5.2.3. Принцип относительности. Инвариантность

Механистическая картина мира содержит в себе не только описанные выше законы Ньютона.

Инерциальные системы отсчета. Это система отсчета, в которой справедлив закон инерции (первый закон Ньютона): материальная точка, когда на нее не действуют никакие силы (или действуют силы взаимно уравновешенные), находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Всякая система отсчета, движущаяся по отношению к инерциальной системе отсчета поступательно, равномерно и прямолинейно, есть также инерциальная система отсчета. Таким образом, Первый закон Ньютона утверждает существование инерциальных систем отсчета.

Принцип относительности и инвариантность. Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности, впервые сформулированный Г. Галилеем (1564-1642) для механического движения.

Механическое движение относительно, и его характер зависит от системы отсчета. Было установлено, что во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму; в этом сущность механического принципа относительности - принципа относительности Галилея. Он означает, что уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, т.е. инвариантны по отношению к преобразованию координат.

Галилей обратил внимание на то, что никакими механическими опытами, проведенными в данной инерциальной системе отсчета, нельзя установить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно.

А. Пуанкаре распространил принцип относительности на все электромагнитные процессы, а А. Эйнштейн использовал его для специальной теории относительности. Современная формулировка принципа относительности такова: все инерциальные системы отсчета равноправны между собой (неотличимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов, или, другими словами, физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчета.

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

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

5.3. Фундаментальные концепции

К наиболее общим, важным, фундаментальным концепциям физического описания природы относятся материя, движение, пространство и время.

5.3.1. Фундаментальные взаимодействия

Взаимодействие - универсальная форма движения и развития, определяющая существование и структурную организацию любой материальной системы. Для всякого объекта существовать - значит взаимодействовать, т. е. обмениваться материей и движением во времени и пространстве.

Взаимодействие, проявляемое в реальных процессах свидетельствует о том, что многочисленные законы физики, биологии, химии и других научных дисциплин противоречат здравому смыслу, что человечество изучает частные законы, и не ставит перед собой главной цели - поиска Единого Универсального Закона, поиска единой фундаментальной концепции. Такая цель существует только в рамках частных концепций отдельных научных дисциплин. Одной их таких частных концепций и является концепция физических фундаментальных взаимодействий.

Гравитационное взаимодействие первым из всех известных сегодня фундаментальных взаимодействий стало предметом исследования ученых. В классической науке оно описывается законом всемирного тяготения, согласно которому между двумя телами существует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Любая материальная частица является источником гравитационного взаимодействия и испытывает его на себе. По мере увеличения массы вещества гравитационные взаимодействия возрастают.

Гравитационное - наиболее слабое из всех известных современной науке взаимодействий: оно в 1040 раз слабее силы взаимодействия электрических зарядов.

Тем не менее, гравитация определяет строение всей Вселенной: образование всех космических систем; существование планет, звезд и галактик; концентрацию рассеянной в ходе эволюции звезд и галактик материи и включение ее в новые циклы развития. Огромная роль гравитационного взаимодействия определяется его универсальностью: все тела, частицы и поля участвуют в нем.

Электромагнитное взаимодействие также обладает универсальным характером и существует между любыми телами в микро-, макро- и мегамире. Благодаря электромагнитным связям возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий, являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, перестройки электронных оболочек атомов и молекул, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. К электромагнитному взаимодействию сводятся все силы: упругости, трения, поверхностного натяжения; им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.

По своей величине электромагнитные силы намного превосходят гравитационные, поэтому их можно наблюдать даже между телами обычных размеров.

Электромагнитное взаимодействие существует только между заряженными частицами: электрическое поле - между двумя покоящимися заряженными частицами, магнитное - между двумя движущимися заряженными частицами.

Слабое взаимодействие действует только в микромире. Физической основой этого типа взаимодействия служит процесс распада частиц, поэтому его открытие произошло вслед за открытием радиоактивности. Слабое взаимодействие осуществляет превращение элементарных частиц друг в друга и играет очень важную роль не только в микромире, но и во многих явлениях космического масштаба. Благодаря ему происходят термоядерные реакции, без которых погасло бы Солнце и большинство звезд.

Это взаимодействие значительно слабее электромагнитного, но сильнее гравитационного и в отличие от них распространяется на небольших расстояниях. Именно поэтому долгое время слабое взаимодействие экспериментально не наблюдалось.

Объединение электромагнитного и слабого взаимодействий позволило описать все процессы, происходящие при малых и огромных энергиях. Кроме того, эта теория позволила также объяснить превращение элементарных частиц друг в друга и понять сущность и механизм протекания термоядерных реакций, происходящих на Солнце и большинстве звезд.

Сильное взаимодействие было открыто только в XX в. Оно занимает первое место по силе и является источником огромной энергии. Основная функция сильного взаимодействия - соединение кварков и антикварков в адроны. С его помощью ученые объяснили, почему протоны ядра атома не разлетаются под действием электромагнитных сил отталкивания.

Исходным положением теории является постулат о существовании трех типов цветовых зарядов (красного, синего, зеленого). Как и электрические заряды, одноименные цвета отталкиваются, разноименные притягиваются. Когда три кварка или кварк и антикварк объединяются в адрон, суммарная комбинация цветовых зарядов в нем такова, что адрон в целом обладает цветовой нейтральностью.