Законы сохранения и принципы симметрии

Размещено на http://allbest.ru

КАФЕДРА ФИЛОСОФИИ РАН

ИНСТИТУТ СТРУКТУРНОЙ МАКТРОКИНЕТИКИ И ПРОБЛЕМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ РАН

РЕФЕРАТ

По истории и философии науки

Тема реферата: «Законы сохранения и принципы симметрии»

Специальность 01.04.17 (химическая физика, в том числе физика горения и взрыва)

Выполнил:., аспирант.

Проверил: научный руководитель, д. ф.-м. н., профессор.

Москва 2006

Содержание

Введение

1. Понятие закона

2. Понятие симметрии

3. Симметрия в физике

4. Связь между принципами симметрии и законами сохранения

5. Законы сохранения в теории элементарных частиц

Литература

Введение

Законы сохранения занимают среди всех законов природы особое место. Общность и универсальность законов сохранения определяют их большое научное, методологическое и философское значение. Они являются основой важнейших расчетов физике и ее технических приложениях, позволяют в ряде случаев предсказывать эффекты и явления при исследовании разнообразных физико-химических систем и процессов. С законами сохранения связано введение в современную физику идей, имеющих принципиальное значение.

Законы сохранения служат пробным камнем любой общей физической теории. Непротиворечивость теории этим законам служит убедительный аргументом в ее пользу и является важнейшим критерием ее истинности. Поэтому в современных физических теориях далеко не последнюю роль играет идея сохранения специфических для данной теории величин, причем зачастую поиски таких величин являются важнейшей целью теории.

В законах сохранения находят свое отображение важнейший диалектико-материалистический принцип неуничтожимости материи и движения, взаимосвязь между различными формами движущейся материи и специфика превращения одной формы движения в другую.

Научное и методологическое значение законов сохранения в достаточно полной мере выявляется на фоне исторического развития общей идеи сохранения. Открытие и обобщение законов сохранения происходило вместе с развитием всей физики, от первых робких догадок античных натурфилософов через классическую механику и электродинамику до теории относительности, квантовой механики и физики элементарных частиц.

Законы сохранения не зависят от природы и характера действующих сил. Поэтому с их помощью можно делать ряд важных заключений о поведении механических систем даже в тех случаях, когда силы остаются неизвестными.

Законы сохранения в физике играют особую роль, но не менее важно их значение в мировоззренческом плане. Они подтверждают стабильность природы. К законам сохранения в физике относятся: закон сохранения энергии, импульса, момента импульса, заряда.

Закон сохранения энергии определяет незыблемость энергии. Закон сохранения импульса определяет незыблемость движения, неуничтожимость поступательного движения. Закон сохранения момента импульса определяет незыблемость вращательного движения. Закон сохранения заряда определяет кулоновского взаимодействия, которое наряду с гравитационным и сильным определяет структуру мира. Поэтому принципиально знать причину появления в физике этих законов.

После фундаментальных работ Э. Нётер стало известно, что за каждым из законов сохранения стоит некоторая симметрия.

Целью работы является показать, что законы сохранения являются отражением проявления различного типа симметрии в физике и наоборот установление этой связи позволяет понять сущность и природу этих законов.

Рассматриваемые в механике законы сохранения энергии, импульса и момента импульса оказываются точными законами и имеют всеобщий характер, они применимы не только к механическим явлениям, но и вообще ко всем явлениям природы, в частности они соблюдаются в релятивистской области и в мире элементарных частиц.

1. Понятие закона

Закон - внутренняя существенная и устойчивая связь явлений, обусловливающая их упорядоченное изменение. На основе знания закона возможно достоверное предвидение течения процесса. Понятие закона близко к понятию закономерности, которая представляет собой совокупность взаимосвязанных по содержанию законов, обеспечивающих устойчивую тенденцию или направленность в изменениях системы. Вместе с тем закон выражает одну из сторон сущности, познание которой в теории совпадает с переходом от эмпирических фактов к формулировке законов изучаемых процессов.

Понятие закона сформулировалось в результате длительного развития науки и философской мысли. В древнем обществе, в условиях первобытного родового строя закон выступает, прежде всего, как неописанное, но, тем не менее обязательное правило, которому должно подчиняться поведение людей.

При этом формирование понятия закона связано с двумя формами общественного сознания, характерными для первобытного общества - мифологией и религией.

Одним из центральных элементов античной мифологии было представление о господствующей в мире всеобщей необходимости, судьбе. Судьба случаев как некая абстрактная сила, объективная необходимость. Так зарождается одно из важнейших понятий античного мировоззрения - понятие необходимости, которое в последующем явилось предпосылкой идеи закономерности в природе.

В неразрывной связи с мифологией в первобытном обществе возникает также и религия, с помощью которой люди пытаются осмыслить свое собственное существование.

