4. Принцип абсолютности свойств. Количественная относительность свойств

Развитие механики привело к изменению представлений о физических свойствах объектов.

Классическая физика считала свойства, обнаруживаемые при измерении, присущими объекту и только ему (принцип абсолютности свойств). Напомним, что физические свойства объекта характеризуются качественно и количественно. Качественная характеристика свойства - это его сущность (например, скорость, масса, энергия и т.д.). Классическая физика исходила из того, что средства познания на изучаемые объекты не влияют. Для различных типов механических задач средством познания является система отсчета. Без ее введения нельзя корректно ни сформулировать, ни решить механическую задачу. Если свойства объекта ни по качественной, ни по количественной характеристике не зависят от системы отсчета, то они называются абсолютными. Так, какую бы систему отсчета для решения конкретной механической задачи мы не взяли, в каждой из них будут проявляться качественно и количественно масса объекта, сила, действующая на объект и другие.

Если же свойства объекта зависят от системы отсчета, то их принято считать относительными. Классическая физика знала лишь одну такую величину - скорость объекта по количественной характеристике. Это означало, что бессмысленно говорить, что объект движется с такой-то скоростью, не указывая систему отсчета: в разных системах отсчета количественное значение механической скорости объекта будет различно. Все же остальные свойства объекта, кроме тех, численные значения которых зависят от численного значения скорости объекта, были абсолютными.

Уже теория относительности вскрыла количественную относительность таких свойств, как длина, время протекания процесса, масса. Количественная величина этих свойств зависит не только от самого объекта, но и от выбранной системы отсчета. Отсюда следовало, что количественная определенность свойств объекта должна быть отнесена не к самому объекту, а к системе: объект + система отсчета. Но носителем качественной определенности свойств по-прежнему оставался сам объект.

Квантовая теория пошла дальше в этом направлении. Она, как уже подчеркивалось в предыдущем вопросе, выдвинула идею дополнительности. Принцип дополнительности, сформулированный Н. Бором, гласит: для квантовой частицы не существует состояний, в которых ее координата и импульс имели бы одновременно точное значение. Это означает, что получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъекты, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах. Такими взаимно дополнительными величинами являются, например, координата частицы и ее скорость (импульс).

С физической точки зрения принцип дополнительности объясняют влиянием измерительного прибора, который всегда являлся макроскопическим объектом, на состояние микрообъекта. При точном измерении одной из дополнительных величин, например, координаты частицы, с помощью соответствующего прибора другая величина - импульс в результате взаимодействия частицы с прибором претерпевает такое изменение, что ее последующее измерение вообще теряет смысл.

Фактически принцип дополнительности отражает невозможность точно описать объекты микромира с помощью понятий классической физики.

В классической механике описывать состояние частицы с помощью координаты и импульса можно потому, что в макромире положение и скорость движущейся частицы действительно имеют в каждый момент времени определенные значения, которые могут быть измерены на опыте. В микромире это оказывается невозможным из-за двойственной, корпускулярно-волновой природы микрообъектов. Рассмотрим пример, поясняющий принцип дополнительности.

При рассеянии микрочастиц на кристалле наблюдается дифракционная картина. Она обусловлена волновыми свойствами частиц. По этой дифракционной картине можно рассчитать длину волны микрочастицы, а значит, и ее скорость. Однако при этом положение отдельной частицы будет неопределенным. Если же попытаться каким-либо способом уточнить, на какое место фотопластинки попала определенная частица, то дифракционная картина пропадает. Это означает, что о ее скорости уже ничего сказать нельзя.

Таким образом, существуют две взаимно дополнительные картины при описании объекта - пространственно-временная и импульсно-энергетическая.

Принцип дополнительности приводит к неизбежному выводу, что свойства объекта необходимо рассматривать как характеристику потенциальных возможностей объекта, которые реализуются только при наличии строго определенного второго объекта (в процессе измерения - прибора), взаимодействующего с первым.

5. Эволюция естественнонаучных пространственно-временных представлений о мире

В физике используются две концепции пространства и времени: субстанциональная и реляционная.

1.Суть субстанциональной концепции пространства и времени. Пространство и время – это самостоятельные субстанции, свойства которых определяются только ими самими. В истории философии субстанция интерпретировалась по-разному: как субстрат, т.е. основа чего–то; как то, что способно к самостоятельному существованию; как основание и центр изменения предмета; как логический субъект. Когда говорят, что пространство и время - субстанции, то имеют в виду, что они существуют самостоятельно.

Из этой концепции пространства и времени вытекают такие выводы:

а) пространство и время не связаны друг с другом;

б) свойства пространства и времени не зависят от физических свойств материи;

в) тела движутся в пространстве и времени;

г) в этой концепции возможно единственное понимание пространства и времени.

Эту концепцию пространства и времени использовал Ньютон при создании классической механики. У него пространство абсолютно. Это означает, что можно убрать из пространства все материальные объекты, а абсолютное пространство остается. Пространство однородно, т.е. все его точки эквивалентны. Пространство - изотропно, т.е. эквивалентны все его направления. Время тоже однородно, т.е. эквивалентны все его моменты. Сейчас выдвигается предположение, что основные свойства симметрии макроскопического пространства и времени обусловлены физическими законами сохранения. Стимулом для такого предположения служит теорема, доказанная немецким математиком Эмми Нетер в 1918 году. Согласно теореме Нетер, каждое свойство симметрии пространства и времени можно сопоставить с каким-либо законом сохранения. Так, из однородности пространства следует закон сохранения импульса, из изотропности пространства - закон сохранения момента количества движения, а из однородности времени - закон сохранения энергии.

Пространство описывается геометрией Евклида, согласно которой кратчайшим расстоянием между двумя точками является прямая.

Пространство и время бесконечны. Понимание их бесконечности было позаимствовано из математического анализа.

Бесконечность пространства означает, что какую бы большую систему мы не взяли, всегда можно указать на такую, которая еще больше. Бесконечность времени означает, что как бы долго ни длился данный процесс, всегда в мире можно указать на такой, который будет длиться дольше.

Наряду с субстанциональной концепцией пространства и времени, возникает и их реляционная концепция. Одним из наиболее ярких представителей ее был Г.В. Лейбниц. Он настаивал на том, что пространство и время - это особые отношения между объектами и процессами, которые вне их не существуют. Из этой концепции пространства и времени вытекают такие выводы:

а) пространство и время принципиально связаны друг с другом;

б) свойства пространства и времени зависят от физических свойств материи;

в) двигаясь тела порождают собственные пространство и время;

г) в этой концепции можно разрабатывать разные концепции пространства и времени ( биологическую, физическую, геологическую, социальную и т.д.)

Современное естествознание во взглядах на пространство и время пока следует за Лейбницем.

Современной теорией пространства и времени считается теория относительности - специальная (СТО) и общая (ОТО). Согласно СТО, существует единое пространство-время, свойства которого зависят от физических свойств материй. СТО показала, что с ростом механической скорости объекта, его пространственные размеры укорачиваются:

где l -длина объекта, движущегося со скоростью v;

l₀ - длина объекта при v = 0;

c - скорость света в вакууме.

Одновременно время протекания процессов замедляется по формуле:

Следствием из ОТО является то, что для больших участков Вселенной геометрией пространства становится не геометрия Евклида, а геометрия Римана. В ней кратчайшим расстоянием между двумя точками уже является не прямая, а кривая, кривизна которой зависит от расположения и величины тяготеющих масс.