Физический закон
Физи́ческий зако́н — устойчивые повторяющиеся объективные закономерности, существующие в природе[1].
Открытые человечеством физические законы представляют собой эмпирически установленные и выраженные в строгой словесной и/или математической формулировке устойчивые, повторяющиеся в эксперименте связи между физическими величинами в явлениях, процессах и состояниях тел и других материальных объектов в окружающем мире[2]. Выявление физических закономерностей составляет основную задачу физической науки. Независимость физических законов от выбора единиц измерения физических величин называется принципом метрической инвариантности.[3]
Описание
Для того, чтобы некая связь могла быть названа физическим законом, она должна удовлетворять следующим требованиям:
- Эмпирическое подтверждение: физический закон считается установленным, если имеет экспериментальное подтверждение.
- Универсальность: математическое выражение частного закона, определяющего связи между параметрами одной конкретной системы, может иногда описывать самые разнообразные явления. Кроме того, в соответствии с принципом единства законов природы, частные законы применимы, в пределах существующих ограничений параметров объекта и среды, в любой точке Вселенной, а всеобщие законы одинаково действуют на всех уровнях организации материи в пространстве и времени, а также определяют природу Вселенной.[4][5]
- Устойчивость: свойства Вселенной определяют неизменность физических законов[6].
Хотя физические законы, как правило, выражаются в виде строгого словесного утверждения и/или математической формулы, по выражению нобелевского лауреата Поля Дирака, «физический закон должен обладать математической красотой»[7]. Кроме того, интересен следующий факт: было отмечено, что из 35 законов элементарной физики лишь 17 формулируются при помощи математических уравнений и из более чем 300 понятий лишь около 50 вводятся при помощи формул, остальные формулируются и вводятся лишь словесно[8].
Примеры
Одними из самых известных физических законов являются[9]:
Законы-принципы
Некоторые физические законы не могут быть доказаны и являются основными, то есть носят универсальный характер в рамках области применения и по своей сути являются определениями. Такие законы часто называют принципами.[10] Они являются обобщением экспериментальных фактов. К ним относятся, например, второй закон Ньютона (определение силы), закон сохранения энергии[11] (определение энергии), принцип наименьшего действия (определение действия) и др.
Также существует ряд физических принципов, являющихся самыми широкими, всеохватывающим обобщениями частных законов физики.[10] В их число входят: принцип неопределённости, принцип причинности, принцип дополнительности, принцип эквивалентности, принцип релятивистской инвариантности и т. д.[12]. Они формулируются как идеи, обобщающие экспериментальные данные и позволяющие единообразно объяснить всю совокупность рассматриваемых данной теорией явлений.[10]
Некоторые физические теории: классическая механика, термодинамика, теория относительности, строятся на основе небольшого числа исходных физических принципов, из которых в качестве следствия выводятся все частные законы[13]. Такой подход к изучению явлений природы получил название метода принципов. Его основоположниками являются Ньютон и Эйнштейн.[10][14]
Метод принципов не использует никаких гипотез о внутренних механизмах изучаемых явлений. Он непосредственно опирается на обобщения опытных фактов, которые и считаются принципами.[15] Ценность метода принципов заключается в прочности достигаемых с его помощью результатов.[16]
Законы-следствия симметрий
Часть физических законов являются простыми следствиями некоторых симметрий, существующих в системе. Так, законы сохранения согласно теореме Нётер являются следствиями симметрии пространства и времени. А принцип Паули, например, является следствием идентичности электронов (антисимметричность их волновой функции относительно перестановки частиц).
Приблизительность законов
Все физические законы являются следствием эмпирических наблюдений и верны с той точностью, с которой верны экспериментальные наблюдения. Это ограничение не позволяет утверждать, что какой-либо из законов носит абсолютный характер. Известно, что часть законов заведомо не являются абсолютно точными, а представляют собой приближения к более точным. Так, законы Ньютона справедливы только для достаточно массивных тел, двигающихся со скоростями, значительно меньшими скорости света. Более точными являются законы квантовой механики и специальной теории относительности. Однако, и они в свою очередь являются приближениями более точных уравнений квантовой теории поля.
Границы применимости физических законов
Любой физический закон — это не абсолютная истина, а модель реальности, которая работает лишь в определённых пределах. Выход за эти границы требует перехода к более общим теориям.
Природа ограничений
Все физические законы и теории являются приближением к действительности. При их построении используется та или иная модель явлений и процессов — идеализация, сохраняющая лишь основные, определяющие свойства объекта или явления. Именно поэтому каждый закон имеет свою область применимости, за пределами которой он перестаёт давать точные результаты[17][18].
Основные границы применимости
Физические законы могут ограничиваться по нескольким ключевым параметрам.
По скорости
Классическая механика Ньютона справедлива для описания движения макроскопических тел, скорости которых намного меньше скорости света (v << c). При скоростях, сравнимых со скоростью света (v ≈ c), на смену приходит Специальная теория относительности Эйнштейна[17][18]. Практически релятивистские эффекты начинают проявляться при скоростях, превышающих 10-15 % от скорости света.
По размерам (микромир)
Законы классической физики, описывающие макроскопические тела, неприменимы в мире атомов и элементарных частиц. На расстояниях, сравнимых с размерами атомов, действуют законы квантовой механики. Критерием применимости классического подхода служит сравнение действия (величины с размерностью энергия × время) с постоянной Планка: классика работает, когда это действие намного больше постоянной Планка.
По гравитационному полю
В условиях очень сильных гравитационных полей (например, вблизи чёрных дыр или нейтронных звёзд) классическая механика и даже специальная теория относительности перестают работать. Здесь требуется Общая теория относительности Эйнштейна.
Примеры границ применимости конкретных законов
| Закон / Теория | Область применимости | Границы применимости | Более общая теория |
|---|---|---|---|
| Классическая механика (Законы Ньютона) | Движение макроскопических тел с малыми скоростями | v << c, макроскопические размеры, слабые гравитационные поля | СТО (v ≈ c), квантовая механика (микромир), ОТО (сильные поля) |
| Закон всемирного тяготения Ньютона | Движение планет, спутников, тел в слабых полях | Слабые гравитационные поля, малые скорости | Общая теория относительности |
| Геометрическая оптика (закон прямолинейного распространения света) | Размеры предметов намного больше длины волны света | Размеры предметов сравнимы с длиной волны или меньше её | Волновая оптика[17][18] |
| Закон Гука | Малые упругие деформации | При больших деформациях (превышение предела пропорциональности) | Нелинейная теория упругости |
| Законы сохранения (энергии, импульса, заряда) | Замкнутые системы | Строго выполняются только для замкнутых систем | — |
Принцип соответствия
Важно понимать, что более общие теории не отменяют частные законы, а указывают границы их применимости. Так, релятивистская механика при малых скоростях (v << c) переходит в классическую механику Ньютона, а квантовая механика при больших квантовых числах даёт те же результаты, что и классическая. Этот Принцип соответствия означает, что каждая новая, более фундаментальная теория включает в себя старую как частный случай и объясняет, почему та работала в своей области[19]. Понимание границ применимости физических законов — важнейшая часть формирования научного мировоззрения и решения практических задач, позволяющая правильно выбирать модели для описания конкретных явлений.
⚠️Подсказка для ЕГЭ/ОГЭ
Для успешной сдачи ЕГЭ по теме «Физический закон, границы его применимости» вам необходимо усвоить, что физический закон – это установленная экспериментально устойчивая связь между физическими величинами, которая справедлива лишь в определённых условиях (в идеализированной модели), и границы применимости определяют область, за пределами которой закон перестаёт работать или даёт значительные погрешности.
Ключевой акцент – для каждого закона нужно знать условия, при которых он выполняется: например, законы Ньютона справедливы в инерциальных системах отсчёта при скоростях, малых по сравнению со скоростью света (v≪c); закон всемирного тяготения точен для точечных масс и тел со сферически-симметричным распределением плотности; законы идеального газа (pV=νRT) – для разреженных газов при не слишком низких температурах и высоких давлениях; закон Ома для участка цепи – для металлов и электролитов при постоянной температуре (отклонения при нагреве); геометрическая оптика – для длин волн, много меньших размеров препятствий; законы термодинамики – для макроскопических систем, где число частиц велико (флуктуации малы).
В заданиях ЕГЭ вас могут попросить оценить применимость закона к конкретной ситуации (например, можно ли применять модель идеального газа для водяного пара при низкой температуре) или указать, какой закон нарушается при приближении к скорости света. Самое главное – понимать, что все законы физики – это приближения, имеющие свои пределы, и в экзаменационных задачах эти границы часто заданы неявно через условия, поэтому внимательно анализируйте формулировку: если указаны огромные скорости, плотности или температуры, вероятно, нужно учитывать релятивистские или квантовые эффекты. Систематизируйте материал через блок «закон → условия выполнения → ошибка при выходе за границы», обязательно повторите примеры для механики, МКТ, электродинамики и оптики.
Примечания
Литература
- Pичард Фейнман. Характер физических законов. — Издание второе, исправленное. (1-е изд.— М., «Мир» 1968 г.). — М.: Наука, 1987. — 160 с. — 163 000 экз.
- Claus Kiefer. On the Concept of Law in Physics (англ.) // Proceedings of the conference «The concept of law in science», Heidelberg, 4-5 June 2012. — arXiv:1301.5110.
Дополнительно по теме
 | |
|---|---|
| В библиографических каталогах |
