Вопрос 6. Принципы современной физики.

Наиболее общие законы, влияние которых распространяется на все физические процессы, были названы принципами современной физики.

1. Принцип симметрии и законы сохранения.

Симметрия в физике – это свойство физических величин оставаться неизменными (инвариантными) при определенных преобразованиях.

Из принципа симметрии вытекают законы сохранения.

Симме́три́я (симметрии) — одно из фундаментальных понятий в современной физике, играющее важнейшую роль в формулировке современных физических теорий. Симметрии, учитываемые в физике, довольно разнообразны, начиная с симметрий обычного трёхмерного «физического пространства» (такими, например, как зеркальная симметрия), продолжая более абстрактными и менее наглядными (такими как калибровочная инвариантность).

Некоторые симметрии в современной физике считаются точными, другие — лишь приближёнными. Также важную роль играет концепция спонтанного нарушения симметрии.

Исторически использование симметрии прослеживается с древности, но наиболее революционным для физики в целом, по-видимому, стало применение такого принципа симметрии, как принцип относительности (как у Галилея, так и у Пуанкаре — Лоренца —Эйнштейна). Этот принцип стал затем образцом для введения и использования в теоретической физике других принципов симметрии (принцип общей ковариантности, являющийся прямым расширением принципа относительности).

Суперсимме́трия или симме́трия Ферми́ — Бозе́ —гипотетическая симметрия, связывающая бозоны и фермионы в природе. Ожидается, что Большой адронный коллайдер сможет открыть и исследовать суперсимметричные частицы, если они существуют, или поставить под большое сомнение суперсимметричные теории, если ничего не будет обнаружено.

Принцип соответствия

Утверждает преемственность физических теорий. Был сформулирован датским физиком Нильсом Бором в 1923 г.

В общей форме этот принцип формулируется так: теории, доказанные экспериментально для определенной группы явлений, с построением новой теории не отбрасываются, а 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 этих старых теорий. Теория Ньютона является частным (предельным) случаем общей теории относительности Эйнштейна.

Новые теории не отрицают старых именно потому, что старые теории отражают объективные закономерности природы.

Принцип дополнительности и соотношение неопределенностей

Всем микрообъектам присущ корпускулярно-волновой дуализм. Каким образом эти противоречивые свойства совмещаются у одного объекта? Ответ на этот вопрос Нильс Бор дал в 1927 г.

Прежде всего, подчеркнул ученый, наши органы чувств не воспринимают микропроцессы. Для этого есть соответствующие макроскопические приборы.

Макроприборы подчиняются законам классической физики и должны переводить информацию о явлениях в микромире на язык понятий классической физики. Следовательно, любое явление в микромире не может быть проанализировано как отдельно взятое, а обязательно должно включать в себя взаимодействие с классическим макроскопическим прибором. С помощью такого прибора мы можем исследовать либо корпускулярные свойства микрообъектов, либо – волновые, но не те и другие одновременно. Обе стороны объекта должны рассматриваться как дополнительные друг к другу.

Согласно принципу дополнительности Н. Бора, для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий (частица и волна). Только совокупность измерений в обоих направлениях дает полную информацию о квантово-механических явлениях как о целостных.

Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей Гейзенберга.

Согласно этому соотношению, чем точнее фиксирован импульс, тем большая неопределенность будет в значении координаты. Пример: частица с определённым значением энергии, находящаяся в коробке с идеально отражающими стенками. Она не характеризуется ни каким-либо определённым «положением» (волновая функция частицы делокализована на всё пространство коробки, то есть ее координаты не имеют определенного значения, локализация частицы осуществлена не точнее размеров коробки), ни определённым значением импульса (учитывая его направление!). Также соотносятся энергия и время. Точность измерения энергии обратно пропорциональна длительности процесса измерения. Причина этого во взаимодействии прибора с объектом измерения. Рассмотрим переменный во времени сигнал, например, звуковую волну. Бессмысленно говорить о частотном спектре сигнала в какой-либо момент времени. Для точного определения частоты необходимо наблюдать за сигналом в течение некоторого времени, таким образом, теряя точность определения времени. Другими словами, звук не может одновременно иметь и точное значение времени его фиксации, как его имеет очень короткий импульс, и точного значения частоты, как это имеет место для непрерывного (и в принципе бесконечно длительного) чистого тона (чистой синусоиды).