Принципы современной физики

Принципы современной физики - это общие законы, влияющие на все физические процессы и все формы движения материи. Среди всей группы физических принципов важнейшим является принцип симметрии, на основе которого действует закон сохранения физических величин.

Симметрия широко распространена в природе и жизни человека. Кристаллы, молекулы пространственных, оптических изомеров, живые организмы обладают симметрией. На симметрии во многом основывается такое явление, как красота.

Симметрия в физике - это свойство физических величин, детально описывающих поведение систем, оставаться неизменными при определенных преобразованиях. Во многих случаях из принципов симметрии логически следуют законы сохранения.

Принципы симметрии делятся на 1) внешние или пространственно-временные и 2) внутренние симметрии.

К внешним симметриям относятся:

Объективная равноправность всех моментов времени. Это означает, что время однородно и любой момент времени можно взять за начало отсчета. Из этого вытекает закон сохранения энергии.

Однородность пространства, т. е. равноправие всех его точек. Сдвиг в пространстве какой-либо системы не влияет на процессы внутри нее. Из этой симметрии вытекает закон сохранения импульса.

Изотропность пространства, т. е. одинаковость его свойств по всем направлениям. Из этого следует закон сохранения момента импульса.

Принцип относительности, определяющий одинаковость законов природы во всех системах отсчета. Из него вытекает сохранение скорости движения центра масс.

Обратимость процессов во времени - действует только на уровне макромира. Фундаментальные физические законы не изменяются при обращении знака времени. На уровне микромира наблюдается необратимость процессов. Считают, что это связано с неравновесным состоянием Вселенной.

Зеркальная симметрия природы - не изменяет физических законов любого природного объекта.

Зарядовое сопряжение - замена частиц на античастицы не изменяет природных процессов.

Зеркальная симметрия и зарядовое сопряжение сохраняется только при сильных и электромагнитных взаимодействиях, тогда как остальные симметрии выполняются при любых взаимодействиях.

К внутренним симметриям относятся:

1.      1.       Неизменность суммы электрических зарядов элементарных частиц. В этом состоит закон сохранения электрического заряда.

2.      2.       Постоянство числа тяжелых частиц и античастиц ядра (барионов) не изменяется при любых процессах.

3.      3.       Неизменность числа лептонов и антилептонов (легких частиц) при превращениях элементарных частиц.

4.      4.       Изотопическая инвариантность - связана с сильным ядерным взаимодействием между протонами и нейтронами. Эти частицы различаются только наличием положительного заряда у протона. При сильных взаимодействиях они выступают как одна частица. Поэтому Гейзенберг предложил рассматривать  протон и нейтрон как два разных состояния одной частицы - нуклона. Атомы, ядра которых различаются только числом нейтронов, называются изотопами, поэтому данный тип симметрии получил название изотопической.

На основе теорий Большого и Суперобъединения физики пришли к идее суперсимметрии, т. е. симметрии, объединяющей все типы элементарных частиц в единое целое на основе теории суперструн и геометрии искривленного пространства.

Законы симметрии имеют однозначный, динамический характер, не допускающий статистического (вероятностного) разброса физических величин.

Принцип соответствия был сформулирован Н. Бором в 1923 г. Он определяется тем, что фундаментальные физические теории и законы не являются абсолютно точным отражением действительности. Каждая фундаментальная теория имеет определенные границы применимости.

По мере развития науки менее точные теории заменяются более точными. Физические теории должны быть преемственны. Никакая новая теория не может быть справедливой, если не содержит предельного случая старой, оправдавшей себя в данной области. Так, классическая механика Ньютона правильно описывает движение в макромире при скоростях намного меньших, чем скорость света. Теория относительности справедлива для описания тел любых уровней с любыми скоростями.

Каждая физическая теория является относительной истиной. Смена теорий - это процесс приближения к абсолютной истине. Этот процесс никогда не будет полностью завершен из-за бесконечной сложности и разнообразия окружающего бытия.

Принцип дополнительности возник в физике как попытка осознания противоречий микромира, связанных с открытием квантово-волнового дуализма. Согласно принципу дополнительности  Бора, для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий - частиц и волн. Только совокупность таких понятий дает исчерпывающую информацию об объектах микромира.

Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей Гейзенберга. Элементарные частиц, совмещающие в себе одновременно свойства частицы и волны не могут рассматриваться как материальные точки. Поэтому их координаты, импульс и энергия могут быть заданы лишь приблизительно, на основе вероятностных законов. Поэтому в модели атома Бора электроны изображены как пространственные облака различной формы.

Принцип суперпозиции (наложения) имеет важное значение в физике, особенно в квантовой механике. Это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым явлением в отдельности. Например, правило параллелограмма, которое применяется для сложения сил, действующих на тело. В классической механике этот принцип не универсален и выполняется лишь приближенно.

В микромире принцип суперпозиции является фундаментальным, в соответствии с ним складываются альтернативные, исключающие друг друга состояния. Например, при аннигиляция электрона и позитрона принцип суперпозиции допускает возникновение безмассовых незаряженных частиц - фотонов.