тема 5. общие физические принципы

Салима Адер

salima.ader@gmail.com

5.1. Причинность и случайность. Физика как учение о наиболее общих базовых связях мира. Познавательная и предсказательная

ценность физики. Связанные с физикой опасности

• Причинность — это такая генетическая связь между явлениями, при которой одно явление, называемое причиной, при наличии определённых условий с необходимостью порождает, вызывает к жизни другое явление, называемое следствием.

• Утверждение о всеобщем характере причинной обусловленности явлений называется принципом причинности: «Всякое изменение в состоянии какого бы то ни было материального тела может быть вызвано только материальным воздействием, определённым материальным процессом».

• В микромире — через статистические, случайные (вероятностные) закономерности. Вероятностные законы являются более глубокими, более фундаментальными.

5.1.2. Физика как учение о наиболее общих базовых связях мира. Познавательная и предсказательная ценность физики.

Связанные с физикой опасности

• Научная теория содержит постулаты, определения, гипотезы и законы, объясняющие наблюдаемое явление. (Постулат — это базовое утверждение для какой-то гипотезы).

• Особенно ценной в физике считается теория, предсказывающая новые экспериментальные эффекты, которые не могут быть объяснены в рамках прежней теории.

• Одной из центральных проблем, которые характеризуют особенности современной физики, является вопрос об ответственности учёных перед обществом: «Насколько и в какой мере учёные ответственны за последствия применения их идей или технических разработок? В какой мере они причастны к многочисленным и многообразным негативным последствиям использования достижений науки и техники?»

5.2. Принципы в физике (действующие в отношении природы самые распространённые представления, действие которых

доказывает абсолютное соответствие вытекающих из них выводов с экспериментом). Сравнение с математикой (аксиомы)

• Принцип (от латинского pricipium — основа, первоначало). Этот термин используется в двух значениях. Первое значение —основное, исходное положение какой-либо теории, учения. Второе значение — закон. Например, «принцип сохранения энергии» и «закон сохранения энергии» — синонимичные выражения.

• Принцип наблюдаемости требует, чтобы в науку вводились не умозрительные, а наблюдаемые величины.

• Принцип воспроизводимости состоит в утверждении, что экспериментальные результаты признают достоверными, если они воспроизводимы. Это значит, что эксперимент, выполненный в какой-либо лаборатории, может быть повторен и приведёт к тем же результатам в любой другой лаборатории.

К числу важнейших принципов отбора относят законы сохранения. Законы сохранения в физике считаются наиболее общими законами природы. Они говорят нам о тех величинах, которые сохраняются при различных взаимодействиях и превращениях. • Закон сохранения энергии имеет абсолютный характер, т.е.

нарушение его до сих пор не наблюдалось. Это позволило сделать вывод о невозможности создания вечного двигателя.

• Принцип соответствия. Этот принцип сыграл важную роль в развитии и становлении квантовой физики. Согласно этому принципу квантовая механика содержит в себе классическую как предельный случай. Принцип соответствия является в квантовой физике неотъемлемой частью теории.

• Принцип соответствия считается одним из важнейших достижений всего естествознания в ХХ в. Благодаря ему история физической науки предстаёт перед нами не как хаотическая смена различных теорий, не как череда их крушений, а как закономерный и последовательный процесс развития познания, идущего ко всё более широким обобщениям, как познавательный прогресс, каждая ступень которого имеет объективную ценность.

5.3. Доля и целая часть. Атомистический принцип (природа не делится бесконечно на части одним и тем же способом). Атомистика в физике и химии.

• Атом состоит из электронов, протонов и нейтронов (рис. 1а)). По современным представлениям, протон и нейтрон являются сложными частицами, состоящими из трёх кварков (рис. 1 б)).

5.3.2. Принцип минимума энергии (все объекты природы стараются перейти в состояние с наименьшей энергией)

• Принцип минимума потенциальной энергии:

если равновесие тела или системы тел обусловлено действием только потенциальных сил — тяготения, упругости или электростатических сил, — то положению устойчивого равновесия соответствует минимальное значение потенциальной энергии.

• Вот как можно применить этот принцип к нескольким классическим задачам. На рисунке показаны три возможных случая равновесия шара, находящегося на опоре.

• а) устойчивое; б) неустойчивое; в) безразличное

5.3.3. Принцип запрета (материальные объекты нельзя поместить друг в друга)

• В макромире две вещи не могут одновременно занимать одно и то же место. Но действует ли эта аксиома по отношению к микрочастицам? Выясняется, что — да, по крайней мере, в отношении электрона — действует.

• Физик Вольфганг Паули обнаружил странный принцип запрета: электроны всячески избегали совместно занимать одну и ту же орбиту. Как оказалось, принцип Паули имеет всеобщее значение и справедлив для любых атомов и систем, содержащих электроны. Этот принцип приводит к тому, что электроны в своём коллективном движении вокруг ядра образуют развитую конфигурацию «скорлупок», или оболочек. Действительно, все электроны не могут одновременно занять самую низкую орбиту.

5.4. Сложение полей или принцип суперпозиций. Принцип абсолютных скоростей (движение поля относительно вещества происходит всегда с наибольшей возможной скоростью или с

абсолютной скоростью, в то время как движение между материальными объектами относительное)

• Принцип суперпозиции утверждает, что результат одновременного воздействия на данный объект нескольких объектов может быть вычислен как сумма результатов воздействия каждого из них в отдельности. Этот принцип используется в механике, электродинамике, теории электрических цепей, квантовой механике.

• Электромагнитные поля распространяются со скоростью примерно 300 000 км/c. Скорость электромагнитной волны имеет удивительную особенность — она является максимальной скоростью, с которой может распространяться материальный объект, и не зависит от системы отсчёта. Скорость света абсолютна.

5.5.1. Сущность релятивистской физики

• Альберт Эйнштейн создал новую теорию — теориюотносительности, или релятивистскую механику (от английского relаtivity — относительность).

• Теория относительности — новое объяснение пространства и времени и их взаимодействия с материей (новое по отношению к старому — ньютоновскому или классическому).

• Для макромира пространство и время абсолютны, а для мегамира они относительны. Это и показал Эйнштейн в своей теории относительности. Этот вывод связан с тем, что при скоростях, близких к скорости света, пространство и время меняются: время замедляется, а пространство искривляется, перестаёт быть евклидовым. Такого рода эффекты характерны только для движения со скоростями, близкими к скорости света.

5.5.2. Эквивалентность массы и энергии