Страница 4 из 17
Из постулатов теории относительности вытекают, например, выводы о зависимости длительности интервалов времени и длин отрезков от выбора инерциальной системы отсчёта. Зависимость длительности интервалов времени и длин отрезков от скорости движения системы отсчета приводит к тому, что релятивистский закон сложения скоростей существенно отличается от классического закона сложения скоростей. Если тело движется со скоростью в одной системе отсчёта, то в другой системе отсчёта, относительно которой первая движется со скоростью , скорость тела определяется выражением
Ряд особенностей в моделирование механических систем внесла квантовая механика. Она имеет отношение к описанию поведения микрочастиц или их совокупностей. В этом описании учитывается волновая (колебательная) природа микрообъектов. Вместе с тем учитываются квантование их свойств и квантовые переходы от одного состояния частиц к другому. Характеристика волновых эффектов в динамике частиц даётся с помощью волнового уравнения Шрёдингера. В состав этого уравнения включается пси-функция, квадрат модуля которой представляет собой плотность вероятности обнаружения частицы в заданной точке. Достоверность обнаружения частицы где-нибудь в пространстве выражается с помощью условия нормирования и записывается следующим образом /8/:
По значениям указанной функции можно вычислить спектр квантовых энергетических состояний, допустимых для частицы. Исходя из волновых представлений частица рассматривается в квантовой механике как "локализованная" в области суперпозиции бесконечного числа волн, как волновой пакет. Частота и длина волны в центре пакета соответственно равны:
Замечательным результатом квантовой механики является возможность двойственного описания её объектов: либо как волны (со своей амплитудой, частотой и длиной волны), либо как частицы (со своей массой, энергией и импульсом). Выбор описания зависит от условий наблюдения и от постановки задач в эксперименте.
Принципиальным для квантово-механического описания системы является вывод о неустранимой неопределённости такого описания. Этот вывод тесно связан со знаменитым принципом неопределённости Гейзенберга, с помощью которого фиксируется невозможность сужения области фиксации микрочастицы точнее некоторого предела. Величина предела устанавливается из соотношения , а также из другого соотношения: .
Далее. Квантово-механические системы изменяют свои состояния, и это показано в теории и эксперименте, как при внешних воздействиях (бомбардировка атомов, приложение внешнего магнитного поля и т.д.), так и самопроизвольно. Например, потеря атомом энергии и излучение кванта энергии может происходить спонтанно и беспорядочно во времени. Предсказать точно момент энергетического перехода невозможно. Однако можно вычислить вероятность перехода в единицу времени. При этом действуют определённые правила отбора (ограничения на квантовые числа), при наличии которых вероятность перехода стремится к максимуму и даже приближается к единице. Существуют также запрещённые переходы, вероятность которых низкая. Самопроизвольный и случайный характер изменения энергетических состояний квантовых систем требует, таким образом, выработки специфических средств их описания, в состав которых входит понятие вероятности. Это обстоятельство давно подмечено методологами науки. Однако мало внимания обращается на то, что в квантовой механике используется более абстрактное, нежели в классической механике, определение состояния, связанное с вероятностью обнаружения электрона, например, в пространстве допустимых для него состояний.
В общем случае для этого требуется знать значения измеримых параметров Р и q , проецированных на ортогональные оси координат. Но соотношение указанных параметров здесь иное, нежели в классической механике, поскольку есть запрет на их совместное точное измерение - согласно принципу неопределённостей Гейзенберга. Тем не менее в квантовой теории существуют специфические средства для получения замкнутого в информационном отношении описания поведения квантовых систем. Так, широко используется описание, основанное на понятии "комплексная волновая функция", которое выработано в рамках концепции волновой природы материи и с помощью которого даётся полное описание системы.
В итоге надо сказать, что классическое моделирование механических систем основано на идее единства мира, на качественном сохранении его законов. На этом же базируется теория относительности - при всех её специфических отличиях от классической теории. В этих вариантах механики описание движения систем не содержит представления о внутреннем импульсе и источнике изменений. Здесь мы имеем дело с системами, которые не определяют собственного начала движения и его окончания. Описательные модели таких систем строятся на предпосылке, что система может начинать движение из любого прошлого состояния и способна пробегать все свои состояния на шкале времени бесконечно, если не возникает внешних препятствий. Однако в квантовой механике уже вводится идея спонтанных изменений, а также используется представление о качественных преобразованиях состояний систем путём квантования.
1.3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Теоретическая термодинамика рассматривает системы, приспособленные для переноса тепла от источника тепла к холодильнику с помощью рабочего тела. Такие системы способны выполнять некоторую полезную работу. В общем случае процессы в подобной системе являются обратимыми. Главное условие обратимости - сохранение равновесного состояния всех тел, принимающих участие в термодинамическом процессе. Здесь предполагается неизменной связь между параметрами состояния, т.е. квазистатичность, сохранение определённой константы в соотношениях термодинамических параметров. Весьма важную форму этой константы даёт, например, закон Менделеева-Клапейрона: PV = GRT / 9/.
Весьма общим результатом теоретической термодинамики является выработка представления о том, что состояние термодинамической системы зависит как от внешних, так и внутренних условий. Это обстоятельство учитывается в понятиях о свободной и скрытой теплоте, а также о внешней работе и внутренней энергии термодинамической системы. С представлением о внутренней энергии в термодинамике тесно связано понятие о самопроизвольном процессе, который осуществляется как переход теплоты от более нагретого тела к менее нагретому. Для противоположного перехода нужна энергетическая компенсация /10/.
Надо заметить, что специфика системного моделирования в термодинамике существенно связана с доказательством возможности замещения (эквивалентности) основных процессов, протекающих в системе (превращение тепла в работу и переход тепла от более нагретого тела к менее нагретому, которые представляются как эквивалентные). Так, в работах Р. Клаузиуса было показано, что для обратимых процессов эквивалентность устанавливается из соотношения
а для необратимых процессов
Р. Клаузиус обосновал также необходимость и всеобщность идеи циклов в описании термодинамических превращений. С помощью этой идеи улавливается одно из базовых проявлений сложных систем - циклический характер протекающих в них процессов. Там, где предполагается разрыв замкнутой цепи, всегда обнаруживается компенсирующее направление процесса. Термодинамика даёт полное отражение указанной компенсации для неживых систем. Этой цели служат первое и второе начала термодинамики, задающие матрицу энергоэнтропийного описания внутрисистемных преобразований. Надо отметить, что подобный способ моделирующего описания был разработан в недрах классической термодинамики, которая имеет предметом равновесные системы. Это - термостатика. Она занята отысканием функциональных определителей для замкнутых систем, таких как внутренняя энергия, энтальпия, энтропия. Напротив, современная неклассическая термодинамика имеет дело с неравновесными системами. Для последних характерна определённая необратимость, эффект которой невозможно свести к нулю. Методы неклассической термодинамики основаны на использовании неизвестных для классического подхода понятий, таких как "поток энтропии", "скорость возрастания энтропии" и др. Опора на такие понятия дала возможность вывести термодинамические уравнения движения, выявить принципы симметрии, которые обусловливают протекание термодинамических процессов в системе. Тем самым вводился в научную методологию язык обобщенного типологического описания систем.