СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРИНЦИПЫ ТЕОРИИ И

СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРИНЦИПЫ, ТЕОРИИ И ЗАКОНЫ 1

ПРИНЦИПЫ, ТЕОРИИ, ЗАКОНЫ • Свойства и особенности материальных объектов микро-, макро и мегамира описываются разными принципами, теориями и законами. • Важнейшая концепция современного естествознания заключается в материальном единстве всех систем микро-, макро и мегамира. 2

3

4

ПРИНЦИП ПРИЧИННОСТИ • Причинность представляет собой связь состояний во времени. • В научных теориях под причинностью понимают закономерное, необходимое протекание процессов: в них задание начального состояния определяет последующие состояния. • Именно в такой последовательности состояний и заключается выражение принципа причинности в науке. 5

ПРИНЦИП ПРИЧИННОСТИ В КЛАССИЧЕСКОЙ МЕХАНИКЕ • В классической механике, согласно принципу причинности (принципу детерминизма), всякая частица движется по определенной траектории и всегда имеет точные значения координаты, импульса, энергии. • Это позволяет точно описать состояние частицы в любой последующий момент времени. • Понимании причинно-следственной связи: взаимодействие частиц, определяющее данное состояние механической системы, есть причина, а ее последующее состояние – следствие. 6

ПРИНЦИП ПРИЧИННОСТИ В КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ • В квантовой механике частица, обладая волновыми свойствами, не имеет траектории, а значит, не может иметь одновременно точных значений координаты и импульса. • В квантовой механике состояние системы микрочастиц определяется волновой функцией, а задание волновой функции для начального момента времени определяет ее значение в последующие моменты. • Следовательно, данное состояние микрообъекта однозначно обусловливается его предшествующим состоянием. 7

ПРИЧИННЫЕ СВЯЗИ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ • Общее отношение причинных связей и функциональных зависимостей представляет следующее: функциональные зависимости являются математической формой выражения причинных связей. • Причинность характеризует объективные связи, существующие в действительности; функциональные зависимости позволяют наиболее адекватно отразить эти связи. • Вопрос о природе причинности и причинных отношениях в физике конкретизируется в проблеме соотношения динамических и статистических законов с объективными закономерностями. 8

ДИНАМИЧЕСКИЕ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ • Динамический закон – это закон, управляющий поведением отдельного объекта и позволяющий устанавливать однозначную связь его состояний. Выражает непосредственную необходимость, случайные связи исключены. • Статистический закон – это закон, управляющий поведением больших совокупностей и в отношении отдельного объекта позволяющий делать лишь вероятностные выводы о его поведении. Выражает диалектическую связь необходимости и случайности. Рассматривает случайность как форму проявления необходимости. 9

ДИНАМИЧЕСКИЕ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ ТЕОРИИ • Динамическая теория – это теория, представляющая совокупность динамических законов: классическая механика, классическая теория излучения, релятивистская механика. • Статистическая теория – это теория, представляющая совокупность статистических законов: квантовая механика, квантовая теория излучения квантовая электродинамика), релятивистская квантовая механика. 10

11

ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ • Принцип относительности (принцип инерции) впервые сформулирован Галилео Галилеем для механического движения. • Суть принципа инерции: любое тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии действия на него сторонних сил. • Важнейшее значение этого принципа заключается в признании тождества двух указанных в нем состояний объекта – покоя и равномерного прямолинейного движения. 12

ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ГАЛИЛЕЯ • Механическая система, в которой действует принцип инерции, называется инерциальной системой. • Для перехода из одной инерциальной системы в другую Галилей предложил простейшие математические преобразования, названные впоследствии преобразованиями Галилея. • Механический принцип относительности: Во всех инерциальных системах отсчета все механические явления протекают одинаково. • Это значит, что законы классической динамики имеют одинаковую форму (не изменяются), т. е. инвариантны по отношению к преобразованию координат. 13

ПРИНЦИП ИНВАРИАНТНОСТИ • Инвариантность означает неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой. • Принцип относительности в классической механике означает, что во всех инерциальных системах все механические процессы происходят одинаковым образом. • Принцип инвариантности формулируется так: смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание механических процессов. • Принцип инвариантности времени: Во всех инерциальных системах отсчета ход времени одинаков. 14

СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ВКЛЮЧАЕТ ДВА ПОСТУЛАТА: А. ЭЙНШТЕЙН 1905 Г. • Обобщенный принцип относительности: Во всех инерциальных системах отсчета все физические явления протекают одинаково. Это значит, что все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой. • Принцип постоянства (инвариантности) скорости света: скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от относительного движения источника света и его приемника. • Скорость света в вакууме является физической константой, соответствующей максимально возможной в природе передаче сигнала. . 15

16

ДВА ВАЖНЫХ СЛЕДСТВИЯ ИЗ ПОСТУЛАТОВ СТО • Пространственно-временной интервал: в СТО пространственный и временной интервалы являются неинвариантными, зависящими от движения наблюдателя. • Неинвариантность пространственного и временного интервалов по отдельности и инвариантность пространственно-временного интервала соответствует тому факту, что время и пространство органически взаимосвязаны, т. е. соответствует четырехмерности реального мира. • На смену ньютоновским абсолютным и независимым друг от друга пространству и времени пришло единое четырехмерное пространство-время. 17

ЗАКОН ВЗАИМОСВЯЗИ ЭНЕРГИИ И МАССЫ • Одним из важнейших выводов СТО является соотношение между полной энергией E изолированного от внешних воздействий тела и его массой m – закон взаимосвязи массы и энергии. • Для покоящегося тела релятивистская механике дает: , Е 0 = mс2. Здесь Е 0 – энергия покоя, которой тело обладает благодаря самому факту своего существования. • Вывод: какие бы взаимные превращения разных видов энергии не происходили, изменению энергии в системе соответствуют эквивалентное изменение массы. Энергия и масса являются двумя однозначно связанными характеристиками материи. 18

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ИЛИ ТЕОРИЯ ТЯГОТЕНИЯ СОЗДАНА А. ЭЙНШТЕЙНОМ В 1916 Г. • ОТО – результат развития специальной теории относительности. Из нее вытекает, что свойства пространства-времени зависят от поля тяготения. • В поле тяготения пространство-время обладает кривизной, т. е. геометрия пространства-времени перестает быть евклидовой. Эти эффекты реально наблюдаются. • Если массивный космический объект совершает колебательное или вращательное движение, кривизна поля тяготения периодически изменяется. Распространение таких изменений в пространстве рождает гравитационные волны. • Квантование гравитационной волны соответствует гравитону – частице в нулевой массой покоя. • Гравитационно-волновая астрономия. 19

ПРИНЦИПЫ СИММЕТРИИ И ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ • Инвариантность структуры, свойств, формы материального объекта относительно его преобразований называется симметрией. • Из принципа инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени следуют три вида симметрии, связанные с однородностью времени, с однородностью и изотропностью пространства. 20

ОДНОРОДНОСТЬ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ • Однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел, как целого, ее физические свойства и законы движения не изменяются, т. е. не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета. • Однородность пространства (симметрия относительно операции сдвига, перемещения) означает физическую неразличимость свойств пространства в различных его точках. • Однородность времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени. 21

ИЗОТРОПНОСТЬ – ВАЖНОЕ СВОЙСТВО СИММЕТРИИ ПРОСТРАНСТВА • Изотропность пространства означает инвариантность физических законов относительно выбора направления осей координат системы отсчета, т. е. относительно ее поворота в пространстве на любой угол. • Изотропность пространства означает, что в любых направлениях его свойства физически одинаковы (т. е. пространство обладает симметрией относительно операции поворота). 22

СИММЕТРИЯ, АСИММЕТРИЯ • Симметрия – понятие отображающее существующий в объективной действительности порядок, определенное равновесной состояние, относительную устойчивость, пропорциональность и соразмерность между составными частями целого. • Асимметрия - понятие, противоположное симметрии, отражающее существующие в объективном мире нарушение порядка, равновесия, относительной устойчивости, пропорциональности и соразмерности между составными частями целого, связанное с изменением, развитием и организационной перестройкой. 23

ФОРМЫ СИММЕТРИИ И АСИММЕТРИИ • Геометрическая форма: симметрия, выражающая свойства пространства и времени. Например: однородность пространства и времени; изотропность пространства; пространственная четность; эквивалентность инерциальных систем отсчета и т. д. • Динамическая форма: симметрия выражающая свойства физических взаимодействий. Например: симметрия электрического заряда; симметрия спина; симметрия изопотического спина и т. д. 24

