Границы применимости физической теории.

Как показывает история развития физики, всякая физическая теория имеет вполне определенные границы своей применимости, т.е. справедлива только в определенной области физических явлений. Другими словами, любой физический закон или принцип всегда есть только относительная (но не абсолютная!) истина. Это положение вещей совершенно очевидно с точки зрения диалектического материализма, для которого бесконечность процесса любого познания (в том числе и физической), откуда и вытекает относительность (т.е. историческая ограниченность) любых знаний (в том числе и физических). В месте с тем каждая относительная истина означает шаг вперед в познании абсолютной истины, содержит элементы абсолютной истины. Непроходимой грани между ними нет. Диалектика соотношения абсолютной и относительной истины в физике конкретизируется в форме методологического принципа соответствия: любая новая теория, претендующая на более глубокое описание физической реальности и на более широкую область применимости, чем старая, должна включать последнюю как свой частный (предельный) случай. Т.о., более общая физическая теория не «отбрасывает» менее общую теорию как не нужную, а только устанавливает ее границы применимости, что полностью сохраняет значение этой теории, но теперь уже только в области ее применимости. А до установления границ своей применимости теория «претендует», как правило, на ничем неограниченную применимость (вспомним, например, «претензии» механики Ньютона на объяснение любых физических явлений).

Для установления границ применимости физических теорий приведенный принцип соответствия необходимо конкретизировать с учетом принципиальной важности трех универсальных физических постоянных. Для этого следует учесть, что если теория содержит некоторую из этих постоянных ( ), то она существенно отражает (объясняет) характеризуемые этой постоянной фундаментальные свойства физической реальности и не учитывает свойств физического мира, характеризуемых другими, не входящими в теорию универсальными постоянными. Приведем ряд примеров, иллюстрирующих роль этих постоянных в установлении (с учетом принципа соответствия) границ применимости теорий, а, следовательно, и уточнения предмета исследования каждой теории (вообще, предмет познания – это зафиксированные в опыте и включенные в процесс практической деятельности человека стороны, свойства и отношения объектов, исследуемые с определенной целью в данных условиях и обстоятельствах).

Например, КМ, содержащая только « » (см. схему выше), существенно учитывает квантовые свойства физической реальности, но не описывает ее релятивистских свойств (так как не включает постоянную « »!) и полностью «игнорирует» гравитацию (так как не содержит « »!). А с учетом того, что квантовые свойства органически присущие микрообъектам (электроны, протоны, нейтроны, кварки, глюоны и т.д.), то из сказанного следует, что КМ является теорией нерелятивистского ( ) движения микрообъектов без учета их гравитационного взаимодействия.

Другой пример. КТП в силу наличия в ней постоянных « » и « » описывает квантово-релятивистские свойства физической реальности без учета гравитации (нет « »!) и является теорией микрообъектов, движущихся с любыми возможными скоростями и взаимодействующих между собой посредством электромагнитного, сильного и слабого (но не гравитационного!) полей. Иначе говоря, КТП является современной теорией элементарных частиц.

Единственной фундаментальной физической теорией, содержащей одновременно все три универсальные постоянные « », « » и « », является разрабатываемая в настоящее время ЕКТП, которая (если ее удастся построить) опишет как фундаментальные квантово-релятивистские свойства физической реальности, так и все ее (известные в настоящее время) фундаментальные взаимодействия (сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное).

С учетом изложенного (и используя приведенную выше схему) легко конкретизировать принцип соответствия для установления границ применимости физических теорий и ФКМ следующим образом:

1. в рамках данной ФКМ более общая фундаментальная теория (т.е., содержащая большее число универсальных постоянных) накладывает ограничения на менее общую (с меньшим числом постоянных) фундаментальную теорию;

2. границы применимости наиболее общей фундаментальной теории данной ФКМ, а, следовательно, и самой ФКМ, не могут быть установлены в ее рамках, а вытекают из других ФКМ (и их фундаментальных теорий), включающих большее число универсальных постоянных ( ).

Например, на СТО в рамках ЭМКМ некоторые ограничения накладываются ОТО. Однако полностью границы применимости СТО можно выявить только в рамках КПКМ.

Изложенное показывает, какое важное значение имеет знание границ применимости теорий как в практике исследований, так и в практике преподавания физики. Поэтому в настоящих рекомендациях мы будем уделять большое внимание установлению границ применимости понятий, законов и принципов теоретической физики. С этой целью уже здесь упомянем о том, что есть и другие ограничения (кроме изложенных фундаментальных ограничений) применимости понятий и законов, которые следует из модельного характера теоретических построений, так как любая физическая теория имеет предметом своего исследования не реальные объекты (бесконечно сложные), а их идеальные модели – так называемые идеализированные объекты (например, «материальная точка», «абсолютно твердое тело», «идеальный газ», «плоская волна», «элементарная частица» и т.д.). Эти модельные ограничения применимости понятий и законов (включающих эти понятия) легко следует прямо из самих определений идеализированных понятий и объектов в процессе абстрагирования от несущественных черт объекта изучения.

В заключении отметим, что история физики XX столетия все более ярко выявляет диалектический характер ее развития. Поэтому успешному завершению построения КПКМ будет способствовать сознательное использование физиками всего богатства категориального аппарата и законов материалистической диалектики, которая служит общей методологической основой дальнейшего развития физического познания. Особо важное значение для физики имеют категории материи, пространства и времени (как форм существования материи), движения, качества и количества, причинности, взаимодействия, структуры и др. В этих рекомендациях мы будем широко использовать также и так называемые методологические принципы физики, такие как принцип соответствия, принцип симметрии, принцип сохранения, принцип простоты, принцип единства ФКМ и другие.

Предлагаемые рекомендации отражают современное понимание фундаментальных понятий, законов и принципов классической механики Ньютона, т.е. мы концентрируем внимание на принципиальных вопросах механики как фундаментальной физической теории МКМ и опускаем многочисленные ее применения к решению конкретных задач механического движения различных объектов (твердых тел, сплошных сред и т.п.), подробно изложенные в имеющейся учебной литературе. Большое внимание мы уделяем законом сохранения энергии, импульса, момента импульса (и их связи с симметриями пространства и времени). Мы избираем индуктивный метод изложения материала, принимая за основу построения механики дифференциальные уравнения Ньютона, которые являются непосредственным обобщением опыта.

Материя настоящих рекомендаций может служить основой для последующего изучения методов Лагранжа, Гамильтона, Гамильтона-Якоби, а также, для четкого уяснения места классической механики в структуре современного физического знания.