Как и мифология, религия представляет собой фантастическое отражение в человеческом сознании земного, материального мира, в котором господствующие над человеком в его повседневной жизни внешние силы принимают форму неземных, сверхъестественных. В религиозном мировоззрении понятие закона получило искаженное толкование. Закон с религиозной точки зрения - это предписание божества, т.е. нечто навязанное миру сверхъестественной силой. Именно на основе религиозного сознания возникло представление, что бог создал все вещи, а затем подчинил их своей воле в форме законов природы, после чего их поведение стало определяться божественным соизволением. Религиозное понятие о законе нашло подробное выражение в священных книгах - Библии, Коране, Ведах и др.

Первые попытки сформировать представление о закономерном характере мировых процессов, свободном от религиозных и мифологических подходов, были предприняты философами древнего мира. Наряду с общественно-политической практикой, из которой была заимствована идея закона, важный источником понятия закона природы для мыслителей того времени являлся сам объективный материальный мир, окружающая человека природа. Представление о гармоничности Вселенной, о повторяемости, инвариантности протекающих в ней процессов было почерпнуто ими из непосредственного наблюдения за явлениями действительности. Это нашло свое выражение в ряде умозрительных философских систем, созданных древними мыслителями, в особенности в системах античных философов - Гераклита, Демокрита, Эпикура, Платона, Аристотеля и многих других. Естественно, что эта попытка была еще весьма несовершенной. Ведь естествознание в то время только зарождалось и представляло собой ряд несистематизированных отрывочных сведений о природе.

Только в Новое Время понятие закона природы начинает все более глубоко разрабатываться философами и учеными. Это стало возможным благодаря тому, что развитие математики, астрономии, механики продвинулось достаточно далеко, в результате чего было открыто много немаловажных законов материального мира.

Но надо заметить, что законы природы для мыслителей этого времени: а именно XVII и XVIII в. сводились к законам механики, которые они рассматривали как всеобщие универсальные законы природы. Понятия научного закона в то время еще не было. Законы природы рассматривались как вечные, постоянные и неизменные.

Значительный шаг в дальнейшей разработке понятия закона был сделан классиками немецкой философии конца XVIII - начала XIX вв. И.Кантом и Г.Гегелем. В это время естественные науки из описательных начинают превращаться в науки об отношениях, связях между элементами структуры, о законах функционирования и развития объектов. В научный обиход проникает идея развития природы, а Гегель придает истолкованию понятию закона диалектический характер.

Гипотеза - это догадка, предположение. И когда ищут какую-то новую, пока еще неизвестную, но возможно, существующую закономерность, высказывается определенное предположение. Это предположение может оказаться верным или же - полностью или частично - неверным, ложным. Единственным судьей, который выносит этот "вердикт", является опыт, практика.

"Вообще говоря, - пишет Р.Фейнман в книге "Характер физических законов", - поиск нового закона ведется следующим образом. Прежде всего о нем догадываются. Затем вычисляют следствия этой догадки и выясняют, что повлечет за собой это закон, если окажется, что он справедлив. Затем результаты расчетов сравниваются с тем, что наблюдается в природе, с результатами экспериментов или с опытом и выясняют, так это или не так. Если расчеты расходятся с экспериментальными данными, то гипотеза неправильна. В этом простом утверждении - самое зерно науки"

Действительно, гипотеза, интуитивное научное предположение, является неизменным спутником ученого в его творческой работе. Она представляет собой способ открытия нового, метод развития науки. Научные законы и теории открываются и формулируются в результате интеллектуальной деятельности, существенным компонентом которой является выдвижение гипотез. Без гипотезы не может быть творчества, а без творчества нет подлинной науки.

Законы сохранения - физические, закономерности, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в классе процессов.

2. Понятие симметрии

Симметрия, инвариантность, законы сохранения играют, несомненно, важную роль в физической науке. K примеру, поиски гармонии мира (симметрии) привели одного из самых ярких естествоиспытателей всех времен Иогана Кеплера к открытию законов движения планет. Т. Вейель отмечал, что симметрия «является той идеей, посредством которой человек на протяжении веков пытался постичь и создать порядок, красоту и совершенство». «Для человеческого разума симметрия обладает, по-видимому, совершено особой притягательной силой, - писал Р. Фейнман. - Нам нравится смотреть на проявление симметрии в природе, на идеально симметричные сферы планет или Солнца, на симметричные кристаллы, на снежинки, наконец, на цветы, которые почти симметричны».

Слово "симметрия" ("symmetria") имеет греческое происхождение и означает "соразмерность". В повседневном языке под симметрией понимают чаще всего упорядоченность, гармонию, соразмерность. Гармоничная согласованность частей и целого является главным источником эстетической ценности симметрии. Кристаллы издавна восхищали нас своим совершенством, строгой симметричностью форм. Симметричные мозаики, фрески, архитектурные ансамбли будят в людях чувство прекрасного. Музыкальные и поэтические произведения вызывают восхищение именно своей гармоничностью. Таким образом, можно говорить о принадлежности симметрии к категории прекрасного.

