Основополагающие принципы и понятия физического естествознания
В
качестве итога изложения концептуальных принципов и понятий физического
естествознания, содержащихся в главах 3, 4 и в предыдущих пунктах, можно
констатировать существование следующих фундаментальных
принципов, представленных ниже с их кратким разъяснением.
- Принцип
относительности — закон,
состоящий в том, что любой процесс протекает
одинаково в изолированных инерциальных материальных системах,
системах, покоящихся либо равномерно прямолинейно движущихся относительно друг
друга. Принцип относительности утверждает равноправие
всех инерциальных систем отсчета. Особо следует выделять принцип
относительности к средствам наблюдения, устанавливающего связь макро- и микромиров. - Принцип
распространения света — скорость
распространения света в вакууме (пустоте) не
зависит от скорости источника и является предельной для любых физических скоростей. - Принцип
суперпозиции в классической
физике — утверждение, состоящее в том, что результирующий эффект от независимых
воздействий представляет собой линейную
сумму эффектов от каждого воздействия в отдельности.
Принцип суперпозиции состояний в
квантовой физике — утверждение, состоящее в том, физическая система может
находиться как в состояниях, описываемых двумя (или несколькими) волновыми
функциями, так и в состояниях, описываемых любой линейной комбинацией этих функций. Принцип суперпозиции
можно понимать как принцип линейных независимых наложений воздействий или
состояний друг на друга.
- Принцип
корпускулярно-волнового дуализма (принцип
волновых свойств материи) — утверждение, заключающееся в том, что любые
микрообъекты материи (фотоны, электроны, протоны, атомы, молекулы и др.)
обладают свойствами и частиц (корпускул) и волн, количественные связи энергии,
массы, импульса и частоты которых определяются соотношениями де Бройля. - Принцип
неопределенности Гейзенберга —
принцип квантовой физики, утверждающий, что характеризующие физическую систему
так называемые дополнительные физические величины (координата и импульс,
энергия и время и др.) не могут одновременно принимать точные значения и не
могут быть потому одновременно точно измерены. Количественная связь
неопределенностей (погрешностей) в определении дополнительных величин ограничивается
их произведением, равным или превосходящим постоянную Планка. - Принцип
тождественности частиц (микромира) —
положение квантовой физики, согласно которому состояния системы частиц
(микрообъектов), получающиеся друг из друга перестановкой
местами тождественных (неотличимых) частиц, нельзя различить ни в
каком эксперименте, и такие состояния должны приниматься как одно физическое
состояние. Из указанного принципа следует симметрия
волновой функции системы тождественных частиц. - Принцип запрета Паули —
закон природы, согласно которому в какой-либо квантовой системе тождественных
частиц с полуцелым спином (например, электроны, протоны и др.) две или более
частицы не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии (именно это запрещено — быть в одинаковом состоянии).
8. Принцип
эквивалентности (гравитационной и
инертной масс) — закон природы, который устанавлива-
ет
аналогию между свободным движением тел, наблюдаемым в неинерциальной
(ускоренной) системе отсчета, и движением тел в поле тяготения. Принцип
утверждает эквивалентность ускоренных систем отсчета некоторому гравитационному
полю.
9. Принцип
дополнительности Бора — принцип, со
гласно которому существуют две взаимоисключающие и
дополняющие друг друга импульсно-энергетическая и про
странственно-временная картины состояний микрообъек
та, получаемые при взаимодействии его с соответствую
щими измерительными приборами. Одновременные точ
ные данные о них невозможны.
- Принцип
соответствия Бора — утверждение,
состоящее в том, что новая, более глубокая и общая теория, своими следствиями и
выводами должна включать в себя старую теорию как предельный случай (например,
релятивистская механика Эйнштейна при малых скоростях — классическую механику
Ньютона и др.). - Принцип
калибровочной инвариантности (компенсации) в
теории полей — преобразование, задающее переход от одних значений,
характеризующих поле величин, к другим,
оставляющим без изменения физически определенные, наблюдаемые (измеряемые) на
опыте параметры поля. Например, в электродинамике — переход от одних
значений электрических потенциалов к другим, оставляющий без изменения значения
напряженностей электрического и магнитного полей, плотность их энергии и т. д. Компенсация за такое преобразование
сводится к появлению агента, переносящего
то или иное свойство микрообъекта в пространстве
и времени — например, агента взаимодействия электрических зарядов
посредством (или в виде) электромагнитного поля или фотонов. Данный принцип
является всеобщим (всеобъемлющим) принципом природы.
