De ce este nevoie de fizică? Idei de eseuri și multe altele. Doar ceva complicat

Metrologia - știința măsurătorilor

Metrologia este știința măsurătorilor, metodelor și mijloacelor de asigurare a unității acestora și a modalităților de atingere a preciziei necesare.
Aceasta este o știință care se ocupă cu stabilirea unităților de măsură ale diferitelor mărimi fizice și cu reproducerea standardelor acestora, cu dezvoltarea metodelor de măsurare a mărimilor fizice, precum și cu analiza acurateței măsurătorilor și cu investigarea și eliminarea cauzelor erorilor în măsurători.

În viața practică, oamenii se ocupă de măsurători peste tot. Măsurătorile unor astfel de cantități precum lungimea, volumul, greutatea, timpul etc. sunt întâlnite la fiecare pas și sunt cunoscute din timpuri imemoriale. Desigur, metodele și mijloacele de măsurare a acestor cantități în timpurile străvechi erau primitive și imperfecte, însă, fără. e imposibil de imaginat evoluţia lui Homo sapiens .

Importanța măsurătorilor în societate modernă. Acestea servesc nu numai ca bază a cunoștințelor științifice și tehnice, ci sunt de o importanță capitală pentru contabilitatea resurselor materiale și planificare, pentru comerțul intern și exterior, pentru asigurarea calității produselor, interschimbabilitatea componentelor și pieselor și îmbunătățirea tehnologiei, pentru asigurarea siguranței muncii. și alte tipuri de activitate umană.

Metrologia are mare importanță pentru progresul științelor naturale și tehnice, deoarece creșterea preciziei măsurătorilor este unul dintre mijloacele de îmbunătățire a modalităților de cunoaștere umană a naturii, descoperirilor și aplicație practică cunoștințe exacte.
Pentru a asigura progresul științific și tehnologic, metrologia trebuie să fie înaintea altor domenii ale științei și tehnologiei în dezvoltarea sa, deoarece pentru fiecare dintre acestea, măsurătorile precise sunt una dintre principalele modalități de îmbunătățire a acestora.

Obiectivele științei metrologiei

Deoarece metrologia studiază metodele și mijloacele de măsurare a cantităților fizice cu gradul maxim de acuratețe, sarcinile și scopurile ei decurg din însăși definiția științei. Cu toate acestea, având în vedere importanța enormă a metrologiei ca știință pentru progresul științific și tehnologic și pentru evoluția societății umane, toți termenii și definițiile metrologiei, inclusiv scopurile și obiectivele acesteia, sunt standardizate prin documente de reglementare - GOST ov.
Deci, principalele sarcini ale metrologiei (conform GOST 16263-70) sunt:

stabilirea unităților de mărime fizică, a standardelor de stat și a instrumentelor de măsură standard;
dezvoltarea teoriei, metodelor și mijloacelor de măsurare și control;
asigurarea uniformității măsurătorilor și a instrumentelor de măsură uniforme;
dezvoltarea metodelor de evaluare a erorilor, a stării echipamentelor de măsurare și control;
dezvoltarea de metode pentru transferul dimensiunilor unităților de la standarde sau instrumente de măsurare de referință la instrumente de măsurare de lucru.

Scurt istoric al dezvoltării metrologiei

Nevoia de măsurători a apărut din timpuri imemoriale. În acest scop, au fost folosite în primul rând mijloacele improvizate.
De exemplu, unitatea de greutate a pietrelor prețioase este caratul, care tradus din limbile din sud-estul antic înseamnă „sămânță de fasole”, „mazăre”; unitatea de greutate farmaceutică este gran, care tradus din latină, franceză, engleză, spaniolă înseamnă „grau”.

Multe măsuri au fost de origine antropometrică sau legate de un anumit activitatea muncii persoană.
Deci, în Rusia Kievană folosit în viața de zi cu zi vershok - lungimea falangei degetului arătător; span - distanța dintre capetele degetului mare și arătător întinse; cot - distanța de la cot până la capătul degetului mijlociu; fathom - de la „a ajunge”, „a ajunge”, adică poți ajunge la el; bânză oblică - limita a ceea ce se poate ajunge: distanța de la talpa piciorului stâng până la capătul degetului mijlociu al mâinii drepte întinsă în sus; verst - de la „întoarce”, „întoarce” plugul înapoi, lungimea brazdei.

Babilonienii antici au stabilit anul, luna, ora. Ulterior, 1/86400 din perioada medie de revoluție a Pământului în jurul axei sale a fost numită secundă.
În Babilon în secolul al II-lea. î.Hr e. timpul a fost măsurat în minute. Mina a egalat perioada de timp (egal cu aproximativ două ore astronomice), în timpul căreia o „mină” de apă curgea din ceasul cu apă adoptat în Babilon, a cărui masă era de aproximativ 500 d. Apoi mina s-a micșorat și s-a transformat în minutul familiar.
De-a lungul timpului, ceasurile cu apă au făcut loc ceasurilor cu nisip, iar apoi unor mecanisme cu pendul mai complexe.

Cel mai important document metrologic din Rusia este Carta Dvina a lui Ivan cel Groaznic (1550). Acesta reglementează regulile de depozitare și transfer de dimensiunea unei noi măsuri de solide în vrac - caracatița. Copiile sale de cupru au fost trimise în orașe pentru a fi păstrate de către aleși - bătrâni, sotsky, tselovalniks. Din aceste măsuri a fost necesar să se realizeze copii din lemn de marcă pentru măsuratorii orașului, iar din acestea, la rândul lor, copii din lemn pentru utilizare în viața de zi cu zi.

