Макроскопический масштаб — это масштаб длин , в котором объекты или явления достаточно велики, чтобы быть видимыми невооруженным глазом , без увеличительных оптических приборов . [1] [2] Он противоположен микроскопическому .
Применительно к физическим явлениям и телам макроскопический масштаб описывает вещи такими, какими человек может их непосредственно воспринимать, без помощи увеличительных приборов. Это контрастирует с наблюдениями ( микроскопия ) или теориями (микрофизика, статистическая физика ) объектов геометрической длины, меньшей, возможно, нескольких сотен микрометров .
Макроскопический вид мяча — это просто мяч. Микроскопический вид может показать толстую круглую оболочку, на первый взгляд состоящую полностью из морщинистых трещин и щелей (если смотреть через микроскоп ) или, еще ниже по масштабу, набор молекул в приблизительно сферической форме (если смотреть через электронный микроскоп ). Примером физической теории, которая намеренно принимает макроскопическую точку зрения, является термодинамика . Примером темы, которая простирается от макроскопической до микроскопической точек зрения, является гистология .
Не совсем по различию между макроскопическим и микроскопическим, классическая и квантовая механика являются теориями, которые различаются тонко по-разному. [3] На первый взгляд можно подумать, что они различаются просто по размеру объектов, которые они описывают, классические объекты считаются гораздо большими по массе и геометрическому размеру, чем квантовые объекты, например, футбольный мяч по сравнению с мелкой частицей пыли. Более тонкое рассмотрение различает классическую и квантовую механику на основе того, что классическая механика не признает, что материя и энергия не могут быть разделены на бесконечно малые порции, так что в конечном итоге тонкое деление выявляет неприводимо гранулярные особенности. Критерием тонкости является то, описываются ли взаимодействия в терминах постоянной Планка . Грубо говоря, классическая механика рассматривает частицы в математически идеализированных терминах, даже такие мелкие, как геометрические точки без величины, все еще имеющие свои конечные массы. Классическая механика также рассматривает математически идеализированные протяженные материалы как геометрически непрерывно существенные. Такие идеализации полезны для большинства повседневных вычислений, но могут полностью не сработать для молекул, атомов, фотонов и других элементарных частиц. Во многих отношениях классическую механику можно считать в основном макроскопической теорией. В гораздо меньших масштабах атомов и молекул классическая механика может не сработать, и тогда взаимодействия частиц описываются квантовой механикой. Вблизи абсолютного минимума температуры конденсат Бозе -Эйнштейна демонстрирует эффекты в макроскопическом масштабе, которые требуют описания квантовой механикой.
В проблеме квантового измерения вопрос о том, что составляет макроскопический и что составляет квантовый мир, не решен и, возможно, неразрешим. Связанный с этим принцип соответствия можно сформулировать следующим образом: каждое макроскопическое явление можно сформулировать как проблему квантовой теории. Нарушение принципа соответствия, таким образом, обеспечило бы эмпирическое различие между макроскопическим и квантовым.
В патологии макроскопическая диагностика обычно включает в себя общую патологию , в отличие от микроскопической гистопатологии .
Термин «мегаскопический» является синонимом. «Макроскопический» может также относиться к «более крупному виду», а именно виду, доступному только с большой перспективы (гипотетический «макроскоп» ). Макроскопическое положение можно считать «большой картиной».
Физика частиц , имеющая дело с мельчайшими физическими системами, также известна как физика высоких энергий . Физика больших масштабов длины , включая макроскопический масштаб, также известна как физика низких энергий . Интуитивно может показаться неправильным связывать «высокие энергии» с физикой очень малых систем с низкой массой и энергией , таких как субатомные частицы. Для сравнения, один грамм водорода , макроскопической системы, имеет ~6 × 10 23 раз [4] массы-энергии одного протона , центрального объекта изучения в физике высоких энергий. Даже целый пучок протонов, циркулирующий в Большом адронном коллайдере , эксперименте по физике высоких энергий, содержит ~3,23 × 10 14 протонов, [5] каждый с6,5 × 10 12 эВ энергии, для общей энергии пучка ~2,1 × 10 27 эВ или ~ 336,4 МДж , что по-прежнему ~В 2,7 × 10 5 раз меньше массы-энергии одного грамма водорода. Однако макроскопическая область — это «физика низких энергий», а область квантовых частиц — «физика высоких энергий».
Причина этого в том, что «высокая энергия» относится к энергии на уровне квантовых частиц . Хотя макроскопические системы действительно имеют большее общее содержание энергии, чем любая из их составляющих квантовых частиц, не может быть никакого эксперимента или другого наблюдения этой общей энергии без извлечения соответствующего количества энергии из каждой из квантовых частиц — что как раз и является областью физики высоких энергий. Повседневный опыт материи и Вселенной характеризуется очень низкой энергией. Например, энергия фотона видимого света составляет около 1,8–3,2 эВ. Аналогично, энергия диссоциации связи углерод-углерод составляет около 3,6 эВ. Это энергетический масштаб, проявляющийся на макроскопическом уровне, например, в химических реакциях . Даже фотоны с гораздо более высокой энергией, гамма-лучи того типа, которые производятся при радиоактивном распаде , имеют энергию фотона, которая почти всегда находится между10 5 эВ и10 7 эВ – все еще на два порядка меньше массы-энергии одного протона. Гамма-лучи радиоактивного распада рассматриваются как часть ядерной физики , а не физики высоких энергий.
Наконец, при достижении уровня квантовой частицы раскрывается область высоких энергий. Протон имеет массу-энергию ~9,4 × 10 8 эВ ; некоторые другие массивные квантовые частицы, как элементарные, так и адронные , имеют еще более высокую массу-энергию. Квантовые частицы с более низкой массой-энергией также являются частью физики высоких энергий; они также имеют массу-энергию, которая намного выше, чем в макроскопическом масштабе (например, электроны ), или в равной степени участвуют в реакциях на уровне частиц (например, нейтрино ). Релятивистские эффекты , как в ускорителях частиц и космических лучах , могут дополнительно увеличить энергию ускоренных частиц на много порядков величины, а также полную энергию частиц, исходящих от их столкновения и аннигиляции .
мы будем называть систему « макроскопической » (т. е. « крупномасштабной »), когда она достаточно велика, чтобы быть видимой в обычном смысле (скажем, больше 1 микрона, так что ее можно, по крайней мере, наблюдать с помощью микроскопа, используя обычный свет).