Фундаментальные законы и принципы

ЛЕКЦИЯ 3
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ И ПРИНЦИПЫ (продолжение)
12. ПРОСТРАНСТВО, ВРЕМЯ, ПРИНЦИПЫ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ. Вопросы пространства и
времени всегда интересовали человеческое общество. Одна из концепций этих понятий
идет от древних атомистов – Демокрита и Эпикура. Они ввели в научный оборот понятие
пустого пространства и рассматривали его как однородное и бесконечное.
В процессе создания общей картины мироздания И.Ньютон также занимался
вопросом понятия пространства и времени. По Ньютону, мир состоит из материи,
пространства и времени, которые независимы друг от друга. Материя у Ньютона
размещается в бесконечном пространстве, а ее движение происходит в пространстве и
времени. Ньютон разделял пространство на абсолютное и относительное. Абсолютное
пространство неподвижно и бесконечно. Относительное пространство – это часть
абсолютного. Так же он классифицировал и время. Под абсолютным, истинным
(математическим) временем автор понимал время, которое течет всегда и везде
равномерно, безотносительно к каким-либо событиям, а относительное время, с его точки
зрения, есть мера продолжительности, которая существует в реальной жизни. Абсолютное
пространство и абсолютное время, по мнению автора, представляют собой вместилище
всех материальных тел и пространств и не зависят ни от этих тел, ни от этих процессов, ни
друг от друга.
Изучив и выявив закономерности движения, Ньютон сформулировал законы
движения:
1. Всякое материальное тело сохраняет состояние покоя или равномерного
прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других
тел не заставит его изменить это состояние. Стремление тела сохранить
состояние покоя или прямолинейного равномерного движения называется
инертностью.
2. Ускорение, приобретаемое телом, прямо пропорционально силе,
действующей на тело, и обратно пропорционально массе тела.
3. Силы, с которыми действуют друг на друга взаимодействующие тела, равны
по величине и противоположны по направлению.
Систему, в которой выполняется первый закон Ньютона, Галилей назвал
инерциальной. Инерциальные системы – это такие системы, в которых справедлив закон
инерции (1-ый закон Ньютона). Опытным путем доказано, что гелиоцентрическую
систему отсчета можно считать инерциальной, а геоцентрическую – неинерциальной.
Для инерциальных систем отсчета выполняется механический принцип – принцип
относительности Галилея: во всех инерциальных системах отсчета законы классической
динамики имеют одинаковую форму. Этот принцип означает, что уравнения динамики
при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, то есть,
инвариантны по отношению к преобразованию координат.
Французский физик А.Пуанкаре распространил механический принцип
относительности на все электромагнитные явления. А.Эйнштейн использовал этот
принцип для специальной теории относительности (СТО), постулаты которой он
предложил в 1905 году:
 Постулат первый – ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ – никакие опыты
(механические, электрические, оптические), проведенные в данной
инерциальной системе отсчета, не позволяют обнаружить, покоится ли эта
система или движется равномерно и прямолинейно. При этом
пространство и время связаны и зависимы друг от друга (у Галилея и
Ньютона пространство и время независимы друг от друга). Этот постулат
потребовал отказаться от ньютоновского дальнодействия.

Постулат второй - ПРИНЦИП ИНВАРИАНТНОСТИ СКОРОСТИ СВЕТА –
скорость света в вакууме не зависит от скорости движения его источника
или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.
Этот постулат Эйнштейн предложил после анализа электродинамики
Максвелла.
В теории относительности предложены принципиально новые оценки
пространственно-временных отношений между физическими объектами (релятивистские
эффекты). Под релятивистскими эффектами в теории относительности понимают
изменения простанственно-временных характеристик тел при скоростях, соизмеримых со
скоростью света. В качестве примера обычно рассматривается космический корабль,
который летит со скоростью, соизмеримой со скоростью света. При этом неподвижный
наблюдатель может заметить три релятивистских эффекта:
1. Увеличение массы по сравнению с массой покоя. Эйнштейн доказал,
что масса тела есть мера содержащейся в ней энергии.
