Лекция 4. Фундаментальные свойства материального мира
План лекции:
1.Симметрия.
2.Законы сохранения.
3.Фундаментальные взаимодействия.
4.Развитие представлений о физических полях.
5.Концепция обменного взаимодействия.
6.Концепция корпускулярно-волнового дуализма в современной физике.
7.Основные положения квантовой механики.
8.Структура микромира.
Симметрия
Понятие материи как неуничтожимой и несотворимой основы всего сущего сложилось еще во времена античности. С другой стороны, наблюдение постоянных изменений в природе приводило к представлению о вечном движении материи как важнейшем ее свойстве. Идея «сохранения» появилась в науке как чисто философская догадка о наличии чего-то стабильного в вечно меняющемся мире. Единство изменения и сохранения находит выражение в понятии «симметрия». Симметрия – инвариантность (неизменность) объекта по отношению к наложенным на него преобразованиям. Преобразования, дающие симметричный объект, называются симметричными. Уровень симметрии определяется количеством (спектром) возможных симметричных преобразований. Чем однородней, равновесней система, т.е. чем соразмерней ее части, тем больше число возможных для нее симметричных преобразований, т.е. тем она более симметрична. Поэтому представление о симметрии связывают с равновесностью и соразмерностью частей системы. Симметрия физических систем проявляется в существовании законов сохранения. Сначала законы сохранения, как и принцип относительности, были установлены опытным путем, обобщением огромного количества экспериментальных фактов. Значительно позднее пришло понимание глубокой взаимосвязи этих законов со свойствами симметрии физических систем, что позволило осмыслить их всеобщность. При этом симметрия понимается как инвариантность законов, входящих в них величин и описываемых ими свойств природных объектов относительно некоторой группы преобразований при переходе от одной системы отсчета к другой.Например, в специальной теории относительности для всех инерциальных систем отсчета, движущихся с разными скоростями, инвариантны скорость света в вакууме, электрический заряд, законы природы.
Наличие симметрии приводит к тому, что для данной системы существует сохраняющаяся величина. Таким образом, если известны свойства симметрии системы, можно определить для нее законы сохранения и наоборот.
Связь между симметрией пространства-времени и фундаментальными законами сохранения установила в начале XX в. Э. Нётер (1882 – 1935). Пространство и время однородны, а следовательно, симметричны относительно произвольных сдвигов начала отсчета. Изотропность пространства делает его симметричным относительно поворота координатных осей.
Важнейшая симметрия природы была выявлена в релятивистской теории: все явления природы инвариантны относительно сдвигов, поворотов и отражений в едином четырехмерном пространстве-времени. Данные симметрии по своей сути являются «глобальными», охватывающими все пространство-время. Законы сохранения, обусловленные глобальной симметрией, являются фундаментальнейшими законами природы. К ним относятся:
закон сохранения импульса, связанный с однородностью пространства;
закон сохранения момента импульса, связанный с изотропностью пространства;
закон сохранения энергии, связанный с однородностью времени.
Таким образом, каждому преобразованию глобальной симметрии пространства-времени соответствует закон сохранения определенной величины. Данные законы выполняются для замкнутых систем, тела которых взаимодействуют между собой, а внешние воздействия скомпенсированы.
Законы сохранения
Закон сохранения импульса. Как указано выше, импульсом называется произведение массы частицы на её скорость (2.5). Закон сохранения импульса: в замкнутой системе тел суммарный импульс (векторная сумма импульсов, входящих в систему тел) есть величина постоянная.
Данный закон выполняется как в макромире, где позволяет рассмотреть взаимодействия тел при ударе и определяет возможность движения тел без опоры – реактивного движения, так и в микромире, при взаимодействиях микрообъектов. Это дает возможность определять характеристики и изучать особенности превращения микрочастиц по фотографиям их столкновений (методом толстослойных фотоэмульсий).
Закон сохранения момента импульса. В классической механике моментом импульса частицы относительно точки называется векторное произведение радиуса-вектора частицы на ее импульс:
. ( 4.1)