Система базовых законов. Принципы

Современный американский физик-теоретик Э. Вигнер, лауреат Нобелевской премии 1963 г., предложил рассматривать ряд ступеней в процессе познания, восхождение по которым позволяет все глубже и глубже познать природные процессы. Вначале в хаосе эмпирических фактов проявляются некоторые закономерности. Затем в результате обобщения эмпирических фактов и анализа их связей формулируются фундаментальные законы природы. Наконец, на основании известных законов выдвигаются принципы, позволяющие дедуктивным путем предсказать те или иные свойства материальных объектов. Так создаются естественно-научные теории, охватывающие широкий круг природных явлений и процессов [1].

На практике, в учебниках физики и в научно-популярной литературе термины «законы» и «принципы» не всегда четко разделяются: одно и то же положение может называться и законом, и принципом. Физический закон обычно устанавливает причинно-следственные связи и, как правило, может быть представлен математически более или менее простой формулой. Принципы чаще всего формулируются только словесно, хотя возможно и формульное представление.

Кроме того, принципы можно разделить на относящиеся непосредственно к природе (естественно-научные принципы) и относящиеся к познанию природы человеком (методологические принципы).

Методологические принципы.

Знание этих принципов необходимо при достаточно глубоком изучении (понимании) физики.

Принцип соответствия. Если в какой-то области науки, существовавшая длительное время и удовлетворительно описывающая некоторый класс (группу) явлений теория, появляется новая теория, более точная или описывающая более широкий класс явлений, то новая теория должна включать старую теорию и ее результаты как частный случай. [2]

Следует иметь в виду, что хотя новая теория точнее старой, но на практике использование старой теории может быть более удобным и целесообразным – не ст҅оит стрелять по воробьям из пушки!

Принцип дополнительности. Согласно этому принципу, для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий, совокупность которых даёт исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных. Так, описания любого физического объекта как частицы и как волны дополняют друг друга, одно без другого лишено смысла. [3, 4]

Базовые физические законы и принципы.

Среди множества физических законов существует относительно небольшое число наиболее общих законов, действие которых распространяется на все формы материи, на все физические процессы. Все остальные законы физики можно рассматривать как частные случаи (следствия) базовых законов.

Система базовых естественно-научных законов и принципов управляет всеми явлениями природы и ограничивают возможности любых объектов, в том числе и человека.  В эту группу входят законы взаимодействия (рассмотренные нами ранее), законы сохранения, минимакс принципы, принципы относительности, причинности, суперпозиции.

Принцип относительности.

Все процессы в природе протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета.

Отсюда следует, в частности, возможность познания и однозначной формулировки законов природы.

Взаимодействие.

К рассмотренным ранее законам взаимодействия (третий закон Ньютона, законы всемирного тяготения и Кулона) следует добавить принцип причинности и обобщенный принцип суперпозиции.

Принцип причинности: изменение состояния физической системы в какой-либо момент времени не влияет на все предыдущие состояния системы, а может влиять лишь на состояния, следующие после момента этого изменения.

Из этого принципа следует, в частности, что причина происходящего в настоящем времени всегда находится в прошлом. Отсюда значение истории как науки.

Принцип суперпозиции обобщенный – результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности.

Законы сохранения.

Из числа всех возможных количественных характеристик (величин) объектов физики смогли найти такие, суммарные численные значения которых остаются неизменными в ходе разных явлений (процессов). Возможно лишь перераспределение этих величин между взаимодействующими объектами. В перечень таких величин входят: масса, энергия, импульс, момент импульса, электрический заряд. Все они характеризуют способности тела. Масса и электрический заряд – способность к гравитационному и электромагнитному взаимодействиям. Энергия (скалярная величина) – универсальная характеристика способности тела действовать на другие тела, импульс (вектор) и момент импульса (псевдовектор) характеризуют способности тела действовать при поступательном движении и вращении соответственно.

Свойство физических величин оставаться неизменными (инвариантными) при определённых преобразованиях, которым могут быть подвергнуты входящие в них величины, в физике называют симметрией.

В приведенный список внесены только те законы сохранения, которые существенны в макромире. Физика микромира добавила к этому списку еще несколько законов сохранения (в приведенную таблицу они не включены). Совокупность законов сохранения определяет (ограничивает) набор возможных явлений в природе и технике. Человек не может создать устройство, действие которого противоречит законам сохранения. Например, невозможно создать вечный двигатель, так как это противоречит закону сохранения энергии.

