Что такое порядок в физике
Порядок на плечах хаоса
За что дали Нобелевскую премию по физике в 2021 году
Мы не можем точно предсказать, какой будет погода хотя бы через неделю, но при этом с уверенностью можем говорить об изменении климата на годы вперед. И это не парадокс или досадный пробел в нашем понимании природы. Почему это так, разобрались лауреаты Нобелевской по физике в 2021 году. Ее поделили три человека: половина досталась Джорджо Паризи (Giorgio Parisi), остальные две четверти ушли климатологам Сюкуро Манабе (Syukuro Manabe) и Клаусу Хассельману (Klaus Hasselmann).
Нелинейный беспорядок
В 1977 году Нобелевскую премию по химии присудили Илье Пригожину — он показал, что в открытых термодинамических системах, далеких от состояния равновесия, могут сами собой возникать диссипативные структуры — устойчивые, но динамические элементы с заданной внутренней геометрией. Несмотря на видимую упорядоченность, они по природе своей случайны, поэтому и структура у них сложная, нелинейная, мультимасштабная и непредсказуемая. Суть диссипативных структур именно в их неравновесности — они могут возникать в совершенно разных по своей природе системах: например, неравномерно нагретом слое масла на сковородке, лазерах или структуре городов.
Атмосфера Земли — одна из подобных открытых неравновесных систем. В атмосфере одновременно протекает великое множество процессов на разных временных и пространственных масштабах. Они определяются огромным числом параметров: интенсивностью солнечного излучения, химическим составом атмосферы, отражательной способностью поверхности и так далее. В результате — индетерминизм и сложности с прогнозированием.
Циклон — классический пример диссипативной структуры
Если Пригожин показал, почему в неравновесных системах естественным образом возникает беспорядок, то нобелевские лауреаты 2021 года — как в этих беспорядочных системах можно на самом деле найти закономерности. Они научились смотреть на них правильно и увидели, что хаос расположился на уровне нашего, человеческого, взгляда. Сложность именно в том, как приподняться над ним и научиться искать в сложных неупорядоченных системах закономерности, которых в упор — не видно.
Снизу вверх
Джорджо Паризи, получивший сегодня половину премии, искал путь из бездны хаоса к порядку в прямом смысле снизу, с уровня микромира. Значительная часть работ ученого посвящена взаимодействию между элементарными частицами — он, в частности, один из соавторов пертурбативного уравнения хромодинамики, которое описывает сильное взаимодействие. Поэтому и на неравновесную систему он смотрел не как на физическую систему, которая описывается каким-то числом глобальных параметров — таких как температура, давление или скорость ветра, — а как на совокупность отдельных «элементарных неравновесностей».
Такой элементарной неравновесной ячейкой может быть система из трех атомов с ненулевым спином, зафиксированных в вершинах правильного треугольника. Если между этими атомами ферромагнитное взаимодействие, то спины всех трех будут направлены в одну сторону, и никаких проблем не возникнет. Но если взаимодействие антиферромагнитное, то они появляются: у двух атомов спины будут противоположными, а третий оказывается в неприятном положении. Оба возможных состояния будут для него одинаково невыгодны (или одинаково выгодны). Такая система из трех атомов будет фрустрированной — ее состояние будет определяться вероятностно.
Система из трех атомов с антиферромагнитным взаимодействием. Стрелками обозначены спины: два атома находятся в равновесии друг с другом. Третий не может находиться в равновесии с двумя другими одновременно
Структура спинового стекла. Зеленые точки — атомы меди, красные — атомы железа
Паризи ввел метрику, которая описывает беспорядок в спиновых стеклах как состояние, в котором возможно множество равновесий. Эта метрика работает не только для спиновых стекол. Решение оказалось применимым к нейронным сетям, гранулированным средам и лазерам c хаотической системой генерации. А также турбулентным системам и системам с нелинейным взаимодействием волн, на котором можно строить и климатические предсказания.
«Физики сравнительно поздно начали понимать, что бывают действительно нерешаемые задачи, — продолжает Рубцов, — которые решать не имеет смысла: чуть-чуть пошевелите условия задачи или параметры, и решение окажется сразу очень далеким от того, что вы нарешали. А есть задачи нерешаемые в том смысле, что за обозримое время минимум энергии найти нельзя. Например, спиновые стекла. Человек не очень хорошо воспринимает границы своего могущества. Надо совершить усилие мысли, чтобы понять, что где-то наши возможности ограничены».
Паризи учит нас: понять лес, созерцая отдельное дерево, — не сложно, а невозможно. Порядок есть только на соответствующем масштабе и ему никак не мешает хаос уровнем ниже. Поэтому искать закономерности и в турбулентности, и в погоде можно — но не на уровне определивания этих беспорядочностей, а на уровне статистики и их сосуществования в ансамбле.
