Фундаментальные физические модели объектов

Сформулировав концепцию единого пространства-времени, мы тем самым как бы ввели «сцену действия» природных процессов. Следующая задача – в рамках классической физики установить главные действующие лица, которые выступают на этой сцене. Это, конечно, объекты природы, так что сценарий пьесы сводится к описанию происходящих с ними процессов. Мы знаем, что нас окружает множество материальных объектов, между которыми существуют многочисленные сложные взаимосвязи. Разобраться в этом многообразии и познать все сразу довольно трудно.

Прежде всего, рассматривая какую-то совокупность материальных объектов, в современной физике ее принято делить на изучаемую физическую систему и ее внешнее окружение. Конечно, граница между ними весьма условна и будет меняться по мере дальнейшего изучения природы. Однако в первом приближении будем считать, что к физической системе относится, прежде всего, интересующий нас объект, о котором можно сказать что-то определенное, проверяемое на опыте, и хоть как-то предсказать его дальнейшее поведение. Под окружением будем подразумевать те внешние условия, в которых находится выделенная система.

Если мы действуем в рамках классической стратегии познания, во всех этих случаях наше внимание сосредоточено на объекте и его поведении в данных условиях. Для его описания, необходимо построить подходящую модель. Благодаря традициям атомизма и непрерывности в классической физике существуют две самые общие (фундаментальные) модели материи: модель частицы (корпускулы) и модель сплошной среды (континуума). Важно при этом подчеркнуть, что обе фундаментальные модели применимы к описанию материи в любой форме – в форме вещества или излучения, так что, выбрав одну из них, мы никак не ограничиваем общность анализа поведения материи. Другое дело, что для данного конкретного процесса, происходящего с определенным материальным объектом, очень часто одна из моделей может оказаться более предпочтительной. Это связано как с возможностью более глубокого проникновения в сущность явления, так и с математическими трудностями формализованного описания.

Наше описание классических фундаментальных моделей удобнее начать с модели частицы (корпускулы) как более простой и привычной для первичного анализа. Моделью частицы (корпускулы) мы неявно уже пользовались при установлении пространственных отношений. В этом случае на первом месте была малость размеров материального объекта, моделируемого частицей, по сравнению с остальными объектами в конкретной задаче. Сейчас мы обобщим этот образ, показав, что модель частицы может быть использована и для крупных объектов (например, для автомобиля, движущегося по прямому шоссе). Это значит, что в рамках данной модели можно рассматривать только так называемое поступательное Движение тела. Ведь при этом все его части движутся с одинаковой скоростью, как единый объект.

А вот при вращательном движении подобное утверждение уже неоправданно – на повороте шоссе автомобиль может занести. Это говорит о том, что колеса будут иметь разные скорости, приводя к вращению корпуса машины. Учитывая, что колеса – это уже часть конструкции автомобиля (т.е. его «структуры»), о которой мы должны вспомнить при этом, становится понятным следующее наиболее общее требование к модели частицы.

Основным критерием применимости этой модели является возможность в данных условиях пренебречь внутренней структурой объекта. Только при этом условии частица может быть адекватной моделью объекта. Однако процесс моделирования не сводится к тому, чтобы начать мысленно оперировать с некой абстрактной частицей вместо того, чтобы иметь перед глазами конкретный объект. Далее необходимо ввести ряд характеристик, чтобы можно было мысленно заместить объект его моделью. Выбор этих характеристик представляет собой сложную задачу. Но во всех случаях следует руководствоваться следующим правилом – надо отличать существенные факторы от несущественных. Скажем, ясно, что цвет автомашины для анализа тормозного пути абсолютно не нужен.

Прежде всего, поскольку в нашем представлении частица – малый объект, мы можем приписывать ей такие характеристики, как определенное положение в пространстве в данный момент времени и скорость. Однако они носят скорее внешний (геометрический) характер и не выражают всей внутренней специфики материального объекта в данных условиях. В данном случае понятно, что при одинаковых скоростях груженый самосвал будет тормозить дольше, чем велосипед. Поэтому необходимо искать характеристику, с помощью которой можно отразить именно этот факт.

Разумеется, у каждой модели материального объекта может быть много различных специфических характеристик. Задача состоит в том, чтобы найти среди них такие, которые носят всеобщий характер. Их называют фундаментальными физическими величинами, и они присущи материи в любой форме и на любом уровне описания.

В этом и состоит суть концепции фундаментальных физических величин – при моделировании объектов в физике из множества разнообразных физических свойств объекта надо выбрать лишь некоторые и при том не произвольные, а универсальные. Они должны отвечать не только за данный конкретный процесс, но и за весь класс подобных процессов, включая и его возможные модификации. Эти свойства и воплощаются в фундаментальных характеристиках. При этом фундаментальная характеристика должна допускать обобщение: если она первоначально вводится для фундаментальной (простейшей) модели, то в дальнейшем путем некоторого обобщения ее можно приписывать и производным (более сложным) моделям.

Кроме того, отбор таких свойств подчиняется ряду общих требований. Необходимо, чтобы:

а. им можно было приписать конечную количественную меру (величину), поддающуюся измерению (именно поэтому свойства объекта отображаются в терминах «физических величин»)

б. для них можно было ввести формализованную запись в виде математических символов;

в. можно было добиться по возможности того, чтобы эти величины сохраняли инвариантность при смене СО;

г. эти величины отражали устойчивые (как бы паспортные) свойства, присущие объекту. Выполнить последнее требование очень сложно – ведь многие свойства могут динамически изменяться. Поэтому договорились о том, что на роль фундаментального может претендовать такое свойство, по поведению которого можно идентифицировать свободный объект (иными словами, соответствующая физическая величина должна сохраняться, когда воздействием окружения можно вовсе пренебречь).

Фундаментальные характеристики должны быть присущи не только моделям частицы и континуума, но и множеству построенных на них (производных) моделей, таких, например, как система частиц и многие другие. Кроме того, будучи мерой какого-то свойства рассматриваемой системы, физическая величина должна «реагировать» на ее усложнение. Характеристика должна быть аддитивна.