Reforma metrologică a lui Petru I a permis utilizarea măsurilor engleze în Rusia, care au devenit deosebit de răspândite în marina și construcțiile navale - picioare, inci.
În 1736, prin hotărâre a Senatului, s-a constituit Comisia de Greutăți și Măsuri sub președinția directorului șef al Monetăriei, contele M.G. Golovkin. În comisie a inclus un om de știință remarcabil al secolului al XVIII-lea, un contemporan al lui M.V Lomonosov, Leonhard Euler, care a adus o contribuție neprețuită la dezvoltarea multor științe.
Ca măsuri inițiale, comisia a produs un arshin de cupru și o găleată din curtea de băut din Moscova Kamennomostsky a fost luată ca măsură de substanțe. Cel mai important pas care a rezumat activitatea comisiei a fost crearea lirei de referință rusești.

Ideea de a construi un sistem de măsurare pe o bază zecimală îi aparține astronomului francez G. Mouton, care a trăit în secolul al XVII-lea. Mai târziu s-a propus adoptarea unei patruzeci de milioane din meridianul pământului ca unitate de lungime. Pe baza unei singure unități - contorul - a fost construit întregul sistem, numit metric.

În Rusia, decretul „Cu privire la sistemul de greutăți și măsuri rusești” (1835) a aprobat standardele de lungime și masă - brațul de platină și lira de platină.
În conformitate cu Convenția metrologică internațională, semnată în 1875, Rusia a primit standarde de unități de masă de platină-iridiu № 12 Și 26 și standardele unităților de lungime № 11 Și 28 , care au fost predate în noua clădire a Depoului de Greutăți și Măsuri Exemplare.
În 1892, D.I a fost numit director al Depoului. Mendeleev, pe care l-a transformat în 1893 în Camera Principală a Greutăților și Măsurilor - una dintre primele instituții de cercetare metrologică din lume.

Sistemul metric în Rusia a fost introdus în 1918 prin decretul Consiliului Comisarilor Poporului „Cu privire la introducerea Sistemului Metric Internațional de Greutăți și Măsuri”. Dezvoltarea în continuare a metrologiei în Rusia este asociată cu crearea unui sistem și a unor organisme de servicii de standardizare.

Dezvoltarea științelor naturii a dus la apariția a tot mai multe instrumente de măsură noi, iar acestea, la rândul lor, au stimulat dezvoltarea științelor, devenind un mijloc din ce în ce mai puternic de avansare a acestora.

Întrebări și sarcini pentru lucrările de examen
după disciplina academică (descărcare în format Word).

Descărcați programe de lucru

„Metrologie, standardizare și certificare”
pentru învățământul profesional de specialitate" întreținereși repararea autovehiculelor"

pentru formarea profesională de specialitate „Mecanizare agricolă”

Descărcați calendar-planuri tematice De disciplinele academice(în format Word):

„Metrologie, standardizare și certificare”
pentru formarea profesională de specialitate „Întreținerea și repararea autovehiculelor”

„Metrologie, standardizare și asigurare a calității”
pentru formarea profesională de specialitate „Mecanizare agricolă”

Nu doar școlarii, ci chiar și adulții se întreabă uneori: de ce este nevoie de fizică? Acest subiect este relevant în special pentru părinții elevilor care au primit o educație care a fost departe de fizică și tehnologie.

Dar cum să ajuți un student? În plus, profesorii pot atribui un eseu pentru teme în care trebuie să-și descrie gândurile despre necesitatea de a studia știința. Bineinteles ca e mai bine Acest subiect atribuiți-o elevilor de clasa a XI-a care au o înțelegere completă a materiei.

Ce este fizica

Vorbitor într-un limbaj simplu, fizica este Desigur, în zilele noastre fizica se îndepărtează din ce în ce mai mult de ea, mergând mai adânc în tehnosferă. Cu toate acestea, subiectul este strâns legat nu numai de planeta noastră, ci și de spațiu.

Deci de ce avem nevoie de fizică? Sarcina sa este de a înțelege cum apar anumite fenomene, de ce se formează anumite procese. De asemenea, este recomandabil să depuneți eforturi pentru a crea calcule speciale care ar ajuta la prezicerea anumitor evenimente. De exemplu, cum a descoperit Isaac Newton legea gravitației universale? A studiat un obiect care cade de sus în jos și a observat fenomene mecanice. Apoi a creat formule care chiar funcționează.

Ce secțiuni are fizica?

Subiectul are mai multe secțiuni care sunt studiate în general sau în profunzime la școală:

mecanică;
vibrații și unde;
termodinamica;
optica;
electricitate;
fizica cuantică;
Fizică moleculară;
fizica nucleara.

Fiecare secțiune are subsecțiuni care studiază în detaliu diverse procese. Dacă nu studiezi doar teoria, paragrafele și prelegerile, ci înveți să-ți imaginezi și să experimentezi ceea ce se discută, atunci știința va părea foarte interesantă și vei înțelege de ce este nevoie de fizică. Științele complexe care nu pot fi aplicate în practică, de exemplu, fizica atomică și nucleară, pot fi considerate diferit: citiți articole interesante din reviste de știință populară, urmăriți documentare despre acest domeniu.

Cum ajută articolul în viața de zi cu zi?

În eseul „De ce este nevoie de fizică” se recomandă să dați exemple dacă acestea sunt relevante. De exemplu, dacă descrii de ce trebuie să studiezi mecanica, atunci ar trebui să menționezi cazuri din Viata de zi cu zi. Un exemplu în acest sens ar fi o călătorie obișnuită cu mașina: trebuie să călătoriți dintr-un sat într-un oraș pe o autostradă gratuită în 30 de minute. Distanța este de aproximativ 60 de kilometri. Desigur, trebuie să știm cu ce viteză este mai bine să ne deplasăm pe drum, de preferință cu ceva timp liber.

Puteți da și un exemplu de construcție. Să spunem că atunci când construiești o casă trebuie să calculezi corect puterea. Nu poți alege material slab. Un elev poate efectua un alt experiment pentru a înțelege de ce este nevoie de fizică, de exemplu, ia o tablă lungă și plasează scaune la capete. Placa va fi amplasată pe spatele mobilierului. Apoi, ar trebui să încărcați centrul plăcii cu cărămizi. Placa se va afunda. Pe măsură ce distanța dintre scaune scade, deviația va fi mai mică. În consecință, o persoană primește hrană de gândit.