Научное определение симметрии принадлежит крупному немецкому математику Герману Вейлю (1885-1955), который в своей книге "Симметрия" проанализировал также переход от простого чувственного восприятия симметрии к ее научному пониманию. Согласно Вейлю, под симметрией следует понимать неизменность (инвариантность) какого-либо объекта при определенного рода преобразованиях. Можно сказать, что симметрия есть совокупность инвариантных свойств объекта. Например, кристалл может совмещаться с самим собой при определенных поворотах, отражениях, смещениях. Многие животные обладают приближенной зеркальной симметрией при отражении левой половины тела в правую и наоборот. Однако подчиняться законам симметрии может не только материальный, но и, к примеру, математический объект. Можно говорить об инвариантности функции, уравнения, оператора при тех или иных преобразованиях системы координат. Это в свою очередь позволяет применять категорию симметрии к законам физики. Так симметрия входит в математику и физику, где она также служит источником красоты и изящества.

Понятие симметрии имеет определённую «структуру», состоящую из трёх факторов:

1. объект или явление, симметрии которого рассматривается;

2. изменение (преобразование), по отношению к которому рассматривается симметрия;

3. инвариантность (неизменность, сохранение) каких-то свойств объекта, выражающая рассматриваемую симметрию.

Инвариантность существует не сама по себе, а лишь по отношению к определённым преобразованиям. С другой стороны, изменение (преобразование) представляют интерес постольку, поскольку что-то при этом сохраняется. Иными словами, без изменений не имеет смысла рассматривать сохранение, равно как без сохранения исчезает интерес к изменениям. Симметрия выражает сохранение чего-то при каких-то изменениях или, иначе, сохранение чего-то несмотря на изменения. Таким образом, понятие симметрии основывается на диалектике сохранения и изменения.

Постепенно физика открывает все новые виды симметрии законов природы: если вначале рассматривались лишь пространственно-временные (геометрические) виды симметрии, то в дальнейшем были открыты ее негеометрические виды (перестановочная, калибровочная, унитарная и др.). Последние относятся к законам взаимодействий, и их объединяют общим названием "динамическая симметрия".

В физике общепринято выделять две формы симметрии: геометрическую и динамическую.

Симметрии, выражающие свойство пространства и времени, относят к геометрической форме симметрии. Примерами геометрических симметрий являются: однородность пространства и времени, изотропность пространства, пространственная чётность, эквивалентность инерциальных систем отсчёта.

Симметрии, непосредственно не связанные со свойствами пространства и времени выражающие свойства определённых физических взаимодействий, относят к динамической форме симметрии. Примерами динамических симметрий являются симметрии электрического заряда.

Вообще говоря, к динамическим симметриям относят симметрии внутренних свойств объектов и процессов. Так что геометрические и динамические симметрии можно рассматривать как внешние и внутренние симметрии.

Взаимосвязь форм симметрии вытекает из единства таких атрибутов материи, как пространство, время и движение. Жесткое противопоставление этих форм принципиально недопустимо. В самом деле, рассматривая, например, такую «типичную» геометрическую симметрию, как однородность пространства, можно заметить, что в её определении в скрытом виде содержатся динамические характеристики. Ведь суть этой симметрии в том, что в пространственных перемещениях при определённых физических условиях, например при слабых полях тяготения, поведение тел не зависит от занимаемого ими места в пространстве, что и выражается в независимости присущего им импульса от их пребывания в тех или других точках пространства. Без учёта единства пространства и движения материи говорить о каких-либо свойствах симметрии пространства просто бессмысленно. В абсолютно пустом пространстве нет ни однородности, ни разнородности. В нём вообще ничего нет и о нём ничего сказать нельзя. Ни одну геометрическую симметрию нельзя определить без привлечения прямого или опосредованного, динамических параметров. Даже определение такой простой геометрической симметрии, как симметрия двух точек по отношению к какой-то прямой, включает в себя возможность их совмещения, т.е. определённого движения. Без движения и вне движения не существует ни одной геометрической симметрии. закон сохранение энергия импульс

В свою очередь динамические симметрии связанны со свойством пространства и времени, что выражается в возможности их геометрической интерпретации. Например, такая динамическая симметрия, как симметрия изотопического спина, в котором поворот на 180 независимо от направления поворота, превращает протон в нейтрон, а нейтрон в протон. Возможность такой интерпретации симметрии изотопического спина, т.е. тождественность протонов и нейтронов по отношению к сильным взаимодействиям, ясно указывает на то, что эта симметрия связанна с определёнными пространственными формами.

Таким образом, любая геометрическая симметрия связанна с движением и взаимодействием материальных объектов, а любая динамическая симметрия - со свойствами пространства и времени.