Погода как шум
Остальные лауреаты, занимавшиеся физикой атмосферы, решили посмотреть на вопрос поиска закономерностей в беспорядочных неравновесных системах, максимально обобщая. Сюкуро Манабе посмотрел на динамику атмосферы и гидросферы на Земле не как на последовательность сменяющих друг друга отдельных состояний погоды, а как на единую глобальную систему.
В такой оптике видна разница между климатом и погодой. Климат — это лес. Гиперобъект, живущий в масштабе планеты и темпе десятилетий. Для него не существует дней, которыми измеряют свое время люди. Для него не существует погоды. Он просто меняется — медленно и квазиравновесно. А погода — отдельное дерево. Свойства соседних деревьев (погоды сегодня, вчера и позавчера) явно находятся в каком-то отношении друг к другу, но природу этой зависимости, переходя от дерева к дереву, понять невозможно.
Выбраться на уровень, где она наконец-то станет ясна, можно, отведя взгляд от погоды, как беспорядочного шума мимолетного сегодня, и переведя его на климат. Шум погоды мешает исследовать климат. Но у этого шума есть периодическая составляющая — ежедневные и сезонные колебания, и стохастическая составляющая — прямое следствие неравновесности системы, которая и мешает прогнозировать погоду на недели вперед.
Манабе показал, что если рассматривать климат под таким углом, то для него можно построить формальные физические модели, которые связывают динамику изменения климата в первую очередь с интенсивностью излучения Солнца и химическим составом атмосферы. Все это совершенно не годится для предсказания завтрашней погоды, но зато позволяет понять, как будет развиваться климат.
Физик построил одну за другой несколько численных моделей, все более и более сложных по своей структуре. Базовая модель Манабе — наследник классической модели Аррениуса, в которой атмосферная конвекция связывается с разницей в энергии излучения, которое добирается до поверхности Земли, и тем, что излучает планета.
«Однослойная» модель атмосферы Сванте Аррениуса, которую дорабатывал Манабе
Порядок физических величин и точность в физике
Система единиц физических величин СИ
СИ состоит из основных, дополнительных и производных единиц:
| № | Величина | Единица | Сокр. обознач | Размерность |
| Длина | метр | м | L | |
| Время | секунда | с | T | |
| Масса | килограмм | кг | М | |
| Сила тока | Ампер | A | I | |
| Температура | Кельвин | К |  | |
| Колич. вещ-ва | моль | моль | N | |
| Сила света | кандела | кд | J | |
| Дополнительные единицы: | ||||
| Плоский угол | радиан | рад | ||
| Телесн. угол | стерадиан | ср |
Метрические приставки:
СИ допускает использование следующих метрических приставок:
Для увеличения точности можно несколько раз повторить одно и тоже измерение и взять среднее значение. Предположим, что типичная погрешность часов равна одной минуте, тогда спросив время у 100 человек можно достичь погрешности 
, где 
.
При анализе многих технических проблем часто бывает достаточно определить порядок физических величин. Под порядком величины физики понимают грубое, приближенное значение или даже просто показатель десятичной степени. Умение пренебречь величинами малых порядков является составной частью математической культуры физиков.
Пример 1. Какая энергия выделится, если 1 млд. жителей Китая средней массой 50кг спрыгнут с высоты 2м? Решение: порядок величины потенциальной энергии равен 
Дж, при сгорании 1кг тротила выделяется 10 7 Дж тепла, поэтому энергетический тротиловый эквивалент в данном случае равен 100 тонн.
Неумение формулировать проблемы на языке чисел приводит к потрясающей некомпетентности суждений. Например, сторонники закрытия Крымской атомной станции приводили аргументы в пользу ветровой и солнечной энергии, как альтернативы атомной энергии. Однако простая оценка порядков величин показывает, что в первом случае для замены одного лишь энергоблока пришлось бы перегородить ветер от Севастополя до Северного ледовитого океана, а во втором случае стоимость энергии в десятки раз превосходит разумные пределы. Могут ли политики, мало сведущие в науке, принимать компетентные решения по столь жизненно важным вопросам?
Роль математики в физике.
По существу физика не может существовать без математики. Наиболее удивительным в истории науки являются факты, когда физики при попытке создать принципиально новые теории обнаруживали, что математики уже создали математический каркас этих теорий. Однако законы математики в силу своей аксиоматической природы не могут быть использованы для объяснения физических законов.
Метод подобия и размерностей
Цели размерностного анализа в физике:
1. Проверка правильности написания формул и результатов (физическая орфография).
