3.12. Фундаментальные принципы физики

3.12.1. Принцип дополнительности Бора

Суть принципа – получение экспериментальной информации об одних физических свойствах, описывающих микрообъект в квантовой механике (элементарную частицу, атом, молекулу и др.), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других его свойствах, дополнительных к первым. Взаимно дополнительными свойствами являются: координаты частицы и ее скорость (импульс), волнообразность и корпускулярность и др. Считается, что дополнительными один к другому являются свойства, которым соответствуют не коммутирующие между собой операторы (кинетическая и потенциальная энергии, направление и величина момента количества движения и др.).

Состояния, в которых взаимно дополнительные свойства имеют одновременно точно определенные значения принципиально невозможны. Это выражение диалектического закона единства и борьбы противоположностей. Согласно Бору принцип применим не только в физике, но и в в других науках (биологии, психологии, истории и т.д.), имеет общефилософское значение.

3.12.2. Принцип неопределенности Гейзенберга

Суть принципа: Характеризующие микросистему дополнительные величины не могут одновременно принимать точные значения (частный случай принципа дополнительности Бора, отражает двойственную, корпускулярно-волновую природу материи):

,

где , , h – импульс, координата и постоянная Планка соответственно.

Оба принципа не ограничивают, как считали первоначально, познание реальной действительности, а лишь указывает на степень применимости к ней понятий и законов классической механики (макроскопических характеристик).

Принцип Гейзенберга устанавливает соотношение между классической и квантовой механикой.

3.12.3. Принципы симметрии и законы сохранения

Существуют теории, которые позволяют по начальному состоянию объекта определить его состояние в будущем. Принципы симметрии или инвариантности (неизменности) имеют более обший характер. Симметрия – свойство геометрического объекта совмещаться с самим собой при некоторых преобразованиях, образующих группу. Симметрия законов относительно какого-либо преобразования означает, что эти законы не изменяются при проведении этого преобразования. Существует определенная иерархия симметрий (общие симметрии, которые выполняются для всех физических законов и для всх взаимодействий, и приближенные симметрии, область действия которых ограничена определенным кругом взаимодействий или даже типом их). Симметрии делятся на пространственные-временные (геометрические)и внутренние, справедливые в микромире.

Симметриями являются: сдвиг во времени (изменение начала отсчета времени не изменяет законов – время однородно), сдвиг или поворот системы отсчета пространственных координат (изменение начала или ориетации системы остчета в пространстве не изменяет законов – пространство однородно и изотропно), обращение знака времени (не изменяет законов в микромире) и др.

В 1918 г. Э. Нётер доказала теорему о связи свойств симметрий и законов сохранения: из инвариантности относительно сдвига во времени следует закон сохранения энергии, пространственных сдвигов – закон сохранения импульсов, пространственного вращения – закон сохранения момента импульса, преобразований Лоренца – обощенный закон движения центра масс. Теорема справедлива для внутренних симметрий. Так, при всех превращениях элементарных частиц суммарный электрический заряд сохраняется.