В природе существуют и другие неизмеримо более сложные виды. Пространство и время, из свойств симметрии которых следуют основные законы сохранения, заполнены материей и «пропитаны» силами, посредством которых разные части этой материи взаимодействуют друг с другом. Согласно современным представлениям, в природе существуют четыре основных типа сил, или, иными словами, четыре типа взаимодействий: сильные, электромагнитные, слабые, гравитационные. Природа их выглядит совершенно различной, но за каждой стоит какая-то симметрия.

3. Симметрия в физике

Анализ развития физики позволяет заметить, что по трудному пути к идеалу -- единой картине мира -- ее вела идея симметрии. С помощью представления о симметрии человек пытается понять порядок, красоту и совершенство природы. Первоначальный смысл симметрии -- это соразмерность, сходство, подобие, порядок, ритм, согласование частей в целостной структуре. Симметрия и структура неразрывно связаны. Если некоторая система имеет структуру, то она обязательно имеет и некоторую симметрию. Идея симметрии имеет исключительное значение и как ведущее начало в осмыслении структуры физического знания. Едва ли можно оспаривать эвристическую ценность и методологическое значение принципа симметрии. Известно, что при решении конкретных физических проблем этот принцип играет роль критерия истинности.

С древних времен идея симметрии оказывала огромное влияние на развитие научной мысли. На эту идею еще при своем возникновении опирались натурфилософия, космология и математика. Пифагорейцы создавали первые космологические системы центрально-симметричной Вселенной, они разработали учения о пропорциях, о музыкальных тонах и о пяти симметричных многоголосиях, отождествлявшихся с основными природными стихиями. Гиппас ввел термин “симметрия”, который буквально означал “соразмерность”. Идеи симметрии, гармонии и сохранения были основными в структуре древнегреческой мысли и понимались как переходящие друг в друга. Анаксимандр, Анаксимен и Гераклит создали учение о вечном космосе, который периодически возникает и умирает. Учение Левкиппа и Демокрита о пустоте и вечных и неизменных, но движущихся атомах основано на идее симметрии, гармонии и сохранения материи.

Взгляды Пифагора и его школы получили дальнейшее развитие в платоновском учении о познании. Особый интерес представляют взгляды Платона на строение мира, который, по его утверждению, состоит из правильных многоугольников, обладающих идеальной симметрией. Для Платона характерно соединение учения об идеях с пифагорейским учением о числе.

Более поздние естествоиспытатели и философы, занимавшиеся разработкой категории симметрии, это Р. Декарт и Г. Спенсер.

Р. Декарт писал: "Каково бы ни было то неравенство и беспорядок, которое, как мы можем предположить, были с самого начала установлены богом между частицами материи, почти все эти частицы должны по законам природы приблизиться к средней величине и среднему движению". Таким образом, по Декарту, бог, создав асимметричные тела, придал им «естественное» круговое движение, в результате которого они совершенствовались в тела симметричные.

Характерно, что к наиболее интересным результатам наука приходила именно тогда, когда устанавливала факты нарушения симметрии. Следствия, вытекающие из принципа симметрии, интенсивно разрабатывались физикам в прошлом веке и привели к ряду важных результатов. Такими следствиями законов симметрии являются прежде всего законы сохранения классической физики.

Во время Ренессанса идея симметрии, забытая в период средневековья, была возрождена. Николай Кузанский формулирует основы концепции однородного изотропного, бесконечного пространства. У Леонардо да Винчи зреет мысль об однородности времени. Аргументы, основанные на идее симметрии, появляются в учении Н. Коперника. Система Коперника играет важную роль в восприятии идеи пространственно-временной симметрии, необходимой для развития классической механики. Дж. Бруно отстаивает мысль о бесконечном однородном изотропном пространстве. Г. Галилей формулирует принципы инерции и относительности. Он, а также И. Кеплер, Р. Декарт и X. Гюйгенс развивают идеи о пространственно-временной симметрии до такой степени, что они становятся фундаментальными в “Началах” И. Ньютона. Введение понятий абсолютного пространства и абсолютного времени в ньютоновской механике приводит к объединению локальной и космологической симметрий в единую симметрию.

Однако зародившийся в начале XVII в. теоретико-инвариантный подход не смог получить полного развития. Позднее, в эпоху аналитической механики, установился стиль, при котором физическая теория рассматривалась формально как математическая теория дифференциальных уравнений. Л. Эйлер, Ж. Даламбер, Ж. Лагранж выдвинули на первый план аксиомы динамики. Динамический подход не нуждался в явном виде в идее симметрии, но опирался на нее неявным образом. И во второй половине XVII в. идея симметрии временно потеряла свое фундаментальное и эвристическое значение. Законы сохранения утратили свои основные позиции и стали теоремами -- вычислялись как интегралы движения.