2. Физическое моделирование – анализ и выбор параметров, а также приведение уравнений к безразмерному виду. Размерностный анализ позволяет производить моделирование на более мелких моделях и затем пересчитывать результаты. Приведение уравнений к безразмерному виду позволяет сделать численные расчеты более универсальными.
3. Вывод физических формул (с точностью до множителя).
Примеры вывода физических уравнений:
Отметим, что следующие далее результаты можно получить и без использования понятия размерность, оперируя лишь с единицами измерения.
1. Формула для силы сопротивления, действующей на автомобиль. Интуитивно ясно, что сила сопротивления зависит от скорости тела v, от плотности воздуха 
и от площади поперечного сечения S. Коэффициент лобового сопротивления (обтекаемости) очевидно, не может быть найден методом размерностного анализа, но к счастью, не вычисляемые этим методом коэффициенты часто имеют порядок единицы. Итог первого шага – запись списка параметров, от которых зависит сила: F=F( ,v,S). Если список неполный, то мы не сможем согласовать размерности левой и правой части. Следует также следить за тем, чтобы список параметров не был избыточным.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Порядок
Порядок в широком смысле слова — гармоничное, ожидаемое, предсказуемое состояние или расположение чего-либо, а также:
 | Список значений слова или словосочетания со ссылками на соответствующие статьи. Если вы попали сюда из другой статьи Википедии, пожалуйста, вернитесь и уточните ссылку так, чтобы она указывала на статью. |
Полезное
Смотреть что такое «Порядок» в других словарях:
ПОРЯДОК — порядка, м. 1. только ед. Состояние благоустройства и налаженности, систематичность, правильность в расположении чего–н., в ходе дел; противоп. беспорядок. «Привести в порядок впечатления.» Тургенев. В комнате полный порядок. Восстановить порядок … Толковый словарь Ушакова
ПОРЯДОК — муж. совокупность предметов, стоящих по ряду, рядом, рядком, вряд, сподряд, не вразброс, не враскид, а один за другим; ряд, линия, шеренга, строй; каждая сторона улицы, ряд домов, образует порядок (в петерб. линия). Которым порядком ехать то? Ряд … Толковый словарь Даля
Порядок — Порядок ♦ Ordre Беспорядок, который легко запомнить, узнать и использовать. Таков порядок букв в слове или алфавитный порядок, в соответствии с которым слова расположены в словаре. «Порядок, – пишет Марсель Конш в связи с Лукрецием, – это… … Философский словарь Спонвиля
ПОРЯДОК — ясная и четкая организация какой либо сферы действительности (в отношении человеческого существования, напр., его позитивные нравственные свойства). Математический порядок – группировка всего многообразия величин в соответствии с математическими… … Философская энциклопедия
порядок — Распорядок, расписание, расположение, распределение, система, метода, чин, группировка, диета, норма, регламент, режим, церемония, церемониал. Расположение комнат. Жизнь вошла в свою колею. Прот … Словарь синонимов
ПОРЯДОК — ПОРЯДОК, дка, муж. 1. Правильное, налаженное состояние, расположение чего н. Держать вещи в порядке. Навести п. где н. Привести в п. что н. 2. Последовательный ход чего н. Рассказать всё по порядку. П. дня (вопросы, подлежащие обсуждению на… … Толковый словарь Ожегова
ПОРЯДОК — (ordo), одна из основных таксономич. категорий в ботанич. и бактериологич. номенклатуре, занимающая промежуточное положение мелсду семейством и классом. Лат. назв. П. обычно производят, прибавляя окончание ales к основе названия одного из… … Биологический энциклопедический словарь
ПОРЯДОК — в биологии таксономическая категория (ранг) в систематике растений и бактерий. В порядок объединяют родственные семейства. Близкие порядки образуют класс. В систематике животных порядку соответствует отряд … Большой Энциклопедический словарь
ПОРЯДОК — ПОРЯДОК, в ботанике одна из таксономических (классификационных) категорий. В порядки объединяют родственные семейства растений, а порядки объединяются в классы. Латинские названия порядков обычно пишутся с большой буквы. Среди латинских названий… … Научно-технический энциклопедический словарь
Закон (физика)
Физи́ческий зако́н — эмпирически установленная и выраженная в строгой словесной и/или математической формулировке устойчивая связь между повторяющимися явлениями, процессами и состояниями тел и других материальных объектов в окружающем мире.
Выявление физических закономерностей составляет основную задачу физической науки.
Содержание
Описание
Для того, чтобы некая связь могла быть названа физическим законом, она должна удовлетворять следующим требованиям:
Физические законы, как правило, выражаются в виде короткого словесного утверждения или компактной математической формулы:
