Абсолютна система вимірювання фізичних величин

Абсолютна система вимірювання фізичних величин

В останні два сторіччя в науці відбувалася бурхлива диференціація наукових дисциплін. У фізиці крім класичної динаміки Ньютона з'явилися електродинаміка, аеродинаміка, гідродинаміка, термодинаміка, фізика різних агрегатних станів, спеціальна і загальна теорії відносності, квантова механіка та багато іншого. Відбулася вузька спеціалізація. Фізики перестали розуміти один одного. Теорію суперструн, наприклад, розуміють лише наскільки сотень людей в усьому світі. Щоб професійно розбиратися в теорії суперструн, треба займатися лише теорією суперструн, на інше просто не вистачить часу.

Але не слід забувати, що такі різні наукові дисципліни вивчають одну й ту ж фізичну реальність - матерію. Наука, а особливо фізика, впритул наблизилася до межі, коли подальший розвиток можливий лише шляхом інтегрування (синтезу) різних наукових напрямків. Розглянута абсолютна система вимірювання фізичних величин - перший крок у цьому напрямку.

На відміну від міжнародної системи одиниць СІ, що має 7 основних та 2 додаткові одиниці виміру, в абсолютній системі одиниць виміру використовується одна одиниця - метр (див. табл.). Перехід до розмірностях абсолютної системи вимірювання здійснюється за правилами:

(1.1)

(1.2)

Де: L, T і М - розмірності довжини, часу та маси відповідно в системі СІ.

Фізична сутність перетворень (1.1) і (1.2) полягає в тому, що (1.1) відображає діалектичну єдність простору і часу, а з (1.2) випливає, що масу можна вимірювати в квадратних метрах. Щоправда, в (1.2) - це не квадратні метри нашого тривимірного простору, а квадратні метри двовимірного простору. Двовимірне простір виходить з тривимірного, якщо тривимірний простір розігнати до швидкості, близької до швидкості світла. Згідно спеціальної теорії відносності, через скорочення лінійних розмірів в напрямку руху, куб перетвориться в площину.

Розмірності всіх інших фізичних величин встановлені на підставі так званої «пі-теореми», яка стверджує, що будь-яка вірна залежність між фізичними величинами з точністю до постійного безрозмірного множника відповідає будь-якій фізичній законом.

Щоб ввести нову розмірність якої-небудь фізичної величини, потрібно:

• підібрати формулу, що містить цю величину, в якій розмірності всіх інших величин відомі;

• алгебраїчно знайти з формули вираження цієї величини;

• в отриманий вираз підставити відомі розмірності фізичних величин;

• виконати необхідні алгебраїчні дії над розмірностями;

• прийняти отриманий результат як шукану розмірність.

«Пі-теорема» дозволяє не тільки встановлювати розмірності фізичних величин, але і виводити фізичні закони. Розглянемо для прикладу завдання про гравітаційної нестійкості середовища.

Відомо, що як тільки довжина хвилі звукового обурення виявляється більше деякого критичного значення, сили пружності (тиск газу) не в змозі повернути частинки середовища в первинний стан. Потрібно встановити залежність між фізичними величинами.

Маємо фізичні величини:

• - Довжина фрагментів, на які розпадається однорідна нескінченно протяжна середовище;

• - Щільність середовища;

• a - швидкість звуку в середовищі;

• G - гравітаційна постійна.

У системі СІ фізичні величини будуть мати розмірність:

~ L; ~ ; A ~ ; G ~

З , і складаємо безрозмірний комплекс:

,

де: і - Невідомі показники ступенів.

Таким чином:

Так як П за визначенням величина безрозмірна, то отримуємо систему рівнянь:

Рішенням системи буде:

; ,

отже,

Звідки знаходимо:

(1.3)

Формула (1.3) з точністю до постійного безрозмірного множника описує відомий критерій Джинса. У точної формулою .

Формула (1.3) задовольняє розмірностях абсолютної системи вимірювання фізичних величин. Дійсно, що входять в (1.3) фізичні величини мають розмірності:

~ ; ~ ; ~ ; ~

Підставивши розмірності абсолютної системи в (1.3), отримаємо:

Аналіз абсолютної системи вимірювання фізичних величин показує, що механічна сила, стала Планка, електрична напруга і ентропія мають однакову розмірність: . Це означає, що закони механіки, квантової механіки, електродинаміки та термодинаміки - інваріантні.

