Концепции гармонии в физике

Структура материи – это ее строение, существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т.п.. Но если рассматривать материю в целом, во всех возможных формах ее существования, то понятие структуры материи будет охватывать макроскопические тела, все космические системы мегамира в любых масштабах. С этой точки зрения структура материи неисчерпаема и бесконечна в количественном и качественном отношении. В доступных пространственно-временных масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества взаимосвязанных иерархических систем, начиная от элементарных частиц и кончая Метагалактикой.

В неживой природе множество объектов будет представлять целостную систему лишь в том случае, если энергия связи между ними больше суммарной кинетической энергии и энергии внешних воздействий, направленных на разрушение системы. В противном случае система не возникает или распадается. Энергия внутренних связей – это общая энергия, которую нужно было бы приложить последовательно к каждому элементу, чтобы удалить его из системы на большее расстояние, то есть растащить систему. Поскольку эта энергия не может возникнуть не из чего и каждый из элементов существует в некоторой «потенциальной яме», то стабильность и целостность системы оказываются косвенно обусловленными действием закона сохранения энергии. Энергия внутренних связей может иметь различное значение в зависимости от характера сил, объединяющих тела в системы. С переходом от космических систем к макроскопическим телам, молекулам и атомам к гравитационным силам добавляются электромагнитные силы. В случае элементарных частиц энергия внутренних связей сопоставима с их собственной энергией.

Особенности и специфика взаимодействий между компонентами сложных микро- и макросистем, а также внешних взаимодействий между ними приводит к громадному их разнообразию. Для микро и макро систем характерна индивидуальность (каждой системе присущ набор определенных свойств - между ядром водорода и урана есть различия, хотя оба они относятся к микросистемам, (Земля и Марс)). Однако можно говорить о тождественности элементарных частиц. Тождественные частицы обладают одинаковыми физическими свойствами (массой, электрическими зарядами, квантовыми числами (все электроны Вселенной – тождественны)). Понятие о тождественных частицах – это понятие квантовой механики. Эти частицы подчиняются принципу тождественности, согласно которому состояния системы частиц, получающиеся друг из друга перестановкой тождественных частиц местами, нельзя различать ни в каком эксперименте. Такие состояния должны рассматриваться как одно физическое состояние. Этот принцип одно из основных различий между квантовой и классической механикой (в классической механике можно проследить за движением отдельной частицы и таким образом отличить ее, а в квантовой нельзя). Состояние частицы в квантовой механике описывается волновой функцией, позволяющей определить вероятность ее нахождения в пространстве. Принцип тождественности и вытекающие из него требования симметрии волновых функций приводят к такому квантовому эффекту как существование обменного взаимодействия.

Для описания микрообъектов Н. Бор сформулировал принцип дополнительности, согласно которому получение экспериментальной информации об одних величинах, описывающих микрочастицу (атом), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительно к первым (координату частицы, ее скорость, или импульс). Поэтому волновое и корпускулярное описание микропроцессов должно не исключать и заменять друг друга, а взаимно дополнять друг друга.

Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности, сформулированный Галилеем для механического движения (характер движения зависит от точки отсчета). Современная формулировка принципа относительности такова: все инерциоальные системы отсчета равноправны между собой(неотличимы друг от друга) в отношении протеканя физических процессов.

Вместе с принципом относительности в физике утвердились понятия инвариантности и симметрии, а также связь их с законами сохранения и вообще с законами природы. Инвариантность означает неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой. Принципы инвариантности:

физические законы природы не зависят от выбора системы отсчета;

постоянство скорости света в вакууме – фундаментальное свойство природы;

смещение во времени и пространстве не влияет на протекание физических процессов.

Симметрия – неизменность структуры материального объекта относительно его преобразований, то есть изменения ряда физических условий (кристаллическая природа твердых тел, орнамент). Многие процессы в природе имеют симметричный характер (симметрия пространства и времени)

Из свойства симметрии пространства – его однородности следует закон сохранения импульса - импульс замкнутой системы сохраняется, то есть не изменяется с течением времени (универсален). Изотропность (свойство симметрии пространства) означает инвариантность физических законов относительно выбора направления осей координат системы отсчета (поворот на любой угол) – как следствие закон сохранения момента импульса (не изменяется с течением времени). Из однородности времени следует закон сохранения механической энергии, в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, то есть не изменяется со временем (превращение кинетической энергии в потенциальную и обратно) универсален для всех тел.

Энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного состояния в другой – в этом заключается сущность неуничтожения материи и ее движения. Связь между симметрией пространства и законами сохранения установила немецкий математик Эмми Нетер (1882-1935). Законы сохранения связаны и определяются свойствами симметрии пространства и времени.

Поиск по сайту: