Аксиома – это ясная, красивая и важная научная истина. Аксиоматика физики показывает взаимосвязь и суть законов природы, поэтому ее надо знать всем интересующимся устройством мира людям. Сегодня физика – это единственная сверхнаука, которую создавали лучшие умы человечества и которая в наибольшей степени определяет современную жизнь цивилизации, а также ее будущее. Поэтому не будет преувеличением считать, что именно научная аксиоматика физики одновременно является и научной аксиоматикой мироздания в целом. Изложим отдельно аксиоматику трех основных разделов физики.
1. Аксиоматика механики и молекулярной физики.
Аксиоматика классической механики базируется на трех законах Ньютона с двумя фундаментальными формулами для ускорения тела и сил взаимодействия тел, из которых могут быть выведены остальные законы механики, в частности законы сохранения импульса и энергии, законы вращательного движения, а также условия равновесия.
Закон ускорения тел, включающий Первый и Второй законы Ньютона: существуют системы отсчета, называемые инерциальными, в которых ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом), прямо пропорционально векторной сумме приложенных сил и обратно пропорционально массе тела. Закон взаимодействия тел (Третий закон Ньютона): взаимодействующие материальные точки (тела) действуют друг на друга с силами, направленными вдоль соединяющей эти точки прямой, равными по модулю и противоположными по направлению.
Особую роль играет релятивистская механика, вытекающая из факта постоянства скорости света во всех инерциальных системах отсчета, откуда следует, что время и расстояние разные в разных системах отсчета. Релятивистская механика уточняет формулы для импульса и энергии, а также Второй закон Ньютона, отменяя при этом Третий закон Ньютона. Эти уточнения важны для тел, движущихся со скоростями, близкими к скорости света, а также для ряда задач электродинамики.
Основой молекулярной физики является молекулярно-кинетическая теория, полагающая, что вещество состоит из молекул, которые находятся в постоянном беспорядочном тепловом движении и обмениваются при столкновениях импульсами и энергией.
2. Аксиоматика электродинамики и волновой оптики.
Важнейшую роль в электродинамике играет закон Кулона (сила Кулона): сила взаимодействия двух точечных зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами, пропорциональна величине обоих зарядов и направлена вдоль линии, соединяющей оба заряда. Несложно понять, что в нашем трехмерном пространстве плотность силовых линий и поле точечного заряда падает по закону обратных квадратов – как и сила взаимодействия зарядов в законе Кулона. Это касается не только силы Кулона, но и других подобных сил, например силы притяжения точечных масс в соответствии с законом всемирного тяготения.
Принципиально, что магнитная сила и магнитное поле не самостоятельны, а являются лишь релятивистской поправкой к электростатической силе Кулона и электростатическому полю. Важно, что релятивистская малость магнетизма по отношению к электростатике, определяемая 20-30 порядками квадрата отношения характерных скоростей, компенсируется 20-30 порядками малости квадрата отношения характерных зарядов. При этом электродинамические и релятивистские законы четко работают при огромных ускорениях, на 20-30 порядков превышающих ускорение свободного падения.
Следствием электродинамики является волновое уравнение, являющееся основой волновой оптики. Ключевым принципом волновой оптики является принцип Гюйгенса–Френеля: каждый элемент волновой поверхности можно рассматривать как центр, порождающий вторичные сферические волны, а результирующая волна в каждой точке пространства будет определяться интерференцией этих волн.
3. Аксиоматика квантовой физики.
Основой квантовой физики является корпускулярно-волновой дуализм, в соответствии с которым каждая материальная частица обладает волновыми свойствами. Такие свойства реально проявляются у микрочастиц, например электронов и ядер атомов, и эти проявления определяют строение материи во Вселенной.
Главной идеей квантовой физики можно считать неопределенность. При этом соотношения неопределенностей связывают неопределенности импульса и координаты, а также энергии и времени. Эти соотношения вытекают из волновых свойств микрочастиц, а волна – это принципиально протяженный в пространстве и времени объект (в отличие от частицы, которую часто принято рассматривать как точку в определенный момент времени). Поэтому нельзя определить точку, где волна-частица расположена, и момент времени, когда она прошла данную точку. Только бесконечная волна обладает фиксированной частотой, а реальные волны ограничены во времени и пространстве, откуда следует неопределённость частоты, импульса и энергии.
Неопределенность энергии частицы может позволить ей пройти через высокий потенциальный барьер, через который она неспособна пройти в классической физике. Пример такого эффекта, называемого туннельным, — процесс термоядерного синтеза, питающий энергией звезды и являющийся перспективным неисчерпаемым источником энергии для человечества.
Сегодня все известные в природе силы являются продуктом четырех фундаментальных взаимодействий, которые можно расположить по убыванию интенсивности: сильное взаимодействие (имеет место между протонами и нейтронами в ядре атома), электромагнитное взаимодействие (возникает между заряженными частицами), слабое взаимодействие (примером его является распад нестабильного нейтрона на протон, электрон и антинейтрино), гравитационное взаимодействие (возникает между всеми частицами). Например, человек не проваливается сквозь землю благодаря электромагнитному взаимодействию, а не летает над землей – благодаря гравитационному взаимодействию.
Современная наука считает, что начало Вселенной положил Большой взрыв 13,8 миллиардов лет назад из точки с бесконечной плотностью. Возраст Солнца, 3емли и соседних планет - 4,5-5 миллиардов лет. Уже 3,6 - 4,1 миллиардов лет назад на Земле зародились живые существа, потомками которых мы являемся.
Профессор доктор физико-математических наук Виктор Алексеевич Никеров
17 января 2023 года.
Просьба передать эту статью всем, кого она может заинтересовать.