fizyki prawa

fizyki prawa,

szczególny przypadek praw przyrody;

od praw obowiązujących w innych naukach przyr. różnią się tym, że można je prawie zawsze przedstawić w postaci mat. związków między wielkościami fiz.; wielkością fiz. jest każda charakterystyka badanego ciała, układu, substancji itp., którą można opisać w sposób ilościowy i którą można zmierzyć postępując wg precyzyjnie określonej procedury. P.f. są dwojakiego rodzaju: albo podają zależności między wielkościami fiz. w danej chwili czasu, albo wyznaczają ewolucję wielkości fiz. w czasie (najczęściej przez podanie związku między zmianą danej wielkości fiz. a innymi wielkościami). Przykładem prawa pierwszego rodzaju jest równanie stanu gazów doskonałych określające związek między ciśnieniem, objętością i temperaturą gazu; przykładem prawa drugiego rodzaju jest prawo Faradaya określające zależność zmiany strumienia indukcji magnet. od siły elektromotorycznej. Do praw drugiego rodzaju zalicza się również równania bilansu, które uwzględniają wszystkie czynniki wywołujące zmianę danej wielkości fiz.; szczególnym przypadkiem równań bilansu są prawa zachowania, głoszące, że dana wielkość fiz. w określonych warunkach nie ulega zmianie w czasie; najważniejszym takim prawem jest zasada zachowania energii: w układzie fiz. odizolowanym od otoczenia całkowita energia układu nie zmienia się. Oprócz zasady zachowania energii obowiązują także: zasada zachowania pędu i zasada zachowania momentu pędu. Zasady zachowania często wynikają z symetrii (Noether twierdzenie); zasady zachowania energii i pędu wynikają z jednorodności czasoprzestrzeni (żaden moment czasu i żaden punkt przestrzeni nie są wyróżnione); zasada zachowania momentu pędu wynika z symetrii przestrzeni względem obrotów (żaden kierunek w przestrzeni nie jest wyróżniony — przestrzeń jest izotropowa). Symetrie czasoprzestrzeni są złamane w skali kosm. (np. Wielki Wybuch wyróżnia chwilę czasu) i dlatego wymienione zasady zachowania nie stosują się do Wszechświata jako całości. Niektóre prawa zachowania wynikają z symetrii związanych z abstrakcyjnymi, mat. własnościami teorii. Należą do nich prawa zachowania ładunku elektr. i prawa zachowania liczby barionów i liczby leptonów.

P.f. dotyczą sytuacji idealnych, scharakteryzowanych przez niewielką liczbę parametrów określających stan badanego układu, z pominięciem ogromnej liczby czynników uważanych za nieistotne dla danego zagadnienia. Charakterystyczną cechą fizyki jest to, że udaje się wyodrębnić istotne czynniki i podać prawa rządzące układami idealnymi, które pozwalają przewidzieć zachowanie się układów rzeczywistych. Nie ma żadnej ogólnej reguły pozwalającej z góry określić, które czynniki można pominąć; można to uczynić jedynie w trakcie prowadzenia badań i formułowania praw.

