Основные принципы современной физики

В современной физике различные формы движения материи описываются фундаментальными теориями. Каждая из них выражает вполне определенные явления — механическое или тепловое движение, электромагнитные процессы и т.д.

Нов структуре фундаментальных физических теорий существуют более общие законы, которые охватывают все процессы, все формы движения материи. Это в первую очередь законы симметрии, или инвариантности, и связанные с ними законы сохранения физических величин.

Симметрия в физике — это свойство физических законов, детально описывающих поведение систем, оставаться неизменными (инвариантными) при определенных преобразованиях, которым могут быть подвергнуты входящие в них величины.

Закон сохранения физических величин — это утверждения, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в определенных классах процессов.

Огромное значение принципов симметрии и законов сохранения в современной физике обусловлено тем, что на эти принципы можно опираться при построении новых фундаментальных теорий.

Философское значение принципов симметрии и законов сохранения состоит в том, что они представляют наиболее общую форму выражения детерминизма. Эти принципы демонстрируют единство материального мира, существование глубокой связи между разнообразными формами движения материи, а также связь между свойствами пространства-времени и сохранением физических величин.

Законы симметрии имеют однозначный (в этом смысле динамический) характер, не допускающий какого-либо статистического разброса для значений сохраняющихся физических величин. Поэтому они должны рассматриваться как динамические элементы в общем-то статистической картины мира. В силу своего однозначного характера законы сохранения и симметрии, как бы успешно ни продвигалось их развитие и обобщение в дальнейшем, не смогут заменить теорию, детально объясняющую статистические процессы в микромире, что требует их дополнения другими законами [2].

Каждая фундаментальная физическая теория имеет определенные границы применимости, которые устанавливаются весьма строго и точно, если открыта более глубокая теория, описывающая те же процессы. Например, классическая механика Ньютона правильно описывает движение макроскопических тел только в тех случаях, когда скорость их движения намного меньше скорости света. Это выяснилось после создания специальной теории относительности и построения релятивистской механики, справедливой для описания движения тел с любыми скоростями, сколь угодно близкими к скорости света.

Принцип соответствия. Очень существенно, что создание новой теории, например релятивистской механики, вовсе не означает, что старая, нерелятивистская классическая механика утрачивает свою ценность. Новая теория, претендующая на более глубокое познание сущности мироздания, более полное описание и более широкое применение ее результатов, чем предыдущая, должна включать предыдущую как предельный случай. Так, классическая механика является предельным случаем квантовой механики и механики теории относительности. Здесь как раз проявляется действие принципа соответствия, утверждающего преемственность физических теорий. Этот принцип впервые сформулировал Н. Бор в 1923 г. В общей форме этот принцип формулируется так: теории, справедливость которых была экспериментально установлена для определенной группы явлений, с построением новой теории не отбрасываются, но сохраняют свое значение для прежней области явлений как предельное выражение законов новых теорий. Выводы новых теорий в области, где справедлива старая теория, переходят в выводы этих старых теорий [ 1 ].

Принцип соответствия представляет собой конкретное выражение в физике диалектики соотношения абсолютной и относительной истин. Каждая физическая теория — ступень познания — является относительной истиной. Смена физических теорий — это процесс приближения к абсолютной истине, процесс, который никогда не будет полностью завершен из-за бесконечной сложности и разнообразия окружающего мира. Одновременно принцип соответствия выражает объективную ценность физических теорий. Новые теории не отрицают старых именно потому, что старые теории с определенной степенью приближения отражают объективные закономерности природы.

Принцип дополнительности, сформулированный Н. Бором в 1927 г., — еще один физический принцип — возник из попыток осознать причину появления противоречивых наглядных образов, которые приходится связывать с объектами микромира. Например, квантовый объект — это не волна и не частица. Поэтому экспериментальное изучение микрообъектов предполагает использование двух типов приборов: один позволяет изучать волновые свойства, а другой — корпускулярные. Эти свойства несовместимы в плане их одновременного проявления. Однако они в равной мере характеризуют квантовый объект, а поэтому не противоречат, но дополняют друг друга.

Принцип дополнительности состоит в том, что при экспериментальном исследовании микрообъекгов могут быть получены точные данные либо об их энергиях и импульсах (энергетически импульсная картина), либо о поведении в пространстве и времени (пространственно-временная картина). Эти взаимоисключающие картины не могут применяться одновременно, поскольку свойства квантовых объектов запрещают их одновременное использование. Однако данные свойства в равной мере характеризуют микрообъект; это предполагает их использование в том смысле, что вместо единой картины необходимо применять две — энергетически импульсную и пространственно-временную.

Можно сказать, что принцип дополнительности является результатом философского осмысления новой необычной физической теории — квантовой механики. Он выражает на микроскопическом уровне один из основных законов диалектики — закон единства противоположностей.

Соотношение неопределенностей В. Гейзенберга является частным выражением принципа дополнительности. В классической механике частица, движущаяся по определенной траектории, имеет точные значения координат, импульса, энергии. Микрочастица, обладая волновыми свойствами, не имеет траектории, следовательно, не имеет одновременно точных значений координаты и импульса. Это значит, что координаты, импульс, энергия микрочастицы могут быть заданы лишь приблизительно. Количественно это выражается соотношением неопределенностей: невозможно одновременно точно определить координату и соответствующую ей постоянную импульса. Это нельзя сделать точно так же, как нельзя достичь абсолютного нуля температур, как нельзя превысить скорость света и т.п. Принципы запрета, согласно новой точке зрения (фундаментальные законы природы — это законы дозволения), играют в науке весьма важную роль. Они определяют, что не может происходить в природе. Так, если в классической механике допускается измерение координаты и импульса с любой степенью точности, то соотношение неопределенностей является квантовым ограничением применимости классической механики к микрообъектам [ 1 ].

Итак, физика тесно связана с философией, из недр которой она вышла. Такие крупные открытия в области физики, как закон сохранения и превращения энергии, второе начало термодинамики, соотношение неопределенностей, принцип дополнительности и др., до сих пор являются ареной борьбы между сторонниками разных философских течений.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

  • 1. Грядовой Д.И. Концепции современного естествознания. М., 2003.
  • 2. Карнап Р. Философские основания физики; пер. Г. Рузавина. М., 2008.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >