Представления Эйнштейна о пространстве и времени. Сдвиговая симметрия кристаллов. Электростатическое и магнитное поля Земли. Третье начало термодинамики и термодинамическая шкала температур

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Представления Эйнштейна о пространстве и времени

Изначально в доньютоновский период пространство считалось бесконечным, плоским, «прямолинейным», евклидовым. Его метрические свойства описывались геометрией Евклида. Оно рассматривалось как абсолютное, пустое, однородное и изотропное (т.е. не имело выделенных точек и направлений) и выступало в качестве «вместилища» материальных тел, как независимая от них интегральная система.

Время понималось абсолютным, однородным, равномерно текущим. Оно идет сразу и везде во всей Вселенной «единообразно синхронно» и выступает как независимый от материалистических объектов процесс длительности.

Ньютон в своих трудах окончательно оформил и сформулировал концепцию о внешних условиях бытия, в которые помещена материя, концепцию абсолютного пространства и времени, в которой время и пространство уже было абсолютным и относительным, однако по-прежнему, пространство и время представлялись самодовлеющими элементами бытия, существующими вне и независимо от материальных процессов.

Также параллельно развивались представления о пространстве и времени в зависимость от сознания человека.

По Эйнштейну, учение которого исходило из основ, заложенных Галилеем, пространство и время не просто сосуществуют, но и теснейшим образом взаимодействуют друг с другом. Представления о пространстве и времени, формулирующиеся в теории относительности Эйнштейна, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. Долгое время они являлись макроскопическими, так как опирались на опыт исследования макроскопических объектов, больших расстояний и больших промежутков времени.

Однако в последнее время появились практические примеры доказательства в виде мезонов, возникающих при столкновении частиц первичного космического излучения с ядрами атомов на Земле. При построении теорий, описывающих явления микромира, классическая геометрическая картина, предполагающая непрерывность пространства и времени (пространственно-временной континуум), была перенесена на новую область без каких-либо изменений. Экспериментальных данных, противоречащих применению теории относительности в микромире, пока нет, что доказывается опытами с ультрарелятивистскими частицами на современных ускорителях. Но само развитие квантовых теорий, возможно, потребует пересмотра представлений о физическом пространстве и времени.

Согласно Эйнштейну пространство и время могут причудливо искривляться, образуя много путей, соединяющих разнесенные в пространстве и времени точки-события. В этом случае оперируют понятиями, характерными для т.н. пространственно-временной пены - это чёрные дыры и кротовые норы. Последние исследования в этой области открывают необозримые возможности для исследователей.

2. Сдвиговая симметрия кристаллов

Симметрия кристаллов используется как метод изучения закономерностей изменения свойств объектов, общие закономерности, установленные физикой твёрдого тела и связывающие атомное строение и электронную структуру со свойствами кристаллов.

При изучении многих макроскопических свойств кристаллических и других материалов их можно рассматривать как сплошные однородные среды, характеризуемые своей точечной или предельной группой симметрии. В то же время многие свойства кристаллов определяются их кристаллической структурой (например, оптические спектры) или даже симметрией локального окружения исследуемого фрагмента структуры (данные радиоспектроскопических методов).

Некоторые величины, характеризующие свойства кристаллов (плотность, теплоёмкость), являются скалярными. Для полной характеристики свойств анизотропной среды необходимо определить независимо все компоненты тензоров соответствующих рангов, а часто и зависимости каждой из компонент от внешних факторов. Кристаллофизика разрабатывает рациональные способы таких измерений, которые, как правило, усложняются по мере понижения симметрии кристаллов (повышения числа независимых компонент тензоров соответствующего ранга). Так, в Кристаллофизике широко используется геометрическое представление об анизотропии физических свойств (материальных тензоров); радиус-вектор такой поверхности характеризует величину рассматриваемого свойства в данном направлении. Симметрия анизотропной среды определяет не только симметрию и число независимых компонент тензоров, описывающих то или иное физическое свойство, но и ориентацию главной осей указательной поверхностей. Число отличных от нуля компонент тензора для среды с симметрией G определяется методами теории представлений групп.