2. Сокращение линейных размеров тела в направлении его движения.
3. Замедление времени.
Результатом развития специальной теории относительности является общая
теория относительности (ОТО), которая опубликована Эйнштейном в 1916 году. Она
основывается на двух постулатах СТО и формулирует третий постулат – ПРИНЦИП
ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ ИНЕРТНОЙ И ГРАВИТАЦИОННОЙ МАСС. Важнейшим выводом ОТО
является положение об изменении геометрических (пространственных) и временных
характеристик в гравитационных полях, а не только при движении с большими
скоростями. В ОТО орбиты планет незамкнуты. Эффекты ОТО играют определяющую
роль в объяснении появлении «черных дыр»: «черная дыра» возникает тогда, когда звезда
сжимается настолько сильно, что существующее гравитационное поле не выпускает во
внешнее пространство даже свет. В 1918 году А.Эйнштейн предсказал на основе ОТО
существование гравитационных волн: массивные тела, двигаясь с ускорением, излучают
гравитационные волны. На основании уравнений относительности отечественный
математик-физик А.Фридман в 1922 году нашел новое космологическое решение
уравнений ОТО. Это решение указывает на то, что наша Вселенная не стационарна, она
непрерывно расширяется. Фридман нашел два варианта решения уравнений Эйнштейна,
то есть два варианта возможного развития Вселенной. В зависимости от плотности
материи Вселенная или будет и далее расширяться, или через какое-то время начнет
сжиматься.
Рассматривая второй и третий законы движения Ньютона, мы получим закон
сохранения количества движения (закон сохранения импульса), который гласит
следующее: если сумма внешних сил равна нулю, то импульс системы остается
постоянным при любых происходящих в ней процессах. Этот закон справедлив не только
для объектов классической физики, но и для замкнутых систем микрочастиц,
подчиняющихся принципам квантовой механики. Иными словами, импульс замкнутой
системы сохраняется, то есть не изменяется с течением времени. То же самое можно
сказать и про момент импульса, который является физической величиной описывающей
вращающееся тело.
Свойство неуничтожимости материи и ее движения проявляется в законе
сохранения энергии. Энергия – это универсальная мера различных форм движения и
взаимодействия. Кинетическая энергия механической системы – это энергия
механического движения этой системы. Энергия движущегося тела в данном случае
возрастает на величину затраченной работы, которая совершает сила, перемещающая
данное тело. Потенциальная энергия – это энергия системы тел, которые
взаимодействуют посредством силовых полей. Работа, совершаемая этими силами, при
перемещении тела из одного положения в другое не зависит от траектории движения, а
зависит от начального и конечного положения тела в силовом поле. Полная механическая
энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергии. Закон сохранения энергии,
который был сформулирован в 1686 году Лейбницом, гласит: в системе тел, между
которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия
сохраняется, то есть не изменяется со временем. При этом могут происходить
превращения кинетической энергии в потенциальную и обратно в эквивалентных
количествах. Консервативные силы действуют только в потенциальных полях, когда
работа не зависит от траектории перемещения. Если работа, совершаемая силой, зависит
от траектории перемещения тела, то такая сила называется диссипативной.
Механические системы, на тела которых действуют только консервативные силы,
называются консервативными системами. Поэтому закон сохранения механической
энергии можно сформулировать еще и так: в консервативных системах полная
механическая энергия сохраняется. В диссипативных системах механическая энергия
постепенно уменьшается из-за преобразования ее в другие формы энергии. Такой процесс
называется диссипацией, или рассеиванием энергии. Все реальные системы в природе
диссипативные. Физическая сущность закона сохранения и превращения энергии
заключается в том, что энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь
превращается из одного вида в другой.
На всех структурных уровнях материального мира справедлив и закон сохранения
заряда: в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов системы остается неизменной
во времени, какие бы процессы ни происходили внутри этой замкнутой системы. Закон
сохранения заряда вместе с законом сохранения энергии характеризует устойчивость
электрона.
Для понимания свойств объектов природы и природных процессов важен принцип
инвариантности относительно смещения в пространстве и во времени. Этот принцип
формулируется следующим образом: смещение в пространстве и во времени не влияет на
протекание физических процессов. Инвариантность структуры, свойств, формы
материального объекта относительно его преобразований называется симметрией.
Симметрии делят на пространственно-временные и внутренние. Внутренние симметрии
относятся только к микромиру. В физике симметрия определяется следующим образом:
если физические законы не меняются при определенных преобразованиях, то считается,
что эти законы обладают симметрией относительно этих преобразований. К
пространственно-временным физическим симметриям относят:
 Сдвиг времени. Изменение начала отсчета не изменяет физических законов.
Время однородно по всему пространство.
 Сдвиг системы отсчета пространственных координат. Такая операция не
изменяет физических законов. Все точки пространства равноправны, и
пространство однородно.
 Поворот системы отсчета пространственных координат также сохраняет
физические законы неизменными – значит, пространство изотропно.
 Классический принцип относительности Галилея устанавливает симметрию
между покоем и равномерным прямолинейным движением.
 Обращение знака времени не изменяет фундаментальных законов в
макромире, то есть процессы макромира могут описываться и при
обращении знака времени. На уровне макромира наблюдается
необратимость процессов, так как они связаны с неравновесным состоянием
Вселенной.
В химии симметрии проявляются в геометрической конфигурации молекул. Это
определяет химические и физические свойства молекул.
В биологии симметрии проявляются в структурной симметрии биообъектов
(точечной, аксиальной и актиноморфной).
Широко известна симметрия кристаллов, что связано с симметрией физических
свойств кристаллов.
В 1918 году немецкий математик Эмми Нетер доказала фундаментальную теорему,
которая устанавливает связь между свойствами симметрии и законами сохранения. Суть
теоремы заключается в том, что непрерывными преобразованиями в пространствевремени, являются: сдвиг во времени, сдвиг в пространстве, трехмерное пространственное
вращение, четырехмерные вращения в пространстве-времени. Согласно теореме Нетер, из
инвариантности относительно сдвига во времени следует закон сохранения энергии; из
инвариантности относительно пространственных сдвигов – закон сохранения импульса;
из инвариантности относительно пространственного вращения – закон сохранения
момента импульса; инвариантность относительно преобразований Лоренса
(четырехмерные вращения в пространстве-времени) – обобщенный закон движения
центра масс: центр масс релятивистской системы движется равномерно и прямолинейно.
Теорема Нетер относится не только к пространственно-временным симметриям, но и к
внутренним.
13.ПРИНЦИП ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТИ. Принцип дополнительности является
основополагающим в современной физике. Понятие дополнительности было введено в
науку Н.Бором в 1928 году. Этим принципом мы практически всегда оперируем в жизни.
Чтобы описать какой-нибудь объект мы пользуемся несколькими характеристиками для
полного понимания сути данного объекта. При этом одна характеристика дополняет
другую. Формулировка принципа принадлежит известному физику Д.Бому и в общей
форме звучит так: в области квантовых явлений наиболее общие физические свойства
какой-либо системы должны быть выражены с помощью дополняющих друг друга пар
независимых переменных, каждая из которых может быть лучше определена только за
счет соответствующего уменьшения степени определенности другой. Особенно ярко
принцип дополнительности выступает в микромире.
14. ПРИНЦИП НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ГЕЙЗЕНБЕРГА. Принцип неопределенности
является фундаментальным законом микромира. Его можно считать частным выражением
принципа дополнительности. В 1927 году В.Гейзенберг, учитывая двойственную природу
микрочастиц, пришел к выводу, что невозможно одновременно с любой наперед заданной
точностью характеризовать микрочастицу и координатами, и импульсом.
15. ПРИНЦИП СООТВЕТСТВИЯ. Объективно имеет место преемственность
фундаментальных физических теорий. В сущности это и есть принцип соответствия,
который можно сформулировать следующим образом: 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.
