Лекция 7 1 ч Принципы при формировании законов природы

Лекция 7(1 ч). Принципы при формировании законов природы

Вопросы: § Принцип относительности § Принцип неопределенностей, принцип дополнительности § Принцип запрета § Принцип соответствия § Принцип симметрии и асимметрии § Принцип суперпозиции § Дополнительные принципы

О построении единой естественнонаучной теории Современный подход к построению единой естественнонаучной теории базируется на: • механике Ньютона (она объединила движение земных и небесных тел); • электродинамике Максвелла (она объединила электрические, магнитные и оптические явления); • специальной теории относительности Эйнштейна (она объединила пространство и время); • квантовой механике (она в концептуальном плане объединила понятия частицы и волны, детерминизм и вероятность); • квантовой теории поля (она объединила частицы и силы, т. е. взаимодействия). К сожалению, на сегодня полностью универсальных законов не установлено (даже законы сохранения имеют ограничения по области применения и возможностям), поэтому мы рассмотрим основные принципы, используемые при формировании всеобщих законов природы.

Принцип относительности • Формулировка. Принцип относительности рассматривается как фундаментальный, согласно ему любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, находящейся в состоянии покоя, и в такой же системе, находящейся в состоянии равномерного прямолинейного движения. Состояние движения или покоя определяется по отношению к произвольно выбранной инерциальной системе отсчета (ИСО). Физически эти состояния равноправны, как равнозначны сами ИСО. П р и м е ч а н и е. Эквивалентная формулировка принципа относительности: законы физики (законы природы) имеют одинаковую форму во всех ИСО или, другими словами, законы природы инвариантны относительно преобразований движения (при переходе от одной ИСО к другой).

Принцип относительности • Преобразования Галилея и Лоренца. Различают: а) преобразования Галилея в классической механике и б) более общие преобразования Лоренца в релятивистской механике, которые при скорости v << c переходят в преобразования Галилея. Преобразования Лоренца для пространственно-временной точки K'{x', y', z', t'} в некоторой ИСО, движущейся со скоростью υ вдоль оси х другой, лабораторной, ИСО, в которой та же точка определена как K{x, y, z, t}, имеют вид: В 1916 г. при разработке общей теории относительности А. Эйнштейном была высказана идея эквивалентности (принцип эквивалентности) гравитационной и инерционной масс. Он показал, что поле сил инерции оказывает на физические процессы такое же воздействие, как и поле тяготения, обладающее структурой подобной конфигурации инерционных сил.

• Принцип неопределенностей, принцип дополнительности Принцип неопределенностей Этот принцип установлен в 1927 г. В. Гейзенбергом при разработке основных положений квантовой механики. В настоящее время он рассматривается как один из фундаментальных принципов квантовой теории, который определяет границы применимости классических представлений при описании свойств объектов микромира. П р и м е ч а н и е. Любая квантовомеханическая система (в простейшем случае даже одна микрочастица, обладающая корпускулярно-волновыми свойствами) не может находиться в состоянии, когда координаты ее центра инерции и импульс одновременно принимают определенные и точные значения. Количественно принцип выражается через соотношения неопределенностей Гейзенберга, записанные для соответствующих сопряженных координат и импульсов:

Принцип неопределенностей, принцип дополнительности

Принцип неопределенностей, принцип дополнительности

• Принцип неопределенностей, принцип дополнительности Принцип дополнительности Следовательно, принцип дополнительности разрешает получать данные о микрочастицах либо в виде энергетическиимпульсной картины (значения энергий и соответствующих импульсов частицы), либо в виде пространственно-временной картины (данные о положениях и состояниях частицы в пространстве и во времени). Эти взаимоисключающие (согласно принципу неопределенностей) картины не могут использоваться одновременно, однако названные характеристики в равной мере описывают микрообъект, а поэтому в ходе экспериментального изучения их целесообразно применять как взаимодополняющие. Так, в экспериментах с микрочастицами обычно используют приборы двух типов: одни позволяют изучать волновые свойства частиц (спектрографы, интерферометры), а другие – их корпускулярные свойства (фотоприемники, счетчики частиц).

Принцип запрета Сформулирован в 1925 г. швейцарским физиком В. Паули для электронов в атоме, а впоследствии был распространен на все фермионы – частицы с полуцелым спином. Формулировка. Две тождественные частицы с полуцелым спином (два одинаковых фермиона) не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии, т. е. – иметь одинаковый набор из четырех квантовых чисел n, l, m, ms. В 1940 г. В. Паули показал, что принцип запрета – это следствие существующей в релятивистской квантовой механике связи спина частицы и квантовой статистики; иначе говоря, частицы с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми. Дирака и их волновая функция антисимметрична относительно перестановки любых двух фермионов системы, а, следовательно, в одном состоянии не может находиться более одного фермиона. Принцип Паули сыграл решающую роль в понимании закономерностей заполнения электронных оболочек атома, явился отправным пунктом в объяснении атомных и молекулярных спектров. Важна и фундаментальна роль этого принципа в окончательном понимании явлений пара- и диамагнетизма, а также - в квантовой теории твердого тела и атомного ядра, в теории ядерных реакций и реакций между элементарными частицами.

Принцип соответствия

Принцип симметрии и асимметрии Этот принцип напрямую связан с тем или иным законом сохранения (с инвариантностью законов относительно преобразований симметрии). Законы природы в своем содержании, в своих связях друг с другом и с условиями своего действия – предполагают определенные формы симметрии и асимметрии. Определение. Асимметрия – понятие, противоположное симметрии, отражающее существующие в объективном мире нарушения порядка, равновесия, относительной устойчивости, пропорциональности и соразмерности между частями некоторого целого объекта; и связанное с изменениями последнего, с его развитием и организационной перестройкой. Асимметрия – столь же существенный момент законов, как и симметрия. Наличие асимметрии в содержании законов не исключает в структуре последних и существование форм симметрии. Ярким примером, подтверждающим сказанное, является хорошо известная система уравнений Максвелла для электродинамики. Асимметричные положения исключают наличие резкой грани между законами и условиями их действия. Поэтому содержание разрабатываемых законов должно включать в себя определенные стороны, моменты асимметричности.

Принцип суперпозиции

Дополнительные принципы

Дополнительные принципы • Принцип положительной обратной связи Этот принцип работает для открытых, неизолированных систем и предполагает развитие и усиление неравномерности и неустойчивости, возникающих в таких системах вследствие постоянного взаимодействия системы с внешней средой. Это приводит, в конечном счете, к разрушению прежних, существовавших симметрий и, как следствие, к возникновению новой структуры. • Принцип корреляций Формулировка. Принцип корреляций предполагает, что ни одна часть единой системы (или организма) не может изменяться без соответствующих изменений в его других частях. Здесь следует отметить, что наиболее фундаментальной областью исследований является область, связанная со структурой материи и выяснением законов взаимодействия составляющих ее частиц.