Что такое стол с точки зрения физики
Что такое физическое тело? Определение и примеры.
Предметом изучения многих разделов физики является поведение физических тел, их свойства и особенности взаимодействия друг с другом.
Однако, прежде чем приступать к их изучению, необходимо определить, что такое физическое тело и какими характеристиками оно обладает.
Физическое тело – определение
В физике, говоря о физическом теле, подразумевают некий материальный объект, обладающий формой, определённой внешней границей, отделяющей его от других тел и внешней среды, а также соответствующим этой форме объемом и массой.
Помимо вышеперечисленных базовых характеристик, физическое тело может обладать рядом других свойств – плотностью, прозрачностью, твёрдостью/упругостью и т.д. Все предметы, которые нас окружают, являются физическими телами. Чашка, письменный стол, мяч, книга, грузовик – все они с точки зрения физики являются физическими телами.
Физики различают простые тела, обладающие простой геометрической формой, и составные, которые представляют собой скреплённые между собой комбинации простых тел. Такое представление необходимо для упрощения расчётов, особенно в случаях, когда внутреннее состояние физического тела не играет большой роли в исследуемом процессе. К примеру, тело человека можно рассматривать как совокупность шаров и цилиндров.
Свойства физических тел
Помимо формы, объёма и массы, физические тела характеризуются рядом других свойств, которые могут иметь важное значение для различных ситуаций. Так, одинаковые по объёму тела нередко различаются по массе и, соответственно, по плотности. Кроме того, в ряде случаев важны и другие характеристики тел – их твёрдость, хрупкость, упругость, магнитные свойства, прозрачность, теплопроводность, однородность, электропроводность и т.д. Во многом эти свойства зависят от материалов, из которых состоят физические тела.
Так, шары, изготовленные из резины, бетона, шерсти, стекла и стали, будут иметь совершенно разные наборы физических свойств. Однако их свойства будут иметь значение лишь в том случае, когда исследуются взаимодействия тел друг с другом – например, необходимо выяснить степень деформации тех или иных тел при столкновении.
Абсолютно твёрдое тело, материальная точка и другие абстракции
В некоторых разделах физики тела рассматриваются не в совокупности присущих им свойств, а как некие абстракции, которым присваиваются идеальные характеристики. Так в механике все тела представлены как материальные точки, без учёта их массы и других физических свойств. Эта дисциплина изучает движение материальных точек без учёта их реальных размеров и массы, поскольку для решения ряда задач эти величины не важны. Если вы рассчитываете среднюю скорость поезда на определённом интервале пути, вам совершенно не нужно знать, сколько в поезде вагонов.
Нередко физики для выполнения каких-либо расчётов используют понятие абсолютно твёрдого тела. Оно никогда не подвергается деформации, его центр массы не смещается, что позволяет без лишнего усложнения моделировать ряд процессов. Для решения термодинамических задач удобно бывает использовать абсолютно чёрное тело – абстрактный предмет, поглощающий все излучения, падающие на его поверхность.
При этом само тело может излучать электромагнитные волны, если того требует поставленная задача. В случаях, когда форма физического тела не имеет значения, подразумевается, что оно имеет форму шара.
Физическое тело и физическое явление
Физика как наука возникла из-за необходимости выявления законов поведения физических тел и механизмов образования природных явлений. Фактически, все изменения в нашей среде обитания, не связанные с деятельностью человека, являются природными явлениями. Большинство из них полезны людям, но встречаются и опасные, и даже катастрофические природные явления.
Людям необходимо исследовать свойства и поведение физических тел, которые принимают в них участие, чтобы научиться предсказывать неблагоприятные явления, предупреждать их либо уменьшать наносимый ими вред. Так, пагубное действие морских волн давно научились снижать путём строительства волноломов – бетонных выступов, заходящих в море на десятки метров и разбивающих единый фронт волны.
Разрушительный эффект землетрясений преодолевается строительством сейсмоустойчивых зданий особой конструкции. Чтобы уменьшить повреждения при контакте автомобиля с твердыми объектами, несущим конструкциям его кузова придаётся особая форма. Всё это стало возможным благодаря изучению характеристик физических тел.
