигались гипотезы о существовании параллельных миров. Во всех мирах, имеющих от трех до пяти измерений, даже одна причина, хотя бы случайная, может породить несколько следствий.

Шестимерная Вселенная, построенная Л.Р.Бартини, советским авиаконструктором, включает три пространственных измерения и три временных (длительность- длина, количество вариантов - ширина, скорость времени в каждом из возможных миров - высота). В рамках одной из современных теорий супергравитации использованы 11 измерений (7- минимально скрытых измерений пространства-времени, а 4 – обычные).

В начале 1990-х годов используются 26 мерные модели измерения. Наряду с супергравитацией разрабатывается теория суперструн. Космические струны- это экзотические невидимые образования, порожденные теорией элементарных частиц. Частицам сопоставляются 33333Вставка

Современная физика пытается соединить и интерпретировать совместно четыре существующих в природе взаимодействия как начало начал. «Овладев суперсилой, - писал английский физик Пол Дэвис, - мы могли бы менять структуры пространства и времени…, манипулировать размерностью самого пространства».

Концепция энергии

Существует факт, или, если угодно, закон, управляющий всеми явлениями природы, всем, что было известно до сих пор. Исключений из этого закона не существует; насколько мы знаем, он абсолютно точен. Название его – сохранение энергии. Он утверждает, что существует определенная величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Само это утверждение весьма и весьма отвлечённо; это по существу математический принцип, утверждающий, что существует некоторая численная величина, которая не изменяется ни при каких обстоятельствах. Это отнюдь не описание механизма явления или чего-то конкретного, просто-напросто отмечается то странное обстоятельство, что можно посчитать какое-то число и затем спокойно следить, как природа будет выкидывать любые свои трюки, а потом опять подсчитать это число - и оно останется прежним. ( Ну, всё равно, как слон на чёрном шахматном поле: как бы ни разворачивались события на доске, какие бы ходы ни делались, слон всё равно окажется на чёрном поле. Наш закон как раз такого типа.) и поскольку утверждение это отвлечённо, то мы выявим его смысл на некоторой аналогии.

Познакомимся с мальчиком, этаким Монтигомо Ястребиный Коготь; у него есть большие кубики, которые даже он не может ни сломать, ни разделить на части. Все они одинаковы. Пускай их у него 28 штук. Мама оставляет его утром дома наедине с этими кубиками. Каждый вечер она подсчитывает, сколько у него кубиков, - она немного любопытна! - и открывает поразительную закономерность: что бы её сынишка ни вытворял с кубиками, их всё равно оказывается 28! Так это тянется довольно долго, и вдруг в один прекрасный день она насчитывает только 27 штук. После недолгих поисков кубик обнаруживают под ковром: ей приходится все обыскать, чтобы убедиться в неизменности числа кубиков. В другой раз кубиков оказывается 26. снова тщательное исследование показывает, что окно отворено; взглянув вниз, она видит два кубика в траве. В третий раз подсчет дает 30 кубиков! Этот приводим маму в полное замешательство, но потом она вспоминает, что в гости приходил соседский Кожаный Чулок, видимо он захватил с собой свои кубики и позабыл их здесь. Она убирает лишние кубики, затворяет плотно окно, не пускает больше гостей в дом, и тогда все опять идет, как следует, пока однажды подсчет не дает 25 кубиков… Правда в комнате имеется ящик для игрушек, маме хочется и в него заглянуть, но мальчик кричит: «Не открывай мой ящик!» и начинает рев; мама к ящику не допускается. Как же быть? Но мама любопытна и хитра, она придумывает выход! Она знает, что кубик весит 500 г; она взвешивает ящик, когда все 28 кубиков на полу, он весит 1 кг. Когда в следующий раз она проверяет количество кубиков, она опять взвешивает ящик, вычитает 1 кг, делит на 500 г. она открывает, что

Число имеющихся + Вес ящика – 1 кг = Постоянная

кубиков 500 г величина

Но опять возникают отклонения и от этой формулы. Снова в результате кропотливых изысканий выясняется, что при этом уровень воды в стиральной машине почему-то изменился. Дитя, оказывается, швыряет кубики в воду, а мать не может их увидеть – вода мыльная; но она может узнать, сколько в воде кубиков добавив в формулу новый член. Первоначальный уровень воды 40 см, а каждый кубик подымает воду на 1/3 см, так что новая формула такова

Число имеющихся + Вес ящика – 1 кг + Уровень воды – 40 см = Постоянная

кубиков 500 г 1/3 см величина

мир представлений мамы постепенно расширяется, она находит весь ряд членов, позволяющих рассчитывать, сколько кубиков находится там, куда она заглянуть не может. В итоге она открывает сложную формулу для количества, которое должно быть рассчитано и которое всегда остается тем же самым, что бы её дитя ни натворило.

