Проблема степени общности величин

Существуют величины, которые имеют "хождение" в самых различных областях физики, например, длина, время, энергия, импульс и др. Значительное число величин используются не более, чем в одной-двух областях физики и не применимы в других.

Проблема степени общности тех или иных величин является довольно сложной. Рассмотрим лишь некоторые примеры.

Длина и время являются основными величинами во всех известных системах единиц измерения. Этот факт можно объяснить фундаментальностью этих величин, отражающих формы существования материи.

Пространственно-временное существование материи проявляется прежде всего в том, что величины, являющиеся пространственно-временными характеристиками, явно или неявно входят в любой физический закон или в определение производной величины. К "пространственным" величинам относятся длина тела, длина волн, пройденный телом путь, расстояние между точками и т. д. К "временным" величинам относятся время свободного падения тела, период колебаний, период полураспада, время "оседлой жизни" молекулы и т. д.

Величины, отражающие пространственно-временное существование материи, явно входят, например, в такие уравнения: S = V₀t + (at²)/2 , λ = νT и др., а неявно, например, в такие: F = ma,, I = U/R и др.

В этом смысле такие величины, как время и длина, имеют наиболее широкую область приложения.

Общность таких величин, как импульс, энергия, основана на универсальном характере законов сохранения этих величин. Эти законы в свою очередь опираются на еще более общие принципы симметрии пространства - времени. Так, закон сохранения импульса вытекает из однородности пространства, а закон сохранения энергии - из однородности времени^*. Причем из трехмерности пространства следует векторный характер закона сохранения импульса, а из одномерности времени - скалярный характер энергии и соответствующего закона.

^* (См. подробнее: Яворский Б. М., Пинский А. А. Основы физики. - М.: Наука, 1969, т. 1; Тарасов Л. В., Тарасова А. Н. Вопросы и задачи по физике. -М.: Высшая школа, 1975.)

Очевидно, с этих более общих позиций импульс представляет собой величину, сохранение которой в классической физике является следствием однородности пространства, а энергия - величина, сохранение которой - следствие однородности времени.

Тот факт, что законы сохранения являются следствием столь общих представлений о свойствах пространства и времени, подтверждает универсальность этих законов, а значит, общность импульса и энергии.

В различных областях физики эти величины связаны с другими величинами. Их связь отражается в многочисленных формулах.

Многие величины не имеют столь широкого "хождения" при описании различных физических явлений. Например, температура, являясь одним из термодинамических параметров, не имеет места в механике, теории поля. Температура не имеет смысла для отдельных частиц или небольшого их числа. Другими примерами таких величин являются количество теплоты, электрические и магнитные величины и многие другие.

В заключение отметим, что некоторые понятия (величины) с развитием физики в известном смысле "объединяются". Например, открытие глубокой взаимосвязи массы и энергии явилось одним из блестящих достижений физики XX века. Закон взаимосвязи массы и энергии обобщает как закон сохранения массы, так и закон сохранения энергии. Он показывает, что энергия и масса, как величины, характеризующие физические свойства материальных объектов, тесно связаны между собой.