Виды тел в физике
В зависимости от того, из чего состоят физические тела, различают несколько их видов. Так, они бывают:
В первом случае в их составе — твёрдые вещества, и они имеют определённую форму. Можно привести такие примеры физических тел: песчинка, валун, автомобиль, стол. В окружающем человека мире их множество — как природные, так и рукотворные. Последние называются предметами.
Второй вид — жидкие объекты, например, вода в стакане. Их характерная черта состоит в том, что они не имеют собственной формы и принимают очертания предмета, внутри которого находятся. Так, жидкость в стакане будет иметь одну форму, в аквариуме или бензобаке — другую.
Третий вид — газообразные. Для них характерно то, что при отсутствии ограничений они свободно распространяются в окружающей среде. Их очертания (форма), как и во втором случае, определяются границами внешнего твёрдого объекта (ёмкости). В отличие от жидких, в соответствии со свойствами газов, они заполняют весь доступный объём.
Принципиальная разница в свойствах
Твёрдые, жидкие и газообразные тела обладают значительными отличиями. С точки зрения физики, они вызваны разным строением веществ, из которых эти объекты состоят, и разной степенью притяжения их молекул. Так, твёрдые вещества бывают:
Частицы в твёрдом веществе и, соответственно, твёрдом физическом объекте, сильно притягиваются друг к другу и находятся в постоянном движении. В жидкости притяжение слабее, но все же его достаточно для того, чтобы такие вещества сохраняли свою структуру, но не хватает для удержания формы жидких веществ, поэтому под действием силы тяжести жидкости принимают форму сосуда.
Связь между структурными частицами в газах ещё более слабая. Молекулы (атомы) в них расположены на расстоянии, значительно превышающем собственный размер частиц. Поэтому газы можно сильно сжать, но формы они не имеют, заполняя весь предоставленный объём.
Свойства веществ определяют характеристики состоящих или изготовленных из них объектов.
Текучесть как свойство
Несмотря на значительные отличия, у твёрдых и жидких тел есть и сходные свойства. Существуют так называемые мягкие объекты, занимающие промежуточное положение и обладающие свойствами и одних, и других. Например, характерную для жидкостей текучесть могут показывать и твёрдые объекты или вещества, такие как сапожный вар, лёд, даже некоторые металлы. Последние демонстрируют свойства жидкостей при воздействии высокого давления.
Так, если соединить два металлических куска в необходимой последовательности, можно под высоким давлением получить прочное соединение — они как бы спаяются в единое целое. Интересно, что нагревать их до температуры плавления для этого не потребуется. Таким методом на основе диффузии (взаимного проникновения частиц) получают некоторые металлические сплавы.
Простые и составные
Применяется ещё одна классификация, в зависимости от того, имеются ли в телах составные части. Так, составным называют такое из них, которое имеет неоднородное строение и представляет собой комбинацию (соединение) нескольких простых, считающихся однородными. Такая классификация была принята для проведения упрощённых расчётов при работе с физическими телами, в которых не учитываются изменения внутреннего состояния реальных объектов, а также разрушения вследствие приложенной извне силы.
Например, человека, при изучении его путём теоретических исследований в качестве физического объекта, корректно рассматривать, как совокупность простых форм — цилиндров, шаров (если пренебречь тем, что любое человеческое тело имеет полости).
Тела и вещества
Из определения физического тела следует, что обозначаться этим термином могут абсолютно все предметы вокруг, созданные как человеком, так и природой. Кристаллики соли, предметы мебели и оргтехники, воздух в воздушном шаре, вода в стакане — все они имеют признаки физических тел: определённый объём и массу, размеры и т. д.
Все физические объекты состоят из различных веществ. Чтобы разобраться, что в физике понимают под термином «физическое тело», необходимо различать эти понятия. Слово «вещество» — название качественного проявления материи. В физике его рассматривают как форму материи, не имеющую заряда и обладающую массой покоя. С точки зрения химии, вещество — вид материи, состоящий из молекул, ионов или атомов, обладающий определёнными химическими свойствами, а значит, и вступающий в те или иные химические реакции. Изучать вещества в рамках соответствующих задач могут как физика, так и химия.
Вещество образует физический объект, занимая определённое свободное пространство. Так, золото — это вещество, а золотое кольцо — тело. Другой пример: вода является веществом, а её капля или вода в ёмкости — тело.
Принятые в науке приближения
В современной физике в определённых случаях рассматривают некие абстрактные тела с идеальными характеристиками. Это прежде всего касается механики. В этом разделе рассматривается движение идеальных физических точек, которые не имеют массы и прочих физических свойств. Для поставленных задач эти величины не имеют значения, ими можно пренебречь.
При расчётах также нередко используется абстрактное понятие абсолютно твёрдого тела. Отличаться от обычных оно будет отсутствием смещения центра массы и неподверженностью любым деформациям.
Абсолютно чёрное тело — ещё одна абстракция, используемая в термодинамике. Под ней понимают объект, который способен поглотить абсолютно любое электромагнитное излучение, достигшее его поверхности. Стоит отметить, что оно само может испускать излучение, если таковы условия задачи, и визуально может быть не только чёрным. То, каким будет спектр его излучения, связано только с температурой абсолютно чёрного объекта.
Ещё одно приближение: любой рассматриваемый в физической задаче предмет по умолчанию считается шарообразным, если его форма не имеет значения.
Природные явления и тела
Возникновение физической науки связано именно с необходимостью исследования поведения физических объектов и их взаимодействия между собой, а также с природными явлениями. Так, создание рукотворных предметов особой конструкции способно задержать движение природной стихии во время шторма, защитить от ураганов. Катастрофические последствия землетрясений для людей преодолеваются путём проектирования и возведения строений особой формы, обладающих определёнными свойствами.
Другой пример: создание автомобиля особой конструкции, позволяющей уменьшить его повреждения при контакте с другими твёрдыми объектами во время автокатастрофы. Всё это стало возможным, благодаря изучению закономерностей взаимодействия физических объектов (тел) между собой, с природными и другими явлениями.
Пройти этот сложный путь физика смогла за много столетий и самые значительные открытия, несомненно, ещё впереди.
«Все вокруг – просто иллюзия» (интервью с физиком-ядерщиком)
Весной легендарный американский ученый Джо Дэвис из Массачусетского технологического института выступил на вебинаре в Сколково и потряс российскую аудиторию теорией термодинамической души. Страшно интересно узнать, что по-настоящему крупные ученые думают о бессмертии, Боге, о «том свете», путешествиях во времени и инопланетянах.
Но в России откровенничать не принято: «большая наука» должна быть застегнута на все пуговицы, а то запишут в лжеученые, и прощай финансирование. Смелых, авторитетных, вроде Сергея Капицы или Жореса Алферова, которых в асфальт так просто не закатаешь, у нас, считай, и не осталось. Но нам повезло: мы разговорили физика-ядерщика Дмитрия Сидорина.
Все пустое
— В социальных сетях люди со всего мира описывают странные случаи, которые с ними произошли. Я изучил с тысячу таких историй. Выделяются два сюжета: вот лежала вещь, секунда – и нет ее. Второй сюжет – двойники: прошел мимо тебя человек, потом снова, и уверяет, «тот, первый, был не я». Конечно, в соцсетях много фантазий, есть и нездоровые люди, но эти события, кажется, правдивы. «Большая наука» эти странности игнорирует. Или я не прав?
— Пренебрежение «странным» берется от самоуверенного незнания. По-настоящему большая наука видит мир во всей его странности, и мир становится все более странным по мере появления все более мощных приборов. Вот стол. Глазу он кажется твердым. Берем электронный микроскоп, и видим атомы, а между ними – пустота. То есть стол на самом деле состоит из пустоты. Ладно, но хотя бы сами атомы твердые!
