Большая Советская Энциклопедия (ФИ)
ModernLib.Net / Энциклопедии / БСЭ / Большая Советская Энциклопедия (ФИ) - Чтение
(стр. 9)
Автор:
|
БСЭ |
Жанр:
|
Энциклопедии |
-
Читать книгу полностью
(3,00 Мб)
- Скачать в формате fb2
(7,00 Мб)
- Скачать в формате doc
(1 Кб)
- Скачать в формате txt
(1 Кб)
- Скачать в формате html
(6,00 Мб)
- Страницы:
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86
|
|
В термодинамике основными величинами, задающими состояние системы, – термодинамическими параметрами
–являются в простейшем случае давление, объём и температура. Связь между ними даётся термическим уравнением состояния (а зависимость энергии от объёма и температуры – калорическим уравнением состояния). Простейшее термическое уравнение состояния – уравнение состояния идеального газа (
Клапейрона уравнение
).
 В классической термодинамике изучают состояния теплового равновесия и равновесные (протекающие бесконечно медленно) процессы. Время не входит в основные уравнения. Впоследствии (начиная с 30-х гг. 20 в.) была создана термодинамика неравновесных процессов. В этой теории состояние определяется через плотность, давление, температуру, энтропию и др. величины (локальные термодинамические параметры), рассматриваемые как функции координат и времени. Для них записываются уравнения переноса массы, энергии, импульса, описывающие эволюцию состояния системы с течением времени (уравнения
диффузии
Рё
теплопроводности,
Навье – Стокса уравнения)
.Рти уравнения выражают локальные (С‚. Рµ. справедливые для данного бесконечно малого элемента объёма) законы сохранения указанных физ. величин.
В
Статистическая физика(статистическая механика).
 В классической статистической механике вместо задания координат
r
i,и импульсов
p
iчастиц системы задаётся функция распределения частиц по координатам и импульсам,
f(
r
i, p
i,...,
r
N, p
N, t)
,имеющая смысл плотности вероятности обнаружения наблюдаемых значений координат и импульсов в определённых малых интервалах в данный момент времени
t(
N –число частиц в системе). Функция распределения
fудовлетворяет уравнению движения (уравнению Лиувилля), имеющему вид уравнения непрерывности в пространстве всех
r, Рё
p
i(С‚. Рµ. РІ
фазовом пространстве
)
.Уравнение Лиувилля однозначно определяет
fв любой последующий момент времени по заданному её значению в начальный момент, если известна энергия взаимодействия между частицами системы. Функция распределения позволяет вычислить средние значения плотностей вещества, энергии, импульса и их потоков, а также отклонения их от средних значений –
флуктуации.Уравнение, описывающее эволюцию функции распределения для газа, было впервые получено Больцманом (1872) и называлось
кинетическим уравнением Больцмана
.
 Гиббс получил выражение для функции распределения произвольной системы, находящейся в равновесии с термостатом (каноническое
Гиббса распределение
)
.Рта функция распределения позволяет РїРѕ известному выражению энергии как функции координат Рё импульсов частиц (функции Гамильтона) вычислить РІСЃРµ
потенциалы термодинамические,что является предметом статистической термодинамики.
 Процессы, возникающие в системах, выведенных из состояния термодинамического равновесия, необратимы и изучаются в статистической теории неравновесных процессов (эта теория вместе с термодинамикой неравновесных процессов образует
кинетику физическую
)
.В принципе, если функция распределения известна, можно определить любые макроскопические величины, характеризующие систему в неравновесном состоянии, и проследить за их изменением в пространстве с течением времени.
 Для вычисления физических величин, характеризующих систему (средние плотности числа частиц, энергии и импульса), не требуется знания полной функции распределения. Достаточно более простых функций распределения: одночастичных, дающих среднее число частиц с данными значениями координат и импульсов, и двухчастичных, определяющих взаимное влияние (корреляцию) двух частиц. Общий метод получения уравнений для таких функций был разработан (в 40-х гг. 20 в.) Боголюбовым, Борном, Г. Грином (англ. физик) и др. Уравнения для одночастичной функции распределения, построение которых возможно для газов малой плотности, называются кинетическими. К их числу относится кинетическое уравнение Больцмана. Разновидности уравнения Больцмана для ионизованного газа (
плазмы
) – кинетические уравнения Ландау и А. А.
Власова
(30–40-е гг. 20 в.).
