Фундаментальные взаимодействия и универсальные физические постоянные

16

Содержание

Введение

1. Основные этапы развития физики

2. Концепция атомизма и универсальность физических законов

3. Виды фундаментальных взаимодействий

4. Некоторые фундаментальные закономерности развития процессов

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Всю историю физики можно условно разделить на три основных этапа:

- древний и средневековый,

- классической физики,

- современной физики.

Первый этап развития физики иногда называют донаучным. Однако такое название нельзя считать пол­ностью оправданным: фундаментальные зерна физи­ки и естествознания в целом были посеяны еще в глу­бокой древности. Это самый длительный этап. Он охватывает период от времен Аристотеля до начала XVII в., поэтому и называется древним и средневеко­вым этапом.

Начало второго этапа – этапа классической физи­ки – связывают с одним из основателей точного есте­ствознания – итальянским ученым Галилео Галилеем и основоположником классической физики, англий­ским математиком, механиком, астрономом и физиком Исааком Ньютоном. Второй этап продолжался до кон­ца XIX в.

К началу XX столетия появились эксперименталь­ные результаты, которые трудно было объяснить в рам­ках классических представлений. В этой связи был предложен совершенно новый подход – квантовый, основанный на дискретной концепции. Квантовый под­ход впервые ввел в 1900 г. немецкий физик Макс Планк (1858–1947), вошедший в историю развития физики как один из основоположников квантовой теории. Его трудами открывается третий этап развития физики – этап современной физики, включающий не только квантовые, но и классические представления.

В истории физики наиболее плодотворный и важ­ный для понимания явлений природы была концепция атомизма, согласно которой материя имеет прерыви­стое, дискретное строение, т. е. состоит из мельчай­ших частиц – атомов. До конца XIX в. в соответствии с концепцией атомизма считалось, что материя состо­ит из отдельных неделимых частиц – атомов. С точки зрения современного атомизма, электроны – «атомы» электричества, фотоны – «атомы» света и т. д.

Концепция атомизма, впервые предложенная древ­негреческим философом Левкиппом в V в. до н. э., развитая его учеником Демокритом и затем древнегре­ческим философом-материалистом Эпикуром (341– 270 до н. э.) и запечатленная в замечательной поэме «О природе вещей» римского поэта и философа Лук­реция Кара (I в. до н. э.), вплоть до нашего столетия оставалось умозрительной гипотезой, хотя и подтвер­ждаемой косвенно некоторыми экспериментальными доказательствами (например, броуновским движени­ем, законом Авогадро и др.).

Концепция атомизма – концепция дискретного, квантованного строения материи – пронизывает есте­ствознание на протяжении всей его истории – от антич­ной натурфилософии Левкиппа и Демокрита до совре­менных учений физики, химии, биологии и других наук:

Многие ведущие физики и химики даже в конце XIX в. не верили в реальность существования атомов. К тому же многие экспериментальные результаты химии и рассчитанные в соответствии с кинетической теорией газов данные утверждали другое понятие для мельчайших частиц – молекулы.

В каком соотношении находятся между собой ато­мы и молекулы? Насколько те и другие малы? Дейст­вительно ли они существуют? Только вначале XXв. были получены ответы на поставленные вопросы.

Реальное существование молекул было окончатель­но подтверждено в 1906 г. опытами французского фи­зика Жана Перрена (1870– 1942) по изучению законо­мерностей броуновского движения. В современном представлении молекула – наименьшая частица веще­ства, обладающая его основными химическими свойст­вами и состоящая из атомов, соединенных между со­бой химическими связями. Число атомов в молекуле составляет от двух (Н , О , HF, KC1) до сотен и тысяч (некоторые витамины, гормоны и белки). Атомы инерт­ных газов часто называют одноатомными молекулами. Если молекула состоит из тысяч и более повторяющих­ся единиц (одинаковых или близких по строению групп атомов), ее называют макромолекулой.