Такой стиль мышления господствовал до начала нашего столетия, когда на передний план был снова выдвинут теоретико-инвариантный подход. Стало ясным, что переход от динамического к теоретико-инвариантному стилю мышления стал неизбежным. Еще в середине XIX в. постепенно усиливался интерес к принципам симметрии и сохранения. Этот процесс стал результатом действия двух факторов. С одной стороны, физика освобождалась от тесных рамок механики. Формировались и быстро развивались новые области физики - термодинамика, оптика, электродинамика. Ю. Майер открыл закон сохранения и превращения энергии. С другой стороны, развивались новые математические теории - теория групп, неевклидова геометрия.

В классической физике XVII--XIX вв. идея симметрии не была явно связана с принципами относительности и инвариантности. Как известно, в физике термин “симметрия” идет от натурфилософии и геометрии, и применялся он, прежде всего в кристаллографии, которая в отличие от механики не считалась фундаментальной. Первым вне рамок физики кристаллов использовал идею симметрии П. Кюри, рассуждавший в 1894 г. о симметрии электрических и магнитных полей. Но идея Кюри осталась неразработанной и не оказала влияния на развитие физики. И только в последнее время, после работ Е. Вигнера, принципы инвариантности и относительности в качестве физических законов стали пониматься явным образом как принципы симметрии.

Инвариантный подход формируется и утверждается с появлением специальной теории относительности. В рамках этого подхода физические теории рассматриваются как теории инвариантов некоторых групп преобразований. Дальнейшее развитие идеи относительности - создание общей теории относительности, релятивизация различных физических теорий, опыт разработки единой теории поля, создание релятивистской космологии (работы А. Эйнштейна, В. де Ситтера, А.А. Фридмана) - принесли новые успехи в этом направлении еще в первой четверти нашего столетия. Э. Нетер выяснила связь между принципом симметрии и принципом сохранения. Окончательно утвердился инвариантный подход и в квантовой теории. В 1930 г. П. Дирак писал: “ Теория преобразований, которая прежде всего была использована в теории относительности, а вслед за этим и в квантовой теории, выражает сущность нового метода в теоретической физике. Ее современный прогресс состоит в том, что наши уравнения становятся инвариантными относительно все более широкого класса преобразований”. И поистине, успехи современной физики элементарных частиц немыслимы без теории инвариантов. Принцип симметрии пронизывает все структуры современной физики. Как методологический принцип, он лежит в основании различных физических теорий и определяет структурную организацию современной физической теории как целого.

Детально анализируя различные конкретные виды симметрии, Н.Ф. Овчинников пришел к выводу, что в абстрактном виде принцип симметрии представляет собой единство противоположностей: изменения и сохранения. “Единство сохранения и движения, - пишет он, - такова краткая формулировка симметрии, выраженная на абстрактно-теоретическом уровне”. Такое определение симметрии представляется наиболее общим и применимым для всякого случая. Симметрия означает, что при некоторых преобразованиях сохраняются некоторые вещи, свойства и отношения. Сохранение означает тождество, а преобразования соответствуют изменениям, которые испытывает данное тождество. В этом смысле если сохранение указывает на абстрактное, неизменное тождество, то симметрия соответствует конкретному, изменяющемуся в тождестве. Иными словами, симметрия есть конкретное сохранение. Путь познания от принципа сохранения к принципу симметрии представляет собой восхождение от абстрактного к конкретному.

Как принцип сохранения, так и принцип симметрии, по утверждению Н.Ф. Овчинникова, являются “генерализующими принципами”. Этот исследователь сформулировал закон сохранения симметрии, в соответствии с которым при всяком нарушении симметрии устанавливается новый, высший вид симметрии. Открытие некоторой асимметрии не означает отрицания принципа симметрии. “Правое” и “левое” сами по себе асимметричны, но взятые вместе как единство противоположностей составляют высшую симметрию. Вообще, асимметрия необходима как противоположность симметрии. Асимметрия и симметрия в единстве образуют высшую метасимметрию.

Анализируя действие принципа симметрии в различных проблемных ситуациях, В.П. Визгин отмечает два дополнительных момента: с одной стороны, симметрия и ее нарушения выступают как источник проблемной ситуации и одновременно симметрия служит методом ее преодоления, а с другой стороны, априоризация (“замораживание”) определенного вида симметрии препятствует разрешению проблемной ситуации. Первым шагом к прояснению проблемы является открытие инвариантности, установление симметричных элементов. В самом общем случае стремление восстановить нарушение симметрии - это путь преодоления проблемной ситуации. Такая эвристическая сила принципа симметрии как метода нахождения выхода из проблемной ситуации воспринимается как фактическое оправдание закона сохранения симметрии, сформулированного Н.Ф. Овчинниковым в виде универсального принципа природы и научного познания.

Действие принципа симметрии в проблемных ситуациях можно показать на некоторых примерах. Когда теоретическое осмысление экспериментальных фактов ведет к установлению некоторой симметричной закономерности, одновременно появляется и необходимость в переосмыслении теории, так чтобы она объясняла зависимости симметрического вида между этими экспериментальными фактами.