Законы сохранения связаны со свойствами пространства и времени (это положение называется симметрией в природе): с однородностью времени связан закон сохранения энергии, с однородностью пространства закон сохранения импульса, а с изотропностью пространства закон сохранения момента импульса. Существенно, что здесь нет связи типа причина – следствие: нельзя сказать, что однородность пространства – причина, а закон сохранения импульса – его следствие, или наоборот.

Минимакс принципы.         

Эта группа принципов определяет направление и ход (траекторию) самопроизвольных процессов.

Существуют такие состояния системы, в которые система может перейти самостоятельно (самопроизвольно), но не может из этого состояния самостоятельно выйти. Такие состояния называются равновесными. Любая система, предоставленная самой себе, всегда стремится перейти в равновесное состояние. Для равновесных состояний справедливы принципы минимума энергии взаимодействия и максимума энтропии.

Длительное устойчивое состояние любой системы определяется балансом этих двух противоположно действующих физических принципов (законов). Взаимодействие, т. е. согласованное действие, приводит к упорядочению, но требование максимальной энтропии не дает возможности осуществить полное (абсолютное) упорядочение – идеальный порядок. Поэтому идеальных систем в природе не существует.

Даже недавно умерший папа римский Франциск сказал (написал): «Мы все знаем, что идеальных семей не существует. Идеального мужа не существует и идеальной жены тоже».

В общественном (государственном) устройстве максимальному упорядочению соответствуют тоталитаризм и автократия, максимальному беспорядку – анархия. Действие в природе двух указанных mini-max-принципов приводит к ограничению существования этих общественных устройств в пространстве и времени.

Если на систему оказывается внешнее воздействие, то в ней развиваются процессы, стремящиеся ослабить (минимизировать) это воздействие – принцип Ле-Шателье – Брауна – Ленца. Частные случаи: в физике – правило Ленца, в химии – Ле-Шателье.

Принцип Ле Шателье: если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказать внешнее воздействие, то равновесие сместится в сторону той реакции (прямой или обратной), которая ослабит это внешнее воздействие.

Правило Ленца: индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей этот ток.

Принцип наименьшего действия. Естественные (природные) процессы всегда протекают так, чтобы принимала наименьшее значение физическая величина «действие», имеющая размерность произведения энергии на время. В соответствии с этим принципом формируются, например, русла рек, звериные тропы и тропинки жителей сел и городов. Следствие в оптике: принцип Ферма, законы отражения и преломления света.

Принцип равенства априорных вероятностей.

Этот принцип в системе занимает особое место. Фактически этот принцип является постулатом, т. е. принимается без доказательства. Будучи принят, он является одной из основ статистической физики, т. е. может быть отнесен к методологическим принципам.

Одна из наиболее распространенных формулировок принципа: Изолированная система в равновесии может с равной вероятностью находиться в любом из доступных микросостояний.

Изолированная система – система, не взаимодействующая с другими системами, т. е.  не обменивающаяся энергией и частицами с другими системами. Определенные значения числа частиц в системе и её энергии определяют макросостояние. Микросостояние характеризуется набором характеристик (прежде всего энергии) всех входящих в систему частиц. Число микросостояний огромно, но данный полный их набор составляет одно макросостояние. Исходя из этого принцип равенства априорных вероятностей может быть включен в состав минимакс принципов.

Микромир.

Изучение физики микромира позволило установить дополнительные законы, в макромире непосредственно не проявляющиеся, но имеющие чрезвычайно важное значение для понимания многих явлений природы и ограниченных возможностей человека. Так, дискретность состояний в микромире обусловливает конечное значение энтропии реальных макросистем и, следовательно возможность существования упорядоченных (хотя бы частично) систем.

Принцип неопределенностей. Невозможно одновременное и абсолютное точное измерение двух динамически сопряжённых переменных, характеризующих квантовую систему.

* Динамически сопряженными называют две физические величины, произведение которых имеет размерность энергии (координата и импульс, температура и энтропия…). 

Вероятностный характер состояний делает невозможным абсолютно точное предсказание будущих событий.

Таблица. Базовые принципы.

Источники информации

1. Вигнер Е. Этюды о симметрии. — М., 1971.
2. https://bigenc.ru/c/printsip-sootvetstviia-8fa121?ysclid=mf7uityvl3453073482
3.  Кузнецов Б. Г. Относительность. — М., Знание, 1969.
4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Принцип_дополнительности