ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРИНЦИПЫ, ТЕОРИИ и законы Современная Физическая картина мира 1
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
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
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
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
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
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
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 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
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
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
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. П ринцип 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
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
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 = m с 2. 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
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
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 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 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 – 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
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
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
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
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
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
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
Связь между свойствами пространства-времени 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
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
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, дополнительные понятия (категории). 33
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
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 друг друга за время наблюдения В классической физике за аксиому принимается дискретность объектов природы.. 35
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 движения, в котором данное тело участвует. 36
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
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 М1 и М2 о квадрата расстояния r между ними. 38
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
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
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 рациональности. 42
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