В чем же аналогия между этим примером и сохранением энергии? Самое существенное, от чего надлежит отвлечься в этой картинке, - это что кубиков не существует. Отбросьте в выражениях первые члены и вы обнаружите, что считаете более или менее отвлечённые количества. Аналогия же в следующем. Во-первых, при расчете энергии временами часть её уходит из системы, временами же какая-тот энергия появляется. Что бы проверить сохранение энергии, мы должны быть уверены, что не забыли учесть её убыль или прибыль. Во-вторых, энергия имеет множество разных форм и для каждой из них есть своя формула: энергия тяготения, кинетическая энергия, тепловая энергия, упругая энергия, энергия излучения, ядерная энергия, энергия массы. Когда мы объединим формулы для вклада каждой из них, то сумма не будет меняться, если не считать убыли энергии и её притока.

Важно понимать, что физике сегодняшнего дня неизвестно, что такое энергия. Мы не считаем, что энергия передается в виде маленьких пилюль. Ничего подобного. Просто имеющиеся формулы для расчета определенных численных величин, сложив которые мы получаем число 28 – всегда одно и то же число. Это нечто отвлеченное, ничего не говорящее нам ни о механизме, ни о причинах появления в формуле различных членов.

Потенциальная энергия тяготения.

Сохранение энергии можно понять, только если имеются формулы для всех её видов. Я сейчас рассмотрю формулу для энергии тяготения близ земной поверхности; я хочу вывести её, но не так, как она впервые исторически была получена. А при помощи специально придуманной для этого лекции нити рассуждений. Я хочу вам показать тот достопримечательный факт, что нескольких наблюдений и строгого рассуждения достаточно, чтобы узнать о природе очень и очень многое. Вы увидите, в чём состоит работа физика-теоретика. Вывод подсказан блестящими рассуждениями Карно о к.п.д. тепловых машин.

Рассмотрим грузоподъемные машины, способные подымать один груз, опуская при этом другой. Предположим еще, что вечное движение этих машин невозможно. ( Именно недопустимость вечного движения и есть общая формулировка закона сохранения энергии). Определяя вечное движение, нужно быть очень осторожным. Сделаем это сначала для грузоподъемных машин. Если мы подняли и опустили какие-то грузы, восстановили прежнее состояние машины и после этого обнаружили, что в итоге груз поднят, тот мы получили вечный двигатель: поднятый груз может привести в движение что-то другое. Здесь существенно, чтобы машина, поднявшая груз, вернулась в первоначальное положение и чтобы она ни от чего не зависела (чтобы не получала от внешнего источника энергию для подъема груза, словом, чтобы не приходил в гости Кожаный Чулок со своими кубиками).

Очень простая грузоподъемная машина показана на фиг. 4.1. Она подымает тройной вес. На одну чашку весов помещают три единицы веса, на другую – одну. Правда, чтобы она и впрямь заработала, с левой чашки необходимо снять хоть малюсенький грузик. И наоборот, чтобы поднять единичный груз, опуская тройной, тоже нужно немного сплутовать и убрать с правой чашки часть груза. Мы понимаем, что в настоящей подъемной машине надо создать небольшую перегрузку на одну сторону, чтобы поднять другую. Но пока махнем на это рукой. Идеальные машины, хотя их и нет на самом деле, нуждаются в перевесе. Машины, которыми мы фактически пользуемся, можно считать в некотором смысле почти обратимыми, т.е. если они поднимают тройной вес при помощи единичного, то они могут поднять также почти единичный вес, опуская тройной.