Când pregătește cina sau prânzul, o gospodină se confruntă adesea cu fenomene fizice: căldură, electricitate, muncă mecanică. Pentru a înțelege cum să faci ceea ce trebuie, trebuie să înțelegi legile naturii. Experiența te învață adesea multe. Și fizica este știința experienței și a observației.

Profesii și specialități legate de fizică

Dar de ce cineva care absolvă școala trebuie să studieze fizica? Desigur, cei care intră într-o universitate sau o facultate cu specializare în științe umaniste practic nu au nevoie de subiect. Dar în multe domenii este necesară știința. Să ne uităm la care:

geologie;
transport;
alimentare cu energie electrică;
inginerie electrică și instrumente;
medicament;
astronomie;
constructii si arhitectura;
alimentare cu căldură;
alimentare cu gaz;
alimentare cu apă și așa mai departe.

De exemplu, chiar și un mecanic de tren trebuie să cunoască această știință pentru a înțelege cum funcționează o locomotivă; un constructor trebuie să fie capabil să proiecteze clădiri puternice și durabile.

Programatorii și specialiștii IT trebuie să cunoască și fizica pentru a înțelege cum funcționează electronicele și echipamentele de birou. În plus, trebuie să creeze obiecte realiste pentru programe și aplicații.

Este folosit aproape peste tot: radiografie, ultrasunete, aparatura dentara, terapie cu laser.

Cu ce științe are legătură?

Fizica este foarte strâns legată de matematică, deoarece atunci când rezolvați probleme trebuie să puteți converti diverse formule, să efectuați calcule și să construiți grafice. Poate adauga această ideeîn eseul „De ce trebuie să studiezi fizica” dacă vorbim de calcule.

Această știință este, de asemenea, conectată cu geografia pentru a înțelege fenomenele naturale, pentru a putea analiza evenimentele viitoare și vremea.

Biologia și chimia sunt, de asemenea, legate de fizică. De exemplu, nici o singură celulă vie nu poate exista fără gravitație sau aer. De asemenea, celulele vii trebuie să se miște în spațiu.

Cum se scrie un eseu pentru un elev de clasa a VII-a

Acum să vorbim despre ce poate scrie un elev de clasa a șaptea care a studiat parțial unele secțiuni de fizică. De exemplu, puteți scrie despre aceeași gravitație sau puteți da un exemplu de măsurare a distanței pe care a parcurs-o de la un punct la altul pentru a calcula viteza de mers. Un elev de clasa a VII-a poate completa eseul „De ce este nevoie de fizică” cu diverse experimente care au fost efectuate în clasă.

După cum puteți vedea, munca creativă poate fi scrisă destul de interesantă. În plus, dezvoltă gândirea, dă idei noi și trezește curiozitatea față de una dintre cele mai importante științe. Într-adevăr, în viitor, fizica poate ajuta în orice împrejurare a vieții: în viața de zi cu zi, atunci când alegeți o profesie, când aplicați pentru un loc de muncă. Buna treaba, în timp ce vă relaxați în natură.

Știința începe de atunci
cum încep să măsoare...
D. I. Mendeleev

Gândiți-vă la cuvintele unui om de știință celebru. Din ele este clar rolul măsurătorilor în orice știință, și mai ales în fizică. Dar, în plus, măsurătorile sunt importante în viața practică. Vă puteți imagina viața fără a măsura timpul, masa, lungimea, viteza mașinii, consumul de energie electrică etc.?

Cum se măsoară o mărime fizică? În acest scop ele servesc instrumente de masura. Unele dintre ele le cunoști deja. Acest tipuri diferite rigle, ceasuri, termometre, cântare, raportor (Fig. 20) etc.

Orez. 20

Există instrumente de măsură digitalȘi scară. În instrumentele digitale, rezultatul măsurării este determinat de numere. Acestea sunt un ceas electronic (Fig. 21), un termometru (Fig. 22), un contor de electricitate (Fig. 23) etc.

Orez. 21

Orez. 22

Orez. 23

O riglă, un ceas, un termometru de uz casnic, o cântar, un raportor (vezi Fig. 20) sunt instrumente de cântar. Au o scară. Acesta determină rezultatul măsurării. Întreaga scară este căptușită cu linii în diviziuni (Fig. 24). O diviziune nu este o singură lovitură (cum cred uneori elevii din greșeală). Acesta este spațiul dintre cele mai apropiate două linii. În Figura 25, există două diviziuni între numerele 10 și 20 și există 3 linii. Instrumentele pe care le vom folosi în munca de laborator sunt în principal la scară.

Orez. 24

Orez. 25

A măsura o mărime fizică înseamnă a o compara cu o mărime omogenă luată ca unitate.

De exemplu, pentru a măsura lungimea unui segment de linie dreaptă între punctele A și B, trebuie să aplicați o riglă și să utilizați scara (Fig. 26) pentru a determina câți milimetri se potrivesc între punctele A și B. Valoarea omogenă cu care lungimea segmentului AB a fost comparată a fost o lungime egală cu 1 mm.

Orez. 26

Dacă o mărime fizică este măsurată direct prin preluarea datelor de pe scara instrumentului, atunci o astfel de măsurare se numește directă.

De exemplu, prin aplicarea unei rigle pe un bloc în locuri diferite, vom determina lungimea lui a (Fig. 27, a), lățimea b și înălțimea c. Am determinat valoarea lungimii, lățimii, înălțimii direct luând o citire de pe scara riglei. Din figura 27, b rezultă: a = 28 mm. Aceasta este o măsurătoare directă.

Orez. 27

Cum se determină volumul unui bar?

Este necesar să se efectueze măsurători directe ale lungimii a, lățimii b și înălțimii c și apoi folosind formula

V = a. b. c

calculați volumul blocului.