Наприклад, другий закон Ньютона і закон Ома для ділянки електричного кола мають однакову формальний запис:

~ (1.4)

~ (1.5)

При великих швидкостях руху в другій закон Ньютона (1.4) вводиться змінний безрозмірний множник спеціальної теорії відносності:

Якщо такий же множник ввести в закон Ома (1.5), то отримаємо:

(1.6)

Згідно (1,6) закон Ома допускає появу надпровідності, так як при низьких температурах може приймати значення, близьке до нуля. Якби фізика з самого початку застосовувала абсолютну систему вимірювання фізичних величин, то явище надпровідності було б передбачено спочатку теоретично, а вже потім виявлено експериментально, а не навпаки.

Багато розмов ведеться про прискорене розширення Всесвіту. Виміряти прискорення розширення сучасні технічні засоби не можуть. Застосуємо для вирішення цього завдання абсолютну систему вимірювання фізичних величин.

Цілком природно припустити, що прискорення розширення Всесвіту залежить від відстані між космічними об'єктами і від швидкості розширення Всесвіту . Рішення завдання викладеним вище методом дає формулу:

(1.7)

Аналіз фізичного змісту формули (1.7) виходить за рамки обговорюваної проблеми. Скажемо лише, що в точній формулі .

Інваріантність фізичних законів дозволяє уточнити фізичну сутність багатьох фізичних понять. Одне з таких «темних» понять - поняття ентропія. У термодинаміці механічному прискоренню ~ відповідає масова щільність ентропії

~ ,

де: S - ентропія;

m - маса системи.

Отриманий вираз свідчить про те, що ентропію, всупереч існуючому думці, можна не тільки обчислити, але і виміряти. Розглянемо для прикладу металеву спіральну пружину, яку можна вважати механічною системою атомів кристалічної решітки металу. Якщо стиснути пружину, то кристалічна решітка деформується і створить сили пружності, які завжди можна виміряти. Сила пружності пружини буде тією самою механічної ентропією. Якщо ентропію розділити на масу пружини, то отримаємо масову щільність ентропії пружини, як системи атомів кристалічної решітки.

Пружину можна представити і одним з елементів гравітаційної системи, другим елементом якої є наша Земля. Гравітаційної ентропією такої системи буде сила тяжіння, яку можна виміряти кількома способами. Розділивши силу тяжіння на масу пружини, отримаємо гравітаційну щільність ентропії. Гравітаційна щільність ентропії - це прискорення вільного падіння.

Нарешті, у відповідності з розмірностями фізичних величин в абсолютній системі виміру, ентропія газу - це сила, з якою газ тисне на стінки посудини, в який він укладений. Питома газова ентропія - це просто тиск газу.

Важливі відомості про внутрішній устрій елементарних частинок можна отримати, виходячи з інваріантності законів електродинаміки і аеро-гідродинаміки, а інваріантність законів термодинаміки та теорії інформації дозволяє наповнити фізичним змістом рівняння теорії інформації.

Абсолютна система вимірювання фізичних величин спростовує широко поширена помилка про інваріантність закону Кулона і закону всесвітнього тяжіння. Розмірність маси ~ не збігається з розмірністю електричного заряду q ~ , Тому закон всесвітнього тяжіння описує взаємодію двох сфер, або матеріальних точок, а закон кулона описує взаємодію двох провідників зі струмом, або кіл.

Використовуючи абсолютну систему вимірювання фізичних величин, ми можемо чисто формально вивести знамениту формулу Ейнштейна:

~ (1.8)

Між спеціальною теорією відносності і квантової теорії немає непереборної прірви. Формулу Планка можна отримати теж чисто формально:

~ (1.9)

Можна і далі демонструвати інваріантність законів механіки, електродинаміки, термодинаміки і квантової механіки, але розглянутих прикладів достатньо для того, щоб зрозуміти, що всі фізичні закони є окремими випадками деяких загальних законів просторово-часових перетворень. Зацікавлені цими законами знайдуть їх у книзі автора «Теорія багатовимірних просторів». - М.: Ком Книга, 2007.

Таблиця

Перехід від розмірностей міжнародної системи (СІ) розмірності абсолютної системи (АС) виміру фізичних величин

1. Основні одиниці

2. Додаткові одиниці

3. Похідні одиниці

3.1 Просторово-часові одиниці