16. ПРИНЦИП ДЕТЕРМИНИЗМА. Детерминизмом называется философское учение об
объективности закономерной взаимосвязи и взаимообусловленности явлений
материального и духовного мира. Центральным понятием детерминизма является
положение о существовании причинности. Причинность имеет место тогда, когда одно
явление порождает другое явление (следствие). Классическая физика стоит на позициях
жесткого детерминизма, который называют лапласовским, так как именно Пьер Симон
Лаплас провозгласил принцип причинности как фундаментальный закон природы. Лаплас
пытался объяснить весь мир, в том числе физиологические, психологические, социальные
явления с точки зрения механистического детерминизма, который он рассматривал как
методологический принцип построения всякой науки. Лапласовский детерминизм отрицал
объективную природу случайности, понятие вероятности события. В этом заключается
«крушение» лапласовского детерминизма, так как все формы реальных взаимодействий
явлений образуются на основе всеобщей действующей причинности, вне которой не
существует ни одного явления действительности, в том числе и так называемых
случайных явлений, в совокупности которых проявляются статические законы.
17. НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ЭНТРОПИИ. Классическая
термодинамика возникла во второй половине 19 столетия из обобщения многочисленных
фактов, которые описывали явления передачи, распространения и превращения тепла.
Термин «термодинамика» был введен в научную литературу в 1854 году В.Томсоном.
Термодинамика – это наука о наиболее общих свойствах макроскопических тел и систем,
находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода из
одного состояния в другое. Законы термодинамики описывают тепловые свойства тел,
число молекул в которых огромно. Такие тела называются макросистемами. Тепловые
свойства макросистем определяются термодинамическими параметрами: температурой,
давлением и удельным объемом. Эти параметры называются функциями состояния
системы. Время в явном виде как параметр в термодинамике не используется.
Классическая термодинамика изучает физические объекты материального мира только в
состоянии термодинамического равновесия. Термодинамическое состояние равновесия с
точки зрения классической термодинамики – это то состояние, в которое с течением
времени приходит система, находящаяся при определенных неизменных внешних
условиях и определенной постоянной температуре. Всякая предоставленная самой себе
система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия, в котором тела
находятся в состоянии покоя по отношению друг к другу, обладая одинаковыми
температурой и давлением. Равенство температур во всех точках есть условие
равновесия двух систем или двух частей одной системы – это положение называется
нулевым началом термодинамики. Достигнув равновесия, система сама по себе из него
не выходит. В системе тел, находящихся в термодинамическом равновесии, без внешнего
вмешательства невозможны никакие реальные процессы. Следовательно, первое - с
помощью тел, находящихся в термодинамическом равновесии невозможно совершить
никакой работы, так как работа связана с механическим движением, то есть с переходом
тепловой энергии в кинетическую; второе - все термодинамические процессы,
приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы. Всякая термодинамическая
система в любом состоянии обладает внутренней энергией – энергией теплового
(поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной
энергией их взаимодействия. Возможно два способа изменения внутренней энергии
термодинамической системы при ее взаимодействии с внешними телами: совершение
работы и теплообмен. При всех термодинамических превращениях выполняется закон
сохранения энергии не только внешних, но и внутренних движений. Это утверждение
составляет основу первого начала термодинамики: количество теплоты, сообщенное
телу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение телом работы. Из
первого начала термодинамики следует важный вывод о невозможности создания вечного
двигателя первого рода, то есть такого двигателя, который совершал бы работу «из
нечего», без внешнего источника энергии. Второе начало термодинамики
сформулировал французский ученый С.Карно: невозможно осуществить процесс,
единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу при
постоянной температуре. Иногда этот закон выражают в более простой форме: тепло не
может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему. Второе начало
термодинамики вводит в рассмотрение новую функцию состояния – энтропию. Энтропия
является количественной характеристикой теплового состояния системы. Тогда с точки
зрения изменения порядка (энтропии) второе начало термодинамики будет звучать
следующим образом: энтропия замкнутой системы, то есть системы, которая не
обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает.
Это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка,
хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия.