În acest caz, spunem că volumul barei a fost determinat de formulă, adică indirect, iar măsurarea volumului se numește măsurare indirectă.

Orez. 28

Gândește și răspunde

Figura 28 prezintă mai multe instrumente de măsură.
1. Cum se numesc aceste instrumente de masura?
2. Care sunt digitale?
3. Ce mărime fizică măsoară fiecare dispozitiv?
4. Care este valoarea omogenă pe scara fiecărui dispozitiv prezentată în Figura 28, cu care se compară valoarea măsurată?
Rezolvați disputa.
Tanya și Petya rezolvă problema: „Folosește o riglă pentru a determina grosimea unei foi dintr-o carte care conține 300 de pagini. Grosimea tuturor foilor este de 3 cm.” Petya susține că acest lucru se poate face prin măsurarea directă a grosimii foii cu o riglă. Tanya consideră că determinarea grosimii unei foi este o măsurare indirectă.
Ce crezi? Justificati raspunsul.

Interesant de știut!

În timp ce studiază structura corpului uman și funcționarea organelor sale, oamenii de știință fac și multe măsurători. Se pare că o persoană a cărei masă este de aproximativ 70 kg are aproximativ 6 litri de sânge. Inima omului într-o stare calmă se contractă de 60-80 de ori pe minut. În timpul unei contracții eliberează în medie 60 cm 3 de sânge, aproximativ 4 litri pe minut, aproximativ 6-7 tone pe zi, mai mult de 2000 de tone pe an Deci inima noastră este o mare muncitoare!

Sângele uman trece prin rinichi de 360 de ori în timpul zilei, purificându-se de acolo Substanțe dăunătoare. Lungimea totală a vaselor de sânge renale este de 18 km. Conducere imagine sănătoasă viață, ne ajutăm corpul să funcționeze fără eșecuri!

Teme pentru acasă

Orez. 29

Enumerati in caiet instrumentele de masura pe care le aveti in apartamentul (casa). Sortați-le în grupuri:
1) digital; 2) scară.
Verificați valabilitatea regulii lui Leonardo da Vinci (Fig. 29) - un strălucit artist, matematician, astronom și inginer italian. Pentru aceasta:
1. măsoară-ți înălțimea: cere pe cineva să folosească un triunghi (Fig. 30) pentru a pune o linie mică pe tocul ușii cu un creion; măsurați distanța de la podea la linia marcată;
2. măsurați distanța de-a lungul unei linii drepte orizontale între capetele degetelor (Fig. 31);
3. comparați valoarea obținută la punctul b) cu înălțimea dvs.; pentru majoritatea oamenilor, aceste valori sunt egale, ceea ce a fost observat pentru prima dată de Leonardo da Vinci.

Orez. treizeci

Orez. 31

Când scriu la birou, pot întinde mâna în sus pentru a aprinde lampa sau în jos pentru a deschide sertarul biroului și a întinde un pix. Întinzând mâna înainte, ating o figurină mică și cu aspect ciudat pe care mi-a dat-o sora mea de noroc. Întinzându-mă în spate, pot mângâia pisica neagră care se strecoară în spatele meu. În dreapta sunt notele luate în timpul cercetării pentru articol, în stânga sunt o grămadă de lucruri care trebuie făcute (facturi și corespondență). Sus, jos, înainte, înapoi, dreapta, stânga - mă controlez în spațiul meu personal al spațiului tridimensional. Axele invizibile ale acestei lumi îmi sunt impuse de structura dreptunghiulară a biroului meu, definită, ca majoritatea arhitecturii occidentale, prin trei unghiuri drepte puse împreună.

Arhitectura, educația și dicționarele noastre ne vorbesc despre tridimensionalitatea spațiului. dictionarul Oxford în limba engleză deci spațiu: „o zonă sau întindere continuă care este liberă, accesibilă sau neocupată. Dimensiunile înălțimii, adâncimii și lățimii în care toate lucrurile există și se mișcă.” [ Dicționarul lui Ozhegov într-un mod similar: „Întindere, un loc nelimitat de limite vizibile. Spațiul dintre ceva, locul unde este ceva. se potrivește." / aprox. traducere]. În secolul al XVIII-lea, el a susținut că spațiul euclidian tridimensional este o necesitate a priori, iar noi, saturati cu imagini generate de computer și jocuri video, ni se amintește constant de această reprezentare sub forma unui sistem de coordonate dreptunghiular aparent axiomatic. Din punctul de vedere al secolului XXI, acest lucru pare aproape de la sine înțeles.

Cu toate acestea, ideea de a trăi într-un spațiu descris de un fel de structură matematică este o inovație radicală în cultura occidentală care a făcut necesară contestarea credințelor străvechi despre natura realității. Deși originea stiinta moderna Descrisă adesea ca o tranziție către o descriere mecanizată a naturii, poate aspectul ei mai important – și cu siguranță mai durabil – a fost trecerea la conceptul de spațiu ca structură geometrică.

În ultimul secol, sarcina de a descrie geometria spațiului a devenit un proiect major al fizicii teoretice, experții de la Albert Einstein încercând să descrie toate interacțiunile fundamentale ale naturii ca produse secundare ale formei spațiului în sine. Deși la nivel local suntem învățați să gândim spațiul ca fiind tridimensional, relativitatea generală descrie un Univers cu patru dimensiuni, iar teoria corzilor vorbește despre zece dimensiuni - sau 11, dacă luăm versiunea sa extinsă, teoria M, ca un bază. Există versiuni cu 26 de dimensiuni ale acestei teorii, iar recent matematicienii au îmbrățișat cu entuziasm teoria cu 24 de dimensiuni. Dar care sunt aceste „dimensiuni”? Și ce înseamnă să ai zece dimensiuni în spațiu?

