ПАРАДОКСИ РУХУ

За визначенням, рух є в загальному випадку процесом будь-якої зміни взагалі, незалежно від його характеру, напряму або результату. Аристотель виділяв чотири види руху:

  • • виникнення і зникнення сущого;
  • • кількісне зростання або зменшення;
  • • якісна зміна (вино - оцет);
  • • переміщення з одного місця в інше.

Найпростіше рух - механічне. Але і тут не все очевидно. Що рухається: об'єкт чи стан? Щоб пояснити, чому виникає таке питання, наведемо спочатку короткий вірш А.С. Пушкіна «Рух».

«І рухи немає!» - сказав мудрець брадатий.

Інший змовчав і став перед ним ходити.

Сильніше він не міг би заперечити.

Хвалили все відповідь хитромудрий.

Але, панове! Кумедний випадок цей Інший приклад на пам'ять мені призводить:

Адже кожен день перед нами Сонце ходить,

Проте ж прав впертий Галілей!

У вірші йдеться про диспуті двох відомих мислителів античності Зенона і Антисфена. Перший стверджував відсутність руху. На доказ він наводив наступне логічне міркування. Нехай з лука випущена стріла. При польоті вона послідовно проходить одну точку своєї траєкторії за одною (див. Рис. 42).

Що значить «проходить»? Це означає, що вона там знаходиться деякий, нехай навіть малий час в спокої. Звідси випливає парадоксальний висновок: в будь-який (істинний, миттєвий) момент часу стріла нерухома. «І рухи - немає».

Взагалі-то відповідь Антисфена був не за правилами наукового диспуту про високу матерії. Він нс став звертатися до раціональних аргументів і аргументів, просто показавши, що людина сприймає рух інтуїтивно. Рух є, і це самодостатній факт. Апорія «стріла Зенона» в античності так і не була вирішена. Помилка полягає в прийнятті часу як субстанції, в якій рухається стріла. Оскільки час відірване від самого руху (яке первинно!), Виникає парадокс.

Політ стоели

Мал. 42. Політ стоели

Рух в класичному природознавстві описується в рамках субстанціональної концепції простору і часу (рис. 43).

Схема опису руху матеріальної точки в класичному природознавстві

Мал. 43. Схема опису руху матеріальної точки в класичному природознавстві

Вводиться система відліку: тіло відліку і хронометр для вимірювання інтервалів часу. Застосовують модель матеріальної точки - тіла, розмірами якого можна знехтувати, в порівнянні з відстанню від початку координат до тіла. Опис руху - векторне, переміщення, швидкість, прискорення і імпульс є векторними величинами, шлях по траєкторії і енергія - скалярні величини.

Сучасне природознавство воліє розглядати не рух об'єктів, а зміна їх стану. Для пояснення суті процесу розглянемо деякі приклади.

1. У новорічному вірші С.Я. Маршак вірно помітив: «Як по сходах, по ялинці вогники вибігають вгору». Ми спостерігаємо рух об'єкта-вогника по нерухомій гірлянді (див. Рис. 44).

Для сходів характерно певну відстань між ступенями. У гірлянді це відстань між сусідніми лампочками. Тому рух вогника - дискретне. Можна визначити середню

Схема руху вогника

Мал. 44. Схема руху вогника

швидкість руху вогника за час пробігу від низу до верху гірлянди. Але чи можна запитати: як рухається вогник між сусідніми лампочками?

2. В електричному полі по ряду позитивно заряджених іонів Na + в кристалі NaCl рухається вакансія (вакантне для іона місце) (рис. 45). Кожен з іонів зміщується вправо тільки до сусіднього вільного вузла. Вакансія ж пробігає в зворотному напрямку по всьому ряду іонів.

Схема руху вакансії іона

Мал. 45. Схема руху вакансії іона

Об'єкт, рух якого ми спостерігаємо, - це вакантне стан вузла решітки. На відміну від першого прикладу, при зміщенні іонів порожнє місце безперервно «перетікає» по ланцюжку.

3. Гра «п'ятнадцять». У цьому випадку на 16 місць ігрового поля одне залишається вільним (вакантним). Пересуваючи в двох напрямках фішки, ми викликаємо рух вакансії по всьому полю. Кожен хід викликає зміна стану всього ігрового поля.

