Принципы современной физики
Важной частью современной физической картины мира являются четыре принципасовременной физики — наиболее общие законы, влияние которых распространяется на все физические процессы, все формы движения материи.
Принцип симметрии.Симметрия (с греч. — соразмерность) — однородность, пропорциональность, гармония каких-либо материальных объектов.
Симметричны мячи, многие здания и сооружения, произведения искусства, некоторые человеческие действия. Симметрию можно обнаружить в живописи, музыке, поэзии, танце. В изобилии она встречается в природе: снежинка, дождевая капля, различные кристаллы и т. д.
Названные типы симметрии связаны с представлениями о структуре предметов, которая не меняется при совершении некоторых преобразований. Долгое время это были единственные симметрии, известные в науке. Но постепенно было осознано, что они могут быть не только наглядными, связанными с геометрическими операциями. Есть целый ряд симметрии, связанных с описанием каких-либо изменений сложных естественных процессов, но не фиксируемых в наблюдениях (они становятся заметны лишь в математических уравнениях, описывающих природные процессы).
С точки зрения физики симметричным является объект, который в результате определенных преобразований остается неизменным, инвариантным. Инвариантность — это неизменность какой-либо величины при изменении физических условий, способность не изменяться при определенных преобразованиях.
Есть целый ряд симметрий, действующих в микромире. Они описывают разные аспекты взаимопревращений элементарных частиц и лежат в основе таких законов, как, например, закон сохранения электрического заряда.
Принцип дополнительности и соотношения неопределенностей.Принцип дополнительности является основополагающим в современной физике. Он был сформулирован в 1927 г. Н. Бором.
Человек — существо макроскопическое, поэтому его органы чувств не воспринимают микропроцессов. Понятия, которыми человек пользуется для описания предметов и явлений окружающего мира, — макроскопические понятия. С их помощью можно легко описать любые физические процессы, проходящие в макромире, но применить эти понятия для описания микрообъектов полностью нельзя, так как они неадекватны процессам микромира.
Но других понятий у человека нет. Поэтому, чтобы компенсировать неадекватность своего восприятия и представления об объектах микромира, ему приходится применять, дополняя друг друга, два набора понятий, которые с точки зрения классической науки взаимно исключают друг друга. Это — частицы и волны. Только в совокупности они дают исчерпывающую информацию о квантовых явлениях.
Частным выражением принципа дополнительности является сформулированное В.Гейзенбергом в 1927г. соотношение неопределенностей, которое иллюстрирует отличие квантовой теории от классической механики.
Если в классической механике мы допускаем, что можно абсолютно точно знать координаты, импульс и энергию частицы в любой момент времени, то в квантовой механике это невозможно. В соответствии с принципом неопределенности, чем точнее фиксирован импульс, тем большая неопределенность будет в значении координаты, и наоборот. Также соотносятся энергия и время. Точность измерения энергии обратно пропорциональна длительности процесса измерения. Причина этого во взаимодействии прибора с объектом измерения.
Принцип суперпозиции (наложения) — это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности при отсутствии влияния друг на друга. Поэтому в ньютоновской физике этот принцип не универсален и во многих случаях справедлив лишь приближенно.
В микромире, наоборот, принцип суперпозиции — фундаментальный принцип, который наряду с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики. В квантовой теории его интерпретируют так: пока не проведено измерение, бессмысленно спрашивать, в каком состоянии находится физическая система. Иными словами, до измерения система находится в суперпозиции двух возможных состояний, т. е. ее состояние неопределенно. Акт измерения переводит физическую систему скачком в одно из этих состояний.
Принцип соответствиясформулирован Н.Бором в 1923 г., когда физики столкнулись с тем, что рядом со старыми, давно оправдавшими себя теориями (например, с механикой Ньютона), появились новые теории (например, теория относительности Эйнштейна), описывающие ту же область действительности. Принцип соответствия утверждает преемственность физических теорий: никакая новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве частного случая старую теорию, относящуюся к тем же явлениям, поскольку и если последняя уже оправдала себя в своей области.
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. Выводы новых теорий в области, где справедлива старая теория, переходят в выводы старых теорий.
Каждая физическая теория — ступень познания — является относительной истиной. Смена физических теорий — это процесс, который не будет никогда полностью завершен из-за бесконечной сложности и разнообразия окружающего нас мира. Таким образом, принцип соответствия отражает объективную ценность физических теорий.