IV. Принципы современной физики

Корпускулярно-волновой дуализм материи. При переходе к исследованию микромира обнаружилось, что физическая реальность едина и нет пропасти между веществом и полем. И. Ньютон считал, что свет представляет собой поток корпускул, движущихся с огромной скоростью, – отсюда прямолинейность световых лучей. Однако были открыты явления интерференции и дифракции, которые корпускулярная концепция не могла объяснить. Х. Гюйгенс предположил, что свет представляет собой волну. В 70-х годах XIX в. Максвелл и Герц обосновали природу света как электромагнитную волну. Таким образом, материальный объект, называемый «свет», есть образование сложное, не укладывающееся полностью ни в одну из простых моделей: «корпускула» или «волна». Свет обладает и волновыми и корпускулярными свойствами, но проявляет либо те, либо другие в зависимости от ситуации.

Квантово-механическое написание микромира основывается на соотношении неопределенности В. Гейзенберга и принципе дополнительности Н. Бора. Принцип неопределенности утверждает, что в квантовой механике точное и одновременное измерение скорости и положения частиц невозможно даже теоретически. Следствием этого является то, что измерение одной характеристики предмета (положения) принципиально непредсказуемым образом изменяет другие (скорость). Подобная неопределенность параметров доказана, например, и в отношении «энергия – время».

В 1928 году был выдвинут принцип дополнительности. Н. Бор дал ему следующую формулировку: «понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего». Ни одна теория не может описать объект исчерпывающим образом, чтобы исключить возможность альтернативных подходов. Противоречия с точки зрения классической науки в рамках неклассической не исключают, а дополняют друг друга.

Основополагающую роль в процессе любого познания (не только естественнонаучного) играет принцип симметрии. В общем виде классическое определение принципа предложил известный математик Г. Вейль, согласно которому симметричным называется такой предмет, который можно как-то изменять, получая в результате то же, с чего мы начали. При этом имеется в виду, что физические законы и способы их представления можно изменять так, что это не отражается на их свойствах. Выделяют симметрию трансляций (перенос фигуры, эксперимента), винтовую симметрию (трансляции в сочетании с поворотом) и др.

Наряду с принципом неопределенности фундаментальным принципом, лежащим в основании математического аппарата квантовой механики, является принцип суперпозиции. Принцип суперпозиции (наложения) – это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности.

Преемственность развития физического знания (теорий) отражается в принципе соответствия. Принцип утверждает, что никакая новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, относящуюся к тем же явлениям, поскольку старая теория уже оправдала себя в своей области. Другими словами, каждая физическая теория лишь ступень познания и всегда является относительной истиной. Например, то, что классическая ньютоновская механика перестает быть применимой при скоростях движения, сравнимых со скоростью света, не делает ее ложной.

Особое место занимают принцип относительности и постулаты А. Эйнштейна. Первым сформулировал принцип Г. Галилей: «Никакими механическими опытами, проведенными внутри системы, невозможно установить, покоится система или движется прямолинейно и равномерно». Этот принцип распространялся на интуитивно воспринимаемые скорости и на инерциальные системы отсчета.

В 80-х гг. XIX в. Майкельсон и Морли обнаружили, что при скоростях, сравнимых со скоростью света (300000 км/с), нарушается классический закон сложения скоростей. В 1905 г. А.Эйнштейн предложил специальную теорию для решения этой проблемы. Он исходил из двух постулатов:

1. Все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны.

2. В любой системе отсчета скорость света в вакууме неизменно равна 300000 км/с.

Были получены следующие выводы:

• при движении происходит сокращение движущегося предмета;

• при движении происходит замедление времени;

• при движении происходит увеличение массы.

Таким образом, специальная теория относительности утверждает, что не существует ни абсолютного времени, ни абсолютного пространства.

В 1916 г. А. Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности (ОТО). ОТО дает анализ пространственно-временного континуума. Теория относительности больше не ограничивается инерциальными системами координат. В основе теории лежит принцип эквивалентности. ОТО заменяет закон тяготения Ньютона на полевой закон тяготения, т.е. гравитационное взаимодействие можно рассматривать как результат искривления пространства – времени вокруг материальных тел.