Фантасты гадают, может, мы живем в Матрице, и мир – лишь компьютерная симуляция? На самом деле и гадать не надо, по сути так и есть. Мир «твердых предметов» удобен и комфортен. Взял стакан, поставил на стол, никуда он не денется. Но есть проблема: он иллюзорен, и мы его сами создали под нас, под возможности наших органов чувств. Да, мы в Матрице, которую сотворили природа и наш мозг.
В прошлом году международная группа ученых доказала: мир иллюзорен, и у каждого наблюдателя своя «голограмма». Им удалось воплотить «в железе» мысленный эксперимент, предложенный физиком Юджином Винером. Винер утверждал: если один видит, что знаменитый кот Шредингера мертв, друг этого наблюдателя увидит, что кот жив. Это назвали «парадокс друга Винера». Ученые с огромным трудом синтезировали шесть пар специальных фотонов, и оказалось: ничто во Вселенной не является «состоявшимся», «твердо установленным», пока информация об этом не обошла всю Вселенную. А, поскольку Вселенная велика, все вокруг по сути существует в неком подвешенном состоянии. Моя книга упала со стола. Но, пока информация об этом не дошла до самой далекой галактики, моя книга находится в квантовой суперпозиции где-то между столом и полом.
Термин «запутанность» остро актуален в современной физике. Вы наверняка слышали о квантовой запутанности. Скажем, два кванта «дружат», взаимодействуют, а потом разлетаются по разным уголкам Вселенной. Но связь сохраняется навсегда. Если что-то случится с одним, другой в точности повторит состояние первого. Причем он «узнает» об этом мгновенно, быстрее скорости света. Это уже не теория: инженеры вот-вот представят новое поколение связи, которая заменит Интернет и сотовую телефонию, а опыты по квантовой запутанности в хороших школах учитель показывает просто на столе.
Чтобы «пощупать» то, Единое, надо вернуться в состояние Большого взрыва, когда господствовали колоссальные энергии. А где, как? Пока что лучший инструмент – Большой адронный коллайдер. Протон в коллайдере – больше, чем протон. Мы почти научились превращать его в первоматерию, накачивая колоссальными энергиями. Тут на сцену выходят страхи, что мы устроим черную дыру в центре Европы, или спровоцируем «эффект бабочки», и все вокруг расплывется, как на картинах Сальвадора Дали. Если вы думаете, что это досужие разговоры, а сами физики не обсуждают это за чашкой кофе, то заблуждаетесь.
— Итак, мир состоит из энергии. Что из этого следует?
— Очень может быть, что физики открыли не все энергии и взаимодействия. Дежавю, исчезающие предметы, двойники, которые понятия не имеют о существовании друг друга, призраки – все это может оказаться проявлением неизвестных частиц и энергий. Просто пока нет инструмента, чтобы это измерить. Не хватает энергии. Или нужен в принципе другой инструмент. Вообразим, например, что есть такое понятие, как «душа», у нее есть энергия, и есть частицы, которые эту энергию переносят.
Слово «душа» все чаще фигурирует в исследованиях физиков. Упомянутый Джо Дэвис говорит о «термодинамической душе»: это «энергетическая память» хоть человека, хоть камня, которая делает одушевленной всю Вселенную. Идея одушевленности мира следует из принципов квантовой механики: фотон каким-то образом «сознательно» выбирает свой путь от лампы до страниц вашей книги. Если попытаться проконтролировать дорогу каждого фотона, они поменяют свое поведение – «ребята, за нами следят».
Шепот, легкое дыханье
— Мы ищем кварки и бозон Хиггса на больших энергиях. Разумно и «частицу души» искать на больших энергиях. А что это за энергии? Войны, гибель миллионов людей. Любовь матери к ребенку. С ребенком что-то случилось на другом конце света, мать чувствует. Мы удивляемся: экстрасенсорика! При этом нас не удивляет, что «запутанные» фотоны точно так же чувствуют друг друга. Так может, «фотоны души» матери и ребенка тоже находятся в состоянии квантовой запутанности?
Пока что лучшим «коллайдером» для исследования этих вещей остается сам человек. Сидит человек вечером один, вспоминает умершего родственника. Посмотрел на его портрет, сконцентрировался. Настроил свой «коллайдер». Он один, дневные дела позади, ничто не отвлекает. И… что-то изменилось. Мы не знаем, что именно. Шорох, упала тень, сдвинулась книга, которую любил покойный. Что это, игра воображения? А если попытаться описать эти феномены в формулах квантовой механики, так никакой мистики и нет. Если «квант души» существует, ваши кванты запутанны. Вот вы и вступили во взаимодействие.
Мы можем предположить, что некоторые могут настраивать свой «коллайдер» эффективнее других. Пророки, святые, любимые толпой диктаторы или лидеры вроде Илона Маска – люди, которые лучше управляют гипотетическими, еще не открытыми, энергиями. Мне кажется, самоизоляция сильно нас изменила. Все человечество взяли, и отрезали от суеты, погрузили каждого в себя. Если я прав, последствия будут колоссальными. Переход на удаленную работу, изменения в экономике – все это мелочи. Человек станет другим.
— Шорох, упала тень… У меня мурашки побежали. Допустим, призраки существуют. Кто они: просто энергия, или личность?
— Часть физиков приводят аргументы, что сознание прекращается с его носителем, но доказательства, честно говоря, умозрительные.
Недавно публично сцепились два друга-физика. Адам Франк заявил, что души и загробной жизни не существует, потому что мы не можем получить «оттуда» никакой информации. Альва Ноэ жестко возразил: наука хвалится, что может предсказывать. Рассчитали, что корабль поплывет – и он в самом деле не тонет. Но наука не может предсказать итог боксерского поединка. Значит, по твоей логике боксеров не существует! Разнимали друзей всем научным миром.
Другие полагают, что пока не открытая «человеческая энергия» безличностно отправляется в какое-то хранилище, вроде ноосферы. Мне ближе другая точка зрения. С утратой физического тела человек переходит в, скажем так, квантовое состояние. Как на самом деле, конечно, никто не знает.
— Что это за квантовое состояние? Циолковский говорил, что эволюция нашего вида не остановилась. Нам предстоит отказаться от тела и стать чистой энергией.
— Ракеты, сделанные по его принципам, летают. Может, он и в остальном прав?
Теория, объединяющая квантовую механику и «душу», называется «Orch OR» (организованная объективная редукция), ее продвигают Стюарт Хамерофф из Аризонского университета и сэр Роджер Пенроуз из Оксфорда. Она предполагает, что внутри нейронов мозга находятся белковые полимеры, которые живут по квантовым законам и порождают наше сознание. Согласно этой теории, сознание существует после физической гибели тела, а также может отделяться от него и путешествовать по Вселенной при жизни. Пенроуз еще в 1980-е годы показал, что квантовый компьютер будет по определению разумным. Ждать осталось недолго: их запустят через пару лет.
Матрешка иллюзий
— Как человеку, который неуверенно плавает, и норовит пощупать ногой дно, мне все время хочется вернуться к материи и как бы за нее ухватиться.
— Что ж, иллюзия привычного трехмерного мира сидит в нас прочно, вероятно, потому, что она была хороша для нашей эволюции. Мы создали материальную цивилизацию, веря, что занимаемся «серьезным делом»: сталь, бетон, мощные машины. Но теперь достижения нашей же цивилизации толкают нас к пониманию, как на самом деле обстоят дела. Пора взрослеть.
Стол, стул, руки, ноги – лишь визуальная интерпретация реального мира. Возьмите проблему измерений. Длина, ширина, высота. С трудом мы еще в состоянии понять, что есть еще четвертое измерение – время. А дальше – воображения не хватает. Трехмерный мир – это удобно. Мы так привыкли. На самом деле в мире бесконечное число измерений.