 В последние десятилетия всё большее значение приобретает исследование плазмы. В этой среде основную роль играют
электромагнитные взаимодействия
заряженных частиц, Рё лишь статистическая теория, как правило, СЃРїРѕСЃРѕР±РЅР° дать ответ РЅР° различные РІРѕРїСЂРѕСЃС‹, связанные СЃ поведением плазмы. Р’ частности, РѕРЅР° позволяет исследовать устойчивость высокотемпературной плазмы РІРѕ внешнем электромагнитном поле. Рта задача чрезвычайно актуальна РІ СЃРІСЏР·Рё СЃ проблемой
управляемого термоядерного синтеза.
В
Рлектродинамика.
 Состояние электромагнитного поля в теории Максвелла характеризуется двумя основными векторами: напряжённостью электрического поля
Еи магнитной индукцией
Р’,являющимися функциями координат Рё времени. Рлектромагнитные свойства вещества задаются тремя величинами:
диэлектрической проницаемостью
e,
магнитной проницаемостью
(и удельной
электропроводностью
s
,которые должны быть определены экспериментально. Для векторов
Еи
Ви связанных с ними вспомогательных векторов электрической индукции
Dи напряжённости магнитного поля
Нзаписывается система линейных дифференциальных уравнений с частными производными –
Максвелла уравнения.Рти уравнения описывают эволюцию электромагнитного поля. РџРѕ значениям характеристик поля РІ начальный момент времени внутри некоторого объёма Рё РїРѕ граничным условиям РЅР° поверхности этого объёма можно найти
Еи
Р’РІ любой последующий момент времени. Рти векторы определяют силу, действующую РЅР° заряженную частицу, движущуюся СЃ определённой скоростью РІ электромагнитном поле (
Лоренца силу
)
.
 Основатель электронной теории Лоренц сформулировал уравнения, описывающие элементарные электромагнитные процессы. Рти уравнения, называемые
Лоренца – Максвелла уравнениями,связывают движение отдельных заряженных частиц с создаваемым ими электромагнитным полем.
 Опираясь РЅР° представления Рѕ дискретности электрических зарядов Рё уравнения для элементарных электромагнитных процессов, можно распространить методы статистической механики РЅР° электромагнитные процессы РІ веществе. Рлектронная теория позволила вскрыть физический смысл электромагнитных характеристик вещества e, m, s Рё дала возможность рассчитывать значения этих величин РІ зависимости РѕС‚ частоты, температуры, давления Рё С‚.Рґ.
В
Частная (специальная) теория относительности. Релятивистская механика.
В Р’ РѕСЃРЅРѕРІРµ частной теории относительности – физической теории Рѕ пространстве Рё времени РїСЂРё отсутствии полей тяготения – лежат РґРІР° постулата: принцип относительности Рё независимость скорости света РѕС‚ движения источника. Согласно принципу относительности Рйнштейна, любые физические явления – механические, оптические, тепловые Рё С‚.Рґ. – РІРѕ всех инерциальных системах отсчёта РїСЂРё одинаковых условиях протекают одинаково. Рто означает, что равномерное Рё прямолинейное движение системы РЅРµ влияет РЅР° С…РѕРґ процессов РІ ней. Р’СЃРµ инерциальные системы отсчёта равноправны (РЅРµ существует выделенной, «абсолютно покоящейся» системы отсчёта, как РЅРµ существует абсолютных пространства Рё времени). Поэтому скорость света РІ вакууме РІРѕ всех инерциальных системах отсчёта одинакова. РР· этих РґРІСѓС… постулатов вытекают преобразования координат Рё времени РїСЂРё переходе РѕС‚ РѕРґРЅРѕР№ инерциальной системы Рє РґСЂСѓРіРѕР№ – Лоренца преобразования. РР· преобразований Лоренца получаются основные эффекты частной теории относительности: существование предельной скорости, совпадающей СЃРѕ скоростью света РІ вакууме
с(любое тело не может двигаться со скоростью, превышающей
СЃ,Рё
сявляется максимальной скоростью передачи любых взаимодействий); относительность одновременности (события, одновременные в одной инерциальной системе отсчёта, в общем случае не одновременны в другой); замедление течения времени и сокращение продольных – в направлении движения – размеров тела (все физические процессы в теле, движущемся со скоростью
vотносительно некоторой инерциальной системы отсчёта, протекают в
 раз медленнее, чем те же процессы РІ данной инерциальной системе, Рё РІРѕ столько же раз уменьшаются продольные размеры тела). РР· равноправия всех инерциальных систем отсчёта следует, что эффекты замедления времени Рё сокращения размеров тел являются РЅРµ абсолютными, Р° относительными, зависящими РѕС‚ системы отсчёта.
 Законы механики Ньютона перестают быть справедливыми РїСЂРё больших (сравнимых СЃРѕ скоростью света) скоростях движения. Сразу же после создания теории относительности были найдены релятивистские уравнения движения, обобщающие уравнения движения механики Ньютона. Рти уравнения РїСЂРёРіРѕРґРЅС‹ для описания движения частиц СЃРѕ скоростями, близкими Рє скорости света. Рсключительно важное значение для Р¤. получили РґРІР° следствия релятивистской механики: зависимость массы частицы РѕС‚ скорости Рё универсальная СЃРІСЏР·СЊ между энергией Рё массой (СЃРј.
Относительности теория
)
.
В РџСЂРё больших скоростях движения любая физическая теория должна удовлетворять требованиям теории относительности, С‚. Рµ. быть релятивистски-инвариантной. Законы теории относительности определяют преобразования РїСЂРё переходе РѕС‚ РѕРґРЅРѕР№ инерциальной системы отсчёта Рє РґСЂСѓРіРѕР№ РЅРµ только координат Рё времени, РЅРѕ Рё любой физической величины. Рта теория вытекает РёР· принципов инвариантности, или симметрии РІ Р¤. (СЃРј.
Симметрия
в физике).
В
Общая теория относительности(теория тяготения). РР· четырёх типов фундаментальных взаимодействий – гравитационных, электромагнитных, сильных Рё слабых – первыми были открыты гравитационные взаимодействия, или силы тяготения. РќР° протяжении более РґРІСѓС…СЃРѕС‚ лет никаких изменений РІ РѕСЃРЅРѕРІС‹ теории гравитации, сформулированной Ньютоном, внесено РЅРµ было. Почти РІСЃРµ следствия теории находились РІ полном согласии СЃ опытом.
В Р’Рѕ 2-Рј десятилетии 20 РІ. классическая теория тяготения была революционным образом преобразована Рйнштейном. Теория тяготения Рйнштейна, РІ отличие РѕС‚ всех прочих теорий, была создана без стимулирующей роли новых экспериментов, путём логического развития принципа относительности применительно Рє гравитационным взаимодействиям, Рё получила название общей теории относительности. Рйнштейн РїРѕ-РЅРѕРІРѕРјСѓ интерпретировал установленный ещё Галилеем факт равенства гравитационной Рё инертной масс (СЃРј.
Масса
)
.Рто равенство означает, что тяготение одинаковым образом искривляет пути всех тел. Поэтому тяготение можно рассматривать как искривление самого пространства-времени. Теория Рйнштейна вскрыла глубокую СЃРІСЏР·СЊ между геометрией пространства-времени Рё распределением Рё движением масс. Компоненты С‚. РЅ. метрического тензора, характеризующие
метрику пространства-времени,одновременно являются потенциалами гравитационного поля, С‚. Рµ. определяют состояние гравитационного поля. Гравитационное поле описывается нелинейными уравнениями Рйнштейна. Р’ приближении слабых полей РёР· РЅРёС… вытекает существование гравитационных волн, РїРѕРєР° РЅРµ обнаруженных экспериментально (СЃРј.
Гравитационное излучение
)
.
 Гравитационные силы – самые слабые из фундаментальных сил в природе. Для протонов они примерно в 10
36раз слабее электромагнитных. В современной теории элементарных частиц гравитационные силы не учитываются, т.к. полагают, что они не играют заметной роли. Роль гравитационных сил становится решающей при взаимодействиях тел космических размеров; они определяют также структуру и эволюцию Вселенной.
 Теория тяготения Рйнштейна привела Рє новым представлениям РѕР± эволюции Вселенной. Р’ середине 20-С… РіРі. Рђ. Рђ.
Фридман
нашёл нестационарное решение уравнений гравитационного поля, соответствующее расширяющейся Вселенной. Ртот вывод был подтвержден наблюдениями Р.
Хаббла,открывшего закон
красного смещения
для галактик (означающий, что расстояния между любыми галактиками увеличиваются с течением времени). Др. пример предсказания теории – возможность неограниченного сжатия звёзд достаточно большой массы (больше 2–3 солнечных масс) с образованием т. н.
«чёрных дыр».Рмеются определённые указания (наблюдения Р·Р° двойными звёздами – дискретными источниками рентгеновских лучей) РЅР° существование подобных объектов.