Нижеследующие принципы:
- Принцип
спонтанного нарушения симметрии и - Принцип перенормируемости являются характерными для мира элементарных частиц и связаны с методами их классификации на унитарной основе и исключения бесконечных величин, возникающих в квантово-полевых теориях.
Термодинамические
принципы:
- Первый принцип
(первое начало) термодинамики, - Второй принцип
(второе начало) термодинамики, - Третий принцип
(третье начало) термодинамики, - Принцип
минимума производства энтропии в достаточной
полноте истолкованы нами в заключительной части данного пункта, тогда как
основанный на них - Принцип
необратимости (движения и времени) в
естествознании еще только начинает формироваться и не имеет общепринятого
толкования и осмысления.
Представленные
выше фундаментальные принципы позволяют сформулировать основные выводы о
физической природе материального мира частиц, полей и их систем. Ниже, в виде
обобщающих положений, они приведены с указанием имен ученых, внесших
определяющий вклад в их творение и осмысление.
Физика частиц и полей
1.
Макромир состоит из дискретных и континуальных объектов — частиц и полей (волн)
(Демокрит, Зенон Элей-ский, Дальтон, Фарадей, Максвелл).
2.
Движение объектов относительно и сохраняется в отсутствие взаимодействий.
Состояния покоя и равномерного прямолинейного движения неразличимы никакими
физическими опытами (Галилей, Ньютон, Лоренц, Пуанкаре, Эйнштейн, Нетер).
- Поля (свет,
гравитация, в том числе) распространяются с постоянной предельной
скоростью (Майкельсон, Морли, Эйнштейн), объединяя в единое многообразие
пространство и время — в пространство-время (Минковский). - Корпускулярная (дискретная) и
континуальная (полевая) форма материи в микромире дуально едина (де Бройль,
Шредингер, Дирак), калибровочно-инвариантна (Лоренц, Янг, Миллс), имея проявлением
неустранимую неопределенность их пространственно-временных и
им-пульсно-энергетических состояний (Гейзенберг) и взаимопревращений друг в
друга. - Разнообразные
свойства всех микрообъектов кванто-ванно минимизированы — электрический заряд (Милликен), спин (Гаудсмит, Уленбек), магнитный момент (Бор), изос-пин (Гейзенберг), странность (Гелл-Манн), барионный
заряд, аромат, цвет — и переносятся, передаются от одного к другому
связывающими их агентами — фотонами, мезонами, векторными бозонами, глюонами (Планк, Эйнштейн, Тамм, Иваненко,
Ферми, Юкава, Янг, Миллс, Гелл-Манн, Цвейг, Боголюбов, Матвеев, Фадеев, Салам,
Вайнберг). - Искривленное
пространство-время макро- и мегамиров (Клиффорд, Лобачевский, Риман) создано материей
(Эйнштейн) и простирается (распространяется), расширяясь (Фридман, Хаббл), от предельно плоских (Евклид) локальных областей к предельно искривленным областям — черным дырам (Лаплас, Оппенгеймер,
Снайдер, Пенроуз, Хокинг).
Физика термодинамических систем
1.
а) внутренняя энергия систем в основном зависит от температуры и может
совершать работу (Карно, Майер, Джоуль,
Ленд, Гельмгольц) либо б) работа систем возможна за счет понижения
температуры.
- а) мера неупорядоченности (хаоса)
системы, энтропия, остается
неизменной только для обратимых процессов, возрастая при всех остальных
(Клаузиус, Больцман) либо б) мера хаоса (энтропия) в системе нарастает в
результате обмена с внешней средой, порождая необратимость движения и времени. - а) энтропия систем стремится к нулю при
стремлении к нулю абсолютной температуры
(Нернст) либо б) наивысший порядок в системе может быть достигнут при абсолютном
нуле температуры. - Производство энтропии системой
минимально в стационарном состоянии (Пригожин).