Принципы современной физики

В физике существуют общие законы, влияние которых распространяется на все физические процессы, все формы движения материи. Эти законы назвали принципами современной физики.

1) Принцип относительности - все инерциальные системы отсчёта равноправны между собой (неотличимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов, или, другими словами, физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчёта.

2) Принцип симметрии и законы сохранения. В той или иной степени представление о симметрии есть у всех людей. Более того, в силу разных причин и соображений многим творениям человеческих рук умышленно придаётся симметричная форма. Наиболее симметричным предметом является мяч. В природе такой симметрии тоже много – снежинка, кристаллы, дождевые капли. Ещё один распространённый вид симметрии – зеркальная (человеческое тело, арки).

Выделяют т.н. математические симметрии. В физике любовь к красоте и математической симметрии позволила открыть ряд новых явлений. Классический пример такого рода – открытие законов электромагнитного поля. Максвелл сначала обнаружил несбалансированность уравнений электрического и магнитного поля. С целью придания уравнениям более красивого и симметричного вида Максвелл ввёл в них дополнительный член, на тот момент не вытекавший из экспериментов. Его можно было интерпретировать как не замеченный ранее эффект - порождение магнетизма переменным электрическим током. И оказалось, что такой эффект действительно существует. Природа подтвердила научную ценность эстетического вкуса Максвелла.

Физики уверены, что природа предпочитает красивые решения некрасивым. С этим были согласны и Эйнштейн, и Гейзенберг, а Дирак вообще провозгласил, что красота уравнений важнее, чем их согласие с экспериментом. Известна реакция Эйнштейна на подтверждение решающего предсказания его теории. Он отнёсся к этому событию совершенно безучастно. А когда его спросили, что бы он подумал, если бы результаты противоречили его теории, он ответил: «Мне бы было жалко Господа Бога, ведь теория – то правильная». Очень часто физики сначала создают красивую теорию, а потом ищут её экспериментальное подтверждение. Т.о., поиск новых симметрий – стал главным средством познания физической реальности.

До сих пор мы перечислили геометрические симметрии, но есть и абстрактные симметрии, в число которых входят и калибровочные симметрии.

Симметрия в физике – это свойство физических величин оставаться неизменными (инвариантными) при определённых преобразованиях, которым могут быть подвергнуты входящие в них величины.

Принципы симметрии тесно связаны с законами сохранения физических величин. Фактически, во многих случаях законы сохранения просто вытекают из принципов симметрии.

Законы сохранения, связанные с пространственно-временными (геометрическими) симметриями.

1) Сдвиг времени (т.е. изменение начала отсчёта времени) не меняет физических законов. Все моменты времени объективно равноправны. Время однородно.

Из инвариантности физических законов относительно этого преобразования вытекает закон сохранения энергии.

2) Сдвиг системы отсчёта пространственных координат не меняет физических законов. Объективно это означает равноправие всех точек пространства (однородность пространства). Перенос (сдвиг) в пространстве физической системы не влияет на процессы внутри неё.

Из этой симметрии вытекает закон сохранения импульса.

3) Поворот системы отсчёта пространственных координат оставляет физические законы неизменными. Это означает изотропность пространства: свойства пространства одинаковы по всем направлениям. Из инвариантности законов физики относительно этого преобразования вытекает закон сохранения момента импульса.

4) Фундаментальные физические законы не изменяются при обращении знака времени t на - t. Это означает, что все соответствующие процессы в природе обращены во времени. Эта симметрия действует только на уровне макромира. На уровне микромира наблюдается необратимость процессов, имеющая статистическое происхождение и связанная с неравновесным состоянием Вселенной.

5) Существует зеркальная симметрия природы: отражение пространства в зеркале не меняет физических законов. В квантовой механике этой симметрии соответствует сохранение особого квантового числа – чётности.

6) Законы природы одинаковы во всех инерционных системах отсчёта (принцип относительности). Из этого вытекает сохранение скорости движения центра масс изолированной системы.

7) Замена всех частиц на античастицы (операция зарядового сопряжения) не изменяет характера процессов природы.

Симметрии 5 и 7 наблюдаются только при сильных и электомагнитных взаимодействиях. Т.о. наблюдается определённая иерархия симметрии. Одни из них выполняются при любых взаимодействиях, другие же только при сильных и электромагнитных. Эта иерархия ещё отчётливее проявляется во внутренних симметриях и вытекающих из них законов сохранения.

3) Принцип соответствия. Фундаментальные физические теории и частные законы не являются абсолютно точным отображением действительности. Они в большей или меньшей степени соответствуют объективным закономерностям. По мере развития науки менее точные теории сменяются более точными. Каждая фундаментальная теория имеет определенные границы применимости. Например, механика Ньютона правильно описывает движение больших тел только в тех случаях, когда скорость движения их много меньше скорости света. Но появление релятивистской механики, справедливой для описания движения тел с любыми скоростями, совсем не означает, что старая классическая механика утрачивает свою ценность. Движение макроскопических тел с малыми скоростями всегда будет описываться механикой Ньютона.

Здесь мы вплотную подходим к принципу соответствия, утверждающему преемственность физических теорий. Этот принцип был сформулирован Бором в 1923 г. В общей форме этот принцип формулируется так: теории, справедливость которых была экспериментально установлена для определенной группы явлений, с построением новой теории не отбрасываются, но сохраняют свое значение для прежней области явлений как предельное выражение законов новых теорий.

4) Принцип дополнительности и соотношение неопределённости.

Принцип дополнительности возник из попыток осознать причину появления противоречивых наглядных образов, которые приходится связывать с объектами микромира=>Всем микрообъектам присущ корпускулярно-волновой дуализм. Общий ответ на вопрос о том, каким же образом совмещаются эти противоречивые свойства у одного объекта был дан Бором.

Согласно принципу дополнительности получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым.

Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределённостей Гейзенберга: объект микромира невозможно одновременно с любой наперёд заданной точностью характеризовать и координатой, и импульсом. Согласно соотношению неопределённостей микрочастица не может иметь одновременно координату x и определённый импульс р, причём неопределённости этих величин удовлетворяют условию:

Δx * Δp ≥ h,

где h - постоянная Планка.

т.е. произведение неопределённостей координаты и импульса не может быть меньше постоянной Планка.

5) Принцип суперпозиции.

Этот принцип также имеет важное значение в физике и особенно - в квантовой механике. Принцип суперпозиции /наложения/- это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности. Одним из простых примеров является правило параллелограмма, в соответствии с которым складываются 2 силы, воздействующие на тело. Принцип суперпозиции выполняется лишь в условиях, когда воздействующие явления не влияют друг на друга. Встречный ветер тормозит движение автомобиля по закону параллелограмма – принцип суперпозиции в этом случае выполняется полностью. Но если песок, поднятый ветром, ухудшит работу двигателя, то в этом случае принцип суперпозиции выполняться не будет. Вообще, в ньютоновской физике этот принцип не универсален и во многих случаях выполняется лишь приблизительно.

В микромире, наоборот, принцип суперпозиции – фундаментальный, который наряду с принципом неопределённости составляет основу математического аппарата квантовой физики. Но в квантовых теориях принцип суперпозиции лишён наглядности, характерной для классической механики, т.е. в квантовой физике в суперпозиции складываются альтернативные, с классической точки зрения, исключающие друг друга состояния.