Тема 7. Принципы современной физики

Среди фундаментальных физических теорий есть еще более общие законы, влияние которых распространяется на все физические процессы, все формы движения материи. Эти законы называют принципами современного естествознания.

Принцип относительности впервые был установлен Галилеем, но окончательную формулировку получил лишь в механике Ньютона. Для понимания этого принципа было введено понятие «системы отсчета» или координат. Совокупность тела и связанной с ним системы координат назвали системой отсчета. Среди систем отсчета особо выделяют инерциальные системы отсчета, которые находятся друг относительно друга либо в состоянии покоя, либо равномерно и прямолинейно движутся. Для них выполняется принцип относительности, который означает, что во всех инерциальных системах отсчета все механические процессы происходят одинаково.

Неизменность физических законов при переходе от одних систем отсчета к другим носит название принципа относительности. Таким образом, принцип относительности утверждает, что все инерциальные системы эквивалентны, т.е. все физические, химические и биологические процессы протекают в них по одним и тем же законам.

Принцип симметрии тесно связан с законами сохранения. В общем случае симметрия выражает степень упорядоченности какой-либо системы или объекта. В более узком смысле симметрия – это неизменность (инвариантность) каких-либо свойств и характеристик объекта по отношению к определенным преобразованиям (операциям) над ним. Понятие симметрии применимо к любому объекту, в том числе и к физическому закону.

Принцип суперпозиции (наложения) – это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызванных каждым воздействующим явлением в отдельности. Принцип суперпозиции выполняется лишь в условиях, когда воздействующие на него явления не влияют друг на друга. В ньютоновской физике этот принцип не универсален и во многих случаях выполняется лишь приближенно. В микромире принцип суперпозиции – фундаментальный принцип, который наряду с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики. В релятивистской квантовой теории, предполагающей взаимное превращение частиц, принцип суперпозиции должен быть дополнен принципом суперотбора.

Принцип неопределенности впервые сформулировал В. Гейзенберг в виде соотношения неточностей при определении сопряженных величин в квантовой механике. Суть принципа неопределенности: невозможно с одинаковой точностью определить и положение, и импульс микрочастиц. Произведение неточностей не должно превышать постоянную Планка.

Принцип дополнительности Н. Бора является одним из фундаментальных принципов квантовой механики: «понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».

Многие проблемы, принципы, законы естествознания приобретают более весомое звучание в случае преломления их через призму философского анализа и становятся универсальными, если рассматривать их как конкретную иллюстрацию диалектического метода познания.

В данной теме акцент должен быть сделан на той смене парадигм, которая совершается сегодня в науке. Основополагающим методологическим принципом научной мысли на протяжении многих веков ее развития был элементаризм. Наука пытается дойти до наиболее простых (элементарных) составляющих мироздания. Современная физика приходит к ошеломляющим результатам: начиная с определенного уровня, частицу удается разделить уже не на более легкие, а на более тяжелые частицы (это следует из уравнений теории относительности и квантовой механики). Если к тому же не учитывать свойства Риманова пространства, то физика может сделать вывод: идя от бесконечно малого, мы встречаемся на этом пути с бесконечно большим, и наоборот. То, что мы считаем элементарной частицей, может содержать внутри себя космические размеры целых Вселенных. С другой стороны, с точки зрения внешнего наблюдателя наша Вселенная может иметь размеры микрочастицы (в силу свойств Риманова пространства).

Описание двойственной природы микрообъектов объектов лежит в основе континуальной концепции описания природы. Следует ознакомиться с законами, описывающими движения электронов и других частиц.

Отвечая на этот вопрос, следует указать на две альтернативные сущности, которыми оперирует классическая физика: вещество и электромагнитное поле – и объяснить характер их взаимодействия. Необходимо раскрыть сущность классических представлений об объективности познания природы и дать анализ концепций независимости результатов познания от средств наблюдения.

При рассмотрении этого вопроса необходимо иметь представления о том, когда гипотеза об атомах вошла в естествознание и для чего она была использована, каково строение атома по модели Д.Резерфорда и что принципиально нового внес в эту модель Н. Бор, а также какие новые частицы были непосредственно открыты после создания квантовой механики, какие частицы стали называться элементарными и какими общими свойствами они обладают. Следует разобраться в сущности четырех основных физических взаимодействиях: сильных, слабых, электромагнитных и гравитационных, которые определяют структуру нашего мира.

Главным в данном вопросе является уяснение того, какие частицы называются кварками и почему они не существуют в свободном состоянии.

Важно понять, что абсолютный физический вакуум – чисто теоретическое понятие. Реально он всегда в той или иной степени заполнен элементарными частицами.

Основное внимание в этом вопросе следует уделить рассмотрению понятия времени и пространства в классической механике. Надо знать формулировку принципа относительности для законов механики.

В основу специальной теории относительности положены два основных принципа:

первый – законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к которой из двух координатных систем, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, эти изменения состояния относятся (принцип относительности);

второй – каждый луч света движется в «покоящейся» системе координат с определенной скоростью независимо от того, испускается ли этот луч света покоящимся или движущимся телом (принцип постоянства скорости света). В этой связи следует выяснить, что нового вносит специальная теория относительности в прежний принцип относительности и почему эта теория постулирует постоянство скорости света.

Специальная теория относительности определила относительность понятий пространства и времени: 1. Одно и то же тело имеет различную «истинную» длину, если оно движется с различной скоростью относительно масштаба, с помощью которого она измеряется. 2. Промежуток времени, в течение которого длится какой-то процесс, различен, если измерять его движущимися с различной скоростью часами. Таким образом, понятия пространства и времени теряют абсолютный характер и приобретают смысл относительных величин. Опираясь на эти выводы, следует объяснить, как изменяется характер времени в движущейся и покоящейся инерциальных системах отсчета, и объяснить, исходя из этого, парадокс близнецов.

Ознакомившись с общей теорией относительности по учебной и научной литературе, следует разобраться в том, в чем заключается единство и различие между специальной и общей теориями относительности.