5.14. Концепции гармонии естества

Гармония - это стройность целого и соразмерность его частей.

Понятие гармонии распространяется и применяется в любом направлении деятельности человечества: музыке; архитектуре, искусстве, технике и естествознании в целом.

Материя всегда может быть представлена её структурой, её строением, её частями, существующими в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т.п.

Если же рассматривать материю в целом, во всех возможных формах ее существования, то понятие структуры материи будет охватывать микро, макроскопические тела, все космические системы мегамира в любых масштабах.

С этой точки зрения структура материи неисчерпаема и бесконечна в количественном и качественном отношении.

В доступных пространственно-временных масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества взаимосвязанных иерархических систем, начиная от элементарных частиц и кончая Метагалактикой.

В неживой природе множество объектов будет представлять целостную систему лишь в том случае, если энергия связи между ними больше суммарной кинетической энергии и энергии внешних воздействий, направленных на разрушение системы.

В противном случае система не возникает или распадается. Энергия внутренних связей – это общая энергия, которую нужно было бы приложить последовательно к каждому элементу, чтобы удалить его из системы на большее расстояние, то есть растащить систему.

Поскольку эта энергия не может возникнуть из ничего, и каждый из элементов существует в некоторой «потенциальной яме», то стабильность и целостность системы оказываются косвенно обусловленными действием закона сохранения энергии.

Энергия внутренних связей может иметь различное значение в зависимости от характера сил, объединяющих тела в системы.

С переходом от космических систем к макроскопическим телам, молекулам и атомам к гравитационным силам добавляются электромагнитные силы.

В случае элементарных частиц энергия внутренних связей сопоставима с их собственной энергией.

Особенности и специфика взаимодействий между компонентами сложных микро- и макросистем, а также внешних взаимодействий между ними приводит к громадному их разнообразию.

Для микро и макро систем характерна индивидуальность (каждой системе присущ набор определенных свойств - между ядром водорода и урана есть различия, хотя оба они относятся к микросистемам).

В то же время, можно говорить о тождественности элементарных частиц.

Тождественные частицы обладают одинаковыми физическими свойствами (массой, электрическими зарядами, квантовыми числами).

Функциональный элемент: Все электроны Вселенной – тождественны.

Понятие о тождественных частицах – это понятие квантовой механики.

Эти частицы подчиняются принципу тождественности, согласно которому состояния системы частиц, получающиеся друг из друга перестановкой тождественных частиц местами, нельзя различить ни в каком эксперименте.

Такие неразличимые состояния должны рассматриваться как одно физическое состояние.

Этот принцип одно из основных различий между квантовой и классической механикой.

Если в классической механике можно проследить за движением отдельной частицы и таким образом отличить ее, то в квантовой механике - нельзя.

Состояние частицы в квантовой механике описывается волновой функцией, позволяющей определить вероятность ее нахождения в пространстве.

Принцип тождественности и вытекающие из него требования симметрии волновых функций приводят к такому квантовому эффекту как существование обменного взаимодействия.

Для описания микрообъектов Н.Бор сформулировал принцип дополнительности, согласно которому получение экспериментальной информации об одних величинах, описывающих микрочастицу (атом), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительно к первым (координату частицы, ее скорость, или импульс).

Поэтому волновое и корпускулярное описание микропроцессов должно не исключать или заменять друг друга, а взаимно дополнять.

Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности, сформулированный Галилеем для механического движения - характер движения зависит от точки отсчета.

Современная формулировка принципа относительности такова: все инерциальные системы отсчета равноправны между собой (неотличимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов.

Вместе с принципом относительности в физике утвердились понятия инвариантности и симметрии, а также связь их с законами сохранения и вообще с законами природы.

Инвариантность - неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой.

Принципы инвариантности:

- физические законы природы не зависят от выбора системы отсчета;

- постоянство скорости света в вакууме – фундаментальное свойство природы;

- смещение во времени и пространстве не влияет на протекание физических процессов.

Симметрия – неизменность структуры материального объекта относительно преобразований его координат.

Многие процессы в природе имеют симметричный характер (симметрия пространства и времени).

Симметрия одна из составляющих гармонии.

Из свойства симметрии пространства – его однородности следует закон сохранения импульса - импульс замкнутой системы сохраняется, то есть не изменяется с течением времени (универсален).

Изотропность - инвариантность физических законов относительно выбора направления осей координат системы отсчета (поворот на любой угол).

Как следствие этого закон сохранения момента импульса (не изменяется с течением времени).

Из однородности времени следует закон сохранения механической энергии, в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы.

Сохранение полной механической энергии, то есть не изменение её со временем универсален для всех тел.

Функциональный элемент: Энергия не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного состояния в другой – в этом заключается сущность неуничтожения материи и её движения.

Связь между симметрией пространства и законами сохранения установила немецкий математик Эмми Нетер (1882-1935 гг.).

Законы сохранения связаны и определяются свойствами симметрии пространства и времени.

Функциональный элемент: Гармония естества проявляется, прежде всего, в законах сохранения.