Pentru a ajunge la o înțelegere matematică modernă a spațiului, trebuie mai întâi să ne gândim la el ca pe o arenă pe care materia o poate ocupa. Cel puțin, spațiul trebuie imaginat ca ceva extins. O astfel de idee, deși evidentă pentru noi, ar părea eretică celor ale căror concepte de reprezentare a lumii fizice au dominat gândirea occidentală în antichitatea târzie și în Evul Mediu.

Strict vorbind, fizica aristotelică nu a inclus o teorie a spațiului, ci doar conceptul de loc. Luați în considerare o ceașcă de ceai stând pe masă. Pentru Aristotel, paharul era înconjurat de aer, care însuși reprezenta o anumită substanță. În imaginea lui despre lume nu exista un spațiu gol - existau doar granițe între substanțe - o ceașcă și aer. Sau o masă. Pentru Aristotel, spațiul, dacă vrei să-l numești așa, era doar o linie infinit de subțire între o ceașcă și ceea ce o înconjoară. Întinderea de bază a spațiului nu era ceva în interiorul căruia ar putea fi altceva.

Din punct de vedere matematic, „dimensiunea” este doar o altă axă de coordonate, un alt grad de libertate, devenind un concept simbolic nu neapărat asociat cu lumea materială. În anii 1860, pionierul logic Augustus de Morgan, a cărui activitate l-a influențat pe Lewis Carroll, a rezumat acest domeniu din ce în ce mai abstract remarcând că matematica este pur o „știință a simbolurilor” și ca atare nu trebuie să fie preocupată de nimic în afară de ea însăși. Matematica, într-un fel, este o logică care se mișcă liber în câmpurile imaginației.

Spre deosebire de matematicieni, care joacă liber în domeniul ideilor, fizicienii sunt legați de natură și, cel puțin în principiu, depind de lucrurile materiale. Dar toate aceste idei ne conduc la o posibilitate eliberatoare - pentru că dacă matematica permite mai mult de trei dimensiuni și credem că matematica este utilă în descrierea lumii, de unde știm că spațiul fizic este limitat la trei dimensiuni? Deși Galileo, Newton și Kant au luat drept axiome lungimea, lățimea și înălțimea, nu ar putea exista mai multe dimensiuni în lumea noastră?

Din nou, ideea unui Univers cu mai mult de trei dimensiuni a pătruns în conștiința societății prin mediul artistic, de data aceasta prin speculații literare, dintre care cea mai faimoasă este opera matematicianului „” (1884). Această satira socială fermecătoare spune povestea umilului Square, care trăiește în avion, care este vizitat într-o zi de ființa tridimensională Lord Sphere, conducându-l în lumea magnifică a corpurilor tridimensionale. În acest paradis al volumelor, Pătratul își observă versiunea tridimensională, Cubul, și începe să viseze să treacă în dimensiunile a patra, a cincea și a șasea. De ce nu un hipercub? Sau nu un hiper-hipercub, crede el?

Din păcate, în Flatland, Square este considerat un nebun și este închis într-un azil de nebuni. Una dintre moralele poveștii, spre deosebire de adaptările și adaptările sale cinematografice mai îndulcite, este pericolul ascuns în ignorarea fundamentelor sociale. Pătratul, vorbind despre alte dimensiuni ale spațiului, vorbește și despre alte schimbări ale existenței - devine un excentric matematic.

La sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea, existau o mulțime de autori (H.G. Wells, matematician și autor de romane științifico-fantastice, care au inventat cuvântul „tesseract” pentru a se referi la un cub cu patru dimensiuni), artiști ( Salvador Dali) și misticii ([ [ Ocultist rus, filozof, teozof, cititor de tarot, jurnalist și scriitor, matematician de pregătire / cca. traducere] a studiat idei legate de a patra dimensiune și ce ar putea însemna întâlnirea pentru o persoană.

Apoi, în 1905, fizicianul necunoscut de atunci Albert Einstein a publicat o lucrare care descrie lumea reală ca fiind cu patru dimensiuni. „Teoria sa specială a relativității” a adăugat timpul celor trei dimensiuni clasice ale spațiului. În formalismul matematic al relativității, toate cele patru dimensiuni sunt legate între ele - așa a intrat termenul „spațiu-timp” în vocabularul nostru. Această asociere nu a fost arbitrară. Einstein a descoperit că, folosind această abordare, a fost posibil să creeze un aparat matematic puternic care a depășit fizica newtoniană și i-a permis să prezică comportamentul particulelor încărcate electric. Electromagnetismul poate fi descris pe deplin și cu acuratețe doar într-un model cu patru dimensiuni al lumii.

Relativitatea a devenit mult mai mult decât un alt joc literar, mai ales când Einstein l-a extins de la „special” la „general”. Spațiul multidimensional a căpătat un sens fizic profund.

În imaginea lumii lui Newton, materia se mișcă prin spațiu în timp sub influența forțelor naturale, în special a gravitației. Spațiul, timpul, materia și forțele sunt categorii diferite de realitate. Cu SRT, Einstein a demonstrat unificarea spațiului și timpului, reducând numărul de categorii fizice fundamentale de la patru la trei: spațiu-timp, materie și forțe. Relativitatea generală face următorul pas prin împletirea gravitației în structura spațiu-timpului în sine. Dintr-o perspectivă cu patru dimensiuni, gravitația este doar un artefact al formei spațiului.

Pentru a înțelege această situație remarcabilă, să ne imaginăm analogul ei bidimensional. Imaginează-ți o trambulină desenată pe suprafața unui plan cartezian. Acum să punem mingea de bowling pe grilă. În jurul acesteia, suprafața se va întinde și se va distorsiona, astfel încât unele puncte să se îndepărteze mai mult unele de altele. Am distorsionat măsura internă a distanței în spațiu, făcând-o neuniformă. Relativitatea generală spune că tocmai aceasta este distorsiunea la care obiectele grele precum Soarele supun spațiu-timp, iar abaterea de la perfecțiunea carteziană a spațiului duce la apariția fenomenului pe care îl simțim ca gravitație.

