Принципы современной физики (неопределённости, суперпозиции, дополнительность)

Содержание базовых физических теорий показывает, что каждая из них описывает четко определенные явления нашего мира: механические или тепловые движения, электромагнитные процессы, физические процессы микромира и т. д. Однако наряду с этим среди основных физических теорий существуют еще большие общие законы, влияние которых распространяется на все физические процессы, все формы движения материи. Ученые назвали эти законы принципами современной физики. В целом ряде принципов современной физики важную роль играют такие принципы, как принцип дополнительности и связь между неопределенностями и принципом суперпозиции.
Принцип суперпозиции
В физике при изучении линейных систем широко используется принцип суперпозиции. Данный принцип можно определить так: общий результат воздействия на систему многих факторов равен сумме эффектов каждого отдельного фактора. Принцип суперпозиции играет большую роль во многих областях физики и техники, в том числе в теории колебаний и волновых процессов.
Особенно плодотворным было применение принципа суперпозиции при изучении микромира. Здесь он стал одним из фундаментальных принципов, лежащих в основе математического аппарата квантовой механики. Как известно, состояния микросистем описываются волновыми функциями. Например, из принципа суперпозиции следует, что если квантово-механическая система может находиться в некоторых конкретных состояниях, описываемых волновыми функциями, то состояние, представленное другой волновой функцией, то есть суперпозицией исходных волновых функций.
В классической физике принцип суперпозиции является приближенным принципом, вытекающим из линейности уравнений движения соответствующих систем (что обычно является хорошим приближением к описанию реальных систем), например уравнений Максвелла для электромагнитного поля. Следовательно, это следует из более глубоких динамических принципов и поэтому не является фундаментальным. Это не универсально.
Поэтому достаточно сильное гравитационное поле не удовлетворяет принципу суперпозиции, поскольку оно описывается нелинейными уравнениями Эйнштейна. Строго говоря, макроскопическое электромагнитное поле в веществе также несовместимо с принципом суперпозиции из-за зависимости (иногда существенной) проницаемости и магнитной проницаемости от внешнего поля.
В квантовой механике принцип суперпозиции является основным принципом, одним из его основных постулатов, который вместе с принципом неопределенности определяет структуру математического аппарата теории. Например, принцип суперпозиции подразумевает, что состояния квантово-механической системы должны быть представлены линейными пространственными векторами, в частности волновыми функциями; операторы физических величин должны быть линейными и т.д. Принцип суперпозиции предполагает, что квантово-механическая система может находиться в состояниях, описываемых волновыми функциями

. y1,y2,...,yn, то физически допустимой будет и суперпозиция этих состояний, то есть состояние, изображаемое волновой функцией
y = c1y1 + c2y2 + . . . + сnyn,
где c1, c2,..., cn - произвольные комплексные числа.
Квантовый принцип суперпозиции лишен ясности, свойственной принципу суперпозиции в классической физике, поскольку альтернативные состояния, которые являются взаимоисключающими с классической точки зрения, участвуют в квантовой теории в суперпозиции. Принцип суперпозиции отражает волновую природу микрочастиц и осуществляется в нерелятивистской квантовой механике без исключения. В релятивистской квантовой теории, которая рассматривает процессы, в которых могут происходить взаимопревращения частиц, принцип суперпозиции должен быть дополнен так называемыми правилами суперотбора.
Поэтому не предполагается, что наложение состояний с различными значениями электрических, барионных и лептонных зарядов физически достижимо. Возможность такого перекрытия будет означать, например, что физические свойства пучка частиц, в котором электроны и позитроны присутствуют в определенной пропорции, не определяются однозначно динамическими характеристиками этих частиц, то есть возможная интерференция состояний с различными значениями заряда. Однако это вмешательство никогда не наблюдалось экспериментально. Поэтому операторы физических величин не должны менять заряды.
Это уточнение релятивистской квантовой теории накладывает определенные ограничения на элементы матрицы операторов, называемые правилами суперотбора.
Принцип неопределенности
Волновые функции, используемые в квантовой механике для описания микрочастиц, позволяют нам установить вероятность обнаружения микрочастиц в заданном месте в пространстве в соответствии с принципом неопределенности. Это связано с двойственностью частиц микромира. С одной стороны, если мы рассмотрим микроструктуру как частицу, она должна располагаться в пространстве и, если она рассматривается как волна, формально занимает все пространство.
Вероятностный характер волновых функций приводит к парадоксальному выводу: если мы можем более или менее точно (с небольшой ошибкой) узнать определенную группу параметров микрочастиц, то существует другая группа параметров, которая однозначно связана с ним и одновременная информация, которую невозможно получить в принципе.
Такими противоположными, дополнительными или каноническими сопряженными переменными в микромире являются координаты и скорость (или импульс), энергия и время, направление и величина углового момента, кинетическая и потенциальная энергия, напряженность электрического поля в данной точке и количество фотонов и т.д. В целом, следует из теории, что физические величины дополняют друг друга, что в квантовой механике не соответствует некоммутирурующие между собой операторы.
В 1927 году один из основоположников квантовой механики В