4. Связь между принципами симметрии и законами сохранения

Различные формы движения материи описываются в современной физике, фундаментальными теориями. Каждая из этих теорий описывает вполне определенные явления: механическое или тепловое движение, электромагнитные процессы и т. д.

Существуют более общие законы в структуре фундаментальных физических теорий, которые охватывают все процессы, все формы движения материи. Это в первую очередь законы симметрии, или инвариантности, и связанные с ними законы сохранения физических величин.

Симметрия в физике - это свойство физических законов, детально описывающих поведение систем, оставаться неизменными (инвариантными) при определенных преобразованиях, которым могут быть подвергнуты входящие в них величины.

Законы, сохранения физических величин - это утверждения, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в определенных классах процессов. Между принципами симметрии и законами сохранения существует связь, устанавливаемая теоремой Э. Нетера. Фактически во многих случаях законы сохранения просто вытекают из принципов симметрии.

Огромное значение принципов симметрии и законов сохранения в современной физике состоит в том, что на эти принципы можно опираться при построении новых фундаментальных теорий. Непреложным условием справедливости всех законов природы является их соответствие этим принципам.

Философское значение принципов симметрии и законов сохранения состоит в том, что они представляют наиболее общую форму выражения детерминизма. Эти принципы демонстрируют единство материального мира, существование глубокой связи между самыми разнообразными формами движения материи, а также связь между свойствами пространства-времени и сохранением физических величин.

Рассмотрим пространственно-временные симметрии и связанные с ними законы сохранения.

1. Сдвиг времени, т. е. изменение начала отсчета времени, не меняет физических законов. Это означает, что все моменты времени объективно равноправны и можно взять любой момент за начало отсчета времени. Время однородно. Из инвариантности физических законов относительно этого преобразования вытекает закон сохранения энергии. Доказательство связи сохранения энергии с однородностью времени достаточно сложно. Но если бы сила притяжения тел к земле изменялась со временем (т. е. не все моменты времени были бы равноценны), то энергия не сохранялась бы. Могли бы поднимать тела вверх в моменты времени, когда сила притяжения минимальна, и опускать их вниз в моменты увеличения силы притяжения. Выигрыш в работе был бы налицо, и можно было бы создать вечный двигатель.

2. Сдвиг системы отсчета пространственных координат не меняет физических законов. Объективно это означает равноправие всех точек пространства (однородность пространства). Перенос (сдвиг) в пространстве какой-либо физической системы никак не влияет на процессы внутри нее. Из этой симметрии вытекает закон сохранения импульса.

3. Поворот системы отсчета пространственных координат оставляет физические законы неизменными. Это означает изотропность пространства: свойства пространства одинаковы по всем направлениям. Из инвариантности законов физики относительно этого преобразования вытекает закон сохранения момента импульса.

4. Законы природы одинаковы во всех инерциональных системах отсчета. В этом состоит принцип относительности - основной постулат специальной теории относительности Эйнштейна. Соответственно физические законы не изменяются при преобразованиях Лоренца, связывающих значения координат и времени в различных инерциальных системах отсчета. Из принципа относительности вытекает сохранение скорости движения центра масс изолированной системы.

5. Фундаментальные физические законы не изменяются при обращении знака времени, т. е. при замене в уравнениях теории t на -t. Это означает, что все соответствующие процессы в природе обратимы во времени. Необратимость, наблюдаемая в макромире, имеет статистическое происхождение и связана с неравновесным состоянием Вселенной.

6. Существует зеркальная симметрия природы: отражение пространства в зеркале не меняет физических законов. В квантовой механике этой симметрии соответствует сохранение особого квантового числа - четности, которое нужно приписать каждой частице.

7. Замена всех частиц на античастицы (операция зарядового сопряжения) не изменяет характера процессов природы.

Таким образом, в современной физике обнаружена определенная иерархия принципов симметрии. Одни из них выполняются при любых взаимодействиях, другие же только при сильных и электромагнитных. Эта иерархия еще отчетливее проявляется во внутренних симметриях.

1. При всех превращениях элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц остается неизменной. В этом состоит закон сохранения электрического заряда. Закон сохранения электрического заряда органически входит в структуру современных физических теорий, но глубокие причины выполнения этого закона остаются неизвестными. В квантовой механике сохранению электрического заряда отвечает некоторое преобразование волновой функции (калибровочное преобразование), не изменяющее уравнений этой теории.

2. Опыт показывает, что ядерное вещество сохраняется: разность между числом тяжелых сильно взаимодействующих частиц (барионов) и числом их античастиц не изменяется при любых процессах. Барионы могут рождаться только парами: частица - античастица. Самые легкие барионы - протоны - не распадаются на другие частицы. Потому, что каждому бариону нужно приписать особое квантовое число - барионный заряд, равный +1, а каждому антибариону заряд -1. Тогда определенный таким образом барионный заряд сохраняется. Его сохранению соответствует свое калибровочное преобразование волновой функции.

3. Аналогичным образом обстоит дело и с легкими элементарными частицами - лептонами: электронами, нейтрино, (м-мезонами (мюонами) и ф-мезонами. Разность числа лептонов и антилептонов не изменяется при превращениях элементарных частиц. В этом состоит закон сохранения лептонного заряда. Однако после открытия различных сортов нейтрино стало очевидным, что необходимо ввести три сохраняющихся независимо друг от друга лептонных заряда: электронный, м-мезонный и ф-мезонный. В развиваемых в настоящее время единых теориях различных взаимодействий принимают, что только электрический заряд должен всегда сохраняться. Барионный и лептонный заряды, возможно, не сохраняются строго, хотя экспериментально нарушения сохранения этих зарядов пока не обнаружено.

4. Одна из давно известных внутренних симметрии - изотопическая инвариантность. Опытным путем была установлена зарядовая независимость сильных взаимодействий, т. е. их независимость от электрического заряда. Например, сильные взаимодействия протона с протоном и нейтрона с нейтроном совершенно одинаковы в силу независимости их от электрического заряда. Поэтому В. Г. Гейзенберг предложил рассматривать протон и нейтрон как два различных состояния одной частицы - нуклона. Различаются протон и нейтрон только тем, что протон электрически заряжен, а нейтрон нет. Небольшое различие их масс обусловлено электромагнитными взаимодействиями. При сильных взаимодействиях они выступают как одна частица. Зарядовая независимость характерна не только для нуклонов, но и для всех сильно взаимодействующих частиц.

5. Еще одна симметрия, связанная с сохранением нового квантового числа - странности, - выполняется при сильных и электромагнитных взаимодействиях, но нарушается слабыми взаимодействиями.

Все сильно взаимодействующие частицы, кроме нуклонов и пионов, наделены странностью, которая принимает значения либо +1, либо -1. При сильных и электромагнитных взаимодействиях сумма странностей всех частиц остается неизменной. В этом и состоит закон сохранения странности. Поэтому при сильных взаимодействиях всегда рождаются пары частиц с противоположными знаками странности. Распад же этих частиц происходит под влиянием слабых взаимодействий, меняющих странность на единицу. В результате странные частицы живут в сотни тысяч миллиардов раз дольше, чем это положено сильно взаимодействующим частицам.

5. Законы сохранения в теории элементарных частиц

Квантовая механика вскрыла специфические закономерности движения и превращения элементарных частиц. Эти закономерности не сводятся с закономерностям классической механики, и поэтому должны действовать свои законы сохранения. Открытие этих законов связано с развитием знаний о свойствах элементарных частиц.

Известные в настоящее время элементарные частицы можно объединить в группы, разделение на которые определяется не только различием в массах, но и рядом других существенных свойств (например, спином): фотон, лептоны (в группу лептонов входят два вида нейтрино и антинейтрино, электрон, позитрон), мезоны, барионы.

В 1952 г. группа физиков под руководством Э. Ферми обнаружила первую частицу из открытой большой группы частиц с очень малым временем жизни, так называемых резонансов. Эти образования возникают при сильном взаимодействии элементарных частиц. По мнению известного американского теоретика М. Гелл-Мана, общее число резонансов должно достигать нескольких тысяч.

Было выдвинуто несколько гипотез, смысл которых состоит в том, что все многообразие частиц сводится к нескольким фундаментальным частицам. Наибольшее распространение получила гипотеза Гелл-Манна и Цвейга. Согласно этой гипотезе все барионы и мезоны рассматриваются как частицы, состоящие из комбинации трех фундаментальных частиц (и их античастиц), которые Гелл-Манн назвал кварками.

Однако все попытки обнаружить кварки в природе в свободном состоянии (вне адронов) или получить их с помощью ускорителей элементарных частиц оказались безуспешными. В то же время опыты по рассеянию электронов и нейтрино очень больших энергий на нуклонах привели к обнаружению внутри них резко очерченных (дискретных) объектов. Подобно тому, как в опытах Резерфорда по рассеянию б-частиц было обнаружено малое образование внутри атома - атомное ядро, в опытах по рассеянию электронов и нейтрино на нуклонах было обнаружено сложное строение протонов и нейтронов. На основе гипотезы кварков уже удалось разрешить некоторые трудности теории элементарных частиц.

Теория взаимодействия кварков успешно развивается. Один из наиболее примечательных выводов строящейся теории состоит в том, что межкварковые взаимодействия не убывают с расстоянием подобно всем другим силам, а растут. Из-за этого кварки невозможно извлечь из адронов. При увеличении расстояния между кварками потенциальная энергия их взаимодействия возрастает настолько, что за ее счет начинается рождение пар кварк-антикварк, что эквивалентно появлению новых мезонов при неизменном числе кварков в существующих адронах.