În fizica newtoniană, gravitația apare de nicăieri, dar la Einstein ea ia naștere în mod natural din geometria internă a varietății cu patru dimensiuni. Acolo unde varietatea se întinde cel mai mult sau se îndepărtează de regularitatea carteziană, gravitația este simțită mai puternic. Aceasta este uneori numită „fizica filmului de cauciuc”. În ea, forțele cosmice uriașe care mențin planetele pe orbită în jurul stelelor și stelele pe orbită în interiorul galaxiilor, nu sunt altceva decât efect secundar spațiu distorsionat. Gravitația este literalmente geometrie în acțiune.

Dacă trecerea la patru dimensiuni ajută la explicarea gravitației, ar exista vreun avantaj științific pentru cinci dimensiuni? — De ce să nu încerci? a întrebat un tânăr matematician polonez în 1919, gândindu-se că, dacă Einstein ar fi inclus gravitația în spațiu-timp, atunci poate că o dimensiune suplimentară ar putea trata în mod similar electromagnetismul ca pe un artefact al geometriei spațiu-timpului. Așa că Kaluza a adăugat o dimensiune suplimentară ecuațiilor lui Einstein și, spre încântarea lui, a descoperit că, în cinci dimensiuni, ambele aceste forțe erau artefacte perfect fine ale modelului geometric.

Matematica converge magic, dar în acest caz problema a fost că dimensiunea suplimentară nu se corela cu niciun proprietate fizică. În relativitatea generală, a patra dimensiune era timpul; în teoria lui Kaluza nu era ceva ce putea fi văzut, simțit sau indicat: era pur și simplu acolo în matematică. Chiar și Einstein a devenit dezamăgit de o astfel de inovație efemeră. Ce este asta? - el a intrebat; unde este?

Există multe versiuni ale ecuațiilor teoriei corzilor care descriu spațiul cu 10 dimensiuni, dar în anii 1990, un matematician de la Institutul pentru Studii Avansate din Princeton (vechea bântuie a lui Einstein) a arătat că lucrurile ar putea fi simplificate puțin trecând la un 11- perspectiva dimensională. El a numit noua sa teorie „Teoria M” și a refuzat în mod criptic să explice ce înseamnă litera „M”. De obicei se spune că înseamnă „membrană”, dar s-au făcut și alte sugestii precum „matrice”, „maestru”, „mistic” și „monstruos”.

Nu avem încă nicio dovadă a acestor dimensiuni suplimentare – suntem încă în starea de fizicieni plutitori care visează la peisaje în miniatură inaccesibile – dar teoria corzilor a avut o influență puternică asupra matematicii în sine. Recent, evoluțiile într-o versiune cu 24 de dimensiuni a acestei teorii au relevat o relație neașteptată între mai multe ramuri majore ale matematicii, ceea ce înseamnă că, chiar dacă teoria corzilor nu este utilă în fizică, va fi o sursă utilă. În matematică, spațiul cu 24 de dimensiuni este special - acolo se întâmplă lucruri magice, de exemplu, este posibil să împachetezi sfere într-un mod deosebit de elegant - deși este puțin probabil ca în lumea reala 24 dimensiuni. În ceea ce privește lumea în care trăim și o iubim, majoritatea teoreticienilor corzilor cred că 10 sau 11 dimensiuni ar fi suficiente.

Un alt eveniment din teoria corzilor merită atenție. În 1999 (prima femeie care a primit un post la Harvard în domeniul fizicii teoretice) și (un fizician teoretic al particulelor american de origine indiană) că ar putea exista o dimensiune în plus la scara cosmologică, la scara descrisă de teoria relativității . Conform teoriei lor „brane” (brane este prescurtarea de la membrană), ceea ce numim Universul nostru poate fi situat într-un spațiu cu cinci dimensiuni mult mai mare, ceva ca un superunivers. În acest supraspațiu, Universul nostru poate fi unul dintr-un număr de universuri care există împreună, fiecare dintre ele fiind o bulă cu patru dimensiuni în arena mai largă a spațiului a cincea dimensiune.

Este greu de spus dacă vom putea vreodată să confirmăm teoria lui Randall și Sundrum. Cu toate acestea, se fac deja unele analogii între această idee și zorii astronomiei moderne. În urmă cu 500 de ani, europenii credeau că este imposibil să-și imagineze „lumi” fizice, altele decât a noastră, dar acum știm că Universul este plin de miliarde de alte planete care orbitează miliarde de alte stele. Cine știe, poate într-o zi descendenții noștri vor putea găsi dovezi ale existenței a miliarde de alte universuri, fiecare cu propriile ecuații unice pentru spațiu-timp.

Proiectul de înțelegere a structurii geometrice a spațiului este una dintre realizările semnături ale științei, dar este posibil ca fizicienii să fi ajuns la capătul acestui drum. Se pare că Aristotel avea dreptate într-un anumit sens - ideea de spațiu extins are probleme logice. În ciuda tuturor succeselor extraordinare ale teoriei relativității, știm că descrierea ei a spațiului nu poate fi concludentă deoarece eșuează la nivel cuantic. În ultima jumătate de secol, fizicienii au încercat fără succes să combine înțelegerea lor despre spațiu la scară cosmologică cu ceea ce observă la scară cuantică și se pare din ce în ce mai mult că o astfel de sinteză poate necesita o fizică radical nouă.

Einstein, după ce a dezvoltat relativitatea generală, și-a petrecut o mare parte din viață încercând să „exprima toate legile naturii din dinamica spațiului și timpului, reducând fizica la geometrie pură”, așa cum spune Robbert Dijkgraaf, director al Institutului de Studii Avansate din Princeton, spus recent. „Pentru Einstein, spațiu-timp a fost fundamentul natural al unei ierarhii infinite a obiectelor științifice.” La fel ca Newton, imaginea lui Einstein asupra lumii pune spațiul în prim-planul existenței, făcându-l arena în care se întâmplă totul. Dar la scară mică, unde predomină proprietățile cuantice, legile fizicii arată că tipul de spațiu cu care suntem obișnuiți poate să nu existe.

Unii fizicieni teoreticieni încep să sugereze că spațiul poate fi un fenomen emergent, care decurge din ceva mai fundamental, în același mod în care temperatura apare la scară macroscopică ca urmare a mișcării moleculelor. După cum spune Dijkgraaf: „Viziunea actuală vede spațiu-timp nu ca un punct de referință, ci ca o linie finală de sosire, o structură naturală care emerge din complexitatea informațiilor cuantice.”

Un important susținător al noilor moduri de a gândi despre spațiu este un cosmolog de la Caltech, care a susținut recent că spațiul clasic nu este „o parte fundamentală a arhitecturii realității” și a susținut că greșim să atribuim un astfel de statut special celor patru sau 10. , sau 11 dimensiuni. În timp ce Dijkgraaf folosește analogia temperaturii, Carroll ne invită să luăm în considerare „umiditatea”, un fenomen care apare atunci când multe molecule de apă se unesc. Moleculele individuale de apă nu sunt umede, iar proprietatea umezelii apare doar atunci când colectați multe dintre ele într-un singur loc. La fel, spune el, spațiul iese din lucruri mai elementare la nivel cuantic.

Carroll scrie că, din punct de vedere cuantic, Universul „apare în lumea matematică cu un număr de dimensiuni de ordinul 10 10 100” - adică un zece urmat de un gol de zerouri, sau 10.000 și încă un trilion de trilioane de trilioane de trilioane. trilion trilioane trilioane trilioane trilioane zerouri. Este greu de imaginat un număr atât de incredibil de mare, în comparație cu care numărul de particule din Univers se dovedește a fi complet nesemnificativ. Și totuși, fiecare dintre ele este o dimensiune separată în spațiul matematic, descrisă de ecuații cuantice; fiecare este un nou „grad de libertate” disponibil Universului.

Chiar și Descartes ar fi uimit de unde ne-a dus raționamentul său și de uimitoarea complexitate ascunsă în astfel de într-un cuvânt simplu, ca „măsurare”.

Sistem absolut de măsurare a mărimilor fizice

În ultimele două secole, știința a cunoscut o diferențiere rapidă a disciplinelor științifice. În fizică, pe lângă dinamica clasică a lui Newton, electrodinamică, aerodinamică, hidrodinamică, termodinamică, fizica diferitelor stări de agregare, special și teorie generală relativitatea, mecanica cuantică și multe altele. A apărut o specializare îngustă. Fizicienii nu se mai înțeleg. Teoria superstringurilor, de exemplu, este înțeleasă doar de aproximativ o sută de oameni din întreaga lume. Pentru a înțelege în mod profesionist teoria superstringurilor, trebuie să studiați doar teoria superstringurilor, pur și simplu nu este suficient timp pentru restul.

Dar nu trebuie să uităm că atât de multe discipline științifice diferite studiază aceeași realitate fizică - materia. Știința, și în special fizica, s-a apropiat de punctul în care dezvoltare ulterioară este posibilă numai prin integrarea (sinteza) diverselor direcţii ştiinţifice. Sistemul absolut considerat pentru măsurarea mărimilor fizice este primul pas în această direcție.

Spre deosebire de sistemul internațional de unități SI, care are 7 unități de măsură de bază și 2 suplimentare, sistemul absolut de unități de măsură utilizează o unitate - metrul (vezi tabelul). Trecerea la dimensiunile sistemului de măsurare absolută se realizează conform regulilor:

Unde: L, T și M sunt dimensiunile lungimii, timpului și, respectiv, masei în sistemul SI.

Esența fizică a transformărilor (1.1) și (1.2) este aceea că (1.1) reflectă unitate dialectică spațiu și timp, iar din (1.2) rezultă că masa poate fi măsurată în metri pătrați. Adevărat, />în (1.2) nu sunt metri pătrați din spațiul nostru tridimensional, ci metri pătrați din spațiul bidimensional. Spațiul bidimensional se obține din spațiul tridimensional dacă spațiul tridimensional este accelerat la o viteză apropiată de viteza luminii. Conform teoriei relativității speciale, datorită reducerii dimensiunilor liniare în direcția mișcării, cubul se va transforma într-un plan.

Dimensiunile tuturor celorlalte mărimi fizice sunt stabilite pe baza așa-numitei „teoreme pi”, care afirmă că orice relație corectă între mărimile fizice, până la un factor constant adimensional, corespunde unei legi fizice.

Pentru a introduce o nouă dimensiune a oricărui cantitate fizica, trebuie sa:

Alegeți o formulă care conține această cantitate, în care dimensiunile tuturor celorlalte cantități sunt cunoscute;

Găsiți algebric expresia acestei mărimi din formulă;

Înlocuiți dimensiunile cunoscute ale mărimilor fizice în expresia rezultată;

Efectuați operațiile algebrice necesare pe dimensiuni;

Acceptați rezultatul obținut ca dimensiune dorită.

„Teorema Pi” permite nu numai stabilirea dimensiunilor mărimilor fizice, ci și derivarea legilor fizice. Să luăm în considerare, de exemplu, problema instabilității gravitaționale a unui mediu.

Se știe că, de îndată ce lungimea de undă a unei perturbări sonore depășește o anumită valoare critică, forțele elastice (presiunea gazului) nu sunt capabile să readucă particulele mediului în starea lor inițială. Este necesar să se stabilească relația dintre mărimile fizice.

Avem marimi fizice:

/> - lungimea fragmentelor în care se rupe un mediu omogen extins la infinit;

/> - densitatea mediului;

A este viteza sunetului în mediu;

G este constanta gravitațională.

