Физический закон

Физи́ческий зако́н — устойчивые повторяющиеся объективные закономерности, существующие в природе.

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. Выявление физических закономерностей составляет основную задачу физической науки. Независимость физических законов от выбора единиц измерения физических величин называется принципом метрической инвариантности.

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.
• Устойчивость: свойства Вселенной определяют неизменность физических законов.

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». 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.

Примеры

Одними из самых известных физических законов являются:

• Закон Архимеда
• Закон Бойля — Мариотта
• Закон всемирного тяготения
• Законы Ньютона
• Закон Кулона
• Уравнения Максвелла
• Законы термодинамики
• Закон Фарадея
• Закон сохранения энергии
• Принцип наименьшего действия
• H-теорема
• Принцип неопределённости
• Принцип дополнительности

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. Они являются обобщением экспериментальных фактов. К ним относятся, например, второй закон Ньютона (определение силы), закон сохранения энергии (определение энергии), принцип наименьшего действия (определение действия) и др.

Также существует ряд физических принципов, являющихся самыми широкими, всеохватывающим обобщениями частных законов физики. В их число входят: принцип неопределённости, принцип причинности, принцип дополнительности, принцип эквивалентности, принцип релятивистской инвариантности и т. д.. Они формулируются как идеи, обобщающие экспериментальные данные и позволяющие единообразно объяснить всю совокупность рассматриваемых данной теорией явлений.

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. Такой подход к изучению явлений природы получил название метода принципов. Его основоположниками являются Ньютон и Эйнштейн.

Метод принципов не использует никаких гипотез о внутренних механизмах изучаемых явлений. Он непосредственно опирается на обобщения опытных фактов, которые и считаются принципами. Ценность метода принципов заключается в прочности достигаемых с его помощью результатов.

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.

См. также

• Закон
• Фальсифицируемость

Физические законы

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.