Атом – составная часть молекулы, в переводе с греческого означает «неделимый». Действительно, вплоть до конца XIX в. неделимость атома не вызывала серьезных возражений. Однако физические опыты конца XIX и начала XX столетий не только подвергли сомнению неделимость атома, но и доказали сущест­вование его структуры. В своих опытах в 1897 г. англий­ский физик Джозеф Джон Томсон (1856–1940) открыл электрон, названный позднее атомом электричества. Электрон, как хорошо известно, входит в состав элек­тронной оболочки атомов. В 1898 г. Томсон определил заряд электрона, а в 1903 г. предложил одну из первых моделей атома.

Так постепенно, шаг за шагом, современная фи­зика открывала совершенно новый мир физических объектов – микромир или мир микроскопических час­тиц, для которых характерны преимущественно кван­товые свойства. Поведение и свойства физических тел, состоящих из микрочастиц и составляющих мак­ромир, описываются классической физикой.

1. Основные этапы развития физики

Дадим краткую характеристику каждого из этапов. Принято считать, что первый этап открывает геоцен­трическая система мировых сфер, разработанная Ари­стотелем. Учение о геоцентрической системе мира начиналось с геоцентрической системы кольцевых мироустроений еще гораздо раньше–в VI в. до н. э. Ее предложил Анаксимандр (ок. 610 – после 547 до н. э.), древнегреческий философ, представитель Милет­ской школы. Данное учение было развито Евдоксом Книдским (ок. 406 – ок. 355 до н. э.), древнегреческим математиком и астрономом. Геоцентрическая система Аристотеля родилась, таким образом, на подготов­ленной его предшественниками идейной почве.

Переход от эгоцентризма – отношения к миру, ко­торое характеризуется сосредоточенностью на своем индивидуальном «я», к геоцентризму – первый и, пожалуй, самый трудный шаг на пути зарождения ро­стков естествознания. Непосредственно видимая полу­сфера неба, ограниченная местным горизонтом, была дополнена аналогичной невидимой полусферой до пол­ной небесной сферы. Мир стал как бы более завершен­ным – специфическим, но оставаясь ограниченным небесной сферой. Соответственно и сама Земля, про­тивопоставленная остальной (небесной) сферической Вселенной как постоянно занимающая в ней особое, центральное положение и абсолютно неподвижная, стала считаться сферической. Пришлось признать не только возможность существования антиподов – оби­тателей диаметрально противоположных частей земно­го шара, но и принципиальную равноправность всех земных обитателей мира. Такие представления, носив­шие в основном умозрительный характер, подтвержда­лись гораздо позднее – в эпоху первых кругосветных путешествий и великих географических открытий, т. е. на рубеже XV и XVI вв., когда само геоцентрическое учение Аристотеля с канонической системой идеаль­ных равномерно вращающихся небесных сфер, сочле­ненных друг с другом своими осями вращения, с прин­ципиально различной физикой или механикой для земных и небесных тел уже доживало свои последние годы.

Почти полторы тысячи лет отделяет завершен­ную геоцентрическую систему греческого астронома Клавдия Птоломея (ок. 90 – ок. 160) от достаточно со­вершенной гелио­центрической си­стемы польского матема­тика и астронома Николая Копер­ника (1473–1543). Вершиной гелио­центрической сис­темы можно счи­тать законы дви­жения планет, от­крытые немецким астрономом Иоганном Кеплером (1571 – 1630), одним из творцов астроно­мии нового времени.

Астрономические открытия Галилео Галилея и его физические эксперименты, а также общие динамиче­ские законы механики вместе с универсальным зако­ном всемирного тяготения, сформулированные Исаа­ком Ньютоном, положили начало классическому этапу развития физики.