Представим, что имеется два класса машин – необратимые (сюда входят все реальные машины) и обратимые, которых на самом деле не существует; как бы тщательно ни изготавливать подшипники, рычаги и т.д. таких машин все равно не построишь. Но мы предположим всё же, что обратимая машина существует и способна, опустив единичный груз (килограмм или грамм – всё равно) на единичную длину, поднять в то же время тройной груз. Назовем эту обратимую машину машиной А. положим, что данная обратимая машина подымает тройной груз на высоту Х. затем предположим, что имеется другая машина В, необязательно обратимая, которая тоже опускает единичный вес на единицу длинны, но поднимает тройной вес на высоту Y. Теперь можно доказать, что Y не больше Х, т.е. что нельзя соорудить машину, которая смогла бы поднять груз выше, чем обратимая. Почему? Посмотрите. Пусть Y выше Х. мы берем единичный вес и опускает его на единицу длинны машиной В, тем самым, поднимая тройной груз на высоту Y. Затем мы можем опустить груз с высоты Y до Х, получив свободную энергию, и включить обратимую машину А в обратную сторону, чтобы опустить тройной груз на Х и поднять единичный вес на единичную высоту. Единичный вес очутится там, где он был прежде, и обе машины окажутся в состоянии начать работу сызнова! Итак, если Y больше Х, то возникает вечный двигатель, а мы предположили, что такого не бывает. Мы приходим к выводу, что Y не выше Х, т.е. из всех машин, которые можно соорудить, обратимая - наилучшая.

Легко понять также, что все обратимые машины должны понимать груз на одну и ту же высоту. Положим, что машины в также обратима. То, что Y не больше Х, остается, конечно, верным, но мы можем пустить машину в обратную сторону, повторить те же рассуждения и получить, что Х не больше Y. Это очень знаменательное наблюдение, ибо оно позволяет узнать, на какую высоту разные машины могут поднимать грузы, не заглядывая в их внутреннее устройство. Если кто-нибудь придумал невероятно запутанную систему рычагов для подъема тройного веса на какую-либо высоту за счет опускания единичного веса на единицу высоты и если мы сравним эту машину с простым обратимым рычагом, способным проделать то же самое, то первая машина не поднимет вес выше второй (скорее наоборот). А если машина обратима, то мы знаем точно, на какую высоту она будет поднимать грузы.

Вывод: каждая обратимая машина, как бы она не действовала, опуская 1 кг на 1 м, всегда подымает 3 кг на одну и ту же высоту Х. Ясно, что мы доказали очень полезный всеобщий закон. Но возникает вопрос: чему равно Х?

Пусть у нас есть обратимая машина, способная поднимать 3 кг за счет 1 кг на высоту Х. поместим три шара на стеллаж. Четвертый лежит на подставке в одном метре от пола. Машина может поднять три шара, опустив один шар на 1 м. устроим подвижную платформу с тремя полками высотой Х, и пусть высота полок стеллажа тоже будет Х. перекатим сперва шары со стеллажа на полки платформы; предположим, что для этого энергии не понадобится, потому что полки и стеллаж находятся на одной высоте. Затем включим обратимую машину: она скатит одиночный шар на пол и подымет платформу на высоту Х. но мы сконструировали платформу столь остроумно, что шары опять оказались в точности на уровне полок стеллажа. Разгрузим же шары с платформы на стеллаж. После разгрузки машина вернется в первоначальное положение. Теперь уже три шара лежат на верхних полках стеллажа, а четвертый шар – на полу. Но смотрите, какая странная вещь: по существу два шара мы не поднимали вовсе, ведь на полках 2 и 3 шары как лежали вначале, так лежат и теперь. В итоге поднялся только один шар, но зато на высоту 3х. Если бы высота 3 Х оказалась больше одного метра, то можно было бы опустить шар, чтобы вернуть машину к начальным условиям и начать работу сначала. значить, высота 3Х не может быть больше 1 м., ибо начнется вечное движение. точно также модно доказать, что 1 м не может быть больше 3Х: машина обратима, пустим её назад и докажем. Итак, 3Х ни больше ни меньше 1 м. мы открыли при помощи одних только рассуждений закон: Х=1/3 м. обобщить его легко: 1 кг падает при работе обратимой машины с некоторой высоты; тогда машина способна поднять р кг. На 1/р высоты. Если, другими словами, 3 кг умножить на высоту их подъема (Х), то это равно 1 кг, умноженному на высоту его падения (1м). помножив все грузы в машине на высоту, на которой они лежат, дайте машине поработать и опять помножте все веса на их высоты подъема; в итоге должно выйти то же самое. (мы перешли о случая, когда двигался только один груз. К случаю, когда за счет опускания одного груза поднимается несколько грузов. Но это, надеюсь, понятно?)

