Читать книгу Тайна Жизни – Бессмертье на Временах. Библия от 2020 года – Современный Завет, том 2-й - Дмитрий Аскольдович Завьялов - Страница 9

7. Некоторая история открытий законов сохранения и

превращения: материи и энергии, в общей физике.

В истории науки, множество учёных разной специализации,

теоретически исследовали и экспериментально проверяли,

открывали части: закона сохранения и превращения природы.

Приведём некоторые выдержки данных открытий:

* в хронологическом порядке,

по шагам приближения к этому закону,

* по разделам физики.

Закон сохранения энергии.

Закон сохранения энергии – фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что для изолированной физической системы может быть введена скалярная физическая величина, являющаяся функцией параметров системы и называемая энергией, которая сохраняется с течением времени. По историческим причинам, в различных разделах физики были введены различные виды энергии, и в соответствии с ними формулировался закон сохранения энергии. Говорят, что возможен переход энергии одного типа в другой, но полная энергия системы, равная сумме отдельных видов энергий, сохраняется.

С математической точки зрения закон сохранения энергии эквивалентен утверждению, что система дифференциальных уравнений, описывающая динамику данной физической системы, обладает первым интегралом движения, связанным с симметричностью уравнений относительно сдвига во времени.

1. « Ничто не возникает из ничего ».

« Апейрон – неопределённое и беспредельное первовещество,

– единое и вечное, бесконечное, «божественное»

первоначало видимого многообразия вещей,

источник жизни и существования космоса … »

Милетская школа – первая древнегреческая научно-философская школа,

основанная в Милете, в 1-й пол. VI в. до н. э.

Представители – Фалес, Анаксимандр, Анаксимен,

а также Гиппон, Диоген …

К Милетской школе относят истоки древнегреческой,

а следовательно европейской и мировой науки.

Аристотель считал, что никакой пустоты в природе быть не может.

2. « Любое тело, до тех пор, пока оно остаётся изолированным, сохраняет своё состояние покоя или равномерного прямолинейного движения ».

Ньютон и Галилей.

« Ибо почему оно скорее остановится здесь, а не там? »

Аристотель.

3. « Когда одно тело сталкивается с другим, оно может сообщить ему лишь столько движения, сколько само одновременно потеряет, и отнять у него лишь столько, насколько оно увеличит своё собственное движение ».

«Начала философии» (1644) Рене Декарт [19]

4. « Живая сила (Vis viva) – … произведение массы объекта и квадрата его

скорости »

«То, что поглощается мельчайшими атомами, не теряется, безусловно, для вселенной, хотя и теряется для общей силы сталкивающихся тел» [20]

«Доказательство памятной ошибки Декарта» (1686)

«Очерк динамики» (1695)

Лейбниц

5. « Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому, так ежели, где убудет несколько материи, то умножится в другом месте…

Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает ». [24]

« Но все изменения, совершающиеся в природе, происходят таким образом,

что сколько к чему прибавилось, столько же отнимается от другого.

… Этот закон природы является … всеобщим… »

Письмо к Эйлеру (5 июля 1748 года)

«Рассуждение о твердости и жидкости тел» (1760) [22][23]

М. В. Ломоносов [21].

6. Один из первых экспериментов, подтверждающий закон сохранения энергии: при расширении газа в пустоту, его температура не изменяется.

Эксперимент проведён в 1807 году.

Жозеф Луи Гей-Люссак [21].

7. В начале XIX века рядом экспериментов было показано,

что электрический ток может оказывать химическое, тепловое, магнитное и электродинамическое действия.

Такое многообразие подвигло Фарадея выразить мнение, что:

Различные формы, в которых проявляются силы материи, имеют общее происхождение, то есть могут превращаться друг в друга.

Фарадей [25]

8. « Тепло не что иное, как движущая сила, или, вернее, движение, изменившее свой вид. Это движение частиц тела. Повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно: при исчезновении теплоты всегда возникает движущая сила ».

« По некоторым представлениям, которые у меня сложились относительно теории тепла, создание единицы движущей силы требует затраты 2,7 единицы тепла ».

«Размышления о движущей силе огня

и о машинах, способных развивать эту силу» 1824 год

Карно [25]

При содействии Клапейрона.