В связи с попытками объяснить, почему одни превращения элементарных частиц возможны: а другие нет, было также обобщено и понятие электрического заряда. Вигнер ввел понятие о барионном числе как квантовом числе, равном +1 для нуклонов, -1 для антинуклонов и 0 для ?-мезонов. Физическая природа сохранения барионного числа в настоящее время не выяснена, поскольку неизвестны те свойства симметрии, которые обусловливают действие этого закона.

Можно с полным правом утверждать, что на современном уровне развития схема "принцип симметрии - инвариантность - закон сохранения" превратилась в руководящий принцип и является наиболее полным выражением идеи сохранения. Современный физик, исследуя явления в мире элементарных частиц, считает свою работу завершенной, если он может сформулировать закономерности экспериментального материала в краткой форме законов сохранения.

Теория взаимодействий элементарных частиц развивается успешно. Начало этому развитию было положено принципами симметрии. И в настоящее время принципы симметрии являются ведущими в этой области физики.

Заключение

Закон сохранения и превращения энергии, закон сохранения импульса, закон сохранения момента количества движения и закон сохранения электрического заряда, так же как и закон сохранения массы, можно считать законами сохранения, имеющими силу как в области макромира, так и в области микромира. Это - законы сохранения, имеющие максимальную степень общности.

Открытие Ли и Янга впервые показало, что наряду с общими законами сохранения существуют и законы сохранения с ограниченной сферой действия. Это - законы сохранения четности, изотопического спина и странности, которые выполняются не при всех видах взаимодействий. Открытие нарушений законов сохранения в некоторых явлениях микромира ставит по-иному вопрос об абсолютизации этих законов. Можно сказать, что абсолютен не тот или иной конкретный закон сохранения, а абсолютна идея сохранения: ни одна область природы не может не содержать устойчивых, сохраняющихся вещей, свойств или отношений, и соответственно ни одна физическая теория не может быть построена без тех или иных сохраняющихся величин.

Если классическая физика знала только пять законов сохранения, то физика микромира насчитывает их более десяти. Это обилие законов сохранения в современной физике связано, с одной стороны, с тем, что закон сохранения является наиболее общим выражением большого количества экспериментальных фактов, а их в настоящее время только в области физики элементарных частиц имеется множество. С другой стороны, обилие законов сохранения связано с несовершенством наших знаний относительно процессов на элементарном уровне материи. Они выступают как независимые, и их изучение является основным направлением современных научных исследований.

Теоретической основой вывода законов сохранения классической физики являлись законы Ньютона. Сохраняющиеся величины фигурируют в качестве основных характеристик движущегося тела или системы. Вывод этих законов из принципов симметрии - логическое завершение длительной эволюции физики на протяжении столетий. Важнейшим уроком этой эволюции явился более глубокий подход к законам сохранения, полностью оправдавший себя в физике микромира. Оказалось, что законы сохранения можно получать непосредственно из принципов симметрии, минуя законы движения.

Законы сохранения образуют тот фундамент, на котором основывается преемственность физических теорий. Рассматривая эволюцию важнейших физических концепций в области механики, электродинамики, теории теплоты, современных физических теорий, убеждались в том, что в этих теориях неизменно присутствуют либо одни и те же классические законы сохранения (энергии, импульса и др.), либо наряду с ними появляются новые законы, образуя тот стержень, вокруг которого и идет истолкование экспериментальных фактов.

Принципиально важной является связь законов сохранения с принципами симметрии. То обстоятельство, что при этом некоторые законы сохранения оказываются приближенными, связано, с неполнотой наших знаний свойств симметрии на субмикроскопическом уровне. Связь законов сохранения со свойствами симметрии была открыта на всех структурных уровнях материи, начиная с макротел и заканчивая элементарными частицами. В микромире симметрия оказалась вездесущей. На атомном уровне симметрия проявляет себя в определенной структуре энергетических уровней атомов, в частности атома водорода; в ядерной физике - в виде зарядовой инвариантности; на уровне элементарных частиц - в виде ряда специфических законов сохранения.

Законы симметрии имеют однозначный (в этом смысле динамический), характер, не допускающий какого-либо статистического разброса для значений сохраняющихся физических величин. Таким образом, они должны рассматриваться как динамические элементы в общем-то статистической картины мира. Уже в силу своего однозначного характера законы сохранения и симметрии, как бы успешно ни продвигалось их развитие и обобщение в дальнейшем, не смогут заменить теорию, детально объясняющую статистические процессы в микромире, что требует их дополнения другими законами.

Литература

1. Гельфер Я.М. Законы сохранения. - М.: Наука, 1967. - 264 с.

2. Друянов Л.А. Законы природы и их познание. - М.: Просвещение, 1982.- 112 с., ил.

3. Овчинников Н. Ф. Принцип симметрии. М., 1976.

4. Савельев И.В. Курс физики, Т.1,2, Москва 1989.

5. Мелюхин С.Т. Философские проблемы естествознания. - М : Высшая школа, 1985. - 399 с.

Размещено на Allbest.ru