P.f. są formułowane na podstawie obserwacji i doświadczeń prowadzonych w wielu laboratoriach; ich odkrycie jest na ogół wiązane z jednym badaczem lub zespołem, ale każde prawo staje się częścią teorii fiz. dopiero wtedy, gdy zostanie potwierdzone przez niezależne grupy badaczy. P.f. nie mają jednak charakteru absolutnego — podlegają one systematycznej ewolucji; są odkrywane nowe zjawiska, które często wykraczają poza zakres stosowalności dotychczasowych praw, postępuje proces unifikacji, w wyniku którego są formułowane nowe prawa będące uogólnieniem praw bardziej szczegółowych; np. prawo Gaussa i prawo Ampère’a stały się szczególnymi przypadkami równań Maxwella. Postęp w technikach pomiarowych często znacznie zwiększa dokładność pomiarów i zmusza do stosowania coraz doskonalszych praw uwzględniających wpływ pomijanych poprzednio czynników. Stare prawa nie przestają jednak obowiązywać w warunkach, dla których zostały sformułowane; w fizyce obowiązuje zasada odpowiedniości, która nakłada na twórcę nowej teorii obowiązek sprawdzenia, czy zastosowanie nowej teorii do zakresu zjawisk objętych starą teorią daje te same wyniki; zasada ta była przestrzegana w całym dotychczasowym rozwoju fizyki; np. szczególna teoria względności zastosowana do opisu ruchu z prędkością dużo mniejszą od prędkości światła daje praktycznie te same wyniki, co mechanika Newtona. Dzięki zasadzie odpowiedniości stare teorie i dawne prawa są nadal używane, gdyż wyciąganie szczegółowych, praktycznych wniosków z praw bardziej uniwersalnych, o szerszym zakresie stosowalności, jest na ogół trudniejsze niż stosowanie praw prostszych o ograniczonym zasięgu. Często nie warto stosować nowych dokładniejszych, ale też i bardziej złożonych praw do opisu sytuacji, w których wystarczającą dokładność można uzyskać, stosując prawa prostsze, choć mniej doskonałe. Na przykład, prawa dynamiki Newtona można z powodzeniem stosować do opisu ruchu roweru, gdyż odstępstwa od tych praw, przewidywane czy to przez teorię względności Einsteina, czy też przez mechanikę kwantową, są znacznie mniejsze niż błędy pomiarowe i odstępstwa rzeczywistego roweru od modelu używanego w rozumowaniu.

Wielkości fiz. występujące w równaniach mają wymiar związany z wzorcem (układem jednostek) używanym do pomiaru danej wielkości i wartość liczbową zależną od przyjętych jednostek. Wielkości fiz. różnią się też swoimi właściwościami geom.: mogą to być skalary (masa, ładunek elektr.), wektory (siła, natężenie pola elektr. i pola magnet.), tensory (moment bezwładności), spinory (funkcja falowa elektronu). We wszystkich równaniach wyrażających p.f. zawsze porównuje się ze sobą wielkości o tym samym wymiarze i o tych samych właściwościach geom.; nawet zero występujące w tych równaniach ma różne znaczenia, może to być zerowa siła, zerowy pęd itp.

P.f. były odkrywane przez wielu badaczy, często niezależnie, w trakcie rozwoju fizyki, stąd w nazewnictwie panuje nieporządek; nie wszystkie ważne prawidłowości zostały nazwane prawami, niektóre są nazywane zasadami, regułami, wzorami lub równaniami. W fizyce współcz. szczególną rolę odgrywają równania; w każdej dziedzinie fizyki występują podstawowe równania odgrywające rolę najważniejszych praw: w mechanice — równanie Newtona, w teorii kinetycznej — równanie Boltzmanna, w elektrodynamice — równania Maxwella, w mechanice kwantowej — równania Schrödingera i Heisenberga, w hydrodynamice — równania Eulera i Naviera–Stokesa, w relatywistycznej mechanice kwantowej — równanie Diraca, w teorii grawitacji — równania Einsteina; wszystkie wymienione powyżej prawa są równaniami ewolucji — wyznaczają one rozwój w czasie.

Część p.f. ma charakter uniwersalny — dotyczą one wszystkich obiektów fiz.; nazywa się je prawami fundamentalnymi; należą do nich prawa szczególnej i ogólnej teorii względności wraz z teorią grawitacji oraz prawa teorii kwantów. Prawa fundamentalne cechuje zwartość, która ma swe źródło w zastosowaniu wyrafinowanych pojęć mat. (całą teorię grawitacji można zapisać w postaci jednego krótkiego równania). Do praw fundamentalnych należą również prawa rządzące zachowaniem się najmniejszych składników materii — cząstek elementarnych, nie jest znany jednak na razie pełny zestaw tych praw; w tym wypadku uczeni napotykają barierę nowego typu: nie potrafią przezwyciężyć trudności mat. — nie udaje się wyprowadzić wniosków, dających się porównać z doświadczeniem, z postulowanych fundamentalnych praw.

Bardziej szczegółowe p.f. łączą się w naturalny sposób, wg grup zjawisk, które opisują, tworząc odrębne teorie fiz.; takimi odrębnymi teoriami fiz. są np.: mechanika, hydrodynamika, akustyka, termodynamika, optyka i kosmologia.

Zofia Białynicka-Birula, Iwo Białynicki-Birula