Эвристические функции законов сохранения

Эвристические функции
законов сохранения

СОДЕРЖАНИЕ

введение
глава1Понятие закона
глава2понятие симметрии и законы сохранения.
§ 1.принцип симметрии.и его роль в познании
§ 2.закон сохранения в микромире.
специфические законы сохранения в теории элементарных частиц
заключение
Среди физиков вера в законы

сохранения была так сильна,
как если бы они представлялись
очевидными.
Е.Вигнер.

ВВЕДЕНИЕ

О чем данная работа? Казалось, бы ответить на этот вопрос нетрудно. Название ее говорит о том, что речь пойдет о законах сохранении. Но мало сказать - законы сохранения, ведь этот закон распространяется на весь диапазон физических явлений, от микрочастиц до макротел.
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.
Но остановимся на чуть-чуть. Более 10 раз было употреблено слово "закон". Так что же вообще это такое - закон? И что мы понимаем под законом сохранения?
В данной работе я и попытаюсь ответить на заданные вопросы. А поскольку закон сохранения охватывает практически все области науки, то предметом внимания будет служить лишь закон сохранения симметрии и закон сохранения в физике микромира.

ГЛАВА I. ПОНЯТИЕ ЗАКОНА.

В философском энциклопедическом словаре читаем "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" [5].
Понятие закона сформулировалось в результате длительного развития науки и философской мысли. Из каких же источников почерпнуто это понятие? Одним из таких источников является социально-историческая практика человечества. 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-де 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 так называемых 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, однако, 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, законам механического движения, которые она 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.
Здесь можно еще долго говорить о понятии закона: рассмотреть типы законов, принципы создания, методы конструирования; охарактеризовать их (законов) простоту и изящество, сказать о различных моделях законов. Остановлюсь лишь кратко на понятии гипотезы и ее роли в познании законов, ведь ее выдвижение, апробация - это один из важнейших методов открытия законов.
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 выносить 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 нашим 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.
Например, именно переработка множества гипотез феномена явления ?-распада, о котором будет говорить ниже, и позволила установить существование новой частицы - нейтрино. Как и на каких основаниях совершалось данное открытие - этому и посвящена следующая глава.
Но для начала обратимся к физическому энциклопедическому словарю. Вот что там говорится о законах сохранения.
Законы сохранения - физические, закономерности, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в классе процессов.
ГЛАВА II. ПОНЯТИЕ СИММЕТРИИ И ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ.
§ 1. Принцип симметрии и его роль в познании.