СИММЕТРИЯ, АСИММЕТРИЯ И ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ • Законы действительности в своем содержании, в своих связях друг с другом и условиями своего действия имеют формы симметрии и асимметрии – геометрическую и динамическую. • Формы симметрии одновременно являются и формами асимметрии. • Геометрическая асимметрия: неоднородность пространства и времени; анизотропия пространства и т. д. • Динамическая асимметрия: различие между протонами и нейтронами в электромагнитных взаимодействиях; различие между частицами и античастицами по электрическому, барионному, лептонному зарядам и т. д 25

ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ • Динамические симметрии и связанные с ними законы сохранения: - закон сохранения электрического заряда: при превращении элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц остается неизменной; - закон сохранения лептонного заряда: при пресращении элементарных частиц разность числа лептонов и антилептонов не меняется и т. д. • Асимметрические условия исключают наличие резкой грани между законами и условиями их действия и должны включать моменты асимметричных условий. Действующие в этих условиях законы должны иметь обратные связи. 26

ПРИНЦИПЫ СИММЕТРИИ И ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ • Экспериментально установлено, что в природе возможны не любые процессы и движения, а только те, которые не нарушают так называемые законы сохранения, выполняющие функцию правил отбора или правил запрета. • Это физические законы, согласно которым числовые значения некоторых физических величин, характеризующих состояние системы, в определенных процессах не изменяются. • Выяснилось, что законы сохранения тесно связаны с фундаментальными свойствами симметрии в природе. 27

ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ • Геометрическая симметрия и связанные с ним законы сохранения: - с однородностью времени связан закон сохранения энергии; - с однородностью пространства связан закон сохранения импульса; - с изотропией пространства связан закон сохранения момента импульса и т. д. 28

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ • Разные формы движения и типы взаимодействий, кроме специфических величин, характеризуются такой величиной, которая с разным правом относится к ним во всем. Такой физической величиной является энергия. • Энергия есть общая мера различных форм движения и взаимодействия всех видов материи. • Закон сохранения и превращения энергии утверждает, что суммарная энергия изолированной системы не изменяется; при эволюции системы могут изменяться доли энергий различного вида, что объясняется переходом энергии из одного вида в другой. • Закон сохранения и превращения энергии - энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой 29

ТЕОРЕМА НЕТЕР – ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ ТЕОРЕМА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ • Связь между свойствами пространствавремени и законами сохранения установила немецкий математик Эмми Нетер (1882 -1935): из однородности пространства и времени следуют законы сохранения импульса и энергии, в из изотропности пространства – закон сохранения момента импульса. • Законы сохранения – законы, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются с течением времени при различных процессах. • Сохраняющейся величине соответствует наличие какой-либо симметрии. 30

ПРИНЦИП СООТВЕТСТВИЯ СФОРМУЛИРОВАН Н. БОРОМ В 1923 Г. • Суть принципа соответствия: любая новая более общая теория, являющаяся развитием предыдущих классических теорий, справедливость которых была экспериментально установлена для определенных групп явлений, не отвергает эти классические теории, а включает их в себя. • Предыдущие теории сохраняют свое значение для определенных групп явлений как предельная форма и частный случай новой теории, которая определяет границы применимости предыдущих теорий. • Пример: классическая механика является предельным случаем квантовой механики и механики теории относительности. Квантовые эффекты проявляются лишь при рассмотрении величин, сравнимых с постоянной Планка. 31

32

ПРИНЦИП ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТИ СФОРМУЛИРОВАН Н. БОРОМ В 1927 Г. • Суть принципа дополнительности: при экспериментальном исследовании микрообъектов могут быть получены точные данные либо об их энергиях и импульсах (энергетических-импульсная картина), либо о поведении в пространстве и времени (пространственно-временная картина). • Суть ПД как общего принципа научного познания: всякое сущностное явление природы не может быть определено однозначно с помощью слов естественного языка и тредует для своего определения, по крайней мере, два взаимоисключающие, 33 дополнительные понятия (категории).