 Общая теория относительности, как н квантовая механика, – великие теории 20 в. Все предшествующие теории, включая специальную теорию относительности, обычно относят к классической Ф. (иногда классической Ф. называют всю неквантовую Ф.).
В
Квантовая механика.
 Состояние микрообъекта в квантовой механике характеризуется
волновой функцией
y. Волновая функция имеет статистический смысл (Борн, 1926): она представляет собой амплитуду вероятности, т. е. квадрат её модуля, кyк
2, есть плотность вероятности нахождения частицы в данном состоянии. В координатном представлении y = y(
х, у, z, t) и величина кyк
2D
xD
yD
zопределяет вероятность того, что координаты частицы в момент времени
tлежат внутри малого объёма D
xD
yD
zоколо точки с координатами
С…, Сѓ, z.Рволюция состояния квантовой системы однозначно определяется СЃ помощью
Шрёдингера уравнения.
 Волновая функция даёт полную характеристику состояния. Зная y, можно вычислить вероятность определённого значения любой относящейся к частице (или системе частиц) физические величины и средние значения всех этих физических величин. Статистические распределения по координатам и импульсам не являются независимыми, из чего следует, что координата и импульс частицы не могут иметь одновременно точных значений (принцип неопределённости Гейзенберга); их разбросы связаны
неопределённостей соотношением.Соотношение неопределённостей имеет место также для энергии и времени.
 В квантовой механике момент импульса, его проекция, а также энергия при движении в ограниченной области пространства могут принимать лишь ряд дискретных значений. Возможные значения физических величин являются
собственными значениями
операторов, которые в квантовой механике ставятся в соответствие каждой физической величине. Физическая величина принимает определённое значение с вероятностью, равной единице, лишь в том случае, если система находится в состоянии, изображаемом
собственной функцией
соответствующего оператора.
 Квантовая механика Шрёдингера – Гейзенберга не удовлетворяет требованиям теории относительности, т. е. является нерелятивистской. Она применима для описания движения элементарных частиц и слагающих их систем со скоростями, много меньшими скорости света.
 С помощью квантовой механики была построена теория атомов, объяснена
химическая СЃРІСЏР·СЊ,РІ том числе понята РїСЂРёСЂРѕРґР° ковалентной химической СЃРІСЏР·Рё; РїСЂРё этом было открыто существование специфического обменного взаимодействия – чисто квантового эффекта, РЅРµ имеющего аналога РІ классической Р¤. Обменная энергия играет главную роль РІ образовании ковалентной СЃРІСЏР·Рё как РІ молекулах, так Рё РІ кристаллах, Р° также РІ явлениях ферромагнетизма Рё антиферромагнетизма. Рта энергия имеет важное значение РІРѕ внутриядерных взаимодействиях.
 Такие ядерные процессы, как a-распад, удалось объяснить только с помощью квантового эффекта прохождения частиц сквозь
потенциальный барьер
(СЃРј.
Туннельный эффект
)
.
 Была построена квантовая теория рассеяния (см.
Рассеяние микрочастиц
)
,приводящая Рє существенно РґСЂСѓРіРёРј результатам, чем классическая теория рассеяния. Р’ частности, оказалось, что РїСЂРё столкновениях медленных нейтронов СЃ ядрами поперечное сечение взаимодействия РІ сотни раз превышает поперечные размеры сталкивающихся частиц. Рто имеет исключительно важное значение для ядерной энергетики.
 На основе квантовой механики была построена
зонная теория
твёрдого тела.
В РР· квантовой теории
вынужденного излучения,созданной Рйнштейном ещё РІ 1917, РІ 50-С… РіРі. РІРѕР·РЅРёРє новый раздел радиофизики: были осуществлены генерация Рё усиление электромагнитных волн СЃ помощью квантовых систем. Рќ. Р“.
Басов,А. М.
РџСЂРѕС…РѕСЂРѕРІ
и независимо Ч.
Таунс
создали микроволновой квантовый генератор (мазер), в котором использовалось вынужденное излучение возбуждённых молекул. В 60-х гг. был создан
лазер
– квантовый генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне длин волн (см.
Квантовая электроника
)
.
В
Квантовая статистика.
 Подобно тому, как на основе классических законов движения отдельных частиц была построена теория поведения большой их совокупности – классическая статистика, на основе квантовых законов движения частиц была построена квантовая статистика.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86
|
|