Рассмотрение философских аспектов физического знания неоднократно приводило нас к необходимости оперировать понятиями симметрии и асимметрии. Что же такое симметрия и асимметрия? В чем сущность их методологического значения?
На протяжении тысячелетий в ходе общественной практики и познания законов объективной действительности человечество накопило многочисленные данные, свидетельствующие о наличии в окружающем мире двух тенденций: с одной стороны, к строгой упорядоченности, гармонии, а с другой - к их нарушению. Люди давно обратили внимание на правильность формы кристаллов, цветов, пчелиных сот и других естественных объектов и воспроизводили эту пропорциональность в произведениях искусства, в создаваемых ими предметах, ввели понятие симметрия. "Симметрия, - пишет известный ученый Дж. Ньюмен, - устанавливает забавное н удивительное родство между предметами, явлениями и теориями, внешне, казалось бы, ничем не связанными: земным магнетизмом, женской вуалью, поляризованным светом, естественным отбором, теорией групп, инвариантами и преобразованиями, рабочими привычками пчел в улье. строением пространства, рисунками ваз, квантовой физикой, скарабеями, лепестками цветов, интерференционной картиной рентгеновских лучей, делением клеток морских ежей, равновесными конфигурациями кристаллов, романскими соборами, снежинками, музыкой, теорией относительности...».
Слово "симметрия" имеет два значения. В одном смысле симметричное означает нечто весьма пропорциональное, сбалансированное; симметрия показывает тот способ согласования многих частей, с помощью которого они объединяются в целое.
Второй смысл этого слова - равновесие. Еще Аристотель говорил о симметрии как о таком состоянии, которое характеризуется соотношением крайностей.
Пристальное внимание уделяли симметрии Пифагор и его ученики.
Основное положение пифагорейской философии, согласно Аристотелю, состоит в том, "что число есть сущность всех вещей и организация вселенной в ее определениях представляет собою вообще гармоническую систему чисел и их отношений". Исходя из учения о числе пифагорейцы дали первую математическую трактовку гармонии, симметрии, которая не потеряла своего значения и в наши дни.
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.
Среди более поздних естествоиспытателей и философов, занимавшихся разработкой категории симметрии, следует назвать Р. Декарта и Г. Спенсера.
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 которогоони 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.
Понятия симметрии и асимметрии, которыми пользуются в частных науках, далеко не полно отражают существующую в реальном мире симметрию и асимметрию; они развиваются и обогащаются. Как показывает история науки, это понятия, с помощью которых можно объяснить многие явления и предсказывать существование новых, еще не познанных свойств природы.
Так что же такое симметрия и асимметрия?
В настоящее время в естествознании преобладают определения категорий симметрии и асимметрии на основании перечисления определенных признаков. Например, симметрия определяется как совокупность свойств: порядка, однородности, соразмерности, гармоничности. Под асимметрией же обычно понимают отсутствие признаков симметрии - беспорядок, несоразмерность, неоднородность и т. д. Все признаки симметрии в такого рода ее определениях, естественно, рассматриваются равноправными, одинаково существенными, ив отдельных конкретных случаях, при установлении симметрии какого-то явления, можно пользоваться любым из них. Так, в одних случаях симметрия - это однородность, в других - соразмерность и т.д. По мере развития нашего познания к определению симметрии можно прибавлять все новые и новые признаки. То же самое можно сказать и о существующих в частных науках определениях асимметрии.
Общие понятия симметрии и асимметрии должны быть такими, чтобы под них подошли все известные и даже неизвестные н настоящее время виды симметрии и асимметрии.
Непосредственной логической основой для определения понятий симметрии и асимметрии, по мнению В.С.Готта, является диалектика тождества и различия. А в диалектике, как мы уже знаем, тождество и различие рассматриваются лишь в определенных отношениях, во взаимодействии, во включении различия в тождество, а тождества в различие.
Диалектическое понимание тождества предполагает обязательное признание следующего: тождество не существует вне различия и противоположности, тождество возникает и исчезает, тождество существует только в определенных отношениях и возникает при определенных условиях; наиболее полным выражением тождества является полное превращение противоположностей друг в друга.
Отсюда следует, что в процесса познания явлений мира нельзя ограничиваться только установлением тождества между ними, но необходимо раскрывать, как возникает это тождество, при каких условиях и в каких отношениях оно существует. На основе этой характеристики диалектики тождества и различия нами В.С.Готтом предложены следующие определения симметрии и асимметрии:
Симметрия - это категория,обозначающая процесс существования и становления тождественных моментов, в определенных условиях и в определенных отношениях между различными и противоположными состояниями явлений мира.
Из данного определения понятия симметрии возникают такие методологические требования: при изучении явления, события, состояния движущейся материи прежде всего необходимо установить свойственные им различия и противоположности, затем уже раскрыть, что в нем есть тождественного и при каких условиях и в каких отношениях это тождественное возникает, существует и исчезает. Отсюда следуют и некоторые общие правила для формулирования наших гипотез (это правило часто относят к научной интуиции). Если установлено существование какого-то явления, состояния или каких-то их свойств и параметров, то необходимо предполагать и существование противоположных явлений, противоположных свойств и параметров; в свою очередь, необходимо далее постулировать, что между противоположными условиями в каких-то отношениях и условиях возникают и существуют тождественные моменты. В этих двух правилах и выражается в общем виде применение понятия симметрии в конкретных исследованиях.
Асимметрией называется категория, которая обозначает существование и становление в определенных условиях и отношениях различий и противоположностей внутри единства, тождества, цельности явлений мира.
Во всех реальных явлениях симметрия и асимметрия сочетаются друг с другом. Прежде чем искать симметрию, нужно найти асимметрию. Верным будет и обратное.

§ 2.Законы сохранения в микромире.

Если механизм возникновения альфа- и гамма-излучения без особых трудностей был объяснен квантовой механикой, то испускание ?-частиц (электронов) оказалось одной из труднейших для понимания проблем ядерной физики. Действительно, при ?-распаде ядро атома испускает ?-частицу, представляющую собой ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Таким образом, при ?-распаде не образуется новых частиц, поскольку и протоны и нейтроны уже имелись в ядре. Был понят и процесс ?-излучения, при котором из ядра вылетала новая (не бывшая, ранее в нем) частица - ?-квант (фотон). Он был связан с тем, что путем ?-радиоактивности ядро атома освобождалось от избыточной энергии аналогично тому, как рождался фотон в атоме при переходе электрона с верхней орбиты на нижнюю. Как ?-, так и ?-радиоактивность протекала в полном соответствии с законом сохранения энергии, импульса и момента количества движения.
Что же касается ?-распада, то это явление оказалось значительно более сложным и поставило перед учеными ряд проблем. Прежде всего потому, что при этом виде радиоактивности из ядра вылетает ранее не находившаяся там ?-частица - электрон. Когда к этому явлению были применены законы сохранения, то выявилась совершенно необычная ситуация: энергия, импульс и момент количества движения начального ядра не были равны, импульсу и моменту количества движения продуктов распада вновь образовавшегося ядра и испущенного электрона. Баланс указанных величин не только почти никогда не сходился, но и каждый раз давал различную величину. Ядро одного и того же радиоактивного изотопа испускает электроны различной энергии, начиная от некоторой максимальной до нулевой. При этом оказывается, что образующееся конечное ядро имеет всегда одну и ту же энергию. Начальное же ядро, превращаясь в результате радиоактивного распада в новое ядро, теряет одну и ту же энергию, в точности равную максимально возможной энергии испущенного электрона. Возник, естественно, вопрос: куда девается энергия в тех случаях, когда энергия электрона меньше максимальной?
Это был отнюдь


10-09-2015, 22:50