Между названными этапами нет четких гра­ниц. Для физики и естествознания в целом характерно в большей степени поступательное развитие: законы Кеплера – венец гелиоцентрической системы с весь­ма длительной историей, начавшейся еще в древние времена; законам Ньютона предшествовали законы Ке­плера и труды Галилея; Кеплер открыл законы движе­ния планет в итоге логически и исторически естествен­ного перехода от геоцентризма к гелиоцентризму, но не без эвристических идей аристотелевской механики.

Механика Аристотеля разделялась на земную и небесную, т. е. не обладала надлежащим принци­пиальным единством: аристотелевское взаимное про­тивопоставление Земли и Неба сопровождалось прин­ципиальной противоположностью относящихся к ним законов его механики, которая тем самым оказалась в целом внутренне противоречивой, несовершенной.

Галилей опроверг аристотелевское противопоставле­ние Земли и Неба. Он предложил применять закон инер­ции Аристотеля, характеризующий равномерное движе­ние небесных тел вокруг Земли, для земных тел при их свободном движении в горизонтальном направлении. Мысленно расчленяя всевозможные земные тела на от­дельные части, он установил для них закон одинаково быстрого (или одинаково равномерно ускоренного) сво­бодного падения независимо от их массы, когда свобод­ное падение в вертикальном направлении к центру Зем­ли происходит в идеальных условиях, без какого бы то ни было сопротивления, т. е. в пустоте. Этот закон находит­ся в противоречии с канонизированным аристотелев­ским учением, в соответствии с которым «природа не терпит пустоты», и весомые тела падают в реальных ус­ловиях под действием присущей им силы тяжести на самом деле тем быстрее, чем больше их массы.

Кеплер и Галилей, отталкиваясь таким образом от первоначальных представлений, радикально пере­смотрели всю механику. В результате перехода от гео­центризма к гелиоцентризму они пришли к своим кинематическим законам, которые предопределили принципиально единую для земных и небесных тел ме­ханику Ньютона со всеми сформулированными им классическими динамическими законами, включая универсальный закон всемирного тяготения. При этом из «Математических начал натуральной филосо­фии» – фундаментального труда Исаака Ньютона – можно заключить, что его динамические законы не только следуют из соответствующих кинетических законов Кеплера и Галилея, но и сами могут быть по­ложены в основу всех трех кинематических законов Кеплера и обоих кинематических законов Галилея, а также всевозможных теоретически ожидаемых от­клонений от них из-за сложного строения и взаимных гравитационных возмущений взаимодействующих тел.

Законы Кеплера послужили основой для открытия новых планет. Так, по результатам наблюдений откло­нений в движении планеты Уран, сделанных в 1781 г. английским астрономом и оптиком Уильямом Гершелем (1738–1822), английский астроном и математик Джон Кауч Адаме (1819–1892) и французский астро­ном Урбен Жан Жозеф Леверье (1811–1877) незави­симо друг от друга и почти одновременно теоретически предсказали существование еще одной – заурановой планеты, которую обнаружил на небе в 1846 г. немец­кий астроном Иоганн Галле (1812–-1910). Эта планета носит название Нептун. Затем американский астроном Персиваль Ловелл (1855–1916) аналогично предсказал в 1905 г. существование еще одной заурановой плане­ты и организовал в созданной им обсерватории ее систематические поиски, в результате которых мо­лодой американский любитель астрономии открыл в 1930 г. искомую новую планету – Плутон.

Стремительными темпами развивалась не только классическая механика Ньютона. Этап классической физики характеризуется также крупными достиже­ниями и в других отраслях физики: термодинамике, молекулярной физике, оптике, электричестве, магне­тизме и т. п. Ограничимся перечислением некоторых наиболее важных достижений. Были установлены опытные газовые законы. Предложено уравнение кинетической теории газов. Сформулирован принцип равномерного распределения энергии по степеням свободы, первое и второе начала термодинамики. От­крыты законы Кулона, Ома и электромагнитной ин­дукции. Явления интерференции, дифракции и по­ляризации света получили волновое истолкование. Установлены законы поглощения и рассеивания света. Конечно, можно было бы назвать и другие не менее важные достижения, среди которых особое место занимает электромагнитная теория, разработанная выдающимся английским физиком Джеймсом Клер­ком Максвеллом. Максвелл является не только созда­телем классической электродинамики, но и одним из основоположников статистической физики. Он уста­новил статистическое распределение молекул по ско­ростям, названное его именем. Развивая идеи Майкла Фарадея (1791–1867), он создал теорию электромаг­нитного поля (уравнения Максвелла), которая не толь­ко объясняла многие известные к тому времени электромагнитные явления, но и предсказала элект­ромагнитную природу света. С электромагнитной теорией Максвелла вряд ли можно поставить рядом другую более значительную в классической физике. Однако и теория Максвелла оказалась не всемогущей.

В конце прошлого столетия при изучении спектра излучения абсолютно черного тела была эксперимен­тально установлена закономерность распределения энергии в спектре излучения. Экспериментальные кривые распределения имели характерный максимум, который по мере повышения температуры смещался в сторону более коротких волн. В рамках классической электродинамики Максвелла не удалось объяснить закономерность распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Правильное, согла­сующееся с опытными данными выражение для спек­тральной плотности энергетической светимости абсо­лютно черного тела было найдено в 1900 г. Максом Планком. Для этого ему пришлось отказатьсяот уста­новившегося положения классической физики, соглас­но которому энергия любой системы может изменять­ся непрерывно, т. е. может принимать любые сколь угодно близкие значения. Согласно выдвинутой План-ком квантовой гипотезе, атомные осцилляторы из­лучают энергию не непрерывно, а определенными порциями - квантами, причем энергия кванта пропор­циональна частоте колебания.

Характерная особенность третьего этапа развития физики – современного этапа – заключается в том, что наряду с классическими широко внедряются кван­товые представления, на основании которых объясня­ются многие микропроцессы, происходящие в пределах атома, ядра и элементарных частиц, и в связи с которые ми возникли новые отрасли современной физики: кван­товая электродинамика, квантовая теория твердого тела, квантовая оптика и многие другие.

2. Концепция атомизма и универсальность физических законов

К двум совершенно разным объектам – микроми­ру и макромиру можно добавить и мегамир – мир звезд, галактик и Вселенной, расположенный за пре­делами Земли.

При оценке грандиозности масштабов Вселенной всегда возникает классический философский вопрос: конечна или бесконечна Вселенная? Понятием бес­конечности оперируют в основном математики и фи­лософы. Физики-экспериментаторы, владеющие экс­периментальными методами и техникой измерений, получают всегда конечные значения измеренных ве­личин. Огромное значение науки и в особенности современной физики заключается в том, что к настоя­щему времени уже получены многие количественные характеристики объектов не только макро- и микроми­ра, но и мегамира.

Пространственные масштабы нашей Вселенной и размеры основных материальных образований, в том числе и микрообъектов, можно представить из следую­щей таблицы, где размеры даны в метрах (для просто­ты приведены лишь порядки чисел, т. е. приближенные числа в пределах одного порядка):

Радиус космологического горизонта

или видимой нами Вселенной                             1026

Диаметр нашей Галактики                                           1021

Расстояние от Земли до Солнца                             1011

Диаметр Солнца                                                         109

Размер человека                                                         100

Длина волн видимого света                             10-6 - 10-7

Размер вирусов                                                         106 - 10-8

Диаметр атома водорода                                           10-10

Диаметр атомного ядра                                           10-15

Минимальное расстояние,

доступное сегодня нашим измерениям               10-18

Из этих данных видно, что отношение самого боль­шого к самому малому размеру, доступному сегодняш­нему эксперименту, составляет 44 порядка. С разви­тием науки данное отношение постоянно возрастало и будет возрастать по мере накопления новых знаний об окружающем нас мире. Ведь «мир наш – только школа, где мы учимся познавать», – так сказал фран­цузский философ-гуманист Мишель Монтень (1533–1592).

На примере развития классической механики можно убедиться в том, насколько длинный и терни­стый путь лежит между аристотелевским противопос­тавлением земных и небесных явлений и представле­нием об универсальности законов механики и, в частности, закона всемирного тяготения, в одинако­вой мере применимого как для земных, так и для не­бесных тел.

Каждый фундаментальный физический закон опи­сывает вполне определенные объекты окружающего мира вне зависимости от того, где они находятся. Универсальность физических законов заключается в том, что они применимы к объектам всего мира, дос­тупным нашим наблюдениям с помощью самых совер­шенных и чувствительных приборов. Атомы везде одинаковы – на Земле и в космосе.

Это подтверждается результатами исследований в космосе и наблюдаемыми спектрами электромагнит­ного излучения различных космических объектов. За­коны сохранения импульса и энергии применимы для описания не только для движения тел на Земле, но и взаимодействия элементарных частиц, а также дви­жения планет и звезд. Универсальность физических за­конов подтверждает единство природы и Вселенной в целом.

3. Виды фундаментальных взаимодействий

Многие основополагающие концепции современ­ного естествознания прямо или косвенно связаны с описанием фундаментальных взаимодействий. Взаи­модействие и движение – важнейшие атрибуты ма­терии, без которых невозможно ее существование. Взаимодействие обусловливает объединение различ­ных материальных объектов в системы, т. е. систем­ную организацию материи. Многие свойства матери­альных объектов производны от их взаимодействия, являются результатом их структурных связей между собой и взаимодействий с внешней средой.

К настоящему времени известны четыре вида основных фундаментальных взаимодействий:

■ гравитационное,

■ электромагнитное,

■ сильное,

■ слабое.

Гравитационное взаимодействие характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы. Оно заключается во взаимном притяжении тел и определяется фундаментальным законом все­мирного тяготения: между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Гравитационным взаимодействием определяется падение тел в поле сил тяготения Земли. Законом всемирного тяготения опи­сывается, например, движение планет Солнечной сис­темы, а также других макрообъектов. Предполагается, что гравитационное взаимодействие обусловливается некими элементарными частицами – гравитонами, существование которых к настоящему времени экспе­риментально не подтверждено.

Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле – при их движении. В природе су­ществуют как положительные, так и отрицательные за­ряды, что и определяет характер электромагнитного взаимодействия. Например, электростатическое взаи­модействие между заряженными телами в зависи­мости от знака заряда сводится либо к притяжению, либо к отталкиванию. При движении зарядов в зави­симости от их знака и направления движения между ними возникает либо притяжение, либо отталкивание. Различные агрегатные состояния вещества, явление трения, упругие и другие свойства вещества опреде­ляются преимущественно силами межмолекулярного взаимодействия, которое по своей природе является электростатическим. Электромагнитное взаимодейст­вие описывается фундаментальными законами элек­тростатики и электродинамики: законом Кулона, зако­ном Ампера и др. Его наиболее общее описание дает электромагнитная теория Максвелла, основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электри­ческое и магнитное поля.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нук­лонов в ядре и определяет ядерные силы, которые об­ладают зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением и другими свойствами.

Наконец, слабое взаимодействие описывает неко­торые виды ядерных процессов. Оно короткодействую­щее и характеризует все виды бета-превращений.

Обычно для количественного анализа перечислен­ных взаимодействий используют две характеристики: безразмерную константу взаимодействия, определя­ющую величину взаимодействия, и радиус действия (табл. 1).

Таблица 1

По данным табл. 1 видно, что константа грави­тационного взаимодействия самая малая. Радиус дей­ствия его, как и электромагнитного взаимодействия, неограничен. Гравитационное взаимодействие в клас­сическом представлении в процессах микромира существенной роли не играет. Однако в макропроцес­сах ему принадлежит определяющая роль. Например, движение планет Солнечной системы «происходит в строгом соответствии с законами гравитационного взаимодействия»[1].

В настоящее время закон всемирного тяготения запи­сывают в виде[2]:

F=G(m1m2)/r2,

F – сила притяжения между телами, m1 и m2 – масса взаи­модействующих тел, r – расстояние между телами, G – так называемая гравитационная постоянная

G=6,6710-11м3кг-1c-2.

Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется только в пределах размеров ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем оно устойчивее, тем больше его энергия связи, определяемая работой, которую необходимо совер­шить, чтобы разделить нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых взаимодейст­вие становится равным нулю. С возрастанием размера ядра энергия связи уменьшается. Так, ядра элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева, неустой­чивый могут распадаться. Такой процесс часто назы­вается радиоактивным распадом.

Взаимодействие между атомами и молекулами имеет преимущественно электромагнитную природу. Таким взаимодействием объясняется образование различных агрегатных состояний вещества: твердого, жидкого и газообразного. Например, между молеку­лами вещества в твердом состоянии взаимодействие в виде притяжения проявляется гораздо сильнее, чем между теми же молекулами в газообразном состоянии.

Агрегатные состояния вещества, состояния одного и того же вещества (например, воды, железа, серы), переходы между которыми сопровождаются скачкообразными изменениями свободной энергии, энтропии, плотности и других основных физических свойств. Так, вода при нормальном давлении 101 325н/м2 = 760 мм рт. ст. и при 0ºС кристаллизуется в лёд, а при 100ºС кипит и превращается в пар. Следовательно, вода может существовать в твёрдом, жидком и газообразном А. с. К трём указанным А. с. вещества часто причисляют ещё плазму. Существование нескольких А. с. обусловлено различиями в характере теплового движения молекул (атомов) вещества и в их взаимодействии. В газах молекулы почти не взаимодействуют и движутся свободно, заполняя весь объём, в котором газ находится. У жидкостей и твёрдых тел - конденсированных систем - молекулы (атомы) расположены близко друг от друга и взаимодействуют со значительными силами. Это приводит к сохранению жидкостями и твёрдыми телами определённого объёма. Однако характер движения молекул в жидкостях и в твёрдых телах различен, чем и объясняется различие их структуры и свойств. У твёрдых тел в кристаллическом состоянии атомы совершают лишь небольшие колебания вблизи узлов кристаллической решётки; структура этих тел характеризуется высокой степенью упорядоченности - дальним порядком в расположении атомов. Тепловое движение молекул жидкости представляет собой сочетание малых колебаний около положений равновесия и частых перескоков из одного положения равновесия в другое. Последние и обусловливают существование в жидкостях лишь ближнего порядка в расположении молекул (атомов), а также свойственные жидкому состоянию подвижность и текучесть.

4. Некоторые фундаментальные закономерности развития процессов

Структурность и системная организация материи относятся к числу ее важнейших атрибутов. Они вы­ражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в которых она проявляется. Под структурой материи обычно понимается ее строение в микромире, существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т. д. Однако, если рассматри­вать материю в целом, во всех доступных и потенци­ально возможных формах ее существования, то по­нятие структуры материи будет охватывать также различные макроскопические тела, все космические системы мегамира, причем в любых, сколь угодно боль­ших пространственно-временных масштабах. С этой точки зрения структура материи проявляется в ее существовании в виде бесконечного многообразия целостных систем, тесно связанных между собой в закономерном движении и взаимодействии, в упорядо­ченном строении каждой из них. Эта структура не­исчерпаема и бесконечна в количественном и качест­венном отношениях.