Давайте потренируем мозг, и вы увидите, как все логично и просто. Нарисуйте линию. Существа, живущие в ней, двумерны, у них нет ширины, и они могут двигаться только взад и вперед. Но вы можете двигать всю линию. Это – «время» для двумерных существ. Идем в наш мир, и «время» двумерных существ становится нашей шириной, третьим измерением, которого у обитателей двумерного мира нет. Но у нас самих есть время, которое мы интерпретируем как «прошлое, настоящее и будущее» и которое для обитателей других миров, с четырьмя измерениями, просто «еще одна ширина», а никакое не «прошлое». Но у них есть свое «время», и так далее. В результате мы получаем матрешку иллюзий.
Добавьте к этому парадокс наблюдателя, которого мы уже касались. Мир меняется, когда мы на него смотрим. Это – одна из основ квантовой механики, принцип неопределенности. Для физиков это не абстракция, а повседневная реальность: если ты наблюдаешь за объектом, «щупаешь» его фотонами, он уже не тот, который без тебя.
Принцип неопределенности сформулировали в 1920-х, и он показался таким странным, что физики отказывались в него верить, даже когда он подтвердился тысячами опытов. Принцип говорит: природа существует, лишь пока мы на нее смотрим. Соратник Нильса Бора, физик Паскуаль Джордан, сказал так: «Мы не наблюдаем реальность, мы ее создаем». В 1970-х Джон Уилер провел эксперимент, который показал: природа не просто меняется от нашего взгляда, она заранее «знает», будем ли мы на нее смотреть. Упомянутый выше квантовый компьютер как бы соединит исконное «знание» Вселенной с нашим сознанием.
Да придет Спаситель
— В принципе неопределенности меня всегда интересовало вот что. Представим заброшенную деревню где-нибудь в глухой тайге. Принцип неопределенности на полном серьезе говорит, что, пока туда не забрела группа туристов, деревни нет. А если на деревню смотрит лиса, муравей? Они – наблюдатели?
— Не является ли Бог универсальным наблюдателем, благодаря которому все существует?
— В церковь я хожу. С квантовой точки зрения Бог – это закон, который соединяет бесконечное число взаимодействий, от муравья до планеты. Формула Бога, если она существует – это теория всего, которую безуспешно ищут физики, начиная с Альберта Эйнштейна. Знаете, на что это похоже? Вы сидите в комнате, в окна падает свет. Комнату еще пронизывают радиоволны, но вы их не видите. Включите приемник – и вот они. Но это еще не все. Комната наполнена космическими лучами, радиацией, которая летит к нам из космоса и от которой не укрыться нигде. Далее, у комнаты есть прошлое, оно оставило какой-то след. Есть и будущее, и квантовая механика говорит, что будущее тоже присутствует «здесь и сейчас». Тот, кто видит все это вместе, и есть Бог.
Отсюда следует: чем больше ты видишь, чем шире твой кругозор, тем больше ты напоминаешь квантового Бога. Эйнштейн видел больше заурядного человека. Композитору дано «музыкальное» зрение. Людям сострадательным – зрение добра. По-настоящему добрый человек ничуть не менее велик, чем Эйнштейн, он – гений доброты.
— Философский вопрос: на ваш субъективный взгляд, человечество становится лучше или хуже? Люди глупеют или умнеют?
— Колоссально вырос поток информации. Она перегружает наш «приемник», наш мозг. Хуже, что львиная ее доля – это мусор. Мой бизнес – анализ контента социальных сетей. Он почти целиком состоит из перепостов, там не творят ничего нового. В будущем станет еще жестче. Настоящей информации не будет вообще. Смартфоны уйдут, их сменят «умные» очки и прочие гаджеты, которые вобьют коммерческую информацию прямо в мозг, помимо сознания: купи, купи, купи. Отчасти будущее уже наступило. Только Китай еще сохраняет цифровой суверенитет.
Мы получим одно-два поколения неспособных к творчеству людей. Потом настанет отрезвление. Но будет поздно. Роль спасителя возьмет на себя, скорее всего, не человек, а нейросеть. Она позаботится о нас, как муравей о тле. Я надеюсь, что в итоге все будет хорошо. Но на самом деле я не знаю, будет ли.