Задачей Кристаллофизики является также исследование свойств кристалла при фазовых переходах. Кюри принцип позволяет предсказать изменение точечной и пространственной групп симметрии кристаллов при фазовых переходах. При описании магнитных свойств кристаллов и кристаллов с модулированными структурами в Кристаллофизике привлекается аппарат обобщённых групп симметрии.

В Кристаллофизике изучается и влияние реальной структуры на физические свойства кристаллов. К дефектам структуры чувствительны многие свойства кристаллов: электропроводность, механические, оптические и другие свойства. Важнейшие задачи Кристаллофизики- установление зависимостей изменения физических свойств кристаллов от их состава, строения и реальной структуры, а также поиск способов управления свойствами материалов и создание новых структур (текстур и композитных материалов) с оптимальным сочетанием ряда свойств для практического применения.

Анизотропия упругих свойств кристаллов существенно сказывается на характере распространения акустических волн. В кристалле, в отличие от изотропного твердого тела, в каждом направлении распространяются три упругие волны: продольная и две поперечных. Каждая из них имеет свою фазовую скорость, которая зависит от направления распространения волны в кристалле. В ряде направлений, соответствующих осям симметрии высокого порядка, скорости двух поперечных волн могут совпадать. В таких направлениях, называемых акустическими осями кристалла, возможно распространение поперечных волн с произвольной поляризацией, как в изотропном теле. Суперпозиция линейно поляризованных волн позволяет получить эллиптическую и круговую поляризации сдвиговых волн.

Анизотропия кристаллов усложняет также законы отражения и преломления акустических волн на границах раздела сред: падающая волна при отражении и преломлении может расщепляться на несколько волн разных типов, в том числе и поверхностных. Пространственная дисперсия, обусловленная периодичностью кристаллической решётки, приводит к вращению плоскости поляризации сдвиговых волн (так называемая акустическая активность). Затухание звука в кристаллах определяется его рассеянием на микродефектах и дислокациях, поглощением вследствие взаимодействия упругой волны с тепловыми колебаниями кристаллической решётки -- фононами, поглощением, обусловленным термоупругими и тепловыми эффектами. В металлах существует специфический вид поглощения звука вследствие взаимодействия УЗ с элементами проводимости, а в ферромагнетиках и сегнетоэлектриках дополнительное поглощение связано с доменными процессами.

Нелинейная Кристаллофизика занимается исследованием взаимодействия акустических волн в кристаллах: генерации акустических гармоник и волн комбинаций частот, взаимодействий с электрическими полями и электромагнитными волнами. Исследование нелинейного взаимодействия упругих волн в кристаллах имеет значение не только для объяснения поглощения звука, но также для описания тепловых фононных взаимодействий и лежит в основе теории работы нелинейных акустических устройств -- корреляторов, конволюторов. УЗ волны в кристаллах используются для создания ультразвуковых и гиперзвуковых линий задержки, акустооптических устройств и устройств акустоэлектроники.

3. Электростатическое и магнитное поля Земли

Магнитное поле создаётся (порождается) током заряженных частиц, или изменяющимся во времени электрическим полем, или собственными магнитными моментами частиц (последние для единообразия картины могут быть формальным образом сведены к электрическим токам).

Магнитное поле -- силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения, магнитная составляющая электромагнитного поля.

Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц или магнитными моментами электронов в атомах.

Кроме этого, оно появляется при наличии изменяющегося во времени электрического поля.

Магнитное поле можно назвать особым видом материи, посредством которого осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом.

Магнитные поля являются необходимым следствием существования электрических полей.

Вместе, магнитное и электрическое поля образуют электромагнитное поле, проявлениями которого являются, в частности, свет и все другие электромагнитные волны.

На небольшом удалении от поверхности Земли, порядка трёх её радиусов, магнитные силовые линии имеют диполеподобное расположение. Эта область называется плазмосферой Земли.

По мере удаления от поверхности Земли усиливается воздействие солнечного ветра: со стороны Солнца геомагнитное поле сжимается, а с противоположной, ночной стороны, оно вытягивается в длинный «хвост».

