От чего зависят законы физики — постоянна ли физика на разных масштабах?
На самом деле, физика не масштабно инвариантна*. На это есть несколько причин:
1. Вселенная квантована на малых масштабах.
Когда поле взаимодействия квантуется, это означает, что оно состоит из набора фундаментальных единиц, которые не могут быть далее разделены. Эти единицы (кванты) имеют фиксированные свойства.
Например, пучок электромагнитных волн (таких как свет) в конечном итоге состоит из фотонных частиц, и каждый фотон несет фиксированную энергию E = hf . Это означает, что радиоволна с частотой f = 2 ГГц состоит из фотонов, каждый из которых имеет энергию 1,3 × 10 -24 Джоулей.
Наименьший радиолуч, который у вас может быть, состоит из одного фотона, поэтому радиолуч с наименьшей энергией на частоте 2 ГГц — это луч 1,3 × 10 -24.Джоуля. Вы не можете получить более слабый радиолуч на частоте 2 ГГц.
Таким образом, вы никогда не сможете масштабировать систему с частотой 2 ГГц сверх этого предела. Эта дискретная природа существует повсюду во Вселенной, если вы посмотрите на достаточно маленькие размеры. Например, часы состоят из атомов. Поэтому невозможно сделать часы размером меньше 10-11 метров, потому что они будут меньше даже самых крошечных атомов. Каждый материальный объект состоит из атомов и, следовательно, имеет атомный предел своего масштабирования.
2. Основные силы по-разному меняются с расстоянием.
Фундаментальные силы — это гравитация, электромагнетизм (который включает все химические взаимодействия), слабое ядерное взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие. Слабые и сильные ядерные взаимодействия очень близки и не выходят далеко за пределы размеров атомных ядер.
И гравитационная, и электромагнитная сила исчезают на расстоянии r согласно 1 / r 2 . Но электрические заряды обычно существуют в виде электрических диполей, и электромагнитная сила, создаваемая диполем, исчезает намного быстрее, со скоростью 1 / r 3.
Это означает, что в астрономических масштабах преобладает гравитация; в человеческих масштабах преобладают гравитация и электромагнетизм; в микроскопических и атомных масштабах доминирует электромагнетизм; а в ядерных масштабах доминируют ядерные силы.
Если вы возьмете машину, которая в первую очередь полагается на силу тяжести, например песочные часы, и уменьшите ее до размеров бактерий, она перестанет работать. В этом масштабе электромагнитные силы будут подавлять гравитационную силу, и песок будет прилипать к стенкам часов, а не стекать вниз.
Если вы возьмете одну человеческую клетку или муравья и увеличите ее или его до размеров слона, они рухнут под собственным весом, потому что гравитация станет сильнее в этом большом масштабе, чем электромагнитные силы, удерживающие клетку или муравья в целости.
3. Отношение площади поверхности к объему объекта изменяется при изменении масштаба.
Объект в основном взаимодействует с окружающей средой через свою поверхность. Объект с большей поверхностью по сравнению с его объемом будет быстрее взаимодействовать с окружающей средой.
Например, более мелкие объекты охлаждаются быстрее, чем более крупные объекты той же формы, потому что они имеют пропорционально большую площадь поверхности для охлаждения. Более крупные объекты ржавеют медленнее, чем более мелкие объекты той же формы.
Сфера имеет площадь поверхности 4π r 2 и объем (4/3) π r 3 , что дает отношение площади поверхности к объему 3 / r . Если сфера становится больше, ее отношение поверхности к объему становится меньше. Этот факт означает, что более крупные сферы имеют пропорционально меньшую поверхность для взаимодействия с окружающей средой.
Химические реакции между веществами, которые не смешиваются атомарно, происходят на поверхности раздела между частицами материала. Чем больше доступная площадь поверхности, тем больше атомов доступно для реакции и тем быстрее происходит реакция. Следовательно, скорость химической реакции зависит от вовлеченных масштабов.
Соль с крупными частицами растворяется в воде медленнее, чем соль с мелкими частицами. Животные и органы с большей площадью поверхности могут быстрее поглощать питательные вещества из окружающей среды.
По большей части, все другие физические эффекты, зависящие от масштаба, происходят из-за комбинации трех эффектов, перечисленных выше.
Например, вода будет подниматься по узким каналам в деревьях за счет капиллярного действия, но не будет подниматься по большим водопроводным трубам. Это несоответствие связано с тем, что в трубе большого размера сила тяжести преобладает над межмолекулярными электромагнитными силами в целом, а также потому, что вода в большей трубе имеет меньшее отношение площади поверхности к объему и, следовательно, пропорционально меньшее поверхностное натяжение, способствующее капиллярному действию.
*Инвариантность — термин, обозначающий нечто неизменяемое. Инвариантность в физике — фундаментальное понятие, означающее независимость физических закономерностей от конкретных ситуаций, в которых они устанавливаются, и от способа описания этих ситуаций.