Динамические и статистические законы. Принципы современной физики

Динамические  и статистические законы. Принципы современной физики (симметрии, соответствия, дополнительности и соотношения неопределённостей, суперпозиции)

Динамические и  статистические законы

Все физические законы делятся на две большие группы: динамические и статистические.

Динамическими называют законы, отражающие объективную закономерность в форме однозначной связи  физических величин. Динамическая теория — это теория, представляющая совокупность физических законов.

Статистические законы — это такие законы, когда любое  состояние представляет собой вероятностную  характеристику системы. Здесь действуют  статистические распределения величин. Это означает, что в статистических теориях состояние определяется не значениями физических величин, а  их распределениями. Нахождение средних  значений физических величин — главная  задача статистических теорий. Вероятностные  характеристики состояния совершенно отличны от характеристик состояния в динамических теориях. Статистические законы и теории являются более совершенной формой описания физических закономерностей, так как любой известный сегодня процесс в природе более точно описывается статистическими законами, чем динамическими. Различие между ними в одном — в способе описания состояния системы.

Смена динамических теорий статистическими не означает, что старые теории отменены и сданы в архив. Практическая их ценность в определенных границах нисколько не умаляется. При разговоре о смене теорий имеется в виду, в первую очередь, смена глубоких физических представлений более глубокими представлениями о сущности явлений, описание которых дается соответствующими теориями. Одновременно со сменой физических представлений расширяется область применения теории. Статистические теории расширяются на больший круг явлений, недоступных динамическим теориям.

Принцип симметрии

Принцип симметрии  в физике – это свойство физических величин, детально описывающих поведение  систем, оставаться неизменными (инвариантными) при определённых преобразованиях, которым могут быть подвергнуты  входящие в них величины.

Принципы симметрии  связаны с законами сохранения. Виды симметрии:

1. Пространственно-временные  (внешние) принципы симметрии.

1.1. Сдвиг времени, т.е. все моменты времени равноправны, т.е. любой можно взять за начало отсчёта времени, т.е. время однородно.

2. Внутренние принципы  симметрии.

Описывают свойства элементарных частиц. Отсюда вытекает закон сохранения энергии.

2.1. Сдвиг системы  отсчёта, т.е. равноправие всех  точек пространства, отсюда вытекает  закон сохранения импульса.

2.3. Поворот системы  отсчёта, т.е. свойства пространства  одинаковы по всем направлениям (пространство изотропно), отсюда  вытекает закон сохранения момента  импульса.

Также имеет место  целый ряд симметрий, действующих  в микромире. Они описывают различные  аспекты взаимопревращений элементарных частиц и лежат в основе таких  законов сохранения, как закон  сохранения электрического заряда, барионного и лептонного зарядов и ряда других законов, открытых в последнее время. Таким образом, XX в. подтвердил огромную роль принципа симметрии в физике.

Принцип соответствия

Принцип соответствия был сформулирован Н. Бором в 1923 г., когда физики столкнулись с  ситуацией, что рядом со старыми, давно оправдавшими себя теориями (например, с механикой Ньютона), появились  новые теории (теория относительности  Эйнштейна), описывающие ту же область  действительности. Принцип соответствия утверждает преемственность физических теорий, в частности, то, что никакая  новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, относящуюся к тем же явлениям, поскольку старая теория уже оправдала  себя в своей области.

Поэтому 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 старых теорий.

Каждая физическая теория как ступень познания является относительной истиной. Смена физических теорий — это процесс приближения  к абсолютной истине, процесс, который  не будет никогда полностью завершен из-за бесконечной сложности и  разнообразия окружающего нас мира. Таким образом, принцип соответствия отражает объективную ценность физических теорий.

Принцип дополнительности и соотношения неопределённостей

Принцип дополнительности является основополагающим в современной  физике. Он был сформулирован в 1927 г. Н. Бором для объяснения феномена корпускулярно-волнового дуализма.

Прежде всего, Бор  обратил внимание на то, что все  предметы и явления, которые мы видим  вокруг себя, и, конечно, измерительные  приборы для регистрации элементарных частиц состоят из огромного множества  микрочастиц. Иными словами, они  являются макроскопическими системами, ничем иным они быть не могут. Сам  человек — существо макроскопическое. Поэтому наши органы чувств не воспринимают микропроцессов. Понятия, которыми мы пользуемся для описания предметов  и явлений окружающего мира, —  это макроскопические понятия. С  их помощью можно легко описать  любые физические процессы, проходящие в макромире. Вместе с тем применить  эти понятия для описания микрообъектов  полностью нельзя, так как они  неадекватны процессам микромира.

Но других понятий  у нас нет и быть не может. Поэтому, чтобы компенсировать неадекватность нашего восприятия и представлений  об объектах микромира, нам приходится применять два дополняющих друг друга набора понятий, хотя с точки  зрения классической науки они взаимно  исключают друг друга, — это понятия  частицы и волны. Только в совокупности они дают исчерпывающую информацию о квантовых явлениях. Частным  выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей, сформулированное В. Гейзенбергом в 1927 г. Этот принцип наглядно иллюстрирует отличие квантовой теории от классической механики. Если в классической механике мы допускаем, что можно абсолютно точно знать координаты, импульс и энергию частицы в любой момент времени, то в квантовой механике это невозможно. В соответствии с принципом неопределенности, чем точнее фиксирован импульс, тем большая неопределенность будет содержаться в значении координаты, и наоборот. Также соотносятся энергия и время. Точность измерения энергии обратно пропорциональна длительности процесса измерения. Причина этого — во взаимодействии прибора с объектом измерения.

Принцип суперпозиции

Принцип суперпозиции (наложения) — это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности. Одним из простых примеров принципа суперпозиции является правило параллелограмма, в соответствии с которым складываются две силы, воздействующие на тело. Этот принцип выполняется при условии, когда воздействующие явления не влияют друг на друга. Поэтому в ньютоновской физике он неуниверсален и во многих случаях справедлив лишь приближенно. В микромире, наоборот, принцип суперпозиции — фундаментальный принцип, который наряду с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики. Но, к сожалению, в квантовой теории принцип суперпозиции лишен той наглядности, которая характерна для механики Ньютона. Его интерпретируют так: пока не проведено измерение, бессмысленно спрашивать, в каком состоянии находится физическая система. Иными словами, до измерения система находится в суперпозиции двух возможных состояний, т.е. ее состояние неопределенно. Акт измерения переводит физическую систему скачком в одно из возможных состояний.