Заметное влияние на магнитное поле на поверхности Земли оказывают токи в ионосфере. Это область верхней атмосферы, простирающаяся от высот порядка 100 км и выше. Содержит большое количество ионов. Плазма удерживается магнитным полем Земли, но её состояние определяется взаимодействием магнитного поля Земли с солнечным ветром, чем и объясняется связь магнитных бурь на Земле с солнечными вспышками.

В последнее время получила развитие гипотеза, связывающая возникновение магнитного поля Земли с протеканием токов в жидком металлическом ядре. Подсчитано, что зона, в которой действует механизм «магнитное динамо», находится на расстоянии 0,25--0,3 радиуса Земли[4]. Аналогичный механизм генерации поля может иметь место и на других планетах, в частности, в ядрах Юпитера и Сатурна (по некоторым предположениям, состоящих из жидкого металлического водорода).

Электромагнитное излучение (электромагнитные волны) -- распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля (то есть, взаимодействующих друг с другом электрического и магнитного полей).

Среди электромагнитных полей вообще, порожденных электрическими зарядами и их движением, принято относить собственно к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников -- движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием.

Электромагнитное излучение подразделяется на радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и жесткое (гамма-излучение) Электромагнитное излучение способно распространяться практически во всех средах. В вакууме (пространстве, свободном от вещества и тел, поглощающих или испускающих электромагнитные волны) электромагнитное излучение распространяется без затуханий на сколь угодно большие расстояния, но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном веществом (несколько изменяя при этом свое поведение).

4. Третье начало термодинамики и термодинамическая шкала температур

электромагнитный термодинамика физический

Третье начало термодинамики (теорема Нернста) -- физический принцип, определяющий поведение энтропии (отношение общего количества тепла к величине абсолютной температуры, то есть тепло, переданное системе, при постоянной температуре) при приближении температуры к абсолютному нулю. Является одним из постулатов термодинамики, принимаемым на основе обобщения значительного количества экспериментальных данных.

Что касается термодинамической шкалы температур, то для измерения температуры применяются приборы, основанные на определении тех или иных физических свойств вещества, изменяющихся с изменением температуры. Эти приборы и градуируются в соответствии с принятой температурной шкалой. Однако при установлении той или иной температурной шкалы возникают принципиальные трудности, связанные с тем, что свойства каждого вещества по-разному изменяются в одном и том же интервале температур. Например, конструкция многих термометров основана на явлении расширения жидкости при увеличении температуры; таковы хорошо известные термометры с ртутным или спиртовым столбиком, длина которого увеличивается с ростом температуры. Но значения температурного коэффициента расширения даже для одной и той же жидкости различны при различных температурах, что создает сложности при установлении температурной шкалы. В 1742 г. шведский физик А. Цельсий предложил приписать точке плавления льда температуру 0°, а точке кипения воды 100°, а интервал между ними разделить на сто равных частей*. Однако если разделить на сто равных частей столбик ртути между точками плавления льда и кипения воды, то, учитывая зависимость коэффициента расширения ртути от температуры, выясним, что одно и то же приращение длины столбика ртути будет соответствовать различным приращениям температур. Цена деления равномерной шкалы, построенной по различным термометрическим жидкостям, будет различной. Если, например, заполнить термометр водой, то при нагреве такого термометра от точки плавления льда можно увидеть удивительную картину: вместо того чтобы с повышением температуры перемещаться вверх, столбик воды начнет опускаться вниз ниже уровня, соответствующего точке плавления льда. Оказывается, плотность воды при атмосферном давлении имеет максимальное значение при температуре 3,98 °С. Следовательно, при нагреве от 0 до 3,98 °С объем воды будет уменьшаться (а значит, будет опускаться столбик водяного термометра).

В Прошлом температурные шкалы устанавливались по различным термометрическим веществам, но затем было определено, что одним из наиболее удобных термометрических веществ является идеальный газ. В самом деле, уравнение Клапейрона позволяет определить температуру с помощью соотношения.

Если, например, измерить давление близкого по свойствам к идеальному газа, заключенного в сосуде постоянного объема, то таким образом можно установить температурную шкалу (так называемая идеально-газовая шкала). Преимущество этой шкалы состоит в том, что давление идеального газа линейно изменяется с температурой.

Размещено на Allbest.ru