În sistemul SI, mărimile fizice vor avea următoarele dimensiuni:

/>~ L; /~ />; a~/>; G~ />

Din ///>, />și /> formăm un complex adimensional:

unde: />și /> sunt exponenți necunoscuți.

Prin urmare:

Deoarece P, prin definiție, este o mărime adimensională, obținem un sistem de ecuații:

Soluția sistemului va fi:

prin urmare,

De unde îl găsim:

Formula (1.3) descrie binecunoscutul criteriu Jeans până la un factor constant adimensional. În formula exactă />.

Formula (1.3) satisface dimensiunile sistemului absolut de măsurare a mărimilor fizice. Într-adevăr, mărimile fizice incluse în (1.3) au dimensiuni:

/>~ />; />~ />; />~ />; />~ />

Înlocuind dimensiunile sistemului absolut în (1.3), obținem:

Analiza sistemului absolut de măsurare a mărimilor fizice arată că forța mecanică, constanta lui Planck, tensiunea electrică și entropia au aceeași dimensiune: />. Aceasta înseamnă că legile mecanicii, mecanicii cuantice, electrodinamicii și termodinamicii sunt invariante.

De exemplu, a doua lege a lui Newton și legea lui Ohm pentru zonă circuit electric au aceeași notație formală:

/>~ />(1.4)

/>~ />(1.5)

La viteze mari de mișcare, un factor adimensional variabil al teoriei relativității speciale este introdus în a doua lege a lui Newton (1.4):

Dacă introducem același factor în legea lui Ohm (1.5), obținem:

Conform (1.6), legea lui Ohm permite apariția supraconductivității, deoarece />at temperaturi scăzute poate lua o valoare apropiată de zero. Dacă fizica ar fi folosit încă de la început un sistem absolut de măsurare a cantităților fizice, atunci fenomenul de supraconductivitate ar fi fost prezis mai întâi teoretic și abia apoi descoperit experimental și nu invers.

Se vorbește mult despre expansiunea accelerată a Universului. Mijloacele tehnice moderne nu pot măsura accelerația expansiunii. Pentru a rezolva această problemă, să folosim un sistem absolut pentru măsurarea mărimilor fizice.

PAGE_BREAK--

Este destul de firesc să presupunem că accelerația expansiunii Universului // depinde de distanța dintre obiecte spațiale/>și asupra ratei de expansiune a Universului />. Rezolvarea problemei folosind metoda descrisă mai sus dă formula:

Analiza semnificației fizice a formulei (1.7) depășește sfera problemei în discuție. Să spunem asta în formula exactă />.

Invarianța legilor fizice face posibilă clarificarea esenței fizice a multor concepte fizice. Unul dintre aceste concepte „întunecate” este conceptul de entropie. În termodinamică, accelerația mecanică corespunde densității entropiei de masă

unde: S – entropie;

m este masa sistemului.

Expresia rezultată indică faptul că entropia, contrar concepției greșite existente, nu poate fi doar calculată, ci și măsurată. Luați în considerare, de exemplu, un arc elicoidal din metal, care poate fi luat în considerare sistem mecanic atomi rețea cristalină metal Dacă comprimați un arc, rețeaua cristalină este deformată și creează forțe elastice care pot fi întotdeauna măsurate. Forța elastică a arcului va fi aceeași entropie mecanică. Dacă împărțim entropia la masa arcului, obținem densitatea entropiei de masă a arcului, ca un sistem de atomi într-o rețea cristalină.

Un izvor poate fi reprezentat și ca unul dintre elementele sistemului gravitațional, al doilea element al căruia este Pământul nostru. Entropia gravitațională a unui astfel de sistem va fi forța de atracție, care poate fi măsurată în mai multe moduri. Împărțind forța de atracție la masa arcului, obținem densitatea entropiei gravitaționale. Densitatea entropiei gravitaționale este accelerația gravitației.

În cele din urmă, în conformitate cu dimensiunile mărimilor fizice din sistemul de măsurare absolută, entropia unui gaz este forța cu care gazul apasă pe pereții vasului în care este închis. Entropia specifică a gazului este pur și simplu presiunea gazului.

Informații importante despre structura interna particule elementare poate fi obținută pe baza invarianței legilor electrodinamicii și aerohidrodinamicii, iar invarianța legilor termodinamicii și teoriei informației face posibilă completarea ecuațiilor teoriei informației cu conținut fizic.

Sistemul absolut de măsurare a mărimilor fizice respinge concepția greșită larg răspândită despre invarianța legii lui Coulomb și a legii gravitației universale. Dimensiunea masei />~/>nu coincide cu dimensiunea incarcare electrica q ~/>, prin urmare legea atracției universale descrie interacțiunea a două sfere sau puncte materiale, iar legea lui Coulomb descrie interacțiunea a doi conductori sau cercuri purtătoare de curent.

Folosind sistemul absolut de măsurare a cantităților fizice, putem deriva în mod pur formal celebra formulă a lui Einstein:

/>~ />(1.8)

Nu există un decalaj de netrecut între relativitatea specială și teoria cuantică. Formula lui Planck poate fi obținută și pur formal:

Se poate demonstra în continuare invarianța legilor mecanicii, electrodinamicii, termodinamicii și mecanicii cuantice, dar exemplele luate în considerare sunt suficiente pentru a înțelege că toate legile fizice sunt cazuri speciale ale unor legi generale ale transformărilor spațiu-timp. Cei interesați de aceste legi le vor găsi în cartea autoarei „Teoria spațiilor multidimensionale”. – M.: Com Book, 2007.

Trecerea de la dimensiunile sistemului internațional (SI) la dimensiunile sistemului absolut (AS) de măsurare a mărimilor fizice

1. Unități de bază

Denumirea mărimii fizice

Dimensiunea în sistem

Denumirea mărimii fizice

Kilogram

Forta curent electric

Temperatura termodinamica

Cantitatea de substanță

Puterea luminii

2. Unități suplimentare

Unghi plat