Приклади 1-3 ілюструють естафетний механізм руху, коли сигнал (або стан) проходить весь шлях за рахунок окремих етапів, подібно до руху естафетної палички. Аналогічним чином рухаються дірки в напівпровідниках. (Термін дірка означає вакантне енергетичний стан.)

4. Все поле екрану монітора комп'ютера розбите на невеликі клітини-пікселі, координати яких цілочисельні. Щоб на чорному полі екрану висвітлити один піксель, необхідно направити в точку з його координатами електронний промінь. Послідовність сусідніх пікселів утворює лінію. При побудові графіків на екрані ми спостерігаємо перехід окремих пікселів з «вимкненого» стану (не світяться) у включений. На екрані можна відобразити стрілу. Якщо значення координат кожного пікселя стріли по горизонтальній осі зростуть на одиницю, то вся фігура зрушиться вправо на один майже непомітний крок. Задавши відповідну програму, можна показати рух екранної (комп'ютерної) стріли.

Механічного руху пікселів немає, проте ми спостерігаємо рух об'єкта - стріли. Для нього можна визначити середню швидкість руху по екрану. Чим викликано переміщення об'єкта, що спостерігається? Зміною стану набору пікселів. Тому опису руху стріли як об'єкта, що має характеристики механічного руху - траєкторію і швидкість, можна дати еквівалентне опис. Воно нс буде використовувати поняття механіки. Замість цього воно буде описувати зміни в часі стану екрана комп'ютера.

5. Хвильовий рух також є перенесенням стану руху (коливального). Наприклад, можна спостерігати рух максимумів і мінімумів по поверхні озера або моря. Для такого руху характерно постійне значення фазової швидкості хвилі (швидкості перенесення стану коливання, його фази). Нагадаємо, що під час руху хвилі немає перенесення маси по простору.

Наведені приклади показують наступне.

  • 1. Ми можемо спостерігати рух не тільки матеріальних об'єктів (точок або тіл), але і станів. Це можуть бути активні стану елементів системи або навіть «порожнеча» - вакансії в просторовому розташуванні елементів або вакансії в енергетичних рівнях системи. У будь-якому випадку стан виявляється інформаціоннозначімим, виділеним.
  • 2. Рух станів, на відміну від руху матеріальних точок, може бути дискретним, тобто просторово або енергетично розділеним.
  • 3. Іноді один і той же процес може бути описаний двома способами - і як рух об'єкта, і як рух стану (див. Приклад з екранної стрілою).

Більш важливий приклад дуалізму опису руху пов'язаний з електромагнітними хвилями. Теорія Максвелла (класична електродинаміка) показала, що світ може бути представлений моделлю синусоїдальних хвиль, що поширюються у вакуумі зі швидкістю світла. У квантовій теорії (квантова механіка) світло представляється моделлю квантів (фотонів), енергію яких визначає формула Планка:

Тут h - постійна Планка,

v - частота світлової хвилі.

Квантова механіка описує рух електрона в атомі як зміна стану. При поглинанні фотона і переході електрона з одного енергетичного рівня на інший змінюється стан атома. Питання про те, як рухається електрон між рівнями (або між орбітами), рівноцінний питань про рух пікселя між вимкненим станом і включеному або про рух вогника між лампочками. Подібні питання просто не мають фізичного змісту.

Іншими словами, рух електрона в атомі (тобто пов'язаного з ядром атома) - це рух (еволюція) стану. Рух же вільного електрона, наприклад в електронно-променевої трубки, простіше і зрозуміліше описувати як рух по траєкторії об'єкта з відомими значеннями маси і заряду, т. Е. Як рух матеріальної точки.

Симетричні процеси руху?

Багато механічні та хімічні процеси зворотні. Рівняння класичної динаміки оборотні по відношенню до напрямку часу. Поряд з ними існують процеси принципово незворотні: розпад радіоактивних ядер, охолодження нагрітих тіл, дифузія домішок в гведрих тілах, вирівнювання концентрацій, старіння організмів і т. Д. Асиметрія процесів руху (необоротних) задає напрямок стріли часу.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >