Макроскопический масштаб — это масштаб длины , на котором объекты или явления достаточно велики, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом без увеличения оптических инструментов . [1] [2] Это противоположность микроскопическому .
Применительно к физическим явлениям и телам макроскопический масштаб описывает вещи так, как человек может воспринимать их непосредственно, без помощи увеличительных приборов. Это контрастирует с наблюдениями ( микроскопия ) или теориями (микрофизика, статистическая физика ) объектов геометрической длины , меньших, возможно, нескольких сотен микрометров .
Макроскопический взгляд на мяч — это просто мяч. Под микроскопом можно увидеть толстую круглую кожу, которая, по-видимому, полностью состоит из морщинистых трещин и трещин (если смотреть через микроскоп ) , или, если смотреть дальше по масштабу, скопление молекул примерно сферической формы (если смотреть через электронный микроскоп ). Примером физической теории, которая принимает намеренно макроскопическую точку зрения, является термодинамика . Примером темы, которая простирается от макроскопической до микроскопической точки зрения, является гистология .
Не совсем из-за различия между макроскопической и микроскопической, классическая и квантовая механика представляют собой теории, которые различаются несколько по-разному. [3] На первый взгляд можно подумать, что они отличаются просто размером объектов, которые они описывают, причем 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 том основании, что классическая механика не может признать, что материя и энергия не могут быть разделены на бесконечно малые частицы, так что в конечном итоге точное разделение обнаруживает неуменьшаемые детализированные характеристики. 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, но имеющие конечную массу. Классическая механика также считает математически идеализированные протяженные материалы геометрически непрерывно существенными. Такие идеализации полезны для большинства повседневных вычислений, но могут оказаться совершенно неэффективными для молекул, атомов, фотонов и других элементарных частиц. Во многих отношениях классическую механику можно считать преимущественно макроскопической теорией. В гораздо меньшем масштабе атомов и молекул классическая механика может не работать, и тогда взаимодействия частиц описываются квантовой механикой. Вблизи абсолютного минимума температуры конденсат Бозе -Эйнштейна проявляет эффекты макроскопического масштаба, которые требуют описания с помощью квантовой механики.
В проблеме квантового измерения вопрос о том, что составляет макроскопический и квантовый мир, нерешён и, возможно, неразрешим. Соответствующий принцип соответствия можно сформулировать следующим образом: каждое макроскопическое явление можно сформулировать как проблему квантовой теории. Таким образом, нарушение принципа соответствия обеспечило бы эмпирическое различие между макроскопическим и квантовым.
В патологии макроскопическая диагностика обычно предполагает грубую патологию , в отличие от микроскопической гистопатологии .
Термин «мегаскопический» является синонимом. «Макроскопический» может также относиться к «большому виду», а именно к виду, доступному только с большой точки зрения (гипотетический «макроскоп» ). Макроскопическую позицию можно считать «общей картиной».
Физика элементарных частиц , имеющая дело с мельчайшими физическими системами, также известна как физика высоких энергий . Физика больших масштабов , включая макроскопический масштаб, также известна как физика низких энергий . Интуитивно может показаться неправильным связывать «высокую энергию» с физикой очень маленьких систем с низкой массой и энергией , таких как субатомные частицы. Для сравнения, один грамм водорода , макроскопической системы, имеет ~В 6 × 10 23 раз [4] масса-энергия одного протона , центрального объекта исследования 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, при полной энергии пучка ~2,1 × 10 27 эВ или ~336,4 МДж , что по-прежнему ~В 2,7 × 10 5 раз ниже массы-энергии одного грамма водорода. Тем не менее, макроскопическая область — это «физика низких энергий», а сфера квантовых частиц — это «физика высоких энергий».
Причина этого в том, что «высокая энергия» относится к энергии на уровне квантовых частиц . Хотя макроскопические системы действительно имеют большее содержание полной энергии, чем любая из составляющих их квантовых частиц, не может быть эксперимента или другого наблюдения этой полной энергии без извлечения соответствующего количества энергии из каждой из квантовых частиц – что как раз и является областью физика высоких энергий. Ежедневные переживания материи и Вселенной характеризуются очень низкой энергией. Например, энергия фотонов видимого света составляет от 1,8 до 3,2 эВ. Аналогично, энергия диссоциации связи углерод -углерод составляет около 3,6 эВ. Это энергетическая шкала, проявляющаяся на макроскопическом уровне, например, в химических реакциях . Даже фотоны с гораздо более высокой энергией, гамма-лучи , образующиеся при радиоактивном распаде , имеют энергию фотонов, которая почти всегда находится между10 5 эВ и10 7 эВ – все еще на два порядка ниже массы-энергии одиночного протона. Гамма-лучи радиоактивного распада считаются частью ядерной физики , а не физики высоких энергий.
Наконец, при достижении уровня квантовых частиц открывается 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 на макроскопическом уровне (например, электроны ), или в равной степени участвуют в реакциях на уровне частиц (например, нейтрино ). Релятивистские эффекты , такие как в ускорителях частиц и космических лучах , могут еще больше увеличить энергию ускоренных частиц на многие порядки, а также полную энергию частиц, возникающую в результате их столкновения и аннигиляции .
мы будем называть систему « макроскопической » (т. е. « крупномасштабной »), когда она достаточно велика, чтобы ее можно было увидеть в обычном смысле слова (скажем, больше 1 микрона, так что ее можно, по крайней мере, наблюдать в микроскоп при обычном свете). ).