Физические величины и проблематика теории физических
полей
Важнейшими познавательными функциями физической теории являются объяснительная и предсказательная функции. В границах своей применимости физическая теория объясняет сущностные причинно-следственные связи в физической системе, описывает состояние и предсказывает изменение состояния физической системы.
Из самых общих представлений под состоянием физической системы понимается определенная физическая ситуация, реализованная в системе данный момент времени. В теории состояние формализуется соответствующими физическими величинами, а изменение (эволюцию) состояния – динамическими уравнениями.
В аспекте понятия состояния системы физические величины можно разделить на две группы: 1) на динамические переменные физической системы; 2) на параметры системы.
Динамические переменные определяют состояние физической системы.
Например, динамическими переменными механической системы являются координаты, скорость, импульс механической системы, ее энергия, момент импульса и т.д. Знание всех динамических переменных системы для данного момента времени означает знание состояния системы в этот момент времени.
Замечание
Число динамических переменных, характеризующих физическую систему, ничем не ограничено. Однако для задания состояния системы достаточно знать только некоторый минимальный набор динамических переменных. Например, состояние классической механической системы в данный момент времени известно, если известны координаты и скорости объектов системы. Эти динамические переменные называются переменными состояния. Другие динамические переменные могут быть (если это необходимо) рассчитаны по уравнениям связи. Например, если скорость vзадана, то автоматическиизвестна и кинетическая энергию mv2/2, известен импульс p =mv. Аналогично, состояние электромагнитной системы известно, если известны напряженность электрического поля Eи индукция магнитного поля B. Заряды, масса и материальные константы среды как параметры считаются заданными. Состояние термодинамической системы характеризуется температурой T, внутренней энергией U, давлением p, энтропией S, множеством различных термодинамических потенциалов. Однако состояние термодинамической системы можно задать двумя переменными, например, температурой и энтропией системы. Остальные переменные могут быть рассчитаны.
Изменение состояния во времени выражается в изменении динамических переменных. В этой связи физические теории можно разделить на два класса: статические и динамические теории. Статические теории описывают неэволюционирующие физические системы. Примером статической теории является равновесная термодинамика, описывающая равновесные термодинамические системы. В структуре статических теорий важное место занимают уравнения состояния. Динамические теории описывают физические системы, состояние которых изменяется во времени. Причинно-следственные связи, определяющие изменение состояния, формализуются соответствующими динамическими уравнениями. Динамические уравнения позволяют по известному состоянию в данный момент времени предсказать состояние в любой другой момент времени. Примерами фундаментальных динамических уравнений являются 2-й закон Ньютона, уравнения Максвелла, уравнение Щредингера. С математической точки зрения динамические уравнения - это дифференциальные уравнения.
Параметры характеризуют собственные, внутренние свойства физической системы. Примерами параметров являются масса системы, электрический заряд, разного рода феноменологические коэффициенты (например, коэффициент вязкости, показатель преломления, магнитная восприимчивость и т.п.). Информацию о физических свойствах вещества и изменении этих свойств получают на основе анализа и обобщения результатов измерений параметров вещества.
Замечание
а. Время t не входит ни в группу динамических переменных, ни в группу параметров. В физических уравнениях время t играет роль аргумента изменения состояния.
б. Кроме параметров и динамических переменных есть еще одна группа величин, которые количественно описывают процессы в физических системах. К этим величинам относятся работа А, теплота Q, выражающие способы обмена энергией между физическими системами. В общем случае работа A и теплота Q не являются полными дифференциалами: работа A и теплота Q описывают процессы в системе, т.е. являются функциями процесса.
Информация об эксплуатационных свойствах изделий получают из измерений поля физических величин.
Есть ряд экспериментальных методов, в которых осуществляется контролируемое воздействие на исследуемый объект и по реакции (отклику) объекта на это воздействие судят о свойствах объекта. Примером являются акустические методы измерения, когда исследуемый объект облучается ультразвуком заданной частоты и амплитуды. Весьма широкое применение получили электромагнитные методы диагностики качества изготовления изделий и контроля их эксплуатационных параметров.
Свойства вещества расшифровываются из анализа характеристик отклика, затем эти свойства выражаются теми или иными макроскопическими феноменологическими коэффициентами. Например, в процессе эксплуатации продуктопровода эксплуатационные характеристики труб могут изменяться вследствие коррозии, механического воздействия, значительных градиентов температуры и т.п. Это приводит к изменению характеристик поля отклика в сравнении с эталонными характеристиками: изменяется спектр сигнала отклика, его амплитуда, фазовые отношения, возникает пространственная неоднородность сигнала отклика. Изменения могут быть связаны с возникновением разного рода дислокаций в веществе трубы, фазовых переходами 2-го рода и т.д. Характеристики отклика рассматриваются как поля физических величин. Методы контроля и диагностики решают задачу определения технологического состояния изделия в структуре отношений: изменение поля - молекулярно-кинетические и микроструктурные причины изменения поля - технологическое состояние изделия. Теория физических полей описывает и объясняет сущностное физическое содержание этих отношений, что позволяет целенаправленно осуществлять диагностику и контроль технологического состояния изделий.