Назовем сумму весов, умноженных на высоту, потенциальной энергией тяготения, т.е. энергией, которой обладает тело вследствие своего положения в пространстве по отношению к земле. Формула для энергии тяготения, пока тело не слишком далеко от земли (вес при подъеме ослабляется), такова:

(Потенциальная энергия тяготения) = (вес) * (высоту)

для одного тела

Не правда, ли очень красивое рассуждение? Вопрос только в том, справедливо ли оно. (Ведь, в конце концов, природа не обязана следовать нашим рассуждениям). Например, не исключено, что в действительности вечное движение возможно. Или другие предположения ошибочны. Или мы просмотрели что-то в своих рассуждениях. Поэтому их непременно нужно проверить. И вот - справедливость их подтверждает опыт.

Потенциальная энергия - это общее название для энергии, связанной см расположением по отношению к чему-либо. В данном частном случае это – потенциальная энергия тяготения. Если же производится работа против электрических сил, а не сил тяготения, если мы «поднимаем» заряды «над» другими зарядами с помощью многочисленных рычагов, тогда запас энергии именуется электрическое потенциальной энергией. Общий принцип состоит в том, что изменения энергии равны силе, умноженной на то расстояние, на котором он действует:

Изменение = (расстояние, на котором)

энергии (сила) * она действует

По мере чтения курса мы еще не раз будем возвращаться к другим видам потенциальной энергии.

Принцип сохранения энергии во многих обстоятельствах оказывается очень полезен при предсказании того, что может произойти. В средней школе мы учили немало правил о блоках и рычагах. Мы можем теперь убедиться, что все эти «законы» сводятся к одному, и нет нужды запоминать 75 правил. Вот вам простой пример: наклонная плоскость. Пусть это треугольник со сторонами 3,4,5. подвесим к блочку груз весом 1 кг и положим его на плоскость а с другой стороны подвесим груз W.

Мы хотим знать, какова должна быть тяжесть W, чтобы уравновесить груз 1 кг. Рассуждаем так. Если грузы W и 1 кг уравновешены, то это - обратимое состояние, и веревку можно двигать вверх – вниз. Пусть же вначале 1 кг находится внизу плоскости, а груз W - наверху. Когда W соскользнет вниз, груз 1 кг окажется наверху, а W опустится на длину склона, т.е. на 5 м. но ведь мы подняли 1 кг только на высоту 3 м, хотя опустили W на 5 м. значит, W =3/5 кг. заметьте, что этот ловкий вывод получен не из разложения сил, а из сохранения энергии. Ловкость, впрочем, относительна. Существует другой вывод, куда красивее. Он придуман Стевином и даже высечен на его надгробии. Фиг. 4.4. объясняет, почему должно получиться 3/5 кг: цепь не вращается и нижняя её часть уравновешена сама собой, значит сила тяги пяти звеньев с одной стороны должна уравнять силу тяги трех звеньев с другой (по длине сторон). Глядя на диаграмму, становится очевидно, что W =3/5 кг. (неплохо было бы, если бы когда-нибудь что-нибудь подобное высекли и на вашем надгробном камне.)

А вот задача посложнее: домкрат, показанный на фиг. 4.5.. посмотрим, как в таком случае применять этот принцип. Для вращения домкрата служит ручка длинной 1 м, а нарезка винта имеет 4 витка на 1 см. какую силу нужно приложить к ручке, чтобы поднять 1 т.? желая поднять 1 т на 1 см, мы должны обойти домкрат четырежды, каждый раз делая по 6,28 м (2pr), а всего 25,12. м. используя различные блоки и т.п., мы действительно можем поднять 1 т. с помощью неизвестного груза W , приложенного к концу ручки. Ясно, что W равно примерно 400 г. . Это - следствие сохранения энергии.

И еще более сложный пример. Подопрем один конец стержня (или рейки) длинной 8 м. посредине рейки поместим груз весом 60 кг. , а в 2 м. от подпорки – груз весом 100 кг. сколько надо силы. Чтобы удержать рейку за другой конец в равновесии, пренебрегая её весом? Пусть мы прикрепили блок и перекинули через него веревку, привязав её к концу рейки. Каков же должен быть вес W, уравновешивающий стержень? Представим, что вес опустился на произвольное расстояние (для простоты пусть это будет 4 см.); на сколько тогда поднимутся наши два груза? Середина рейки на 2 см, а второй груз (он лежит на четверти длины рейки) на 1 см. значит, в согласии с правилом, что сумма весов, умноженных на высоты, не меняется, мы должны написать: вес W на 4 см вниз плюс 60 кг на 2 см вверх плюс 100 кг на 1 см вверх, что после сложения должно дать нуль:

-4W+2*60+1*100=0 W=55 кг.

Выходит, чтобы удержать рейку, хватит 55 кг. таким же путем можно разработать законы «равновесия» - статику сложных мостовых сооружений и т.д.. такой подход именуют принципом виртуальной (т.е. возможной или воображаемой ) работы, потому что для его применения мы обязаны представить себе, что наша система чуть сдвинулась, даже если она в действительности не двигалась или вовсе неспособна двигаться. Мы используем небольшие воображаемые движения, чтобы применить принцип сохранения энергии.

Кинетическая энергия

Чтобы рассказать о другом виде энергии, рассмотрим маятник. Отведем его в сторону и затем опустим. Он начнет качаться взад и вперед. Двигаюсь от края к середине, он теряет высоту. Куда же девается потенциальная энергия? Когда он опускается до самого низа, энергия тяготения падает, однако он вновь взбирается вверх. Выходит, что энергия тяготения должна превращаться в другую форму. Ясно, что способность взбираться наверх остается у маятника благодаря тому, что он движется; значит, в наинизшей точке качания энергия тяготения переходит в другой вид энергии.

Мы должны получить формулу для энергии движения. Вспоминая наши рассуждения о необратимых машинах, мы легко поймем, что, двигаясь мимо наинизшей точки, маятник должен обладать некоторым количеством энергии, которая позволит ему подняться на определенную высоту, и при этом независимо от механизма подъема или пути подъема. Возникает формула, выражающая равноценность обоих видов энергии, подобная той, которую писала мама, подсчитывая кубики. Получается другая форма представления энергии. Легко понять, какой она должна быть. Кинетическая энергия внизу равна весу, умноженному на высоту, на которую этот вес может подняться из-за своей скорости: к.э.=WH/

Нам нужна формула, предсказывающая высоту подъема для быстрого движения тела. Если мы толкнем что-нибудь с определенной скоростью, скажем, прямо вверх, то это тело достигнет определенной высоты; мы не знаем пока, какова эта высота, но нам ясно, что она зависит от скорости и что она войдет в нужную нам формулу. Значит, чтобы найти формулу для кинетической энергии тела, движущегося со скоростью V , нужно вычислить высоту, до которой она может добраться, и умножить на тяжесть тела. В одной из следующих глав, мы убедимся, то получается

WV²

к.э.= 2g

конечно, тот факт, что движение обладает энергией, никак не связан с полем тяготения, в котором находится тело. Неважно, откуда явилось движение. Это общая формула для любых скоростей. Кстати, формулы приближенные; первая становится неправильной на больших высотах( настолько больших, что тяжесть тела ослабляется), а вторая - на больших скоростях (настолько больших, что требуются релятивистские поправки). Однако, когда мы вводим точные формулы для энергии, закон сохранения энергии опять соблюдается.

Прочие формы энергии

В таком вот роде можно и дальше показывать существование энергии в разных формах. Отметим, во-первых, упругую энергию. Растягивая пружину, мы должны совершить какую-то работу, ведь растянутая пружина способна поднять груз. После растяжения она получает возможность выполнить работу. Если бы мы теперь составили сумму произведений весов на высоты, то она больше не сошлась бы, и нам пришлось бы в нее что-то вставить, чтобы учесть напряженность пружинки. Упругая энергия – это и есть формула растянутой пружины. Сколько же в ней энергии?