В доступных пространственно-временных масшта­бах структурность материи проявляется в ее систем­ной организации, существовании в виде множества иерархически взаимосвязанных систем, начиная от элементарных частиц и кончая Метагалактикой. По­следнюю иногда отождествляют со всей Вселенной, но для этого нет никаких оснований, ибо Вселенная в це­лом, понимаемая в предельно широком смысле этого слова тождественна всему материальному миру и дви­жущейся материи, которая может включать в себя бесконечное множество Метагалактик или других кос­мических систем/Понятие «Вселенная», используемое в различных космологических моделях, обозначает наблюдаемую Вселенную (Метагалактику) либо же различные аспекты последней, как они представляют­ся через содержание принятых моделей.

В неживой природе множество объектов будет представлять целостную систему лишь в том случае, если энергия связи между ними больше суммарной ки­нетической энергии и энергии внешних воздействий, направленных на разрушение системы. В противном случае система не возникает или распадается. Энер­гия внутренних связей – это общая энергия, которую нужно было бы приложить последовательно к каждому элементу, чтобы удалить его из системы на большое расстояние, т. е. «растащить» систему. Поскольку эта энергия не может возникнуть из ничего, и "каждый из элементов существует в некоторой «потенциальной яме», то стабильность и целостность систем оказы­ваются косвенно обусловленными действием закона сохранения энергии.

Энергия внутренних связей может иметь различ­ное значение в зависимости от характера сил, объеди­няющих тела в системы. С переходом от космических систем к макроскопическим телам, молекулам и ато­мам к гравитационным силам добавляются электромаг­нитные силы, во много раз превышающие гравитаци­онные. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны их элементы.

В случае элементарных частиц энергия внутрен­них связей сопоставима с их собственной энергией, что можно использовать для определения элемен­тарных частиц: они представляют собой такие мик­рообъекты, у которых энергия внутренних связей сопоставима с их собственной энергией, и которые взаимодействуют как единое целое во всех доступных измерениям микропроцессах.

Особенности и специфика взаимодействий меж­ду компонентами сложных микро- и макросистем, а также внешних взаимодействий между ними приво­дят к громадному их многообразию. Для микро- и мак­росистем характерна индивидуальность: каждая сис­тема описывается присущей только ей совокупностью всевозможных свойств. Можно назвать существенные различия между ядрами водорода и урана, хотя оба они относятся к микросистемам. Не меньше различий между Землей и Марсом, хотя эти планеты принадле­жат одной и той же Солнечной системе.

Однако можно говорить о тождественности эле­ментарных частиц. Тождественные частицы обладают одинаковыми физическими свойствами: массой, элек­трическим зарядом, спином и другими внутренними характеристиками (квантовыми числами). Например, все электроны Вселенной считаются тождественными. Понятие о тождественных частицах как о-принципи­ально неразличимых частицах – чисто квантовомеха-ническое. Тождественные частицы подчиняются прин­ципу тождественности.

Принцип тождественности – фундаменталь­ный принцип квантовой механики, согласно которому состояния системы частиц, получающиеся друг из друга перестановкой тождественных частиц места­ми, нельзя различить ни в каком эксперименте. Такие состояния должны рассматриваться как одно физи­ческое состояние. Этот принцип – одно из основных различий между классической и квантовой механикой. В классической механике всегда можно проследить за движением отдельных частиц по траекториям и таким образом отличить частицы одну от другой. В кванто­вой механике тождественные частицы полностью ли­шены индивидуальности.

Состояние частицы в квантовой механике описы­вается волновой функцией, позволяющей определить лишь вероятность нахождения частицы в данной точ­ке пространства. Если в пространстве волновые функ­ции двух или более тождественных частиц не опреде­ляются, то нет смысла говорить о том, какая из них находится в данной точке. В данном случае имеет смысл говорить лишь о вероятности нахождения в этой точке одной из тождественных частиц.

Эмпирическим фактом, который и составляет сущ­ность принципа тождественности, является то, что в природе различают лишь два класса волновых функ­ций для систем тождественных частиц: симметрич­ные волновые функции, у которых при перестановке пространственных и спиновых координат любой пары тождественных частиц волновая функция не изменя­ется, и антисимметричные волновые функции, при аналогичной перестановке изменяющие знак.