Принцип суперпозиции

Этот принцип также имеет важное значение в физике и осо­бенно - в квантовой механике. Принцип суперпозиции (нало­жения) - это допущение, согласно которому результирующий эф­фект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности. Одним из простых примеров является правило параллелограмма, в соответствии с которым складываются две силы, воздействующие на тело. Принцип суперпозиции выполняется лишь в условиях, когда воз­действующие явления не влияют друг на друга. Встречный ветер тормозит движение автомашины по закону параллелограмма -принцип суперпозиции в этом случае выполняется полностью. Но если песок, поднятый ветром, ухудшит работу двигателя, то в этом случае принцип суперпозиции выполняться не будет. Вооб­ще, в ньютоновской физике этот принцип не универсален и во многих случаях выполняется лишь приближенно.

В микромире, наоборот, принцип суперпозиции - фунда­ментальный принцип, который наряду с принципом неопреде­ленности составляет основу математического аппарата кван­товой механики. В квантовой теории принцип суперпозиции лишен наглядности, характерной для классической механики, так как в квантовой теории в суперпозиции складываются аль­тернативные, с классической точки зрения, исключающие друг друга состояния.

В релятивистской квантовой теории, предполагающей вза­имное превращение частиц, принцип суперпозиции должен быть дополнен принципом суперотбора. Простейший пример - при аннигиляции электрона и позитрона принцип суперпозиции до­полняется принципом сохранения электрического заряда - до и после превращений сумма зарядов должна быть постоянной. Поскольку заряды электрона и позитрона равны и взаимно противоположны, должна возникать незаряженная частица, каковой и является рождающийся в этом процессе аннигиля­ции фотон.

А теперь ненадолго вернемся к принципам симметрии, ко­торые, как мы уже знаем, лежат в основе законов сохранения физических величин, и в частности, в основе фундаментально­го закона сохранения энергии. Он выводит нас еще в одну об­ласть физики - термодинамику.

Основы термодинамики

Закон сохранения энергии называют еще первым началом термодинамики. Это фундаментальный закон, согласно кото­рому важнейшая физическая величина - энергия - сохраняется неизменной в изолированной системе. Науке сегодня не из­вестна ни одна причина, которая могла бы привести к наруше­нию этого закона. Иначе можно было бы создать вечный дви­гатель - давнюю мечту человечества, двигатель, создающий энергию из ничего. В изолированной системе, согласно этому закону, энергия может только превращаться из одной формы в другую, но ее количество всегда остается постоянным. Если система не изолирована, энергия может изменяться за счет об­мена между частями системы или разными системами. Напри­мер, ежедневно мы сталкиваемся с тем, что чайник, охлажда­ясь, нагревает воздух.

Когда мы говорим о сохранении энергии, мы имеем в виду механическую, тепловую и внутреннюю энергии, то есть энер­гию, зависящую лишь от термодинамического состояния. Она складывается из движения атомов, энергии химических связей и других типов энергий, связанных с состоянием электронов в молекулах.

Следует отметить, что для макроскопических систем энер­гия не является непосредственно измеряемой величиной, хотя современная физика дает довольно подробную картину моле­кулярного строения макроскопического объекта, а теоретиче­ская и экспериментальная физика позволяет различными ме­тодами определить уровни энергии или их разности для частиц в системе. Однако до настоящего времени отсутствуют спосо­бы непосредственного измерения самой энергии системы в це­лом. Термодинамика позволяет с точностью до некоторой не­определенной постоянной вычислить эту величину из опытных данных. Для этого следует учесть теплообмен системы с окру­жающей средой и измерить работу, совершаемую системой.

Первый закон термодинамики гласит: тепло, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил. Например, если вы поместите градусник, используемый для измерения температу­ры тела, в стакан с водой с температурой 50° С, то через не­сколько минут вы услышите характерный звон разбитого сте­кла: это ртуть, расширившись (а расширение связано с увели­чением межатомных расстояний, то есть с увеличением вну­тренней энергии ртути), и не имея выхода, надавила на стекло резервуара и совершила работу, разрушив его.

Первый закон термодинамики более известен в другой ре­дакции, абсолютно эквивалентной первой: нельзя построить периодически действующую машину, которая бы совершала работу, больше подводимой к ней извне энергии (или - вечный двигатель первого рода невозможен).

Существование вечного двигателя второго рода запрещает второе начало термодинамики. Вечный двигатель второго ро­да - это циклически действующая машина, способная совер­шать работу за счет переноса тепла от холодного тела к горя­чему. Это не запрещено первым началом термодинамики, но практически невозможно.

Второе начало термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии - теплоты (связанной с неупоря­доченным, хаотическим движением) и работы, связанной с упорядоченным движением. Работу всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло - вспомните, как наши предки добыва­ли огонь. В то же время тепло в эквивалентную ему работу полностью превратить нельзя. Другими словами, неупорядо­ченную форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную. Мерой неупорядоченности, или мерой хаоса, в термодинамике является энтропия. Энтропия не бывает от­рицательной, она всегда положительна, за исключением слу­чая, когда идеальный кристалл находится при абсолютном ну­ле (но на этот счет есть третье начало термодинамики, гово­рящее о недостижимости абсолютного нуля, равного -273° С), что невозможно. Иногда используется отрицательная величи­на энтропии - негэнтропия, которая является мерилом упоря­доченности системы. Эта величина может быть только отрица­тельным числом. Рост негэнтропии соответствует возраста­нию порядка, энтропии - росту хаоса.

Таким образом, в соответствии со вторым началом термо­динамики, в случае изолированной системы (то есть системы, не обменивающейся энергией с окружающей средой) неупоря­доченное состояние не может самостоятельно перейти в упоря­доченное. При нагревании тела энтропия увеличивается, рас­тет степень неупорядоченности. В изолированной системе эн­тропия может только расти.

Так мы сталкиваемся с принципом возрастания энтропии -важнейшим принципом термодинамики. Он соответствует стремлению любой системы к состоянию термодинамического равновесия, которое можно отождествить с хаосом.

Из этого принципа следует идея тепловой смерти Вселен­ной. Раз все виды энергии деградируют, превращаясь в тепло, то когда-нибудь закончат свое существование звезды, отдав свою энергию в окружающее пространство, и вся Вселенная придет в самое простое состояние хаоса - термодинамического равновесия с температурой лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. В этом пространстве будут разбросаны безжизненные, остывшие шары планет и звезд. Не будет ис­точников энергии - не будет жизни, не будет ничего.

План семинарского занятия (2 часа)

1. Симметрия. Виды симметрии в физике.

2. Принципы симметрии и законы сохранения физических величин.

3. Принцип соответствия.

4. Принцип дополнительности и соотношение неопределенностей.

5. Принцип суперпозиции.

6. Три начала термодинамики.

Темы докладов и рефератов

1. Современные исследования в области симметрии и суперсимметрии.

2. Вечные двигатели: история проблемы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Андреев Э.П. Пространство микромира. М., 1969.

2. Готт B.C. Философские вопросы современной физики. М., 1988.

3. Гудков Н.А. Идея «великого синтеза» в физике. Киев, 1990.

4. Девис П. Суперсила. М., 1989.

5. Пахомов Б.Я. Становление современной физической картины мира. М., 1985.

6. Философские проблемы естествознания. М., 198S.