Поскольку об изменении систем в классической термодинамике мы можем судить по
увеличению их энтропии, то последняя и выступает в качестве своеобразной «стрелы
времени». В механических процессах время выступает как параметр, знак которого можно
менять на обратный, и таким образом вернуться к исходному состоянию системы. Ничего
подобного не встречается в термодинамических процессах, которые являются
необратимыми по своей природе. Термодинамика впервые ввела в физику понятие
времени в необычной форме, а именно необратимого процесса возрастания энтропии в
системе. Чем выше энтропия системы, тем больший временной промежуток прошла
система в своей эволюции.
Такое понятие времени и особенно эволюции системы коренным образом
отличается от понятия эволюции, которое лежало в основе теории Дарвина. В то время
как в дарвиновской теории происхождения новых видов растений и животных путем
естественного отбора эволюция направлена на выживание более совершенных организмов
и усложнение их организации, в термодинамике эволюция связывалась с дезорганизацией
систем. Это противоречие оставалось вплоть до 60-ых годов прошлого столетия, пока не
появилась новая, неравновесная термодинамика, которая опирается на концепцию
необратимых процессов. Термодинамика необратимых процессов возникла в 50-ые годы
прошлого столетия на базе классической термодинамики. Примером необратимости
является передача тепла от более нагретого тела к менее нагретому, при невозможности
обратного процесса.
Классическая термодинамика оказалась неспособной решить и космологические
проблемы в отношении характера процессов, происходящих во Вселенной. Первую
попытку распространить законы термодинамики на Вселенную предпринял Р.Клаузиус,
выдвинувший два постулата:
 Энергия Вселенной всегда постоянна;
 Энтропия Вселенной всегда возрастает.
Если принять второй постулат, то необходимо признать, что все процессы во
Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия,
соответствующего максимуму энтропии, а, следовательно, состояния, характеризуемого
наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. В таком случае во Вселенной
наступит «тепловая смерть». Ошибочность вывода о тепловой смерти Вселенной
заключается в том, что нельзя применять второе начало термодинамики, которое
применимо для закрытой системы, к системе, являющейся незамкнутой. Дело в том, что
само понятие закрытой, или изолированной, системы является абстракцией, не
отражающей реальный характер систем природных. В отличие от закрытых
(изолированных) систем, открытые системы обмениваются с окружающей средой
энергией, информацией и веществом. Все реальные системы являются открытыми. В
неорганической природе они обмениваются с внешней средой энергией и веществом. В
социальных и гуманитарных системах – информацией. В биологических системах обмен
осуществляется на уровне генетической информации. В отличие от закрытых систем, в
системах незамкнутых энтропия не накапливается, а выводится в окружающую среду.
Следовательно, можно сказать, что открытые системы живут за счет заимствования
порядка из внешней среды. Открытая система не может быть равновесной, так как ее
функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии. В
результате такого взаимодействия система извлекает порядок из окружающей среды и тем
самым вносит беспорядок в эту среду. С поступлением новой энергии в систему ее
неравновесность возрастает. В конечном итоге прежня взаимосвязь между элементами
системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами системы
возникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам. Так
схематически можно описать процессы самоорганизации в открытых системах. На основе
вышеизложенных рассуждений возникла новая термодинамика – термодинамика
неравновесных (нелинейных) состояний. В ней вместо закрытой системы рассматривается
система незамкнутая (открытая), а вместо равновесной системы – неравновесная.
Неравновесные системы характеризуются не только термодинамическими параметрами,
но и скоростью их изменения во времени и в пространстве. Выдающейся заслугой
неравновесной термодинамики является установление того, что самоорганизация присуща
не только «живым системам». Способность к самоорганизации является общим свойством
всех открытых систем. При этом именно неравновесность служит источником
упорядоченности. Совместимость второго начала термодинамики со способностью систем
к самоорганизации – одно из крупнейших достижений современной неравновесной
термодинамики. Модель исследований новой термодинамики создала группа ученых во
главе с И.Р.Пригожиным, который отмечает, что переход от термодинамики равновесных
состояний к термодинамике неравновесных процессов знаменует прогресс в развитии
ряда областей науки.