Принцип суперпозиції і межі його застосування

Принцип суперпозиції характерний тим, що він зустрічається в багатьох розділах фізики. Це деякий положення, яке застосовується при ряді випадків. Це один із загальних фізичних законів, на яких будується фізика, як наука. Цим він і примітний для вчених, які застосовують його в різних ситуаціях.

Якщо розглянути принцип суперпозиції в найзагальнішому сенсі, то згідно з ним, сума впливу зовнішніх сил, що діють на частинку, буде складатися з окремих значень кожної з них.

Даний принцип застосовується до різних лінійним системам, тобто таким системам, поведінка яких можна описати лінійними співвідношеннями. Прикладом може послужити проста ситуація, коли лінійна хвиля поширюється в якійсь певній середовищі, в цьому випадку її властивості будуть зберігатися навіть під дією збурень, що виникають через самої хвилі. Ці властивості визначаються як конкретна сума ефектів кожної з гармонійних складових.

Сфери застосування

Як вже було сказано, принцип суперпозиції має досить широкі сфери застосування. Найбільш яскраво його дію можна побачити в електродинаміки. Проте важливо пам`ятати, що розглядаючи принцип суперпозиції, фізика не вважає його конкретним постулатом, а саме наслідком з теорії електродинаміки.

Наприклад, в електростатики даний принцип діє при вивченні електростатичного поля. Система зарядів у конкретній точці створює напруженість, яка буде складатися з суми напруженостей полів кожного з заряду. Даний висновок використовується на практиці, тому що з його допомогою можна порахувати потенційну енергію електростатичного взаємодії. У цьому випадку потрібно буде підрахувати потенційну енергію кожного окремого заряду.

Це підтверджується рівнянням Максвелла, яке лінійно у вакуумі. Звідси також випливає той факт, що світло не розсіюється, а поширюється лінійно, тому окремі промені не взаємодіють один з одним. У фізиці це явище часто називають принципом суперпозиції в оптиці.

Варто також відзначити, що в класичній фізиці принцип суперпозиції випливає з лінійності рівнянь окремих рухомих лінійних систем, тому є наближеним. Він грунтується на глибоких динамічних принципах, але наближеність робить його не універсальним і не фундаментальним.

Зокрема сильне гравітаційне поле описується іншими рівняннями, нелінійними, тому і принцип не може застосовуватися в даних ситуаціях. Макроскопічне електромагнітне поле також не підкоряється даному принципу, тому що залежить від впливу зовнішніх полів.

Однак принцип суперпозиції сил є фундаментальним в квантовій фізиці. Якщо в інших розділах він застосовується з деякими похибками, то на квантовому рівні працює досить точно. Будь квантомеханические система зображується з хвильових функцій і векторів лінійного простору, і якщо вона підпорядковується лінійним функціям, то її стан визначається за принципом суперпозиції, тобто складається з суперпозиції кожного стану і хвильової функції.

Межі застосування досить умовні. Рівняння класичної електродинаміки лінійні, але це не є основним правилом. Більшість фундаментальних теорій фізики будуються за нелінійним рівнянням. Це означає, що в них принцип суперпозиції виконуватися не буде, сюди можна віднести загальну теорію відносності, квантову хромодинаміки, а також теорію Янга-Міллса.

У деяких системах, де принципи лінійності застосовні тільки почасти, може умовно застосовуватися і принцип суперпозиції, наприклад, слабкі гравітаційні взаємодії. Крім того, при розгляді взаємодії атомів і молекул принцип суперпозиції також не зберігається, цим пояснюється різноманітність фізичних і хімічних властивостей матеріалів.