Когда вы опускаете пружину, тот упругая энергия при переходе пружины через точку равновесия обращается в энергию кинетическую; и далее всё время совершаются переходы от от сжатия и растяжения пружины к кинетической энергии движения. ( в переходы эти замешиваются еще изменения энергии тяготения, но если это нам мешает, то можно пружину не подвешивать, а положить). И так продолжается до тех пор, пока потери энергии… Постойте! Выходит, мы все время жульничали: то совершали обвес, чтобы рычаг наклонился, то говорили, что машины обратимы то уверяли, что они будут работать вечно. А машина в конечном счете останавливается. Где же теперь, когда пружина перестала сжиматься-разжиматься, находится энергия? Она перешла в новую форму энергии – тепло.

В пружине или рычаге имеются кристаллы, состоящие из множества атомов; при сборке частей машины требуется особая точность и тщательность, чтобы в работе машины ни один из атомов не сдвинулся со своего места, не поколебался. Нужно быть очень осторожным. Ведь обычно, когда машина вертится, то и дело происходят какие-то удары, покачивания, вызванные неровностями материала, и атомы начинают дрожать. Так теряются маленькие доли энергии; по мере того как движение замедляется, все сильнее становятся случайные, неожиданные дрожания атомов вещества машины. Конечно, это все еще кинетическая энергия, но не связанная с видимым движением.

Позвольте, какая кинетическая энергия? Что за сказка? Откуда известно, что это все кинетическая энергия? Оказывается термометр способен обнаружить, что пружина или рычаг нагреваются, т.е. что и впрямь происходит определенный прирост кинетической энергии. Мы её называем тепловой, а сами помним, что никакая это не новая форма энергии, а всего лишь кинетическая, но внутреннего движения. (Одна из трудностей всех опытов с большим количеством вещества том и состоит, что невозможно взаправду показать сохраняемость энергии, сделать настоящую обратимую машину; каждый раз, когда поворачивается большой комок вещества, атомы не остаются в прежнем состоянии, в их систему включается некоторое количество случайного движения. Увидеть это нельзя, но измерить термометрами и другими приборами можно.)

Существует еще немало других форм энергии, но мы не можем сейчас описывать их более или менее подробно.

Имеется энергия электрическая, связанная с притяжением и отталкиванием электрических зарядов.

Есть энергия излучения, или энергия света, - одна из форм электрической энергии, ибо свет может быть представлен как колебания электромагнитного поля.

Бывает энергия химическая – энергия, высвобождаемая в химических реакциях. Упругая энергия в некотором роде похожа на химическую; и химическая энергия есть энергия притяжения атомов друг к другу, и упругая энергия тоже. В настоящее время мы это понимает следующим образом: химическая энергия складывается из двух частей – энергии движения электронов внутри атомов, т.е. из кинетической части, и электрической энергии притяжения электронов к протонам, т.е. из электрической части.

Дальше, бывает ядерная энергия, связанная с расстановкой частиц в ядре; для нее тоже существует формула, хотя основные законы нам и неведомы. Мы знаем, что это не электричество, не тяготение, не читая химия… А что это такое? А кто его знает! Видимо это добавочная форма энергии.

И наконец, теория относительности видоизменяет формулу кинетической энергии, так что название это становится условным, сочетая ее с другим понятием: энергией массы. Любой объект обладает энергией уже потому, что он существует. Если электрон и позитрон спокойно стоят рядом, ничем не занимаясь (ни тяготением, ни чем иным), а потом сливаются и исчезают, то освобождается определенная порция энергии излучения, и эту порцию можно подсчитать. Все, что для этого нужно, - это знать массу объекта. Неважно, что это такое – два тела исчезли, определенная энергия появилась. Формулу впервые придумал Эйнштейн: это Е=mс² .

Из наших рассуждений ясно, что закон сохранения энергии незаменим при анализе явления; мы уже показали это на ряде примеров, для которых мы не знали всех формул. Владей мы формулами для всех типов энергии, мы могли бы узнавать , не вдаваясь в детали, сколько процессов происходит в таком-то явлении. Оттого законы сохранения столь важны. Встает естественный вопрос: какие еще есть в физике законы сохранения.

Существует еще два закона, сходных с законом сохранения энергии. Один называется сохранением импульса( или количества движения). Другой – сохранением момента количества движения. Позже мы подробнее познакомимся с ними.