ПРИНЦИП НЕОПРЕДЕЛЕННРОСТИ • Соотношение неопределенностей Гейзенберга: принципиально нельзя определить одновременно координату и импульс частицы точнее, чем это допускает соотношение неопределенностей. • Данный закон утверждает, что невозможно одновременно точно определить координату и соответствующую ей составляющую импульса. • Наиболее фундаментальные законы носят характер запретов. Они определяют, что не может происходить в природе. • Например, если в классической механике допускается измерение координаты и импульса с любой степенью точности, то соотношение неопределенностей является квантовым ограничением применимости классической механики к микрообъектам. 34

КЛАССИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ: МЕХАНИКА ДИСКРЕТНЫХ ОБЪЕКТОВ • В физике движение рассматривается в самом общем виде как изменение состояния физической системы и для описания состояния вводится набор измеряемых параметров. Параметры движения (траектория s, скорость v, ускорение a, масса m, сила F, импульс p, энергия E) в законах динамики Ньютона достаточно четко описывают разнообразные изменения состояния объектов. • Под механическим движением понимают изменение положения тел (объектов природы) относительно друга за время наблюдения • В классической физике за аксиому принимается дискретность объектов природы. . 35

КОРПУСКУЛЯРНАЯ КОНЦЕПЦИЯ, КОНЦЕПЦИЯ АТОМИЗМА • В корпускулярной концепции центральное место занимает модель корпускулы (модель частицы). • В модели корпускулы принципиально важны два допущения: 1) Поведение объекта как целого без учета внутренней структуры объекта; 2) Возможность обособить моделируемый объект от его окружения (модель свободной частицы и модель несвободной частицы, находящейся под контролируемым воздействием окружения) • Модель материальной точки – базовая модель механики. • Материальной точкой называют модель тела, размерами которой можно пренебречь по сравнению с пространственными параметрами 36 движения, в котором данное тело участвует.

КОНЦЕПЦИЯ НЬЮТОНА • В ньютоновской концепции физическая реальность характеризуется понятиями пространства, времени и материальной точки, а все физические события сводятся к движению материальных точек в пространстве в соответствии с законами Ньютона. • Законы механики, сформулированные Ньютоном, являются, как и все основные законы природы, обобщением экспериментальных исследований. 37

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ НЬЮТОНА • Закон инерции (принцип инерции Галилея): любое тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии действия на него сторонних сил. • Закон влияния действующей силы F и инерционной массы M физического объекта на получаемое им ускорение а. (2 -й закон Ньютона выражает принцип причинности в классической механике). • Закон равенства сил действия и противодействия. • Закон всемирного тяготения, устанавливающий зависимость сил F гравитационного взаимодействия между физическими объектами от их массы М 1 и М 2 о квадрата расстояния r между ними. 38

ЗАКОНЫ КЕПЛЕРА • Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. • Радиус-вектор, проведенный от Солнца к планете, в равные промежутки времени описывает равные площади. • Квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от Солнца. • Законы Кеплера базировались на многолетних данных астрономических наблюдений за поведением планет, выполненных датским астрономом Тихо Браго (1546 -1601)с помощью созданной им уникальной по точности использовавшихся инструментов обсерватории. 39

ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИКИ НЬЮТОНА • В классической механике время выступает как параметр движения. • Главные особенности механики Ньютона – детерминизм (определенность): если известны начальные условия и уравнения, то мы можем предсказать движение, dt > 0, - обратимость времени. • В классической механике развитие не учитывается. В целом классической физике чужда сама идея развития, эволюции! • В реальных системах время проявляет неоднозначную сущность и связано с усложнением объекта. 40

41

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КЛАССИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ • Законы классической механики выполняются для относительно медленных движений тел, скорость которых значительно меньше скорости света в вакууме. • Истинность законов классической механики не вызывает сомнений. • Классическая механика всегда остается совершенно необходимым «мостом» , соединяющим человека как макросубъекта познания со все более глубокими уровнями микро- и мегамира. • Все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий – эксперимент. • Экспериментальная установка и результаты наблюдений должны описываться однозначным образом на языке классической физики. • К этому сводится первый тип физической 42 рациональности.

ЛАПЛАСОВСКИЙ ДЕТЕРМИНИЗМ • Из однозначного характера закономерностей динамического типа вытекает представление о жесткой предопределенности (детерминированности) множества событий в природе. • Долгое время считали, что если было бы возможно учесть все взаимодействия всех элементов сколь угодно сложной системы, собрать и использовать всю информацию об их начальных условиях, то было бы можно рассчитать состояние этой системы в будущем и тем самым исключить случайность в описании ее поведения. • В широком смысле детерминизм проявляется как определенный образ мышления, корнями уходящий в механистическую картину мира. 43