9. Экспериментальное количественное доказательство закона было впервые дано Джеймсом Джоулем.

« Количество теплоты, которое в состоянии нагреть 1 фунт воды на 1 градус по Фаренгейту, равно и может быть превращено

в механическую силу, которая в состоянии поднять 838 фунтов

на вертикальную высоту в 1 фут ».

«О тепловом эффекте магнитоэлектричества

и механическом значении тепла»[30].

1843 год, 1847—1850 годы

Джоуль

10. Первым осознал и сформулировал всеобщность закона сохранения энергии Роберт Майер[21].

Закон сохранения энергии в качественной форме[25]:

« Движение, теплота, и, как мы намерены показать в дальнейшем, электричество представляют собой явления, которые могут быть сведены к единой силе, которые изменяются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам ».

«О количественном и качественном определении сил»[31] 1841 год

Майер

При поддержке, в 1862 году, Клаузиуса.

11. « Во всех случаях, когда происходит движение подвижных материальных точек под действием сил притяжения и отталкивания, величина которых зависит только от расстояния между точками, уменьшение силы напряжения всегда равно увеличению живой силы, и наоборот, увеличение первой приводит к уменьшению второй. Таким образом, всегда сумма живой силы и силы напряжения постоянна ».

В этой цитате под живой силой Гельмгольц понимает кинетическую энергию материальных точек, а под силой напряжения – потенциальную.

Герман Гельмгольц [33]

12. « Под энергией материальной системы в определённом состоянии мы понимаем измеренную в механических единицах работы сумму всех действий, которые производятся вне системы, когда она переходит из этого состояния любым способом в произвольно выбранное нулевое состояние ».

«Динамическая теория тепла»[25][36]

1852 год

Уильям Томсон

Само понятие энергии в этом смысле было введено Томасом Юнгом.

«Курсе лекций по естественной философии и механическому искусству» (англ. «A course of lectures on natural philosophy and the mechanical arts»)[34][35].

1807 год

Юнг

…….

Частные формы закона сохранения энергии

1. С фундаментальной точки зрения, согласно теореме Нётер, закон сохранения энергии является следствием однородности времени, то есть независимостью законов физики от момента времени, в который рассматривается система. В этом смысле закон сохранения энергии является универсальным, то есть присущим системам самой разной физической природы.

2. В Ньютоновской механике формулируется частный случай закона сохранения энергии – Закон сохранения механической энергии, звучащий следующим образом [3]

« Полная механическая энергия замкнутой системы тел, между которыми действуют только консервативные силы, остаётся постоянной ».

3. В термодинамике исторически закон сохранения формулируется в виде первого принципа термодинамики:

« Изменение внутренней энергии термодинамической системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил над системой и количества теплоты, переданного системе, и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход ».

4. В гидродинамике идеальной жидкости закон сохранения энергии традиционно формулируется в виде уравнения Бернулли.

5. В электродинамике закон сохранения энергии исторически формулируется в виде теоремой Умова—Пойнтинга [12], связывающей плотность потока электромагнитной энергии с плотностью электромагнитной энергии и плотностью джоулевых потерь. В словесной форме теорема может быть сформулирована следующим образом:

« Изменение электромагнитной энергии, заключённой в неком объёме, за некий интервал времени равно потоку электромагнитной энергии через поверхность, ограничивающую данный объём, и количеству тепловой энергии, выделившейся в данном объёме, взятой с обратным знаком ».

6. В нелинейной оптике рассматривается распространение оптического (и вообще электромагнитного) излучения в среде с учётом много квантового взаимодействия этого излучения с веществом среды.

Соотношения между макроскопическими параметрами взаимодействующих волн носят название соотношений Мэнли – Роу.

7. В релятивистской механике вводится понятие 4-вектора энергии-импульса (или просто четырёхимпульса)[13]. Его введение позволяет записать законы сохранения канонического импульса и энергии в единой форме.

8. Являясь обобщением специальной теории относительности,

общая теория относительности пользуется обобщением понятия четырёхимпульса – тензором энергии-импульса. Закон сохранения формулируется для тензора энергии-импульса системы.

9. В квантовой механике также возможно формулирование закона сохранения энергии для изолированной системы.

Так, в шредингеровском представлении при отсутствии внешних переменных полей гамильтониан системы не зависит от времени и можно показать[14], что волновая функция, отвечающая решению

уравнения Шредингера, может быть представлена в соответствующем виде.

10. В квантовой механике имеются фундаментальные ограничения на то, насколько малым может быть возмущение системы в процессе измерения. Это приводит к так называемому принципу неопределённости Гейзенберга.

Закон сохранения материи.

Закон сохранения массы исторически понимался как одна из формулировок закона сохранения материи.

Закон сохранения массы – закон физики, согласно которому масса

изолированной физической системы сохраняется при всех природных и искусственных процессах.

В метафизической форме, согласно которой вещество несотворимо и неуничтожимо, этот закон известен с древнейших времён. Позднее появилась количественная формулировка, согласно которой мерой количества вещества является вес (с конца XVII века – масса).

1. « Принцип сохранения » применялся представителями Милетской школы для формулировки представлений о первовеществе,

основе всего сущего[2].

Позже аналогичный тезис высказывали Демокрит, Аристотель

и Эпикур (в пересказе Лукреция Кара).

2. «Ничто не может произойти из ничего,

и никак не может то, что есть, уничтожиться».

(V век до н. э.)[1]

Древнегреческий философ Эмпедокл.

3. Средневековые учёные также не высказывали никаких сомнений в истинности этого закона.

4. «Сумма материи остается всегда постоянной и не может быть увеличена или уменьшена… ни одна мельчайшая её часть не может быть ни одолена всей массой мира, ни разрушена совокупной силой всех агентов, ни вообще как-нибудь уничтожена» [3]

1620 год

Фрэнсис Бэкон

5. В ходе развития алхимии, а затем и научной химии, было замечено,

что при любых химических превращениях суммарный вес реагентов не меняется.

« Вес настолько тесно привязан к веществу элементов, что, превращаясь из одного в другой, они всегда сохраняют тот же самый вес ».

1630 год

Жан Рэ[en] (Jean Rey, 1583—1645), химик из Перигора.

Из письма к Мерсенну[4] [5]

6. С появлением в трудах Ньютона понятия массы как меры количества вещества, формулировка закона сохранения материи была уточнена: масса есть инвариант, то есть при всех процессах общая масса не уменьшается и не увеличивается.

7. « Все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется к какому-либо телу, столько же теряется у другого ».

1755г., М. В. Ломоносов в письме Л. Эйлеру [6]

8. Иммануил Кант объявил этот закон постулатом естествознания

1786г. [7]

9. Лавуазье в «Начальном учебнике химии» привёл точную количественную формулировку закона сохранения массы вещества.

« Ничто не творится ни в искусственных процессах, ни в природных, и можно выставить положение, что во всякой операции [химической реакции] имеется одинаковое количество материи до и после, что качество и количество начал остались теми же самыми, произошли лишь перемещения, перегруппировки ».

1789г., Лавуазье [8]

10. В XX веке обнаружились два новых свойства массы.

1) Масса физического объекта зависит от его внутренней энергии. При поглощении внешней энергии масса растёт, при потере – уменьшается.

Отсюда следует, что масса сохраняется только в изолированной системе, то есть при отсутствии обмена энергией с внешней средой.

2) Также, масса в современной физике оказывается неаддитивной

(масса системы не равна – вообще говоря – сумме масс компонент)

Сказанное означает, что в современной физике закон сохранения массы тесно связан с законом сохранения энергии и выполняется с таким же ограничением – надо учитывать обмен системы энергией с внешней средой, и между компонентами самой системы.

Взаимосвязь массы и энергии. [1]

Любое тело обладает энергией уже только благодаря факту своего существования, и эта энергия равна произведению массы этого тела на квадрат скорости света в вакууме.

Формула Эйнштейна:

Е = m*c^2

Косвенная взаимосвязь материи, энергии,

пространства и времени.

1. Формула Планка. [1]

Е = h * ν

2. Соотношение неопределённостей Гейзенберга. [2], [3]

Произведение неопределённостей значений двух сопряжённых переменных не может быть по порядку величины меньше постоянной Планка.

ΔЕ * Δt = h/2

Δx * Δv = h/2m

***