В конечном счете мы не понимаем законов сохранения достаточно глубоко. Нам непонятно сохранение энергии. Мы не можем представить себе энергию как некоторое количество неделимых порций. Вы, вероятно, слышали, что фотоны вылетают порциями и что энергия их равна постоянной Планка, умноженной на частоту. Это правда, но так как частота света может быть любой, то нет никакого закона, по которому энергия обязана иметь некоторую определенную величину. Это уже не кубики Монтигомо Ястребиного Когтя: любые количества энергии допустимы, по крайней мере в настоящее время. Для нас энергия – это не тот, что можно пересчитать, а всего лишь математическая величина, абстракция, - обстоятельство довольно странное. В квантовой механике выявляется, что сохраняемость энергии тесно связана с другим важным свойством мира – с независимостью от абсолютного времени. Мы можем поставить опыт в некоторый момент, а потом еще раз в другой момент; он будет протекать одинаково. Абсолютно ли верно это утверждение или нет – мы не знаем. Но если мы примем, что оно абсолютно верно, и добавим принципы квантовой механики, то из этого можно вывести принцип сохранения энергии. Это довольно тонкая и интересная вещь, которую нелегко пояснить. Другие законы сохранения также связаны между собой: сохранение импульса в квантовой механике – с утверждением, что неважно, где происходит опыт, его итог от этого не меняется. И подобно тому, как независимость с места связана с сохранением импульса, а независимость от времени – с сохранением энергии, точно также от поворота наших приборов тоже ничего не должно изменяться; независимость от ориентации в пространстве имеет отношение к сохранению момента количества движения.

Кроме этого существуют еще три закона сохранения; насколько ныне нам известно, они точные и понять их намного легче, так как по своей природе они близки к подсчету кубиков. Первый из них – сохранение заряда; он просто означает, что если подсчитать, сколько есть положительных зарядов, и из этого вычесть количество отрицательных, то число это никогда не изменится. Вы можете избавиться от положительных вместе с отрицательными, но не создадите никакого чистого избытка одних над другими. И прочие два закона похожи на этот. Один называют сохранением числа барионов. Имеется некоторое количество удивительных частиц( примеры: нейтрон и протон), называемых барионами. В любой реакции, где бы в природе она не происходила, если подсчитать, сколько барионов было в начале процесса (считая антибарион за – 1 барион), то в конце их число окажется тем же. Другой закон – сохранение числа лептоонов. Группа частиц, называемых лептонами, включает электрон, мюон и нетрино. Антиэлектрон, т.е. позитрон, считается за - 1 лептон. Подсчет общего числа лептонов в реакции обнаруживает, что на входе и на выходе реакции это число одинаково, по крайней мере насколько нам сейчас известно.

Вот вам шесть законов сохранения: три замысловатых, связанных с пространством и временем, а три простых, связанных с обычным счетом.

К сохраняемости энергии доступность и полезность энергии не имеет никакого отношения. В атомах морской воды немало энергии движения, так как температура моря довольно высока, но нет никакой возможности направить эту энергию в определенное русло, не отобрав ее откуда - нибудь еще. Иначе говоря, хотя нам известен тот факт, что энергия сохраняется, но не так-то просто сохранить энергию, пригодную для человека. Законы, управляющие количеством пригодной для человека энергии, называются законами термодинамики и включают понятие, называемое энтропией необратимых термодинамических процессов.

Наконец, остановимся на том, откуда мы сегодня можем получать необходимый запас энергии. Энергией нас снабжают Солнце и дожди, уголь, уран и водород. Впрочем, и дожди и уголь в конце концов были бы невозможны без солнца. Хотя энергия сохраняется, природа по всей видимости, этим ничуть не интересуется; она освобождает из Солнца множество энергии, но только одна двухмиллиардная часть её падает на Землю. Природа сохраняет энергию, но в действительности о ней не заботится, расточая её направо и налево. Мы уже получаем энергию из урана, мы можем получать ей из водорода. Но пока это получение связано с взрывами, с большой опасностью. Если бы мы смогли научиться управлять термоядерными реакциями, то энергия, которую можно получать, тратя 10 воды в секунду, равнялась бы всей электроэнергии, производимой сейчас за это время в США. Шестьсот литров речной воды в минуту хватило бы, чтобы снабжать энергией всю стану! Именно физикам придется придумать, как избавить нас от нужды в энергии. И это, бесспорно, достижимо.

Поиск по сайту: