كل قوانين الفيزياء. البروفيسور زنايف

وفقًا لهذا القانون ، فإن العملية ، التي تكون النتيجة الوحيدة لها هي نقل الطاقة في شكل حرارة من جسم أكثر برودة إلى جسم أكثر سخونة ، مستحيلة بدون تغييرات في النظام نفسه والبيئة.
يعبر القانون الثاني للديناميكا الحرارية عن ميل نظام يتكون من عدد كبير من الجسيمات المتحركة بشكل عشوائي للانتقال التلقائي من الحالات الأقل احتمالية إلى الحالات الأكثر احتمالية. يحظر إنشاء النوع الثاني من آلة الحركة الدائمة.
تحتوي الأحجام المتساوية من الغازات المثالية عند نفس درجة الحرارة والضغط على نفس عدد الجزيئات.
تم اكتشاف القانون في عام 1811 من قبل الفيزيائي الإيطالي أ. أفوجادرو (1776-1856).
يقول قانون التفاعل بين تيارين يتدفقان في نواقل تقع على مسافة صغيرة من بعضهما البعض: تجتذب الموصلات المتوازية ذات التيارات في اتجاه واحد ، وتتنافر مع التيارات في الاتجاه المعاكس.
تم اكتشاف القانون في عام 1820 من قبل A.M Ampere.
قانون الماء والهواء: يخضع الجسم المغمور في سائل أو غاز لقوة طفو موجهة عموديًا لأعلى ، مساوية لوزن السائل أو الغاز الذي يزيحه الجسم ، ويتم تطبيقه في مركز ثقل الجزء المغمور من الجسم. FA = gV ، حيث g هي كثافة السائل أو الغاز ، V هي حجم الجزء المغمور من الجسم.
بخلاف ذلك ، يمكن صياغة القانون على النحو التالي: يفقد الجسم المنغمس في سائل أو غاز قدرًا من وزنه مثل وزن السائل (أو الغاز) المزاح بواسطته. ثم P = mg - FA.
تم اكتشاف القانون من قبل العالم اليوناني القديم أرخميدس عام 212 قبل الميلاد. ه. إنه أساس نظرية الأجسام العائمة.
أحد قوانين الغاز المثالي: عند درجة حرارة ثابتة ، يكون ناتج ضغط الغاز وحجمه قيمة ثابتة. الصيغة: pV = const. يصف عملية متساوية الحرارة. قانون الجاذبية الكونية ، أو قانون الجاذبية لنيوتن: تنجذب جميع الأجسام لبعضها البعض بقوة تتناسب طرديًا مع ناتج كتل هذه الأجسام وتتناسب عكسًا مع مربع المسافة بينها. وفقًا لهذا القانون ، فإن التشوهات المرنة للجسم الصلب تتناسب طرديًا مع التأثيرات الخارجية التي تسببها. يصف التأثير الحراري للتيار الكهربائي: كمية الحرارة المنبعثة في الموصل عند مرور تيار مباشر عبره تتناسب طرديًا مع مربع القوة الحالية ومقاومة الموصل ووقت المرور. اكتشفها جول ولينز بشكل مستقل في القرن التاسع عشر. القانون الأساسي للكهرباء الساكنة ، الذي يعبر عن اعتماد قوة التفاعل بين شحنتين نقطيتين ثابتتين على المسافة بينهما: تتفاعل شحنتان ثابتتان مع قوة تتناسب طرديًا مع ناتج مقادير هذه الشحنات وتتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهما وسماحية الوسيط الذي توجد فيه الشحنات. القيمة مساوية عدديًا للقوة المؤثرة بين شحنتين نقطيتين ثابتتين بمقدار 1 درجة مئوية ، تقع كل منهما في الفراغ على مسافة 1 متر من بعضهما البعض.
قانون كولوم هو أحد الأدلة التجريبية للديناميكا الكهربائية. افتتح عام 1785
أحد القوانين الأساسية للتيار الكهربائي: قوة التيار الكهربائي المباشر في قسم الدائرة تتناسب طرديًا مع الجهد في نهايات هذا القسم وتتناسب عكسيًا مع مقاومته. صالح للموصلات المعدنية والإلكتروليتات ، والتي يتم الحفاظ على درجة حرارتها ثابتة. في حالة الدائرة الكاملة ، تتم صياغتها على النحو التالي: تتناسب قوة التيار الكهربائي المباشر في الدائرة بشكل مباشر مع emf للمصدر الحالي وتتناسب عكسياً مع مقاومة الدائرة الكهربائية.

افتتح في عام 1826 من قبل جي إس أوم.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

وفقًا لهذا القانون ، فإن العملية ، التي تكون النتيجة الوحيدة لها هي نقل الطاقة في شكل حرارة من جسم أكثر برودة إلى جسم أكثر سخونة ، مستحيلة بدون تغييرات في النظام نفسه والبيئة. يعبر القانون الثاني للديناميكا الحرارية عن ميل نظام يتكون من عدد كبير من الجسيمات المتحركة بشكل عشوائي للانتقال التلقائي من الحالات الأقل احتمالية إلى الحالات الأكثر احتمالية. يحظر إنشاء النوع الثاني من آلة الحركة الدائمة.

قانون أفوجاردو
تحتوي الأحجام المتساوية من الغازات المثالية عند نفس درجة الحرارة والضغط على نفس عدد الجزيئات. تم اكتشاف القانون في عام 1811 من قبل الفيزيائي الإيطالي أ. أفوجادرو (1776-1856).

قانون أمبير
يقول قانون التفاعل بين تيارين يتدفقان في نواقل تقع على مسافة صغيرة من بعضهما البعض: تجتذب الموصلات المتوازية ذات التيارات في اتجاه واحد ، وتتنافر مع التيارات في الاتجاه المعاكس. تم اكتشاف القانون في عام 1820 من قبل A.M. Ampère.

قانون أرخميدس

قانون الهيدروستاتيك والهواء: على جسم مغمور في سائل أو غاز ، تعمل قوة الطفو عموديًا لأعلى ، مساوية لوزن السائل أو الغاز الذي يزيحه الجسم ، وتطبق في مركز ثقل الجزء المغمور من الجسم. FA = gV ، حيث g هي كثافة السائل أو الغاز ، V هي حجم الجزء المغمور من الجسم. بخلاف ذلك ، يمكن صياغة القانون على النحو التالي: يفقد الجسم المنغمس في سائل أو غاز قدرًا من وزنه مثل وزن السائل (أو الغاز) المزاح بواسطته. ثم P = mg - FA. تم اكتشاف القانون من قبل العالم اليوناني القديم أرخميدس عام 212 قبل الميلاد. ه. إنه أساس نظرية الأجسام العائمة.

قانون الجاذبية

قانون الجاذبية الكونية ، أو قانون الجاذبية لنيوتن: تنجذب جميع الأجسام لبعضها البعض بقوة تتناسب طرديًا مع ناتج كتل هذه الأجسام وتتناسب عكسًا مع مربع المسافة بينها.

قانون بويل - ماريوت

أحد قوانين الغاز المثالي: عند درجة حرارة ثابتة ، يكون ناتج ضغط الغاز وحجمه قيمة ثابتة. الصيغة: pV = const. يصف عملية متساوية الحرارة.

قانون هوك
وفقًا لهذا القانون ، فإن التشوهات المرنة للجسم الصلب تتناسب طرديًا مع التأثيرات الخارجية التي تسببها.

قانون دالتون
أحد قوانين الغاز الرئيسية: ضغط خليط من الغازات المثالية غير المتفاعلة كيميائيًا يساوي مجموع الضغوط الجزئية لهذه الغازات. افتتح في عام 1801 من قبل جيه دالتون.

قانون جول لينز

يصف التأثير الحراري للتيار الكهربائي: كمية الحرارة المنبعثة في الموصل عند مرور تيار مباشر عبره تتناسب طرديًا مع مربع القوة الحالية ومقاومة الموصل ووقت المرور. اكتشفها جول ولينز بشكل مستقل في القرن التاسع عشر.

قانون كولوم

القانون الأساسي للكهرباء الساكنة ، الذي يعبر عن اعتماد قوة التفاعل بين شحنتين نقطيتين ثابتتين على المسافة بينهما: تتفاعل شحنتان ثابتتان مع قوة تتناسب طرديًا مع ناتج مقادير هذه الشحنات وتتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهما وسماحية الوسيط الذي توجد فيه الشحنات. القيمة مساوية عدديًا للقوة المؤثرة بين شحنتين نقطيتين ثابتتين بمقدار 1 درجة مئوية ، تقع كل منهما في الفراغ على مسافة 1 متر من بعضهما البعض. قانون كولوم هو أحد الأدلة التجريبية للديناميكا الكهربائية. افتتح عام 1785.

قانون لينز
وفقًا لهذا القانون ، يكون للتيار الحثي دائمًا اتجاه يعوض التدفق المغناطيسي الخاص به عن التغيرات في التدفق المغناطيسي الخارجي الذي تسبب في هذا التيار. قانون لينز هو نتيجة لقانون الحفاظ على الطاقة. تأسست في عام 1833 من قبل إي إتش لينز.

قانون أوم

أحد القوانين الأساسية للتيار الكهربائي: قوة التيار الكهربائي المباشر في قسم الدائرة تتناسب طرديًا مع الجهد في نهايات هذا القسم وتتناسب عكسيًا مع مقاومته. صالح للموصلات المعدنية والإلكتروليتات ، والتي يتم الحفاظ على درجة حرارتها ثابتة. في حالة الدائرة الكاملة ، تتم صياغتها على النحو التالي: تتناسب قوة التيار الكهربائي المباشر في الدائرة بشكل مباشر مع emf للمصدر الحالي وتتناسب عكسياً مع مقاومة الدائرة الكهربائية. افتتح في عام 1826 من قبل جي إس أوم.

قانون انعكاس الموجة

تقع الحزمة الساقطة والحزمة المنعكسة والعمودي المرفوع إلى نقطة وقوع الحزمة في نفس المستوى ، وزاوية السقوط تساوي زاوية الانكسار. القانون صالح للانعكاس المرآة.

قانون باسكال
القانون الأساسي للهيدروستاتيكا: الضغط الناتج عن القوى الخارجية على سطح سائل أو غاز ينتقل بالتساوي في جميع الاتجاهات.

قانون انكسار الضوء

تقع الحزمة الساقطة والحزمة المنكسرة والعمودية المرفوعة إلى نقطة وقوع الحزمة في نفس المستوى ، وبالنسبة لهاتين الوسيطتين ، فإن نسبة جيب الزاوية إلى جيب زاوية الانكسار هي a قيمة ثابتة ، تسمى معامل الانكسار النسبي للوسيط الثاني بالنسبة إلى الأول.

قانون الانتشار المستقيم للضوء

قانون البصريات الهندسية ، الذي ينص على أن الضوء ينتقل في خط مستقيم في وسط متجانس. يشرح ، على سبيل المثال ، تشكيل الظل والظل.

قانون الحفظ
أحد القوانين الأساسية للطبيعة: المجموع الجبري للشحنات الكهربائية لأي نظام معزول كهربائيًا يبقى دون تغيير. في نظام معزول كهربائيًا ، يسمح قانون حفظ الشحنة بظهور جسيمات مشحونة جديدة ، لكن الشحنة الكهربائية الكلية للجسيمات التي ظهرت يجب أن تكون دائمًا مساوية للصفر.

قانون الحفاظ على الزخم
أحد القوانين الأساسية للميكانيكا: يظل زخم أي نظام مغلق لجميع العمليات التي تحدث في النظام ثابتًا (محفوظًا) ولا يمكن إعادة توزيعه إلا بين أجزاء النظام نتيجة تفاعلها.

قانون تشارلز
أحد قوانين الغاز الأساسية: ضغط كتلة معينة من الغاز المثالي عند حجم ثابت يتناسب طرديًا مع درجة الحرارة.

قانون الحث الكهرومغناطيسي

يصف ظاهرة ظهور مجال كهربائي عندما يتغير مجال مغناطيسي (ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي): تتناسب القوة الدافعة الكهرومغناطيسية بشكل مباشر مع معدل تغير التدفق المغناطيسي. يتم تحديد معامل التناسب من خلال نظام الوحدات ، ويتم تحديد العلامة بواسطة قاعدة لينز. تم اكتشاف القانون بواسطة M. Faraday.

قانون الحفاظ على الطاقة وتحويلها
قانون الطبيعة العام: تظل طاقة أي نظام مغلق لجميع العمليات التي تحدث في النظام ثابتة (محفوظة). لا يمكن تحويل الطاقة إلا من شكل إلى آخر وإعادة توزيعها بين أجزاء النظام. بالنسبة للنظام المفتوح ، فإن الزيادة (النقص) في طاقته تساوي نقصًا (زيادة) في طاقة الأجسام والمجالات الفيزيائية التي تتفاعل معها.

قوانين نيوتن
تعتمد الميكانيكا الكلاسيكية على قوانين نيوتن الثلاثة. قانون نيوتن الأول (قانون القصور الذاتي): تكون النقطة المادية في حالة حركة مستقيمة وموحدة أو حالة راحة إذا لم تتصرف أجسام أخرى عليها أو يتم تعويض عمل هذه الأجسام. قانون نيوتن الثاني (القانون الأساسي للديناميكيات): التسارع الذي يتلقاه الجسم يتناسب طرديًا مع ناتج جميع القوى المؤثرة على الجسم ، ويتناسب عكسًا مع كتلة الجسم. قانون نيوتن الثالث: أفعال جسمين دائمًا متساوية في الحجم وموجهة في اتجاهين متعاكسين.

قوانين فاراداي
قانون فاراداي الأول: كتلة المادة المنبعثة على القطب أثناء مرور تيار كهربائي تتناسب طرديًا مع كمية الكهرباء (الشحنة) التي مرت عبر الإلكتروليت (م = كق = كيلو بايت). قانون فاراداي الثاني: نسبة كتل المواد المختلفة التي تخضع لتحولات كيميائية على الأقطاب الكهربائية عندما تمر نفس الشحنات الكهربائية عبر الإلكتروليت ، تساوي نسبة المعادلات الكيميائية. تم وضع القوانين في 1833-1834 من قبل M. Faraday.

القانون الأول للديناميكا الحرارية
القانون الأول للديناميكا الحرارية هو قانون الحفاظ على الطاقة لنظام ديناميكي حراري: يتم إنفاق كمية الحرارة Q التي يتم توصيلها للنظام على تغيير الطاقة الداخلية للنظام U وأداء العمل A ضد القوى الخارجية بواسطة النظام. تكمن الصيغة Q \ u003d U + A في أساس تشغيل المحركات الحرارية.

مسلمات بوهر

أول افتراض لبور: النظام الذري مستقر فقط في الحالات الثابتة ، والتي تتوافق مع تسلسل منفصل لقيم الطاقة الذرية. يرتبط كل تغيير في هذه الطاقة بانتقال كامل للذرة من حالة ثابتة إلى أخرى. افتراض بور ​​الثاني: يحدث امتصاص وانبعاث الطاقة بواسطة الذرة وفقًا للقانون الذي بموجبه يكون الإشعاع المرتبط بالانتقال أحادي اللون وله تردد: h = Ei - Ek ، حيث h هو ثابت بلانك ، و Ei و Ek هي طاقات الذرة في حالة الثبات.

حكم اليد اليسرى
يحدد اتجاه القوة التي تؤثر على موصل مع تيار في مجال مغناطيسي (أو جسيم مشحون متحرك). تقول القاعدة: إذا تم وضع اليد اليسرى بحيث تظهر الأصابع الممدودة اتجاه التيار (سرعة الجسيم) ، وتدخل خطوط قوة المجال المغناطيسي (خطوط الحث المغناطيسي) إلى راحة اليد ، ثم يتراجع سيشير الإبهام إلى اتجاه القوة المؤثرة على الموصل (الجسيم الموجب ؛ في حالة الجسيم السالب ، يكون اتجاه القوة عكسًا).

حكم اليد اليمنى
يحدد اتجاه تيار الحث في موصل يتحرك في مجال مغناطيسي: إذا تم وضع كف اليد اليمنى بحيث تشتمل على خطوط الحث المغناطيسي ، ويتم توجيه الإبهام المنحني على طول حركة الموصل ، عندئذٍ أربعة ستظهر الأصابع الممدودة اتجاه تيار الحث.

مبدأ Huygens
يسمح لك بتحديد موضع مقدمة الموجة في أي وقت. وفقًا لمبدأ Huygens ، فإن جميع النقاط التي تمر من خلالها مقدمة الموجة في الوقت t هي مصادر لموجات كروية ثانوية ، والموضع المطلوب لجبهة الموجة في الوقت t يتطابق مع السطح الذي يغلف كل الموجات الثانوية. يشرح مبدأ Huygens قوانين انعكاس وانكسار الضوء.

مبدأ Huygens – Fresnel
وفقًا لهذا المبدأ ، في أي نقطة خارج سطح مغلق تعسفيًا يحيط بمصدر نقطة للضوء ، يمكن تمثيل الموجة الضوئية التي يثيرها هذا المصدر كنتيجة لتداخل الموجات الثانوية المنبعثة من جميع نقاط السطح المغلق المحدد. يسمح هذا المبدأ بحل أبسط مشاكل حيود الضوء.

مبدأ النسبية
في أي إطار مرجعي بالقصور الذاتي ، تستمر جميع الظواهر الفيزيائية (الميكانيكية ، الكهرومغناطيسية ، إلخ) بنفس الطريقة في ظل نفس الظروف. إنه تعميم لمبدأ النسبية في غاليليو.

مبدأ النسبية في جاليليو

المبدأ الميكانيكي للنسبية ، أو مبدأ الميكانيكا الكلاسيكية: في أي إطار مرجعي بالقصور الذاتي ، تسير جميع الظواهر الميكانيكية بنفس الطريقة تحت نفس الظروف.

صوت
يُطلق على الصوت اسم الموجات المرنة التي تنتشر في السوائل والغازات والمواد الصلبة وتتعرف عليها أذن الإنسان والحيوان. يمتلك الشخص القدرة على سماع الأصوات بترددات في حدود 16-20 كيلو هرتز. يسمى الصوت بترددات تصل إلى 16 هرتز بالموجات فوق الصوتية. مع ترددات 2 104-109 هرتز - الموجات فوق الصوتية ، وترددات 109-1013 هرتز - فرط الصوت. العلم الذي يدرس الأصوات يسمى الصوتيات.

ضوء
يسمى الضوء بالمعنى الضيق للمصطلح الموجات الكهرومغناطيسية في نطاق الترددات التي تدركها العين البشرية: 7.5 '1014-4.3' 1014 هرتز. يتراوح الطول الموجي من 760 نانومتر (ضوء أحمر) إلى 380 نانومتر (ضوء بنفسجي).

1.1 حاشية. ملاحظة.إن قوانين النظرية النسبية وميكانيكا الكم ، التي بموجبها تحدث حركة الجسيمات الأولية للمادة وتفاعلها ، تحدد مسبقًا تكوين وظهور أنماط لأوسع نطاق من الظواهر التي تدرسها مختلف العلوم الطبيعية. هذه القوانين تكمن وراء التقنيات العالية الحديثة وتحدد إلى حد كبير حالة وتطور حضارتنا. لذلك ، فإن التعرف على أساسيات الفيزياء الأساسية ضروري ليس فقط للطلاب ، ولكن أيضًا لأطفال المدارس. يعد امتلاك المعرفة الأساسية حول بنية العالم أمرًا ضروريًا لأي شخص يدخل الحياة من أجل العثور على مكانه في هذا العالم ومواصلة تعليمه بنجاح.

1.2 ما هي الصعوبة الرئيسية لهذا التقرير.إنه موجه لكل من المتخصصين في مجال فيزياء الجسيمات الأولية ولجمهور أوسع بكثير: الفيزيائيون الذين لا يتعاملون مع الجسيمات الأولية ، وعلماء الرياضيات ، والكيميائيين ، وعلماء الأحياء ، وعلماء الطاقة ، والاقتصاديين ، والفلاسفة ، واللغويين ، ... دقيق ، لا بد لي من استخدام مصطلحات وصيغ الفيزياء الأساسية. لكي يتم فهمها ، يجب أن أشرح باستمرار هذه المصطلحات والصيغ. إذا لم تكن فيزياء الجسيمات الأولية من اختصاصك ، فاقرأ أولاً فقط الأقسام التي لم يتم تمييز عناوينها بعلامات نجمية. ثم حاول قراءة الأقسام ذات النجمة * ، واثنتان ** ، وأخيراً ثلاثة ***. تمكنت من التحدث عن معظم الأقسام بدون علامات النجمة أثناء التقرير ، لكن لم يكن هناك وقت للباقي.

1.3 فيزياء الجسيمات الأولية.فيزياء الجسيمات هي أساس كل العلوم الطبيعية. يدرس أصغر جسيمات المادة والأنماط الأساسية لحركاتها وتفاعلاتها. في النهاية ، هذه الانتظام هي التي تحدد سلوك جميع الكائنات على الأرض وفي السماء. تتعامل فيزياء الجسيمات مع مفاهيم أساسية مثل المكان والزمان. موضوع؛ الطاقة والزخم والكتلة. يلف. (معظم القراء لديهم فكرة عن المكان والزمان ، ربما سمعوا عن العلاقة بين الكتلة والطاقة وليس لديهم أي فكرة عن علاقة الزخم بها ، ولا يكادون يخمنون الدور الأكثر أهمية للدوران في الفيزياء. لا يمكن حتى الاتفاق فيما بينهم على ما يمكن تسميته بالخبراء بعد.) تم إنشاء فيزياء الجسيمات في القرن العشرين. يرتبط إنشائها ارتباطًا وثيقًا بإنشاء اثنتين من أعظم النظريات في تاريخ البشرية: نظرية النسبية وميكانيكا الكم. الثوابت الرئيسية لهذه النظريات هي سرعة الضوء جوثابت بلانك ح.

1.4 نظرية النسبية.أكملت النظرية النسبية الخاصة ، التي نشأت في بداية القرن العشرين ، تخليق عدد من العلوم التي درست ظواهر كلاسيكية مثل الكهرباء والمغناطيسية والبصريات ، وخلقت ميكانيكا بسرعات أجسام مماثلة لسرعة الضوء. (تعاملت ميكانيكا نيوتن الكلاسيكية غير النسبية مع السرعات الخامس<<ج.) ثم ، في عام 1915 ، تم إنشاء النظرية العامة للنسبية ، والتي تم تصميمها لوصف تفاعلات الجاذبية ، مع مراعاة محدودية سرعة الضوء ج.

1.5 ميكانيكا الكم.أوضحت ميكانيكا الكم ، التي تم إنشاؤها في عشرينيات القرن الماضي ، بنية وخصائص الذرات بناءً على خصائص الجسيمات الموجية المزدوجة للإلكترونات. شرحت مجموعة كبيرة من الظواهر الكيميائية المرتبطة بتفاعل الذرات والجزيئات. وسمحوا لوصف عمليات انبعاث وامتصاص الضوء بواسطتهم. افهم المعلومات التي يجلبها لنا ضوء الشمس والنجوم.

1.6 نظرية المجال الكمي.أدى توحيد نظرية النسبية وميكانيكا الكم إلى إنشاء نظرية المجال الكمي ، مما يجعل من الممكن وصف أهم خصائص المادة بدرجة عالية من الدقة. نظرية المجال الكمي ، بالطبع ، معقدة للغاية بحيث لا يمكن شرحها لتلاميذ المدارس. ولكن في منتصف القرن العشرين ، ظهرت فيه لغة بصرية لمخططات فاينمان ، مما يبسط بشكل جذري فهم العديد من جوانب نظرية المجال الكمومي. يتمثل أحد الأهداف الرئيسية لهذا الحديث في إظهار كيف يمكن فهم أوسع نطاق من الظواهر ببساطة بمساعدة مخططات فاينمان. في الوقت نفسه ، سوف أتطرق بمزيد من التفصيل إلى القضايا التي لا يعرفها جميع الخبراء في نظرية المجال الكمومي (على سبيل المثال ، العلاقة بين الجاذبية الكلاسيكية والكمية) ، وسأقوم فقط بتحديد الخطوط العريضة للقضايا التي تمت مناقشتها على نطاق واسع على نطاق واسع. الأدب العلمي.

1.7 هوية الجسيمات الأولية.تسمى الجسيمات الأولية أصغر جسيمات المادة غير القابلة للتجزئة ، والتي يُبنى منها العالم كله. أكثر الخصائص المدهشة التي تميز هذه الجسيمات عن الجسيمات غير الأولية العادية ، على سبيل المثال ، حبيبات الرمل أو الخرز ، هي أن جميع الجسيمات الأولية من نفس النوع ، على سبيل المثال ، جميع الإلكترونات في الكون هي نفسها تمامًا (!) تطابق. ونتيجة لذلك ، فإن أبسط حالات ارتباطها متطابقة مع بعضها البعض - الذرات وأبسط الجزيئات.

1.8 ستة جسيمات أولية.لفهم العمليات الرئيسية التي تحدث على الأرض والشمس ، يكفي أن نفهم ، كتقريب أولي ، العمليات التي تشارك فيها ستة جسيمات: الإلكترون هالبروتون صالنيوترون نوإلكترون نيوترينو e ، بالإضافة إلى الفوتون γ و graviton g̃. الجسيمات الأربعة الأولى لها مغزل 1/2 ، والفوتون له مغزلي 1 ، والجرافيتون له 2. (تسمى الجسيمات ذات الدوران الصحيح البوزونات ، والجسيمات ذات السبين نصف الصحيح تسمى الفيرميونات. سنناقش المزيد عن الدوران لاحقًا.) تسمى البروتونات والنيوترونات عادة بالنيوكليونات لأن النوى الذرية تتكون منها ، والنواة في اللغة الإنجليزية هي النواة. يُطلق على الإلكترون والنيوترينو اسم اللبتونات. ليس لديهم قوى نووية قوية.

نظرًا للتفاعل الضعيف جدًا بين الجرافيتونات ، من المستحيل ملاحظة الجرافيتونات الفردية ، ولكن من خلال هذه الجسيمات تتم الجاذبية في الطبيعة. مثلما تتم التفاعلات الكهرومغناطيسية عن طريق الفوتونات.

1.9 الجسيمات المضادة.يحتوي الإلكترون والبروتون والنيوترون على ما يسمى بالجسيمات المضادة: البوزيترون والبروتون المضاد والنيوترون المضاد. لا يتم تضمينها في تكوين المادة العادية ، لأنها عندما تلتقي مع الجسيمات المقابلة ، فإنها تدخل في تفاعلات الإبادة المتبادلة معها - الإبادة. وهكذا ، يُبيد الإلكترون والبوزيترون إلى اثنين أو ثلاثة فوتونات. يعد الفوتون والجرافيتون جسيمات محايدة حقًا: يتطابقان مع الجسيمات المضادة. لا يزال من غير المعروف ما إذا كان النيوترينو جسيمًا محايدًا حقًا.

1.10. النيوكليونات والكواركات.في منتصف القرن العشرين ، أصبح من الواضح أن النيوكليونات نفسها تتكون من جسيمات أولية أكثر - كواركات من نوعين ، والتي تشير إلى شو د: ص = UUD, ن = ددو. يتم تنفيذ التفاعل بين الكواركات بواسطة الغلوونات. تتكون Antinucleons من الكواركات المضادة.

1.11. ثلاثة أجيال من الفرميونات.جنبا إلى جنب مع ش, د, ه, v هتم اكتشاف ودراسة مجموعتين أخريين (أو ، كما يقولون ، أجيال) من الكواركات واللبتونات: ج, سو μ و ν μ و ر, ب، τ ، ν τ. لا يتم تضمين هذه الجسيمات في تكوين المادة العادية ، لأنها غير مستقرة وتتحلل بسرعة إلى جسيمات أخف من الجيل الأول. لكنهم لعبوا دورًا مهمًا في اللحظات الأولى من وجود الكون.

للحصول على فهم أكثر اكتمالاً وعمقًا للطبيعة ، هناك حاجة إلى المزيد من الجسيمات ذات الخصائص غير العادية. لكن ، ربما ، في المستقبل ، كل هذا التنوع سينخفض ​​إلى عدد قليل من الكيانات البسيطة والجميلة.

1.12. هدرونس.عائلة كبيرة من الجسيمات تتكون من الكواركات و / أو الكواركات المضادة والغلوونات تسمى الهادرونات. جميع الهادرونات ، باستثناء النيوكليونات ، غير مستقرة وبالتالي لا تدخل في تكوين المادة العادية.

في كثير من الأحيان ، يشار إلى الهادرونات أيضًا بالجسيمات الأولية ، حيث لا يمكن تقسيمها إلى كواركات حرة وغلوونات. (وكذلك فعلت أنا ، مشيرةً إلى البروتون والنيوترون إلى أول ستة جسيمات أولية). إذا اعتُبرت جميع الهادرونات أولية ، فسيُقاس عدد الجسيمات الأولية بالمئات.

1.13. النموذج القياسي وأربعة أنواع من التفاعلات.كما سيتم توضيحه أدناه ، تتيح الجسيمات الأولية المذكورة أعلاه ، في إطار ما يسمى "النموذج القياسي للجسيمات الأولية" ، وصف جميع العمليات المعروفة حتى الآن والتي تحدث في الطبيعة نتيجة للجاذبية والكهرومغناطيسية ، تفاعلات ضعيفة وقوية. ولكن من أجل فهم كيفية عمل أول جسيمتين ، تكفي أربعة جسيمات: الفوتون ، والجرافيتون ، والإلكترون ، والبروتون. علاوة على ذلك ، فإن حقيقة أن البروتون يتكون من ش- و د-كواركات وغلوونات ، تبين أنها تافهة. بالطبع ، بدون تفاعلات ضعيفة وقوية ، من المستحيل فهم كيفية ترتيب النوى الذرية ، أو كيفية عمل شمسنا. لكن كيف يتم ترتيب القذائف الذرية ، والتي تحدد جميع الخصائص الكيميائية للعناصر ، وكيف تعمل الكهرباء وكيف يتم ترتيب المجرات ، يمكن للمرء أن يفهم.

1.14 ما وراء المعروف.نحن نعلم بالفعل اليوم أن جسيمات وتفاعلات النموذج القياسي لا تستنفد كنوز الطبيعة.

لقد ثبت أن الذرات والأيونات العادية تشكل فقط أقل من 20٪ من كل المادة في الكون ، وأكثر من 80٪ هي ما يسمى بالمادة المظلمة ، ولا تزال طبيعتها غير معروفة. الرأي الأكثر شيوعًا هو أن المادة المظلمة تتكون من جزيئات فائقة. من الممكن أنه يتكون من جزيئات المرآة.

الأمر الأكثر إثارة للدهشة هو حقيقة أن كل المادة ، المرئية (الضوء) والظلام ، تحمل فقط ربع الطاقة الكاملة للكون. ثلاثة أرباع تنتمي إلى ما يسمى بالطاقة المظلمة.

1.15. الجسيمات الأولية "ه إلى حد ما "أساسية.عندما أراد أستاذي إسحاق ياكوفليفيتش بوميرانشوك التأكيد على أهمية السؤال ، قال إن السؤال هـ مهم في الدرجة. بالطبع ، معظم العلوم الطبيعية ، وليس فقط فيزياء الجسيمات الأولية ، أساسية. فيزياء المادة المكثفة ، على سبيل المثال ، تخضع لقوانين أساسية يمكن استخدامها دون الحاجة إلى معرفة كيفية اتباعها من قوانين فيزياء الجسيمات. لكن قوانين النسبية وميكانيكا الكم " هإلى درجة أساسية "بمعنى أنه لا يمكن لأي من القوانين الأقل عمومية أن يتعارض معها.

1.16 القوانين الأساسية.تحدث جميع العمليات في الطبيعة نتيجة تفاعلات وحركات (توزيعات) محلية للجسيمات الأولية. القوانين الأساسية التي تحكم هذه الحركات والتفاعلات غير عادية وبسيطة للغاية. إنها تستند إلى مفهوم التناظر والمبدأ القائل بأن كل ما لا يتعارض مع التناظر يمكن أن يحدث ويجب أن يحدث. أدناه ، باستخدام لغة مخططات فاينمان ، سوف نتتبع كيفية تحقيق ذلك في تفاعلات الجاذبية والكهرومغناطيسية والضعيفة والقوية للجسيمات.

2. الجسيمات والحياة

2.1. عن الحضارة والثقافة.أوضح العضو الأجنبي في الأكاديمية الروسية للعلوم فالنتين تيليجدي (1922-2006): "إذا كانت WC (خزانة المياه) حضارة ، فإن القدرة على استخدامها هي الثقافة."

باحث ITEP أ. أ. أبريكوسوف جونيور. كتبت إلي مؤخرًا: "أحد أهداف تقريرك هو إقناع جمهور كبير بضرورة تدريس الفيزياء الحديثة على نطاق أوسع. إذا كان الأمر كذلك ، فربما يكون من المفيد إعطاء بعض الأمثلة اليومية. أعني ما يلي:

نحن نعيش في عالم لا يمكن تصوره حتى على المستوى اليومي بدون ميكانيكا الكم (QM) ونظرية النسبية (RT). الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر وجميع الأجهزة الإلكترونية الحديثة ، ناهيك عن مصابيح LED وأشعة الليزر (بما في ذلك المؤشرات) وشاشات الكريستال السائل هي في الأساس أجهزة كمومية. من المستحيل شرح كيفية عملهم بدون المفاهيم الأساسية لإدارة الجودة. وكيف تفسرها دون ذكر حفر الأنفاق؟

المثال الثاني ، ربما أعلم منك. يتم تثبيت ملاحي الأقمار الصناعية في كل عاشر سيارة. لا تقل دقة تزامن الساعة في الشبكة الساتلية عن 10 8 (وهذا يتوافق مع خطأ في ترتيب المتر في توطين كائن على سطح الأرض). تتطلب هذه الدقة مراعاة تصحيحات TO للساعة على قمر صناعي متحرك. يقولون إن المهندسين لم يستطعوا تصديق ذلك ، لذلك كان للأجهزة الأولى برنامج مزدوج: مع وبدون تصحيحات. كما اتضح ، فإن البرنامج الأول يعمل بشكل أفضل. هنا اختبار لنظرية النسبية على مستوى الأسرة.

بالطبع ، التحدث على الهاتف وقيادة السيارة وكتابة مفاتيح الكمبيوتر أمر ممكن بدون علم عالٍ. لكن من غير المحتمل أن يحث الأكاديميون على عدم دراسة الجغرافيا ، لأن "هناك سيارات أجرة".

ثم تحدثوا إلى تلاميذ المدارس ، ثم إلى الطلاب لمدة خمس سنوات حول النقاط المادية ونسبية الجليل ، وفجأة ، وبدون سبب واضح ، يقولون إن هذا "ليس صحيحًا تمامًا".

من الصعب التغيير من عالم نيوتن المرئي إلى عالم الكم ، حتى في معهد الفيزياء التقنية. تفضلوا بقبول فائق الاحترام ، AAA ".

2.2. في الفيزياء الأساسية والتعليم.لسوء الحظ ، تخلف نظام التعليم الحديث عن الفيزياء الأساسية الحديثة بقرن كامل. ولا يملك غالبية الناس (بما في ذلك غالبية العاملين في المجال العلمي) أي فكرة عن تلك الصورة الواضحة والبسيطة بشكل مدهش (خريطة) للعالم ، والتي تم إنشاؤها بواسطة فيزياء الجسيمات الأولية. تسهل هذه الخريطة التنقل في جميع العلوم الطبيعية. الغرض من تقريري هو إقناعك بأن بعض عناصر (مفاهيم) فيزياء الجسيمات الأولية ، ونظرية النسبية ونظرية الكم يمكن ويجب أن تصبح أساسًا لتدريس جميع مواد العلوم الطبيعية ، ليس فقط في المستويات العليا ، ولكن أيضًا في المرحلة الثانوية و حتى المدرسة الابتدائية. بعد كل شيء ، من السهل إتقان المفاهيم الجديدة الأساسية على وجه التحديد في مرحلة الطفولة. يتقن الطفل اللغة بسهولة ، ويتقن استخدام الهاتف المحمول. يعيد العديد من الأطفال مكعب روبيك إلى حالته الأصلية في غضون ثوانٍ ، وحتى اليوم لا يكفي بالنسبة لي.

من أجل تجنب المفاجآت غير السارة في المستقبل ، من الضروري وضع رؤية كافية للعالم في رياض الأطفال. الثوابت جو حيجب أن تصبح أدوات المعرفة للأطفال.

2.3 عن الرياضيات.الرياضيات - ملكة وخادمة كل العلوم - يجب أن تكون بالتأكيد الأداة الرئيسية للمعرفة. إنه يعطي مفاهيم أساسية مثل الحقيقة والجمال والتماثل والنظام. مفاهيم الصفر واللانهاية. تعلمك الرياضيات التفكير والعد. الفيزياء الأساسية لا يمكن تصورها بدون الرياضيات. التعليم لا يمكن تصوره بدون الرياضيات. بالطبع ، قد يكون من السابق لأوانه دراسة نظرية المجموعة في المدرسة ، لكن من الضروري أن تعلمك أن تقدر الحقيقة والجمال والتناسق والنظام (وبعض الفوضى في نفس الوقت).

من المهم جدًا فهم الانتقال من الأرقام الحقيقية (الحقيقية) (البسيطة والعقلانية وغير المنطقية) إلى الأرقام التخيلية والمعقدة. ربما ، فقط الطلاب الذين يرغبون في العمل في مجال الرياضيات والفيزياء النظرية يجب أن يدرسوا أرقام hypercomplex (الرباعية والثمانية). في عملي ، على سبيل المثال ، لم أستخدم الأوكتونات مطلقًا. لكنني أعلم أنهم يسهلون فهم أكثر الأشياء الواعدة ، وفقًا للعديد من علماء الفيزياء النظرية ، مجموعة التناظر الاستثنائي E 8.

2.4 حول النظرة العالمية والعلوم الطبيعية.إن فكرة القوانين الأساسية التي تحكم العالم ضرورية في جميع العلوم الطبيعية. بالطبع ، لفيزياء الحالة الصلبة والكيمياء وعلم الأحياء وعلوم الأرض وعلم الفلك مفاهيمها وطرقها ومشكلاتها الخاصة. لكن من المهم جدًا أن يكون لديك خريطة عامة للعالم وإدراك أن هناك العديد من النقاط الفارغة للمجهول على هذه الخريطة. من المهم جدًا أن نفهم أن العلم ليس عقيدة متحجرة ، ولكنه عملية حية للاقتراب من الحقيقة في العديد من نقاط خريطة العالم. التقريب إلى الحقيقة هو عملية مقاربة.

2.5 حول الاختزالية الحقيقية والمبتذلة.إن الفكرة القائلة بأن الهياكل الأكثر تعقيدًا في الطبيعة تتكون من هياكل أقل تعقيدًا ، وفي النهاية ، من أبسط العناصر ، تسمى عادةً الاختزالية. بهذا المعنى ، ما أحاول إقناعك به هو الاختزالية. لكن الاختزالية المبتذلة ، التي تدعي أن كل العلوم يمكن اختزالها في فيزياء الجسيمات الأولية ، غير مقبولة على الإطلاق. في كل مستوى أعلى وأعلى من التعقيد ، تتشكل أنماطها الخاصة وتظهر. لست بحاجة إلى معرفة فيزياء الجسيمات لتكون عالم أحياء جيدًا. لكن لفهم مكانتها ودورها في نظام العلوم ، لفهم الدور الرئيسي للثوابت جو حضروري. بعد كل شيء ، العلم ككل هو كائن حي واحد.

2.6. في العلوم الإنسانية والاجتماعية.تعتبر الفكرة العامة عن بنية العالم مهمة جدًا للاقتصاد والتاريخ والعلوم المعرفية ، مثل علوم اللغة والفلسفة. والعكس صحيح - هذه العلوم مهمة للغاية بالنسبة للفيزياء الأساسية ، والتي تعمل باستمرار على تنقيح مفاهيمها الأساسية. سيتبين هذا من خلال النظر في نظرية النسبية التي أنتقل إليها الآن. سأذكر بشكل خاص العلوم القانونية ، التي تعتبر بالغة الأهمية لازدهار (ناهيك عن بقاء) العلوم الطبيعية. أنا مقتنع بأن القوانين الاجتماعية يجب ألا تتعارض مع القوانين الأساسية للطبيعة. يجب ألا تتعارض قوانين الإنسان مع قوانين الطبيعة الإلهية.

2.7. مايكرو- ، ماكرو- ، كوزمو-.يُطلق على عالمنا العادي من الأشياء الكبيرة ، ولكن ليست العملاقة ، اسم الكون الكبير. يمكن تسمية عالم الأجرام السماوية بالعالم الكوني ، ويسمى عالم الجسيمات الذرية ودون الذرية بالعالم الصغير. (نظرًا لأن أحجام الذرات تتراوح بين 10 و 10 أمتار ، فإن العالم المجهري يعني أجسامًا على الأقل 4 أو حتى 10 أوامر بحجم أصغر من الميكرومتر ، و1-7 مرات من حيث الحجم أصغر من النانومتر. تقع المنطقة على طول الطريق من الجزئي إلى الماكرو.) في القرن العشرين ، تم بناء ما يسمى بالنموذج القياسي للجسيمات الأولية ، والذي يسمح لك ببساطة وبشكل واضح بفهم العديد من قوانين الماكرو والكون بناءً على القوانين من الجزئي.

2.8. نماذجنا.تُبنى النماذج في الفيزياء النظرية من خلال نبذ الظروف غير الضرورية. على سبيل المثال ، في الفيزياء الذرية والنووية ، تكون تفاعلات الجاذبية للجسيمات ضئيلة ، ويمكن تجاهلها. مثل هذا النموذج للعالم يتناسب مع النظرية النسبية الخاصة. يحتوي هذا النموذج على ذرات وجزيئات وأجسام مكثفة ... مسرعات ومصادمات ، لكن لا يوجد شمس ونجوم.

من المؤكد أن مثل هذا النموذج سيكون خاطئًا على المقاييس الكبيرة جدًا حيث تكون الجاذبية ضرورية.

بالطبع ، بالنسبة لوجود CERN ، فإن وجود الأرض (وبالتالي الجاذبية) ضروري ، ولكن لفهم الغالبية العظمى من التجارب التي أجريت في CERN (باستثناء عمليات البحث في المصادم عن "الثقوب السوداء" المجهرية) ، الجاذبية ليست ضرورية.

2.9 أوامر من حجم.ترجع إحدى الصعوبات في فهم خصائص الجسيمات الأولية إلى حقيقة أنها صغيرة جدًا وتوجد الكثير منها. يوجد عدد كبير من الذرات في ملعقة من الماء (حوالي 10 - 23). عدد النجوم في الجزء المرئي من الكون ليس أقل بكثير. أعداد كبيرة لا تخاف. بعد كل شيء ، ليس من الصعب التعامل معهم ، لأن مضاعفة الأرقام تنخفض بشكل أساسي إلى إضافة أوامرهم: 1 \ u003d 10 0 ، 10 \ u003d 10 1 ، 100 \ u003d 10 2. اضرب 10 في 100 ، نحصل على 10 1 + 2 = 10 3 = 1000.

2.10. قطرة زيت.إذا تم إسقاط قطرة من الزيت بحجم 1 مليلتر على سطح الماء ، فسوف تنتشر في بقعة قوس قزح تبلغ مساحتها حوالي عدة أمتار مربعة وسماكة حوالي مائة نانومتر. هذا فقط ثلاث مرات من حيث الحجم أكبر من حجم الذرة. وسماكة غشاء فقاعات الصابون في أنحف الأماكن تكون في حدود حجم الجزيئات.

2.11. جول.بطارية AA النموذجية لها جهد 1.5 فولت (V) وتحتوي على 10 4 جول (J) من الطاقة الكهربائية. دعني أذكرك أن 1 J \ u003d 1 قلادة × 1 V ، وكذلك أن 1 J \ u003d كجم م 2 / ث 2 وأن تسارع الجاذبية يبلغ حوالي 10 م / ث 2. إذن ، 1 جول يسمح لك برفع كيلوغرام واحد إلى ارتفاع 10 سم ، و 10 4 ج يرفع 100 كجم إلى 10 أمتار. هذا هو مقدار الطاقة التي يستهلكها المصعد لنقل الطالب إلى الطابق العاشر. هذا هو مقدار الطاقة الموجودة في البطارية.

2.12. الكترونفولت.وحدة الطاقة في فيزياء الجسيمات الأولية هي الإلكترون فولت (eV): يتم الحصول على طاقة 1 فولت بواسطة إلكترون واحد يمر عبر فرق جهد قدره 1 فولت. نظرًا لوجود 6.24 × 10 18 إلكترونًا في قلادة واحدة ، فإن 1 J = 6.24 × 10 18 eV.

1 keV = 10 3 eV، 1 MeV = 10 6 eV، 1 GeV = 10 9 eV، 1 TeV = 10 12 eV.

اسمحوا لي أن أذكرك أن طاقة بروتون واحد في مصادم هادرون كبير CERN يجب أن تساوي 7 إلكترون فولت.

3. حول نظرية النسبية

3.1. أنظمة مرجعية.نصف كل تجاربنا في نظام مرجعي واحد أو آخر. يمكن أن يكون النظام المرجعي مختبرًا ، أو قطارًا ، أو قمرًا صناعيًا للأرض ، أو مركز مجرة ​​.... أي جسيمات تطير ، على سبيل المثال ، في معجل الجسيمات ، يمكن أن تكون أيضًا نظامًا مرجعيًا. نظرًا لأن جميع هذه الأنظمة تتحرك بالنسبة إلى بعضها البعض ، فلن تبدو كل التجارب متشابهة فيها. بالإضافة إلى ذلك ، يختلف تأثير الجاذبية لأقرب الأجسام الضخمة فيها. إن النظر في هذه الاختلافات هو الذي يشكل المحتوى الرئيسي لنظرية النسبية.

3.2 سفينة جاليليو.صاغ جاليليو مبدأ النسبية ، واصفًا بشكل ملون جميع أنواع التجارب في مقصورة سفينة تبحر بسلاسة. إذا كانت النوافذ مظللة بالستائر ، فمن المستحيل بمساعدة هذه التجارب معرفة مدى سرعة تحرك السفينة وما إذا كانت ثابتة. أضاف أينشتاين تجارب على السرعة المحدودة للضوء إلى هذه المقصورة. إذا كنت لا تنظر من النافذة ، فلا يمكنك معرفة سرعة السفينة. ولكن إذا نظرت إلى الشاطئ ، يمكنك ذلك.

3.3 النجوم البعيدة *.من المعقول أن يتم تحديد مثل هذا الإطار المرجعي ، والذي يمكن للناس من خلاله صياغة نتائج تجاربهم ، بغض النظر عن مكان وجودهم. بالنسبة لمثل هذا النظام المرجعي العالمي ، فإن النظام الذي تكون فيه النجوم البعيدة بلا حراك قد تم قبوله منذ فترة طويلة. ومؤخرًا نسبيًا (قبل نصف قرن) تم اكتشاف المزيد من الكوازارات البعيدة واتضح أن خلفية الميكروويف المتبقية يجب أن تكون متناحرة في هذا النظام.

3.4. بحثا عن إطار مرجعي عالمي *.من حيث الجوهر ، فإن تاريخ علم الفلك بأكمله هو تقدم نحو إطار مرجعي عالمي أكثر من أي وقت مضى. من مركزية الإنسان ، حيث يكون الإنسان في المركز ، إلى مركزية الأرض ، حيث تكون الأرض في حالة راحة في المركز (بطليموس ، 87-165) ، إلى مركزية الشمس ، حيث تكون الشمس في حالة سكون في المركز (كوبرنيكوس ، 1473-1543) ، إلى نصف مركزية ، حيث يقع مركز مجرتنا ، إلى سديم ، حيث يستقر نظام السدم - عناقيد المجرات ، إلى الخلفية ، حيث تكون الخلفية الكونية الميكروية متناحرة. ومع ذلك ، من الضروري أن تكون سرعات هذه الإطارات المرجعية صغيرة مقارنة بسرعة الضوء.

3.5 كوبرنيكوس ، كبلر ، جاليليو ، نيوتن *.في كتاب نيكولاس كوبرنيكوس "حول دوران الكرات السماوية" ، المنشور عام 1543 ، جاء فيه: "كل الحركات التي لاحظتها الشمس ليست من سماتها ، ولكنها تنتمي إلى الأرض ومجالنا الذي ندور فيه. حول الشمس ، مثل أي كوكب آخر ؛ وهكذا فإن الأرض لها حركات عديدة. الحركات الواضحة للأمام والخلف للكواكب لا تخصهم ، بل للأرض. وبالتالي ، فإن هذه الحركة وحدها كافية لتفسير العدد الكبير من المخالفات المرئية في السماء.

قدم كوبرنيكوس وكبلر (1571-1630) وصفًا ظاهريًا بسيطًا لكينماتيكا هذه الحركات. شرح جاليليو (1564-1642) ونيوتن (1643-1727) ديناميكياتهم.

3.6 المكان والزمان العالميان *.يمكن تسمية الإحداثيات المكانية والوقت المرتبط بالنظام المرجعي العالمي بأنها عالمية أو مطلقة في انسجام تام مع نظرية النسبية. من المهم فقط التأكيد على أن اختيار هذا النظام يتم ويتفق عليه من قبل المراقبين المحليين. أي إطار مرجعي يتحرك تدريجياً بالنسبة للإطار العام هو قصور ذاتي: الحركة الحرة فيه موحدة ومستقيمة.

3.7 "نظرية الثبات"*. لاحظ أن كلا من ألبرت أينشتاين (1879-1955) وماكس بلانك (1858-1947) (الذي قدم مصطلح "نظرية النسبية" في عام 1907 ، واصفًا إياه النظرية التي طرحها أينشتاين عام 1905) اعتقدا أن مصطلح "ثبات النظرية" يمكن تعكس جوهرها بدقة أكبر. ولكن من الواضح أنه في بداية القرن العشرين كان من الأهمية بمكان التأكيد على نسبية مفاهيم مثل الوقت والتزامن في أطر مرجعية بالقصور الذاتي المتساوية بدلاً من التركيز على أحد هذه الأطر. كان الأهم من ذلك أنه مع النوافذ ذات الستائر في كابينة جاليليو ، كان من المستحيل تحديد سرعة السفينة. ولكن حان الوقت الآن لفصل الستائر والنظر إلى الشاطئ. في نفس الوقت ، بالطبع ، ستبقى جميع الأنماط التي تم إنشاؤها مع الستائر المغلقة ثابتة.

3.8 رسالة إلى شيمر*. في عام 1921 ، كتب أينشتاين ، في رسالة إلى E. Chimmer ، مؤلف كتاب "الرسائل الفلسفية": "أما بالنسبة لمصطلح" نظرية النسبية "، فأنا أعترف بأنه غير ناجح ويؤدي إلى سوء فهم فلسفي". لكن لتغييره ، وفقًا لأينشتاين ، فات الأوان بالفعل ، على وجه الخصوص ، لأنه منتشر على نطاق واسع. نُشرت هذه الرسالة في المجلد الثاني عشر من مجموعة الأعمال المجمعة لآينشتاين المكونة من 25 مجلدًا والتي نُشرت في برينستون ، ونُشرت في خريف عام 2009.

3.9 السرعة القصوى في الطبيعة.الثابت الرئيسي لنظرية النسبية هو سرعة الضوء ج\ u003d 300000 كم / ثانية \ u003d 3 × 10 8 م / ث. (بدقة اكثر، ج= 299792458 م / ث. وهذا الرقم يشكل الآن أساس تعريف المتر.) هذه السرعة هي السرعة القصوى لانتشار أي إشارات في الطبيعة. إنها أعلى بكثير من سرعة الأجسام الضخمة التي نتعامل معها كل يوم. إن قيمتها الكبيرة بشكل غير عادي هي التي تعيق فهم المحتوى الرئيسي لنظرية النسبية. تسمى الجسيمات التي تتحرك بسرعات تتناسب مع سرعة الضوء بالنسبية.

3.10. الطاقة والزخم والسرعة.تتميز الحركة الحرة للجسيم بطاقة الجسيم هوزخمها ص. وفقًا لنظرية النسبية ، سرعة الجسيم الخامسيتم تحديده من خلال الصيغة

أحد الأسباب الرئيسية للارتباك المصطلحي الذي نوقش في الطائفة. 3.14 يكمن في حقيقة أنه عند إنشاء نظرية النسبية ، حاولوا الحفاظ على العلاقة النيوتونية بين الزخم والسرعة ص = مالخامسالذي يتعارض مع نظرية النسبية.

3.11. وزن.كتلة الجسيمات ميتم تحديده من خلال الصيغة

بينما تعتمد طاقة وزخم الجسيم على الإطار المرجعي ، فإن قيمة كتلته ملا تعتمد على النظام المرجعي. هي ثابتة. الصيغتان (1) و (2) أساسيتان في نظرية النسبية.

من الغريب أن أول دراسة عن نظرية النسبية ، ظهرت فيها الصيغة (2) ، لم تُنشر إلا في عام 1941. كانت "نظريات ميدانية" بقلم إل لانداو (1908-1968) وإي. ليفشيتز (1915-1985) . لم أجده في أي من أعمال أينشتاين. لم يرد ذلك في الكتاب الرائع "نظرية النسبية" بقلم دبليو باولي (1900-1958) ، الذي نُشر عام 1921. لكن معادلة الموجة النسبية التي تحتوي على هذه الصيغة كانت موجودة في كتاب "مبادئ ميكانيكا الكم" بقلم ب. ديراك ، نُشر عام 1930 (1902–1984) ، وحتى قبل ذلك في مقالات عام 1926 من قبل أو. كلاين (1894–1977) و دبليو فوك (1898–1974).

3.12. فوتون عديم الكتلة.إذا كانت كتلة الجسيم صفراً ، أي أن الجسيم عديم الكتلة ، فإن من الصيغتين (1) و (2) يتبع ذلك في أي إطار مرجعي أن سرعته تساوي ج. نظرًا لأن كتلة جسيم الضوء - الفوتون - صغيرة جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها ، فمن المقبول عمومًا أنها تساوي صفرًا وأن جهي سرعة الضوء.

3.13. طاقة السلام.إذا كانت كتلة الجسيم غير صفرية ، ففكر في الإطار المرجعي الذي يكون فيه الجسيم الحر في حالة سكون وقريب منه الخامس = 0, ص= 0. يسمى هذا الإطار المرجعي بالإطار الباقي للجسيم ، وتسمى طاقة الجسيم في هذا الإطار طاقة الباقي ويشار إليها E0. من الصيغة (2) يتبع ذلك

تعبر هذه الصيغة عن العلاقة بين الطاقة المتبقية لجسيم ضخم وكتلته ، التي اكتشفها أينشتاين في عام 1905.

3.14. "الصيغة الأكثر شهرة".لسوء الحظ ، غالبًا ما تتم كتابة صيغة أينشتاين في شكل "الصيغة الأكثر شهرة E = mc2"، مع حذف الرقم القياسي لباقي الطاقة ، مما يؤدي إلى العديد من حالات سوء الفهم والارتباك. بعد كل شيء ، هذه "الصيغة الشهيرة" تحدد الطاقة والكتلة ، والتي تتعارض مع نظرية النسبية بشكل عام والصيغة (2) بشكل خاص. يتبعه مفهوم خاطئ واسع الانتشار مفاده أن كتلة الجسم ، وفقًا لنظرية النسبية ، تزداد مع زيادة سرعتها. في السنوات الأخيرة ، بذلت الأكاديمية الروسية للتعليم الكثير لتبديد هذا المفهوم الخاطئ.

3.15. وحدة السرعة*. في نظرية النسبية ، التي تتعامل مع سرعات مماثلة لسرعة الضوء ، من الطبيعي أن نختار جكوحدة للسرعة. يبسط هذا الاختيار جميع الصيغ ، منذ ذلك الحين ج/ج= 1 ، ويجب أن نضعها ج= 1. في هذه الحالة ، تصبح السرعة كمية بلا أبعاد ، والمسافة لها بُعد زمني ، والكتلة لها بُعد الطاقة.

في فيزياء الجسيمات الأولية ، تُقاس كتل الجسيمات عادةً بالفولت الإلكتروني - eV ومشتقاتها (انظر القسم 2.14). كتلة الإلكترون حوالي 0.5 ميغا إلكترون فولت ، وكتلة البروتون حوالي 1 إلكترون فولت ، وكتلة أثقل كوارك حوالي 170 إلكترون فولت ، وكتلة النيوترينو حوالي كسور إلكترون فولت.

3.16. مسافات فلكية*. في علم الفلك ، تُقاس المسافات بالسنوات الضوئية. يبلغ حجم الجزء المرئي من الكون حوالي 14 مليار سنة ضوئية. يعتبر هذا الرقم أكثر إثارة للإعجاب عند مقارنته بـ 10-24 ثانية التي يستغرقها الضوء للسفر مسافة في حدود حجم البروتون. وفي كل هذا النطاق الهائل ، تعمل نظرية النسبية.

3.17. عالم مينكوفسكي.في عام 1908 ، قبل بضعة أشهر من وفاته المفاجئة ، قال هيرمان مينكوفسكي (1864-1909) بشكل نبوي: "الآراء حول المكان والزمان التي أعتزم تطويرها قبل أن تنشأ على أساس جسدي تجريبي. هذه هي قوتهم. اتجاههم راديكالي. من الآن فصاعدًا ، يجب أن يتحول المكان وحده والزمان في حد ذاته إلى خيال ، وفقط نوع من المزيج من الاثنين يجب أن يحتفظ بالاستقلال.

بعد قرن من الزمان ، نعلم أن الزمان والمكان لم يصبحا خيالين ، لكن فكرة مينكوفسكي جعلت من الممكن وصف حركات وتفاعلات جسيمات المادة بطريقة بسيطة للغاية.

3.18. عالم 4D*. في الوحدات التي ج= 1 ، تبدو فكرة عالم Minkowski جميلة بشكل خاص ، والتي تجمع بين الوقت والفضاء ثلاثي الأبعاد في عالم واحد رباعي الأبعاد. يتم بعد ذلك دمج الطاقة والزخم في ناقل واحد رباعي الأبعاد ، وتكون الكتلة ، وفقًا للمعادلة (2) ، بمثابة الطول الإقليدي الزائف لمتجه 4 الطاقة الزخم. ص = ه, ص:

المسار رباعي الأبعاد في عالم مينكوفسكي يسمى خط العالم ، والنقاط الفردية تسمى نقاط العالم.

3.19. اعتماد معدل الساعة على سرعتها**. تشير العديد من الملاحظات إلى أن الساعات تعمل بشكل أسرع عندما تكون في حالة راحة فيما يتعلق بالإطار بالقصور الذاتي. الحركة المحدودة في الإطار المرجعي بالقصور الذاتي تبطئ تقدمها. كلما تحركوا بشكل أسرع في الفضاء ، كلما كان الوقت أبطأ. التباطؤ مطلق في الإطار المرجعي العالمي (انظر الأقسام 3.1-3.8). مقياسها هو النسبة ه / م، والذي غالبًا ما يُشار إليه بالحرف γ.

3.20. الميونات في مسرع حلقي وفي حالة سكون**. يمكن رؤية وجود هذا التباطؤ بشكل أوضح من خلال مقارنة عمر الميون في حالة السكون والميون الذي يدور في مسرع حلقي. حقيقة أن الميون في المسرع لا يتحرك بحرية كاملة ، ولكن لديه تسارع جاذب ω 2 ص، أين ω هو التردد الشعاعي للثورة ، و صهو نصف قطر المدار ، يعطي فقط تصحيحًا ضئيلًا ، منذ ذلك الحين E / ω 2 R = ER>> 1. الحركة على طول دائرة ، وليس على طول خط مستقيم ، ضرورية للغاية لإجراء مقارنة مباشرة للميون الدوار مع الميون السكون. ولكن فيما يتعلق بمعدل تقدم عمر الميون المتحرك ، لا يمكن تمييز قوس دائري نصف قطر كبير بما يكفي عن الخط المستقيم. يتم تحديد هذا المعدل من خلال النسبة ه / م. (أؤكد أنه وفقًا للنظرية النسبية الخاصة ، فإن الإطار المرجعي الذي يكون فيه الميون الدوار في حالة سكون ليس بالقصور الذاتي).

3.21. القوس والوتر**. من وجهة نظر مراقب في حالة سكون في إطار مرجعي بالقصور الذاتي ، فإن قوس دائرة بنصف قطر كبير بما فيه الكفاية وتوترها لا يمكن تمييزهما عمليًا: الحركة على طول القوس شبه جامدة. من وجهة نظر المراقب في حالة السكون بالنسبة إلى الميون الذي يطير في دائرة ، فإن حركته في الأساس غير قصور ذاتي. بعد كل شيء ، تتغير سرعته في نصف دورة. (بالنسبة للمراقب المتحرك ، فإن النجوم البعيدة ليست ثابتة بأي حال من الأحوال. فالكون بأكمله غير متماثل بالنسبة له: النجوم الموجودة في المقدمة زرقاء وخلفها حمراء. بينما بالنسبة لنا جميعهم متماثلون - ذهبيون ، لأن سرعة الشمس النظام منخفض.) ويتجلى عدم القصور الذاتي لهذا المراقب في أن الأبراج الأمامية والخلفية تتغير مع تحرك الميون في مسرع الحلقة. لا يمكننا اعتبار أن المراقبين المستريحين والمتحركين متكافئين ، لأن الأول لا يواجه أي تسارع ، والثاني ، من أجل العودة إلى نقطة الالتقاء ، يجب أن يختبر ذلك.

3.22. النسبية العامة**. يصر الفيزيائيون النظريون ، المعتادين على لغة النظرية النسبية العامة (GR) ، على أن جميع الأطر المرجعية متساوية. ليس فقط بالقصور الذاتي ، ولكن أيضًا متسارع. هذا الزمكان نفسه منحني. في هذه الحالة ، يتوقف تفاعل الجاذبية عن أن يكون نفس التفاعل الفيزيائي مثل التفاعل الكهرومغناطيسي والضعيف والقوي ، ويصبح مظهرًا استثنائيًا للفضاء المنحني. نتيجة لذلك ، تبدو الفيزياء بأكملها كما لو كانت مقسمة إلى قسمين. إذا انطلقنا من حقيقة أن التسارع يرجع دائمًا إلى التفاعل ، وأنه ليس نسبيًا ، ولكنه مطلق ، فإن الفيزياء تصبح موحدة وبسيطة.

3.23. "لينكوم".إن استخدام كلمتي "النسبية" و "النسبية" فيما يتعلق بسرعة الضوء يذكرنا باسم المسرح "لينكوم" أو صحيفة "موسكوفسكي كومسوموليتس" ، المرتبطة نسبيًا فقط بكومسومول. هذه مفارقات لغوية. سرعة الضوء في الفراغ ليست نسبية. هي مطلقة. يحتاج الفيزيائيون فقط إلى مساعدة اللغويين.

4. حول نظرية الكم

4.1 ثابت بلانك.إذا كان الثابت الرئيسي في نظرية النسبية هو سرعة الضوء ج، فإن الثابت الأساسي في ميكانيكا الكم هو ح= 6.63 10 34 J s ، اكتشفه ماكس بلانك في عام 1900. سيتضح المعنى المادي لهذا الثابت من العرض التالي. في الغالب ، يظهر ما يسمى بثابت بلانك المختزل في معادلات ميكانيكا الكم:

ħ = ح / 2π= 1.05 10 34 ج × ج= 6.58 10 22 إلكترون فولت ث.

في العديد من الظواهر ، تلعب الكمية دورًا مهمًا ħ ج= 1.97 10 11 إلكترون فولت سم.

4.2 تدور إلكترون.لنبدأ بالمقارنة الساذجة المعروفة للذرة مع نظام الكواكب. تدور الكواكب حول الشمس وحول محورها. وبالمثل ، تدور الإلكترونات حول النواة وحول محورها. يتميز دوران الإلكترون في المدار بالزخم الزاوي المداري إل(غالبًا ما يطلق عليه بشكل غير صحيح الزخم الزاوي المداري). يتميز دوران الإلكترون حول محوره بزخمه الزاوي - الدوران س. اتضح أن جميع الإلكترونات في العالم لها دوران يساوي (1/2) ħ . للمقارنة ، نلاحظ أن "دوران" الأرض يساوي 6 10 33 م 2 كجم / ث = 6 10 67 ħ .

4.3 ذرة الهيدروجين.في الواقع ، الذرة ليست نظامًا كوكبيًا ، والإلكترون ليس جسيمًا عاديًا يتحرك في مدار. الإلكترون ، مثل جميع الجسيمات الأولية الأخرى ، ليس جسيمًا على الإطلاق بالمعنى اليومي للكلمة ، مما يعني أن الجسيم يجب أن يتحرك على طول مسار معين. في أبسط ذرة - ذرة الهيدروجين ، إذا كانت في حالتها الأساسية ، أي غير متحمس ، فإن الإلكترون يشبه إلى حد ما سحابة كروية نصف قطرها من 0.5 إلى 10 م. يمر إلى حالات أعلى وأعلى ، والتي تزداد اتساعًا.

4.4 الأعداد الكمية للإلكترونات.بدون أخذ الدوران في الاعتبار ، تتميز حركة الإلكترون في الذرة برقمين كميين: رقم الكم الأساسي نورقم الكم المداري ل، علاوة على ذلك ن ≥ ل. لو ل= 0 ، إذن الإلكترون عبارة عن سحابة كروية متناظرة. كلما كان n أكبر ، زاد حجم هذه السحابة. الاكثر ل، كلما كانت حركة الإلكترون مشابهة لحركة الجسيم الكلاسيكي في المدار. طاقة الارتباط للإلكترون الموجود في ذرة الهيدروجين على غلاف برقم كمي ن، مساوي ل

أين α =هـ 2/ħ ج≈ 1/137 ، أ ههي شحنة الإلكترون.

4.5 ذرات متعددة الإلكترونات.يلعب السبين دورًا رئيسيًا في ملء غلاف الإلكترون لذرات الإلكترون المتعددة. الحقيقة هي أن إلكترونين لهما نفس اتجاه دورانهما (نفس اتجاه الدوران) لا يمكن أن يكونا على نفس الغلاف بالقيم المعطاة نو ل. هذا محظور بموجب ما يسمى بمبدأ باولي (1900-1958). بشكل أساسي ، يحدد مبدأ باولي فترات الجدول الدوري لعناصر منديليف (1834–1907).

4.6 البوزونات والفرميونات.جميع الجسيمات الأولية لها دوران. إذن ، دوران الفوتون يساوي 1 بوحدة ħ ، دوران الجرافيتون هو 2. الجسيمات مع عدد صحيح تدور في الوحدات ħ تسمى البوزونات. تسمى الجسيمات ذات الدوران نصف الصحيح الفرميونات. البوزونات جماعية: "يميلون جميعًا إلى العيش في نفس الغرفة" ، ليكونوا في نفس الحالة الكمية. يعتمد الليزر على خاصية الفوتونات هذه: جميع الفوتونات في شعاع الليزر لها نفس الزخم تمامًا. الفرميون فردانيون: "كل واحد منهم يحتاج إلى شقة منفصلة". تحدد خاصية الإلكترونات هذه أنماط ملء أغلفة الإلكترونات للذرات.

4.7 "القنطور الكمومية".الجسيمات الأولية مثل القنطور الكمومية: نصف جسيمات - نصف موجات. نظرًا لخصائصها الموجية ، يمكن للقنطور الكمومية ، على عكس الجسيمات الكلاسيكية ، أن تمر عبر شقين في وقت واحد ، مما يؤدي إلى نمط تداخل على الشاشة خلفها. أثبتت جميع المحاولات لوضع القنطور الكمومية في سرير Procrustean لمفاهيم الفيزياء الكلاسيكية أنها غير مثمرة.

4.8 علاقات عدم اليقين.ثابت ħ يحدد ميزات ليس فقط الدوران ، ولكن أيضًا الحركة الانتقالية للجسيمات الأولية. يجب أن يلبي عدم اليقين في الموضع والزخم للجسيم ما يسمى بعلاقات الارتياب في هايزنبرغ (1901-1976) ، مثل

توجد علاقة مماثلة للطاقة والوقت:

4.9 ميكانيكا الكم.كلا من تكميم الدوران وعلاقات عدم اليقين هي مظاهر خاصة للقوانين العامة لميكانيكا الكم ، التي تم إنشاؤها في عشرينيات القرن الماضي. وفقًا لميكانيكا الكم ، فإن أي جسيم أولي ، على سبيل المثال ، الإلكترون ، هو جسيم أولي وموجة أولية (جسيم واحد). علاوة على ذلك ، على عكس الموجة العادية ، وهي حركة دورية لعدد هائل من الجسيمات ، فإن الموجة الأولية هي نوع جديد من الحركة لم يكن معروفًا من قبل لجسيم فردي. الطول الموجي الأولي λ لجسيم به زخم صيساوي λ = ح/|ص| ، والتردد الأولي ν يتوافق مع الطاقة ه، مساوي ل ν = E / ح.

4.10. نظرية المجال الكمي.لذلك ، في البداية اضطررنا إلى الاعتراف بأن الجسيمات يمكن أن تكون خفيفة بشكل عشوائي وحتى عديمة الكتلة ، وأن سرعاتها لا يمكن أن تتجاوز ج. ثم أُجبرنا على الاعتراف بأن الجسيمات ليست جسيمات على الإطلاق ، بل هي هجينة غريبة من الجسيمات والأمواج ، التي يتم الجمع بين سلوكها بواسطة كمومي. ح. قام ديراك (1902-1984) بتوحيد نظرية النسبية وميكانيكا الكم في عام 1930 وأدى إلى إنشاء نظرية تسمى نظرية المجال الكمومي. هذه النظرية هي التي تصف الخصائص الأساسية للمادة.

4.11. الوحدات التي ج, ħ = 1. فيما يلي ، كقاعدة عامة ، سنستخدم الوحدات التي تؤخذ فيها وحدة السرعة ج، ولكل وحدة من الزخم الزاوي (الحركة) - ħ . في هذه الوحدات ، يتم تبسيط جميع الصيغ بشكل كبير. في نفوسهم ، على وجه الخصوص ، أبعاد الطاقة والكتلة والتردد هي نفسها. يتم قبول هذه الوحدات في فيزياء الطاقة العالية ، لأن الظواهر الكمية والنسبية ضرورية فيها. في تلك الحالات عندما يكون من الضروري التأكيد على الطبيعة الكمومية لظاهرة معينة ، سنكتب صراحةً ħ . سنفعل نفس الشيء مع ج.

4.12. أينشتاين وميكانيكا الكم *.أينشتاين ، بمعنى ما ، بعد أن أنجب ميكانيكا الكم ، لم يتصالح معها. وحتى نهاية حياته حاول بناء "نظرية موحدة لكل شيء" على أساس نظرية المجال الكلاسيكي ، متجاهلاً ħ . آينشتاين يؤمن بالحتمية الكلاسيكية وعدم مقبولية العشوائية. وكرر عن الله: "لا يلعب النرد". ولم يستطع استيعاب حقيقة أن لحظة تحلل الجسيم الفردي لا يمكن التنبؤ بها من حيث المبدأ ، على الرغم من أن متوسط ​​عمر نوع أو آخر من الجسيمات يتم التنبؤ به في إطار ميكانيكا الكم بدقة غير مسبوقة. لسوء الحظ ، فإن إدمانه يحدد آراء الكثير من الناس.

5. مخططات فاينمان

5.1 أبسط مخطط.يُنظر إلى التفاعلات الجسيمية بسهولة باستخدام الرسوم البيانية التي اقترحها ريتشارد فاينمان (1918-1988) في عام 1949. يوضح الشكل 1 أبسط مخطط فاينمان يصف تفاعل الإلكترون والبروتون من خلال تبادل الفوتون.

تشير الأسهم في الشكل إلى اتجاه تدفق الوقت لكل جسيم.

5.2 جسيمات حقيقية.تتوافق كل عملية مع مخطط فاينمان أو أكثر. تتوافق الخطوط الخارجية في الرسم البياني مع الجسيمات الواردة (قبل التفاعل) والصادرة (بعد التفاعل) الخالية. 4-عزمها ع تفي بالمعادلة

يطلق عليهم الجسيمات الحقيقية ويقال أنها على سطح الكتلة.

5.3 الجسيمات الافتراضية.تتوافق الخطوط الداخلية للمخططات مع الجسيمات في حالة افتراضية. بالنسبة لهم

يطلق عليهم اسم الجسيمات الافتراضية ويقال أنها خارج الصدفة. يتم وصف انتشار الجسيم الظاهري بكمية رياضية تسمى المسبب.

قد تقود هذه المصطلحات الشائعة المبتدئ إلى فكرة أن الجسيمات الافتراضية هي مادة أقل من الجسيمات الحقيقية. في الواقع ، إنها مادية متساوية ، لكننا نتصور الجسيمات الحقيقية على أنها مادة وإشعاع ، وجسيمات افتراضية - بشكل أساسي كحقول قوة ، على الرغم من أن هذا التمييز عشوائي إلى حد كبير. من المهم أن نفس الجسيم ، على سبيل المثال ، فوتون أو إلكترون ، يمكن أن يكون حقيقيًا في ظل ظروف معينة وافتراضيًا في ظل ظروف أخرى.

5.4. الرؤوس.تصف رؤوس الرسم التخطيطي الأفعال المحلية للتفاعلات الأولية بين الجسيمات. في كل قمة ، يتم الحفاظ على الزخم 4. من السهل أن نرى أنه إذا اجتمعت ثلاثة خطوط من الجسيمات المستقرة في رأس واحد ، فيجب أن يكون أحدها على الأقل افتراضيًا ، أي يجب أن يكون خارج غلاف الكتلة: "لا يمكن لبوليفار هدم ثلاثة." (على سبيل المثال ، لا يمكن للإلكترون الحر أن يصدر فوتونًا حرًا ويظل إلكترونًا حرًا).

يتفاعل جسيمان حقيقيان عن بعد ، ويتبادلان جسيمًا افتراضيًا واحدًا أو أكثر.

5.5 ينتشر.إذا قيل إن الجسيمات الحقيقية تتحرك ، يقال إن الجسيمات الافتراضية تنتشر. يؤكد مصطلح "الانتشار" على حقيقة أن الجسيم الافتراضي يمكن أن يكون له العديد من المسارات ، وقد لا يكون أي منها كلاسيكيًا ، مثل الفوتون الافتراضي ذو الطاقة الصفرية والزخم غير الصفري ، والذي يصف تفاعل كولوم الثابت.

5.6 الجسيمات المضادة.من الخصائص الرائعة لمخططات فاينمان أنها تصف كلا الجسيمات والجسيمات المضادة المقابلة بطريقة موحدة. في هذه الحالة ، يبدو الجسيم المضاد وكأنه جسيم يتحرك للخلف في الوقت المناسب. على التين. يوضح الشكل 2 مخططًا يوضح إنتاج البروتون والبروتون المضاد أثناء إبادة إلكترون وبوزيترون.

ينطبق انعكاس الوقت بالتساوي على الفرميونات والبوزونات. إنه يجعل تفسير البوزيترونات كحالات فارغة في بحر من الإلكترونات ذات الطاقة السالبة أمرًا غير ضروري ، وهو الأمر الذي لجأ إليه ديراك عندما قدم مفهوم الجسيم المضاد في عام 1930.

5.7 مخططات شوينجر وفينمان.شوينغر (1918-1994) ، الذي لم يكن لديه مشكلة مع الصعوبات الحسابية ، لم يعجبه مخططات فاينمان وكتب عنها بتنازل إلى حد ما: "مثل شريحة الكمبيوتر في السنوات الأخيرة ، جلب مخطط فاينمان الحوسبة للجماهير." لسوء الحظ ، على عكس الشريحة ، لم تصل مخططات Feynman إلى الجماهير الأوسع.

5.8 مخططات فاينمان وفينمان.لأسباب غير معروفة ، لم تصل مخططات فاينمان حتى إلى محاضرات فاينمان الشهيرة في الفيزياء. أنا مقتنع بأنه يجب إحضارهم إلى طلاب المدارس الثانوية ، وشرح لهم الأفكار الأساسية لفيزياء الجسيمات الأولية. هذا هو أبسط عرض للعالم المصغر والعالم ككل. إذا كان الطالب يعرف مفهوم الطاقة الكامنة (على سبيل المثال ، قانون نيوتن ، أو قانون كولوم) ، فإن مخططات فاينمان تسمح له بالحصول على تعبير عن هذه الطاقة الكامنة.

5.9. الجسيمات الافتراضية ومجالات القوة الفيزيائية.مخططات فاينمان هي أبسط لغة في نظرية المجال الكمومي. (على الأقل في تلك الحالات التي لا يكون فيها التفاعل قويًا جدًا ويمكن للمرء استخدام نظرية الاضطراب). في معظم الكتب حول نظرية المجال الكمي ، يتم التعامل مع الجسيمات على أنها إثارة مجال كمي ، الأمر الذي يتطلب الإلمام بشكليات التكميم الثاني. في لغة مخططات فاينمان ، يتم استبدال الحقول بجسيمات افتراضية.

الجسيمات الأولية لها خصائص جسمية وموجة. علاوة على ذلك ، فهي في الواقع جسيمات مادة ، وفي الحالة الافتراضية فهي أيضًا حاملة للقوى بين الأشياء المادية. بعد إدخال الجسيمات الافتراضية ، يصبح مفهوم القوة غير ضروري ، ومع مفهوم المجال ، إذا لم يكن معروفًا من قبل ، ربما يجب أن يتعرف المرء بعد إتقان مفهوم الجسيم الافتراضي.

5.10. التفاعلات الأولية*. تتميز الأعمال الأولية لانبعاث وامتصاص الجسيمات الافتراضية (الرؤوس) بثوابت التفاعل مثل الشحنة الكهربائية e في حالة الفوتون والشحنات الضعيفة ه / الخطيئة θ دبليوفي حالة W boson و ه / الخطيئة θ W cos θ Wفي حالة Z-boson (حيث θ دبليو- زاوية واينبرغ) ، شحنة اللون زفي حالة الغلوونات والكمية √Gفي حالة الجرافيتون ، أين جيهو ثابت نيوتن. (انظر الفصول 6-10). تمت مناقشة التفاعل الكهرومغناطيسي أدناه في الفصل. 7. ضعف التفاعل - في الفصل. 8. قوي - في الفصل. 9.

وسنبدأ في الفصل التالي. 6 مع تفاعل الجاذبية.

6. تفاعل الجاذبية

6.1 الجرافيتون.سأبدأ بالجسيمات التي لم يتم اكتشافها بعد وربما لن يتم اكتشافها في المستقبل المنظور. هذه هي جسيمات مجال الجاذبية - الجرافيتون. لم يتم اكتشاف الجرافيتونات فحسب ، بل أيضًا موجات الجاذبية (وهذا بينما تتغلغل الموجات الكهرومغناطيسية في حياتنا حرفيًا). هذا يرجع إلى حقيقة أنه في الطاقات المنخفضة يكون تفاعل الجاذبية ضعيفًا جدًا. كما سنرى ، فإن نظرية الجرافيتونات تجعل من الممكن فهم جميع الخصائص المعروفة لتفاعل الجاذبية.

6.2 تبادل الجرافيتون.في لغة مخططات فاينمان ، يتم تنفيذ تفاعل الجاذبية بين جسمين من خلال تبادل الجرافيتونات الافتراضية بين الجسيمات الأولية التي تتكون منها هذه الأجسام. على التين. 3 الجرافيتون ينبعث من جسيم ذي 4 زخم ص 1 ويمتصه جسيم آخر ذو 4 زخم ص 2. بسبب الحفاظ على الزخم 4 ، q = p 1 - p ′ 1 = p ′ 2 −p 2 ، حيث q هي الزخم 4 للجرافيتون.

يظهر توزيع الجرافيتون الافتراضي (مثل أي جسيم افتراضي ، يتوافق مع ناشر) في الشكل بواسطة زنبرك.

6.3 ذرة الهيدروجين في مجال الجاذبية الأرضية.على التين. يوضح الشكل 4 مجموع المخططات التي تقوم فيها ذرة الهيدروجين ذات الزخم 4 p 1 بتبادل الجرافيتونات مع جميع ذرات الأرض بإجمالي 4 زخم p 2. وفي هذه الحالة q = p 1 - p ′ 1 = p 2 - p 2 ، حيث q هو الزخم الكلي 4 للجرافيتونات الافتراضية.

6.4. على كتلة الذرة.في المستقبل ، عند التفكير في تفاعل الجاذبية ، سنهمل كتلة الإلكترون مقارنةً بكتلة البروتون ، وكذلك الاختلاف في كتل البروتون والنيوترون والطاقة الرابطة للنيوكليونات في نواة الذرة. إذن ، فإن كتلة الذرة هي تقريبًا مجموع كتل النكليونات في النواة الذرية.

6.5. يكسب*. عدد نيوكليونات الأرض N E 3.6 10 51 يساوي حاصل ضرب عدد النكليونات في جرام واحد من المادة الأرضية ، أي رقم أفوجادرو N A 6 10 23 ، من كتلة الأرض بالجرام ≈ 6 10 27. لذلك ، فإن الرسم البياني في الشكل. 4 هو مجموع 3.6 · 10 51 من مخططات التين. 3 ، والتي تتميز بسماكة خطوط الأرض والجرافيتونات الافتراضية في الشكل. 4. بالإضافة إلى ذلك ، فإن "نبع الجرافيتون" ، على عكس ناقل الجرافيتون الواحد ، مصنوع في الشكل. 4 رمادي. يبدو أنه يحتوي على 3.6 · 10 51 جرافيتون.

6.6. تفاحة نيوتن في مجال جاذبية الأرض.على التين. في الشكل 5 ، تتفاعل جميع ذرات التفاحة ، التي لها إجمالي زخم 4 ص 1 ، مع جميع ذرات الأرض ، والتي لها إجمالي زخم 4 ص 2.

6.7 عدد الرسوم البيانية*. دعني أذكرك أن جرامًا واحدًا من المادة العادية يحتوي على N A = 6 · 10 23 نيوكليونات. عدد النكليونات في تفاحة 100 جرام هو N a = 100N A = 6 10 25. كتلة الأرض 6 10 27 جم ، وبالتالي فإن عدد نيوكليونات الأرض N E = 3.6 10 51. بالطبع ، سماكة الخطوط في الشكل. 5 لا يتوافق بأي حال من الأحوال مع العدد الهائل من نيوكليونات التفاح N a ، ونيوكليونات الأرض N E والعدد الأكبر والرائع لمخططات Feynman التخطيطية N d = N a N E = 2.2 · 10 77. بعد كل شيء ، تتفاعل كل نواة من التفاح مع كل نواة للأرض. للتأكيد على العدد الهائل من المخططات ، الربيع في الشكل. 5 جعل الظلام.

على الرغم من أن تفاعل الجرافيتون مع جسيم أولي واحد صغير جدًا ، إلا أن مجموع الرسوم البيانية لجميع نيوكليونات الأرض يخلق جاذبية كبيرة نشعر بها. تجذب الجاذبية الكونية القمر إلى الأرض ، كلاهما نحو الشمس ، وكل النجوم في مجرتنا ، وكل المجرات بعضها ببعض.

6.8 سعة Feynman وتحويل فورييه***.

مخطط Feynman لتفاعل الجاذبية بين جسمين بطيئين كتلتي m 1 و m 2 يتوافق مع سعة Feynman

أين جي- ثابت نيوتن ، أ ف- 3 زخم يحمله جرافيتونات افتراضية. (قيمة 1 / ف 2، أين ف- 4-الزخم ، يسمى نشر الجرافيتون. في حالة الأجسام البطيئة ، لا يتم نقل الطاقة عمليا ، وبالتالي q2 = −ف 2 .)

للانتقال من مساحة الزخم إلى مساحة التكوين (الإحداثيات) ، يجب على المرء أن يأخذ تحويل فورييه للسعة A ( ف)

القيمة أ ( ص) يعطي الطاقة الكامنة للتفاعل الثقالي للجسيمات غير النسبية ويحدد حركة الجسيم النسبي في مجال الجاذبية الثابت.

6.9 إمكانات نيوتن*. الطاقة الكامنة لجسمين كتلتهما م 1 وم 2 هي

أين جي- ثابت نيوتن ، أ ص- المسافة بين الجثث.

هذه الطاقة موجودة في "ربيع" الجرافيتونات الافتراضية في الشكل. 5. التفاعل الذي تتحلل محتمله عند 1 / ص، يسمى بعيد المدى. باستخدام تحويل فورييه ، يمكن للمرء أن يرى أن الجاذبية بعيدة المدى ، لأن الجرافيتون عديم الكتلة.

6.10. يوكاوا نوع محتمل محتمل**. في الواقع ، إذا كان للجرافيتون كتلة غير صفرية م، فإن سعة Feynman لتبادلها سيكون لها الشكل

وستتوافق مع إمكانات مثل إمكانات Yukawa بنصف قطر من العمل ص ≈ 1/م:

6.11. حول الطاقة الكامنة**. في ميكانيكا نيوتن غير النسبية ، تعتمد الطاقة الحركية للجسيم على سرعته (الزخم) ، بينما تعتمد الطاقة الكامنة فقط على إحداثياته ​​، أي على موقعه في الفضاء. في الميكانيكا النسبية ، لا يمكن الحفاظ على مثل هذا المطلب ، لأن تفاعل الجسيمات غالبًا ما يعتمد على سرعاتها (الزخم) ، وبالتالي على الطاقة الحركية. ومع ذلك ، بالنسبة لحقول الجاذبية العادية والضعيفة إلى حد ما ، فإن التغيير في الطاقة الحركية للجسيم يكون ضئيلًا مقارنةً بطاقته الإجمالية ، وبالتالي يمكن إهمال هذا التغيير. يمكن كتابة الطاقة الإجمالية لجسيم غير نسبي في مجال جاذبية ضعيف على النحو التالي ε = هقريب + ه 0 + يو.

6.12. عالمية الجاذبية.على عكس جميع التفاعلات الأخرى ، تتمتع الجاذبية بخاصية عالمية مميزة. لا يعتمد تفاعل الجرافيتون مع أي جسيم على خصائص هذا الجسيم ، ولكنه يعتمد فقط على كمية الطاقة التي يمتلكها الجسيم. إذا كان هذا الجسيم بطيئًا ، فعندئذٍ طاقة الراحة ه 0 = مك 2، الموجودة في كتلتها ، تتجاوز بكثير طاقتها الحركية. وبالتالي فإن تفاعل جاذبيته يتناسب مع كتلته. ولكن بالنسبة لجسيم سريع بما فيه الكفاية ، فإن طاقته الحركية أكبر بكثير من كتلته. في هذه الحالة ، لا يعتمد تفاعل الجاذبية عمليًا على الكتلة ويتناسب مع طاقتها الحركية.

6.13. تدور Graviton وعالمية الجاذبية**. بتعبير أدق ، لا يتناسب انبعاث الجرافيتون مع الطاقة البسيطة ، ولكن مع موتر زخم الطاقة للجسيم. وهذا بدوره يرجع إلى حقيقة أن دوران الجرافيتون يساوي اثنين. دع الزخم 4 للجسيم قبل انبعاث الجرافيتون يكون ص 1 ، وبعد الانبعاث ص 2. ثم يكون زخم الجرافيتون ف = ص 1 − ص 2. إذا قدمنا ​​الترميز ص = ص 1 + ص 2 ، ثم ستبدو قمة انبعاث الجرافيتون

حيث h αβ هي دالة موجة الجرافيتون.

6.14. تفاعل الجرافيتون مع الفوتون**. يتضح هذا بشكل خاص في مثال الفوتون ، الذي تساوي كتلته صفرًا. لقد ثبت تجريبياً أنه عندما يطير الفوتون من الطابق السفلي للمبنى إلى الطابق العلوي ، يتناقص زخمه تحت تأثير جاذبية الأرض. وقد ثبت أيضًا أن شعاع الضوء القادم من نجم بعيد ينحرف بفعل جاذبية الشمس.

6.15. تفاعل الفوتون مع الأرض**. على التين. يوضح الشكل 6 تبادل الجرافيتونات بين الأرض والفوتون. يمثل هذا الرقم بشكل مشروط مجموع أرقام تبادلات الجرافيتون للفوتون مع جميع نيوكليونات الأرض. على ذلك ، يتم الحصول على رأس الأرض من النوكليون واحد عن طريق الضرب في عدد النكليونات في الأرض N E مع الاستبدال المقابل للزخم 4 للنكليون بواسطة الزخم 4 للأرض (انظر الشكل 3).

6.16. تفاعل الجرافيتون مع الجرافيتون***. نظرًا لأن الجرافيتونات تحمل الطاقة ، فيجب عليها أن تنبعث منها وتمتص الجرافيتونات. لم نرَ جرافيتونات فردية حقيقية ولن نراها أبدًا. ومع ذلك ، فإن التفاعل بين الغرافيتونات الافتراضية يؤدي إلى التأثيرات المرصودة ، للوهلة الأولى ، مساهمة ثلاثة جرافيتونات افتراضية في تفاعل الجاذبية بين نيوكليونات صغيرة جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها (انظر الشكل 7).

6.17. بادرة عطارد العلمانية**. ومع ذلك ، تتجلى هذه المساهمة في مقدمة الحضيض في مدار عطارد. يتم وصف مقدمة عطارد العلمانية من خلال مجموع مخططات جرافيتون ذات الحلقة الواحدة لجذب عطارد للشمس (الشكل 8).

6.18. كسب عطارد**. نسبة كتل عطارد والأرض هي 0.055. إذن عدد النكليونات في عطارد NM = 0,055 إن إي= 2 10 50. كتلة الشمس آنسة= 2 10 33 جم إذن عدد النكليونات في الشمس N S = N A M S= 1.2 10 57. وعدد المخططات التي تصف تفاعل الجاذبية بين نيوكليونات عطارد والشمس ، NdM= 2.4 10107.

إذا كانت الطاقة الكامنة لجذب عطارد للشمس هي يو = GM S M M/ص، ثم بعد الأخذ في الاعتبار التصحيح الذي تمت مناقشته لتفاعل الجرافيتونات الافتراضية مع بعضها البعض ، يتم ضربه بالمعامل 1-3 GM S./ص. نرى أن تصحيح الطاقة الكامنة هو −3 G 2 M S 2 M M / r 2.

6.19. مدار عطارد**. نصف قطر مدار الزئبق أ= 58 10 6 كم. الفترة المدارية هي 88 يومًا أرضيًا. الانحراف المداري ه= 0.21. بسبب التصحيح قيد المناقشة ، في دورة واحدة ، يدور المحور شبه الرئيسي للمدار بزاوية 6 درجات GM S./أ(1 − ه 2) ، أي حوالي عُشر ثانية من القوس ، وتدور بمقدار 43 "" في 100 سنة أرضية.

6.20. تحول الحمل الجاذبية**. أي شخص درس الديناميكا الكهربية الكمومية سيرى على الفور هذا الرسم التخطيطي في الشكل. 7 يشبه الرسم التخطيطي الثلاثي الذي يصف تحول التردد (الطاقة) للمستوى 2 س 1/2 بالنسبة للمستوى 2 ص 1/2 في ذرة الهيدروجين (حيث يتكون المثلث من فوتون واحد وخطين إلكترونيين). تم قياس هذا التحول في عام 1947 بواسطة Lamb و Riserford ووجد أنه 1060 ميجا هرتز (1.06 جيجا هرتز).

بدأ هذا القياس تفاعلًا متسلسلًا من العمل النظري والتجريبي الذي أدى إلى إنشاء الديناميكا الكهربية الكمية ومخططات فاينمان. تواتر حركة الزئبق أقل بمقدار 25 مرة.

6.21. التأثير الكلاسيكي أم الكم؟**. من المعروف أن تحول الحمل لمستوى الطاقة هو تأثير كمي بحت ، في حين أن مقدمة الزئبق هي تأثير كلاسيكي بحت. كيف يمكن وصفها بمخططات فاينمان المماثلة؟

للإجابة على هذا السؤال ، علينا أن نتذكر العلاقة ه = ħω ويأخذ في الاعتبار أن فورييه يتحول أثناء الانتقال من الزخم إلى مساحة التكوين في الثانية. 6.8 يحتوي على ه أناريال قطري / ħ . بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه في مثلث Lamb للتحول الكهرومغناطيسي ، يوجد سطر واحد فقط من جسيم عديم الكتلة (الفوتون) ، والاثنان الآخران عبارة عن نواقل إلكترونية. لذلك ، يتم تحديد المسافات المميزة فيه بواسطة كتلة الإلكترون (الطول الموجي كومبتون للإلكترون). وفي مثلث حركة عطارد هناك نوعان من ناشري الجسيمات عديمة الكتلة (الجرافيتون). يؤدي هذا الظرف ، بسبب ذروة الجرافيتون الثلاثة ، إلى حقيقة أن مثلث الجاذبية يساهم في مسافات أكبر بما لا يقاس من مسافات الكهرومغناطيسية. توضح هذه المقارنة قوة نظرية المجال الكمومي في طريقة مخططات فاينمان ، والتي تجعل من السهل فهم وحساب مجموعة واسعة من الظواهر ، الكم والكلاسيكية.

7. التفاعل الكهرومغناطيسي

7.1 التفاعل الكهربائي.يتم تنفيذ التفاعل الكهربائي للجسيمات عن طريق تبادل الفوتونات الافتراضية ، كما في الشكل. 19.

الفوتونات ، مثل الجرافيتونات ، هي أيضًا جسيمات عديمة الكتلة. لذا فإن التفاعل الكهربائي بعيد المدى أيضًا:

لماذا ليست عالمية مثل الجاذبية؟

7.2 الشحنات الإيجابية والسلبية.أولاً ، لأن هناك شحنات كهربائية من علامتين. وثانيًا ، لأن هناك جسيمات محايدة ليس لها شحنة كهربائية على الإطلاق (نيوترون ، نيوترينو ، فوتون ...). تنجذب الجسيمات ذات الشحنات ذات العلامات المعاكسة ، مثل الإلكترون والبروتون ، إلى بعضها البعض. الجسيمات التي تحمل نفس الشحنة تتنافر. ونتيجة لذلك ، فإن الذرات والأجسام المكونة منها تكون في الأساس محايدة كهربائياً.

7.3. الجسيمات المحايدة.يحتوي النيوترون ش-كوارك مع شحنة +2 ه/ 3 و اثنان د-كوارك مع المسؤول - ه/ 3. إذن ، الشحنة الكلية للنيوترون تساوي صفرًا. (تذكر أن البروتون يحتوي على اثنين ش-كوارك واحد د-كوارك.) الجسيمات الأولية التي ليس لها شحنة كهربائية هي الفوتون ، الجرافيتون ، النيوترينو ، ض-بوزون وهيجز بوزون.

7.4. إمكانات كولوم.الطاقة الكامنة لجذب إلكترون وبروتون تقع على مسافة صمن بعضها البعض

7.5 التفاعل المغناطيسي.التفاعل المغناطيسي ليس بعيد المدى مثل التفاعل الكهربائي. يسقط مثل 1 / ص 3. لا يعتمد فقط على المسافة بين المغناطيسين ، ولكن أيضًا على توجههما المتبادل. ومن الأمثلة المعروفة تفاعل إبرة البوصلة مع مجال ثنائي القطب المغناطيسي للأرض. الطاقة الكامنة للتفاعل بين ثنائيات أقطاب مغناطيسية μ 1 و μ 2 يساوي

أين ن = ص/ص.

7.6. التفاعل الكهرومغناطيسي.كان أعظم إنجاز في القرن التاسع عشر هو اكتشاف القوى الكهربائية والمغناطيسية شكلان مختلفان لنفس القوة الكهرومغناطيسية. في عام 1821 ، درس إم فاراداي (1791-1867) تفاعل المغناطيس والموصل مع التيار. بعد عقد من الزمن ، وضع قوانين الحث الكهرومغناطيسي في تفاعل موصلين. في السنوات اللاحقة ، قدم مفهوم المجال الكهرومغناطيسي وعبر عن فكرة الطبيعة الكهرومغناطيسية للضوء. في سبعينيات القرن التاسع عشر ، أدرك ج. ماكسويل (1831-1879) أن التفاعل الكهرومغناطيسي مسؤول عن فئة واسعة من الظواهر الضوئية: انبعاث وتحويل وامتصاص الضوء ، وكتب معادلات تصف المجال الكهرومغناطيسي. سرعان ما اكتشف جي هيرتز (1857-1894) موجات الراديو ، واكتشف ف. رونتجن (1845-1923) الأشعة السينية. تقوم حضارتنا بأكملها على مظاهر التفاعلات الكهرومغناطيسية.

7.7 توحيد نظرية النسبية وميكانيكا الكم.كانت أهم مرحلة في تطور الفيزياء هي عام 1928 ، عندما ظهر مقال بقلم بي. ديراك (1902-1984) ، اقترح فيه معادلة كمومية ونسبية للإلكترون. احتوت هذه المعادلة على العزم المغناطيسي للإلكترون وأشارت إلى وجود جسيم مضاد للإلكترون - البوزيترون ، اكتشف بعد بضع سنوات. بعد ذلك اندمجت ميكانيكا الكم ونظرية النسبية في نظرية المجال الكمومي.

أصبحت حقيقة أن التفاعلات الكهرومغناطيسية ناتجة عن انبعاث وامتصاص الفوتونات الافتراضية واضحة تمامًا فقط في منتصف القرن العشرين مع ظهور مخططات فاينمان ، أي بعد تشكيل مفهوم الجسيم الافتراضي بوضوح.

8. ضعف التفاعل

8.1 التفاعلات النووية.في بداية القرن العشرين ، تم اكتشاف الذرة ونواتها و α -, β - و γ الأشعة المنبعثة من النوى المشعة. كما اتضح، γ الأشعة هي فوتونات عالية الطاقة. β الأشعة هي إلكترونات عالية الطاقة α الأشعة هي نوى الهيليوم. أدى ذلك إلى اكتشاف نوعين جديدين من التفاعلات - قوي وضعيف. على عكس تفاعلات الجاذبية والكهرومغناطيسية ، تكون التفاعلات القوية والضعيفة قصيرة المدى.

في وقت لاحق وجد أنهم مسؤولون عن تحويل الهيدروجين إلى هيليوم في شمسنا ونجوم أخرى.

8.2 التيارات المشحونة*. القوة الضعيفة مسؤولة عن تحول النيوترون إلى بروتون بانبعاث إلكترون وإلكترون مضاد نيوترينو. تعتمد فئة كبيرة من عمليات التفاعل الضعيف على تحويل كواركات من نوع إلى كواركات من نوع آخر مع انبعاث (أو امتصاص) للكواركات الافتراضية دبليو-البوزونات: ش, ج, ر ↔ د, س, ب. وبالمثل بالنسبة للانبعاث والامتصاص دبليوالبوزونات ، هناك انتقالات بين اللبتونات المشحونة والنيوترينوات المقابلة:

ه ↔ ν ه ، μ ↔ ν μ , τ ↔ ν τ. انتقالات من النوع دو ↔ دبليوو e e ↔ دبليو. في كل هذه التحولات التي تنطوي على دبليوتتضمن البوزونات ما يسمى بالتيارات المشحونة ، والتي تغير شحنة اللبتونات والكواركات بواحد. إن التفاعل الضعيف للتيارات المشحونة قصير المدى ، وهو موصوف بواسطة إمكانات يوكاوا e -mWr / ص، بحيث يكون نصف قطرها الفعال هو ص ≈ 1/م دبليو.

8.3 التيارات المحايدة*. في السبعينيات ، تم اكتشاف عمليات التفاعل الضعيف بين النيوترينوات والإلكترونات والنيوكليونات ، بسبب ما يسمى بالتيارات المحايدة. في الثمانينيات ، ثبت تجريبيًا أن تفاعلات التيارات المشحونة تحدث من خلال التبادل دبليو- البوزونات وتفاعل التيارات المحايدة - عن طريق التبادل ض-البوزونات.

8.4 انتهاك ص- و CP- التكافؤ*. في النصف الثاني من الخمسينيات من القرن الماضي ، تم اكتشاف انتهاك التكافؤ صوتكافؤ الشحن جفي تفاعلات ضعيفة. في عام 1964 ، تم اكتشاف اضمحلال ضعيف ينتهك الحفظ CP- التماثل. في الوقت الحاضر آلية الانتهاك CP- تدرس التماثلات في اضمحلال الميزونات المحتوية على ب-جسيمات دون الذرية.

8.5 تذبذبات النيوترينو*. على مدى العقدين الماضيين ، انصب اهتمام علماء الفيزياء على القياسات التي أجريت في كاشفات الكيلوتون تحت الأرض في كاميوكا (اليابان) وسودبري (كندا). أظهرت هذه القياسات أن بين ثلاثة أنواع من النيوترينوات ν ه ، ν μ ، ν τتحدث التحولات المتبادلة (التذبذبات) في الفراغ. يتم توضيح طبيعة هذه التذبذبات.

8.6 التفاعل الكهروضعيف.في الستينيات ، تمت صياغة نظرية مفادها أن التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة هي مظاهر مختلفة لتفاعل كهربائي ضعيف واحد. إذا كان هناك تناظر صارم للكهرباء ضعيف ، فعندئذ الجماهير دبليو- و ض- البوزونات تساوي صفرًا مثل كتلة الفوتون.

8.7 انتهاك التناظر الكهروضعيف.ضمن النموذج القياسي ، يكسر بوزون هيغز التناظر الكهروضعيف ، وبالتالي يفسر سبب كون الفوتون عديم الكتلة والبوزونات الضعيفة ضخمة. كما أنه يعطي كتلًا للبتونات والكواركات ونفسها.

8.8 ما تحتاج لمعرفته حول هيغز.تتمثل إحدى المهام الرئيسية لمصادم الهادرونات الكبير في اكتشاف بوزون هيغز (والذي يُطلق عليه ببساطة اسم هيغز ويُشار إليه حأو ح) وإنشاء ممتلكاتها لاحقًا. بادئ ذي بدء ، قياس تفاعلاتها مع دبليو- و ضالبوزونات مع الفوتونات وتفاعلاتها الذاتية ، أي دراسة الرؤوس التي تحتوي على ثلاثة وأربعة هيجز: h 3 و h 4 ، وتفاعلاتها مع اللبتونات والكواركات ، خاصة مع كوارك القمة. ضمن النموذج القياسي ، هناك تنبؤات واضحة لجميع هذه التفاعلات. إن التحقق التجريبي لديهم ذو أهمية كبيرة من وجهة نظر البحث عن "فيزياء جديدة" تتجاوز النموذج القياسي.

8.9 ماذا لو لم يكن هناك هيغز؟إذا اتضح أن Higgs غير موجود في الفاصل الكتلي لترتيب عدة مئات من GeV ، فإن هذا يعني أنه عند الطاقات فوق TeV توجد منطقة جديدة غير مستكشفة تمامًا حيث التفاعلات دبليو- و ض- تصبح البوزونات قوية غير مضطربة ، أي لا يمكن وصفها بنظرية الاضطراب. البحث في هذا المجال سيجلب العديد من المفاجآت.

8.10. مصادمات ليبتون في المستقبل.لتنفيذ هذا البرنامج البحثي بأكمله ، بالإضافة إلى LHC ، قد يكون من الضروري بناء مصادم ليبتون:

المصادم الخطي الدولي (ILC) بطاقة تصادم تبلغ 0.5 تيرا إلكترون فولت ،

أو CLIC (مصادم خطي مدمج) بطاقة تصادم تبلغ 1 تيرا إلكترون فولت ،

أو MC (Muon Collider) بطاقة تصادم تبلغ 3 إلكترون فولت.

8.11. المصادمات الخطية بين الإلكترون والبوزيترون. ILC - المصادم الخطي الدولي ، حيث تصطدم الإلكترونات بالبوزيترونات ، وكذلك الفوتونات بالفوتونات. لا يمكن اتخاذ قرار بنائه إلا بعد أن يتضح ما إذا كان هيجز موجودًا وما هي كتلته. يقع أحد مواقع بناء ILC المقترحة بالقرب من Dubna. CLIC - الإلكترون الخطي المضغوط والمصادم البوزيتروني. يتم تطوير المشروع في CERN.

8.12. مصادم Muon.إم إس - تم تصميم مصادم Muon لأول مرة بواسطة G. I. Budker (1918-1977). في عام 1999 ، عُقد المؤتمر الدولي الخامس "الإمكانات الفيزيائية وتطوير مصادمات الميون ومصانع النيوترينو" في سان فرانسيسكو. في الوقت الحاضر ، يتم تطوير مشروع MS في مختبر فيرمي الوطني ويمكن تنفيذه في غضون 20 عامًا.

9. تفاعل قوي

9.1 الغلوونات والكواركات.تحافظ القوة الشديدة على النوكليونات (البروتونات والنيوترونات) داخل النواة. يعتمد على تفاعل الغلوونات مع الكواركات وتفاعل الغلوونات مع الغلوونات. إن الفعل الذاتي للغلوونات هو الذي يؤدي إلى حقيقة أنه على الرغم من حقيقة أن كتلة الغلوون تساوي صفرًا ، تمامًا كما أن كتل الفوتون والجرافيتون تساوي صفرًا ، فإن تبادل الغلوونات لا يؤدي إلى استمرار الغلوون. نطاق التفاعل ، على غرار الفوتون والجرافيتون. علاوة على ذلك ، فإنه يؤدي إلى غياب الغلوونات والكواركات الحرة. هذا يرجع إلى حقيقة أن مجموع التبادلات أحادية الغلوون يتم استبدالها بأنبوب أو خيط جلوون. يتشابه تفاعل النكليونات في النواة مع قوى فان دير فال بين الذرات المحايدة.

9.2. الحبس والحرية المقاربة.تسمى ظاهرة حبس الغلوونات والكواركات من الهادرونات بالحبس. الجانب الآخر للديناميكيات المؤدية إلى الحبس هو أنه على مسافات صغيرة جدًا في العمق داخل الهادرونات ، ينخفض ​​التفاعل بين الغلوونات والكواركات تدريجيًا. يبدو أن الكواركات أصبحت حرة على مسافات صغيرة. تسمى هذه الظاهرة بمصطلح الحرية المقاربة.

9.3 ألوان كوارك.إن ظاهرة الحبس هي نتيجة حقيقة أن كل من الكواركات الستة موجود ، كما كان ، في شكل ثلاثة أنواع "ملونة". عادة ما تكون الكواركات "ملونة" باللون الأصفر والأزرق والأحمر. تم طلاء Antiquarks بألوان إضافية: أرجواني ، برتقالي ، أخضر. تشير كل هذه الألوان إلى الشحنات المميزة للكواركات - "نظائرها متعددة الأبعاد" للشحنة الكهربائية المسؤولة عن التفاعلات القوية. بالطبع ، لا توجد علاقة ، باستثناء المجاز ، بين ألوان الكواركات والألوان البصرية العادية.

9.4 ألوان Gluon.إن عائلة الغلوونات الملونة أكثر عددًا: هناك ثمانية منهم ، اثنتان منها متطابقة مع الجسيمات المضادة ، والستة المتبقية ليست كذلك. يتم وصف تفاعلات الشحنات اللونية بواسطة الديناميكا اللونية الكمومية وتحديد خصائص البروتون والنيوترون وجميع النوى الذرية وخصائص جميع الهادرونات. تؤدي حقيقة أن الغلوونات تحمل شحنات لونية إلى ظاهرة حبس الغلوون-كوارك ، مما يعني أن الغلوونات الملونة والكواركات لا يمكنها الهروب من الهادرونات. القوى النووية بين الهادرونات عديمة اللون (الأبيض) هي أصداء خافتة لتفاعلات الألوان القوية داخل الهادرونات. هذا مشابه لصغر الروابط الجزيئية مقارنة بالروابط داخل الذرة.

9.5 جماهير الهادرونات.ترجع كتل الهادرونات بشكل عام والنيوكليونات بشكل خاص إلى عمل الغلوون الذاتي. وبالتالي ، فإن كتلة كل المادة المرئية ، والتي تشكل 4-5٪ من طاقة الكون ، ترجع تحديدًا إلى الفعل الذاتي للغلوونات.

10. النموذج القياسي وما بعده

10.1. 18 جسيمًا من النموذج القياسي.تنقسم جميع الجسيمات الأساسية المعروفة بشكل طبيعي إلى ثلاث مجموعات:

6 لبتونات(تدور 1/2):
3 نيوترينوات: ν ه ، ν μ , ν τ ;
3 لبتونات مشحونة: ه, μ , τ ;
6 كواركات(تدور 1/2):
ش,ج, ر,
د, س, ب;
6 بوزونات:
g̃ - جرافيتون (تدور 2) ،
γ , دبليو, ض, ز- الغلوونات (الدوران 1) ،
ح- هيغز (تدور 0).

10.2. ما وراء النموذج القياسي. 96٪ من طاقة الكون خارج النموذج القياسي وينتظر اكتشافها ودراستها. هناك العديد من الافتراضات الأساسية حول الشكل الذي قد تبدو عليه الفيزياء الجديدة (انظر الأقسام 10.3-10.6 أدناه).

10.3. اتحاد عظيم.تم تخصيص عدد كبير من الأعمال ، معظمها نظري ، لتوحيد التفاعلات القوية والكهربائية الضعيفة. يفترض معظمهم أنه يحدث عند طاقات تصل إلى 10 16 جيجا إلكترون فولت. مثل هذا الاتحاد يجب أن يؤدي إلى اضمحلال البروتون.

10.4. الجسيمات فائقة التناظر.وفقًا لفكرة التناظر الفائق ، التي نشأت لأول مرة في شبكة المعلومات والعمل بشأن أولوية الغذاء ، فإن كل جسيم "خاص بنا" له شريك فائق يختلف دورانه بمقدار 1/2: 6 مربعات و 6 سليبتونات مع دوران 0 ، وهيجسينو ، وفوتينو ، ونبيذ وزينو مع الدوران 1 / 2 ، تدور شركة gravitino 3/2. يجب أن تكون كتل هؤلاء الشركاء الفائقين أكبر بكثير من كتل جسيماتنا. وإلا لكانوا قد فتحوا منذ فترة طويلة. يمكن اكتشاف بعض الشركاء الفائقين عند تشغيل مصادم الهادرونات الكبير.

10.5. الاوتار.تم تطوير فرضية التناظر الفائق من خلال فرضية وجود الأوتار الفائقة التي تعيش على مسافات صغيرة جدًا تتراوح بين 10 و 33 سم والطاقات المقابلة لها 10 19 جيجا إلكترون فولت. يأمل العديد من علماء الفيزياء النظرية أنه على أساس الأفكار حول الأوتار الفائقة سيكون من الممكن بناء نظرية موحدة لجميع التفاعلات التي لا تحتوي على معلمات مجانية.

10.6. جزيئات المرآة.وفقًا لفكرة مادة المرآة ، التي ولدت لأول مرة في ITEP ، فإن كل جسيم من جسيماتنا لديه توأم مرآة ، وهناك عالم مرآة مرتبط بشكل فضفاض للغاية بعالمنا.

10.7. المادة المظلمة.فقط 4-5٪ من كل الطاقة في الكون توجد ككتلة من المادة العادية. يوجد حوالي 20٪ من طاقة الكون في ما يسمى بالمادة المظلمة ، والتي يعتقد أنها تتكون من جسيمات فائقة ، أو جسيمات مرآة ، أو بعض الجسيمات الأخرى غير المعروفة. إذا كانت جسيمات المادة المظلمة أثقل بكثير من الجسيمات العادية ، وإذا اصطدمت مع بعضها البعض في الفضاء ، فإنها تبيد إلى فوتونات عادية ، فيمكن تسجيل هذه الفوتونات عالية الطاقة بواسطة أجهزة كشف خاصة في الفضاء وعلى الأرض. يعد توضيح طبيعة المادة المظلمة أحد المهام الرئيسية للفيزياء.

10.8. الطاقة المظلمة.لكن الغالبية العظمى من طاقة الكون (حوالي 75٪) ترجع إلى ما يسمى بالطاقة المظلمة. يتم "سكبه" من خلال الفراغ ويدفع عناقيد المجرات بعيدًا. طبيعتها ليست واضحة بعد.

11. الجسيمات الأولية في روسيا والعالم

11.1. مرسوم صادر عن رئيس الاتحاد الروسي.في 30 سبتمبر 2009 ، صدر مرسوم رئيس الاتحاد الروسي "بشأن التدابير الإضافية لتنفيذ المشروع التجريبي لإنشاء المركز القومي للبحوث" معهد كورتشاتوف ". ينص المرسوم على مشاركة المنظمات التالية في المشروع: معهد سانت بطرسبرغ للفيزياء النووية ، ومعهد فيزياء الطاقة العالية ومعهد الفيزياء النظرية والتجريبية. وينص المرسوم أيضًا على "إدراج المؤسسة المحددة ، باعتبارها المؤسسة العلمية الأكثر أهمية ، في الهيكل الإداري لنفقات الميزانية الفيدرالية بصفتها المدير الرئيسي لأموال الميزانية". يمكن أن يساهم هذا المرسوم في عودة فيزياء الجسيمات الأولية إلى عدد المجالات ذات الأولوية لتطوير العلوم في بلدنا.

11.2. جلسات الاستماع في الكونغرس الأمريكي 1.في 1 أكتوبر 2009 ، عُقدت جلسات استماع في اللجنة الفرعية للطاقة والبيئة التابعة للجنة العلوم والتكنولوجيا بمجلس النواب الأمريكي حول موضوع "البحث في طبيعة المادة والطاقة والفضاء والوقت". وتبلغ مخصصات وزارة الطاقة لعام 2009 لهذا البرنامج 795.7 مليون دولار. حددت ليزا راندال ، الأستاذة بجامعة هارفارد ، وجهات النظر حول المادة والطاقة وأصل الكون من حيث نظرية الأوتار المستقبلية. تحدث مدير مختبر فيرمي الوطني (باتافيا) بيير أودون عن حالة فيزياء الجسيمات في الولايات المتحدة ، وعلى وجه الخصوص ، عن الانتهاء المرتقب من Tevatron وبدء العمل المشترك بين FNAL ومختبر DUSEL تحت الأرض لدراسة خصائص النيوترينوات والعمليات النادرة. وشدد على أهمية مشاركة الفيزيائيين الأمريكيين في مشاريع فيزياء الطاقة العالية في أوروبا (LHC) واليابان (JPARC) والصين (PERC) ومشروع الفضاء الدولي (GLAST ، الذي سمي مؤخرًا باسم Fermi).

11.3. جلسات الاستماع في الكونغرس الأمريكي 2.تحدث مدير مختبر جيفرسون الوطني هيو مونتغمري عن مساهمة هذا المختبر في الفيزياء النووية وتقنيات التسريع والبرامج التعليمية. تحدث دينيس كوفار ، مدير قسم فيزياء الطاقة العالية في وزارة الطاقة ، عن المجالات الثلاثة الرئيسية لفيزياء الطاقة العالية:

1) دراسات المسرع بأقصى طاقات ،

2) دراسات المسرع بأقصى شدة ،

3) استكشاف الفضاء الأرضي والأقمار الصناعية من أجل توضيح طبيعة المادة المظلمة والطاقة المظلمة ،

وثلاثة اتجاهات رئيسية في الفيزياء النووية:

1) دراسة التفاعلات القوية للكواركات والغلونات ،

2) دراسة كيفية تشكل النوى الذرية من البروتونات والنيوترونات ،

3) دراسة التفاعلات الضعيفة التي تشتمل على النيوترينوات.

12. حول العلوم الأساسية

12.1. ما هو العلم الأساسي.يتضح من النص أعلاه أنني ، مثل معظم العلماء ، أسمي ذلك الجزء من العلم الذي يؤسس لأهم قوانين الطبيعة كعلم أساسي. تكمن هذه القوانين في أساس هرم العلم أو طوابقه الفردية. إنهم يحددون التطور طويل الأمد للحضارة. ومع ذلك ، هناك أشخاص يسمون العلوم الأساسية تلك الأقسام العلمية التي لها أكبر تأثير مباشر على الإنجازات اللحظية في تطور الحضارة. يبدو لي شخصيًا أن هذه الأقسام والتوجيهات تسمى بشكل أفضل بالعلوم التطبيقية.

12.2. الجذور والفواكه.إذا كان من الممكن مقارنة العلوم الأساسية بجذور الشجرة ، فيمكن مقارنة العلوم التطبيقية بثمارها. الاختراقات التكنولوجية الكبرى مثل الهواتف المحمولة أو اتصالات الألياف البصرية هي ثمار العلم.

12.3. A. I. Herzen على العلم.في عام 1845 ، نشر ألكسندر إيفانوفيتش هيرزن (1812-1870) في مجلة Otechestvennye Zapiski الرسائل الرائعة حول دراسة الطبيعة. في نهاية الرسالة الأولى ، كتب: "يبدو العلم صعبًا ، ليس لأنه صعب حقًا ، ولكن لأنه بخلاف ذلك لن تصل إلى بساطته ، مثل اختراق ظلام تلك المفاهيم الجاهزة التي تمنعك من الرؤية مباشرة. فليعلم أولئك الذين يتقدمون إلى الأمام أن ترسانة الأدوات الصدئة التي لا قيمة لها التي ورثناها من المدرسة لا قيمة لها ، وأنه من الضروري التضحية بالآراء المصاغة خارج العلم ، وذلك دون التخلي عن كل شيء. نصف الأكاذيب، والتي ، من أجل الوضوح ، يلبسون أنصاف الحقائقلا يمكن للمرء أن يدخل في العلم ، لا يمكن للمرء أن يصل إلى الحقيقة كاملة.

12.4. على الحد من البرامج المدرسية.قد تتضمن برامج الفيزياء الحديثة في المدرسة إتقانًا نشطًا لعناصر نظرية الجسيمات الأولية ، ونظرية النسبية وميكانيكا الكم ، إذا قللنا تلك الأقسام فيها ذات الطبيعة الوصفية بشكل أساسي وزيادة "سعة الاطلاع" لدى الطفل ، وعدم فهم العالم من حولك والقدرة على العيش والإبداع.

12.5. خاتمة.سيكون من المناسب لهيئة رئاسة الأكاديمية الروسية للعلوم أن تلاحظ أهمية التعريف المبكر للشباب بنظرة عالمية قائمة على إنجازات نظرية النسبية وميكانيكا الكم ، وتوجيه لجان رئاسة الأكاديمية الروسية العلوم في الكتب المدرسية (الرئيس - نائب الرئيس V.V. Kozlov) والتعليم (الرئيس - نائب الرئيس - الرئيس V.A.Sadovnichiy) لإعداد مقترحات لتحسين تدريس الفيزياء الأساسية الحديثة في المدارس الثانوية والعالية.

هيلين تشيرسكي

عالم فيزياء ، عالم محيطات ، مقدم برامج علمية شهيرة على البي بي سي.

عندما يتعلق الأمر بالفيزياء ، فإننا نقدم بعض الصيغ ، شيئًا غريبًا وغير مفهوم ، وغير ضروري لشخص عادي. ربما سمعنا شيئًا عن ميكانيكا الكم وعلم الكونيات. ولكن بين هذين القطبين يوجد بالضبط كل ما يشكل حياتنا اليومية: الكواكب والسندويشات والسحب والبراكين والفقاعات والآلات الموسيقية. وجميعهم محكومون بعدد صغير نسبيًا من القوانين الفيزيائية.

يمكننا باستمرار مراقبة هذه القوانين في العمل. خذ ، على سبيل المثال ، بيضتين - نيئة ومسلوقة - وقم بتدويرها ، ثم توقف. ستبقى البيضة المسلوقة بلا حراك ، وستبدأ البيضة النيئة بالدوران مرة أخرى. هذا لأنك أوقفت القشرة فقط ، والسائل الموجود بداخلها يستمر في الدوران.

هذا دليل واضح على قانون الحفاظ على الزخم الزاوي. بشكل مبسط ، يمكن صياغته على النحو التالي: البدء بالدوران حول محور ثابت ، سيستمر النظام في الدوران حتى يوقفه شيء ما. هذا هو أحد القوانين الأساسية للكون.

إنه مفيد ليس فقط عندما تحتاج إلى تمييز بيضة مسلوقة من بيضة نيئة. يمكن استخدامه أيضًا لشرح كيف يوجه تلسكوب هابل الفضائي العدسة إلى جزء معين من السماء ، كونه بدون أي دعم في الفضاء. إنه يحتوي فقط على جيروسكوبات دوارة بالداخل ، والتي تتصرف بشكل أساسي مثل البيضة النيئة. يدور التلسكوب نفسه حولهما وبالتالي يغير موقعه. اتضح أن القانون ، الذي يمكننا اختباره في مطبخنا ، يشرح أيضًا جهاز أحد أكثر التقنيات تميزًا للبشرية.

بمعرفة القوانين الأساسية التي تحكم حياتنا اليومية ، نتوقف عن الشعور بالعجز.

لفهم كيف يعمل العالم من حولنا ، يجب علينا أولاً أن نفهم أساسياته -. علينا أن نفهم أن الفيزياء ليست مجرد علماء غريبين في المختبرات أو صيغ معقدة. إنه أمامنا مباشرة ، ومتاح للجميع.

من أين تبدأ ، قد تعتقد. بالتأكيد لاحظت شيئًا غريبًا أو غير مفهوم ، لكن بدلاً من التفكير فيه ، أخبرت نفسك أنك بالغ وليس لديك وقت لذلك. ينصح تشيرسكي بعدم صرف النظر عن مثل هذه الأشياء ، بل أن تبدأ بها.

إذا كنت لا تريد انتظار حدوث شيء مثير للاهتمام ، ضع الزبيب في الصودا وانظر ما سيحدث. مشاهدة القهوة المسكوبة تجف. اضغط على الملعقة على حافة الكوب واستمع للصوت. أخيرًا ، حاول إسقاط الساندويتش حتى لا يسقط جانب الزبدة.

من الطبيعي والصحيح الاهتمام بالعالم المحيط وبقوانين عمله وتطوره. هذا هو السبب في أنه من المعقول الانتباه إلى العلوم الطبيعية ، على سبيل المثال ، الفيزياء ، والتي تشرح جوهر تكوين الكون وتطوره. من السهل فهم القوانين الفيزيائية الأساسية. في سن مبكرة جدًا ، تقوم المدرسة بتعريف الأطفال على هذه المبادئ.

بالنسبة للكثيرين ، يبدأ هذا العلم بالكتاب المدرسي "الفيزياء (الصف السابع)". يتم الكشف عن المفاهيم الأساسية والديناميكا الحرارية لأطفال المدارس ، ويتعرفون على جوهر القوانين الفيزيائية الرئيسية. ولكن هل يجب أن تقتصر المعرفة على مقاعد المدرسة؟ ما هي القوانين الفيزيائية التي يجب أن يعرفها كل شخص؟ سيتم مناقشة هذا لاحقًا في المقالة.

فيزياء العلوم

العديد من الفروق الدقيقة في العلوم الموصوفة مألوفة للجميع منذ الطفولة المبكرة. وهذا يرجع إلى حقيقة أن الفيزياء ، في جوهرها ، هي أحد مجالات العلوم الطبيعية. إنه يخبرنا عن قوانين الطبيعة ، التي يؤثر عملها على حياة الجميع ، بل ويزودها من نواح كثيرة ، بخصائص المادة وهيكلها وأنماط حركتها.

تم تسجيل مصطلح "الفيزياء" لأول مرة من قبل أرسطو في القرن الرابع قبل الميلاد. في البداية ، كان مرادفًا لمفهوم "الفلسفة". بعد كل شيء ، كان لكلا العلمين هدف مشترك - لشرح جميع آليات عمل الكون بشكل صحيح. لكن بالفعل في القرن السادس عشر ، نتيجة للثورة العلمية ، أصبحت الفيزياء مستقلة.

القانون العام

يتم تطبيق بعض القوانين الأساسية للفيزياء في مختلف فروع العلوم. بالإضافة إلى ذلك ، هناك تلك التي تعتبر مشتركة بين كل الطبيعة. هذا هو حول

إنه يعني ضمناً أن طاقة كل نظام مغلق ، عند حدوث أي ظواهر فيه ، يتم الحفاظ عليها بالضرورة. ومع ذلك ، فهي قادرة على التحول إلى شكل آخر وتغيير محتواها الكمي بشكل فعال في أجزاء مختلفة من النظام المحدد. في نفس الوقت ، في النظام المفتوح ، تقل الطاقة ، بشرط أن تزداد طاقة أي أجسام ومجالات تتفاعل معها.

بالإضافة إلى المبدأ العام أعلاه ، تحتوي الفيزياء على المفاهيم الأساسية والصيغ والقوانين اللازمة لتفسير العمليات التي تحدث في العالم المحيط. يمكن أن يكون استكشافهم أمرًا مثيرًا بشكل لا يصدق. لذلك ، في هذه المقالة سيتم النظر بإيجاز في القوانين الأساسية للفيزياء ، ولفهمها بشكل أعمق ، من المهم الانتباه إليها بشكل كامل.

علم الميكانيكا

تم الكشف عن العديد من القوانين الأساسية للفيزياء للعلماء الشباب في الصفوف 7-9 من المدرسة ، حيث تتم دراسة فرع من العلوم مثل الميكانيكا بشكل كامل. يتم وصف مبادئها الأساسية أدناه.

1. قانون جاليليو للنسبية (ويسمى أيضًا القانون الميكانيكي للنسبية ، أو أساس الميكانيكا الكلاسيكية). يكمن جوهر المبدأ في حقيقة أنه في ظل ظروف مماثلة ، تكون العمليات الميكانيكية في أي إطارات مرجعية بالقصور الذاتي متطابقة تمامًا.
2. قانون هوك. جوهرها هو أنه كلما زاد التأثير على جسم مرن (زنبرك ، قضيب ، ناتئ ، شعاع) من الجانب ، زاد تشوهه.

قوانين نيوتن (تمثل أساس الميكانيكا الكلاسيكية):

1. يقول مبدأ القصور الذاتي أن أي جسم قادر على أن يكون في حالة راحة أو يتحرك بشكل موحد ومستقيم فقط إذا لم يكن هناك أجسام أخرى تؤثر عليه بأي شكل من الأشكال ، أو إذا كانت تعوض بطريقة ما عن عمل الآخر. لتغيير سرعة الحركة ، من الضروري العمل على الجسم ببعض القوة ، وبالطبع ستختلف أيضًا نتيجة تأثير نفس القوة على الأجسام ذات الأحجام المختلفة.
2. ينص النمط الرئيسي للديناميكيات على أنه كلما زادت نتيجة القوى التي تعمل حاليًا على جسم معين ، زادت التسارع الذي يتلقاها. وبالتالي ، كلما زاد وزن الجسم ، انخفض هذا المؤشر.
3. ينص قانون نيوتن الثالث على أن أي جسمين يتفاعلان دائمًا مع بعضهما البعض في نمط مماثل: قوتهما لها نفس الطبيعة ، ومتكافئة في الحجم ، ولها بالضرورة الاتجاه المعاكس على طول الخط المستقيم الذي يربط بين هذه الأجسام.
4. ينص مبدأ النسبية على أن جميع الظواهر التي تحدث في ظل نفس الظروف في الأطر المرجعية بالقصور الذاتي تسير بطريقة متطابقة تمامًا.

الديناميكا الحرارية

الكتاب المدرسي ، الذي يكشف للطلاب القوانين الأساسية ("الفيزياء. الصف السابع") ، يعرّفهم على أساسيات الديناميكا الحرارية. سنراجع بإيجاز مبادئها أدناه.

قوانين الديناميكا الحرارية ، الأساسية في هذا الفرع من العلم ، ذات طبيعة عامة ولا تتعلق بتفاصيل بنية مادة معينة على المستوى الذري. بالمناسبة ، هذه المبادئ مهمة ليس فقط للفيزياء ، ولكن أيضًا للكيمياء ، وعلم الأحياء ، وهندسة الفضاء ، وما إلى ذلك.

على سبيل المثال ، في الصناعة المسماة ، توجد قاعدة لا يمكن تحديدها منطقيًا أنه في نظام مغلق ، الظروف الخارجية التي لم تتغير ، يتم إنشاء حالة التوازن بمرور الوقت. والعمليات التي تستمر فيه تعوض بعضها البعض دائمًا.

تؤكد قاعدة أخرى للديناميكا الحرارية رغبة النظام ، الذي يتكون من عدد هائل من الجسيمات التي تتميز بالحركة الفوضوية ، إلى الانتقال المستقل من الحالات الأقل احتمالية للنظام إلى الحالات الأكثر احتمالية.

وينص قانون Gay-Lussac (الذي يطلق عليه أيضًا على أنه بالنسبة لغاز من كتلة معينة في ظل ظروف ضغط مستقر ، فإن نتيجة قسمة حجمه على درجة الحرارة المطلقة ستصبح بالتأكيد قيمة ثابتة.

قاعدة أخرى مهمة لهذه الصناعة هي القانون الأول للديناميكا الحرارية ، والذي يسمى أيضًا مبدأ الحفاظ على الطاقة وتحويلها لنظام ديناميكي حراري. ووفقًا له ، فإن أي كمية من الحرارة التي تم توصيلها إلى النظام سيتم إنفاقها حصريًا على تحول طاقته الداخلية وأداء العمل من قبله فيما يتعلق بأي قوى خارجية فاعلة. أصبح هذا الانتظام هو الأساس لتشكيل مخطط لتشغيل المحركات الحرارية.

نظام آخر للغاز هو قانون تشارلز. تنص على أنه كلما زاد ضغط كتلة معينة من غاز مثالي ، مع الحفاظ على حجم ثابت ، زادت درجة حرارته.

كهرباء

يفتح للعلماء الشباب قوانين أساسية مثيرة للاهتمام لمدرسة الفيزياء للصف العاشر. في هذا الوقت ، تتم دراسة المبادئ الرئيسية للطبيعة وقوانين عمل التيار الكهربائي ، بالإضافة إلى الفروق الدقيقة الأخرى.

قانون أمبير ، على سبيل المثال ، ينص على أن الموصلات المتصلة بالتوازي ، والتي من خلالها يتدفق التيار في نفس الاتجاه ، تجتذب حتمًا ، وفي حالة الاتجاه المعاكس للتيار ، على التوالي ، تتنافر. في بعض الأحيان يتم استخدام نفس الاسم لقانون فيزيائي يحدد القوة المؤثرة في مجال مغناطيسي موجود على جزء صغير من موصل يقوم حاليًا بتوصيل التيار. يطلق عليه كذلك - قوة أمبير. تم هذا الاكتشاف من قبل عالم في النصف الأول من القرن التاسع عشر (أي في عام 1820).

يعد قانون الحفاظ على الشحن أحد المبادئ الأساسية للطبيعة. تنص على أن المجموع الجبري لجميع الشحنات الكهربائية الناشئة في أي نظام معزول كهربائيًا يتم الاحتفاظ به دائمًا (يصبح ثابتًا). على الرغم من ذلك ، فإن المبدأ المسمى لا يستبعد ظهور جسيمات مشحونة جديدة في مثل هذه الأنظمة نتيجة لعمليات معينة. ومع ذلك ، يجب بالضرورة أن تكون الشحنة الكهربائية الكلية لجميع الجسيمات المشكلة حديثًا مساوية للصفر.

قانون كولوم هو أحد القوانين الأساسية في علم الكهرباء الساكنة. يعبر عن مبدأ قوة التفاعل بين رسوم النقطة الثابتة ويشرح الحساب الكمي للمسافة بينهما. يجعل قانون كولوم من الممكن إثبات المبادئ الأساسية للديناميكا الكهربائية بطريقة تجريبية. تقول أن رسوم النقطة الثابتة ستتفاعل بالتأكيد مع بعضها البعض بقوة أعلى ، وكلما زاد ناتج مقاديرها ، وبالتالي ، كلما كان مربع المسافة بين الشحنات قيد النظر والوسيط أصغر ، الذي يحدث التفاعل الموصوف.

قانون أوم هو أحد المبادئ الأساسية للكهرباء. تقول أنه كلما زادت قوة التيار الكهربائي المباشر الذي يعمل على جزء معين من الدائرة ، زاد الجهد عند نهاياته.

يسمون المبدأ الذي يسمح لك بتحديد الاتجاه في موصل تيار يتحرك تحت تأثير المجال المغناطيسي بطريقة معينة. للقيام بذلك ، من الضروري وضع اليد اليمنى بحيث تلمس خطوط الحث المغناطيسي مجازًا راحة اليد المفتوحة ، وتمدد الإبهام في اتجاه الموصل. في هذه الحالة ، ستحدد الأصابع الأربعة المتبقية اتجاه حركة تيار الحث.

يساعد هذا المبدأ أيضًا في معرفة الموقع الدقيق لخطوط الحث المغناطيسي للموصل المستقيم الذي ينقل التيار في الوقت الحالي. إنه يعمل على هذا النحو: ضع إبهام اليد اليمنى بطريقة تشير إليها وتمسك الموصل مجازيًا بالأصابع الأربعة الأخرى. سيوضح موقع هذه الأصابع الاتجاه الدقيق لخطوط الحث المغناطيسي.

مبدأ الحث الكهرومغناطيسي هو نمط يشرح عملية تشغيل المحولات والمولدات والمحركات الكهربائية. هذا القانون على النحو التالي: في دائرة مغلقة ، يكون الحث المتولد أكبر ، وكلما زاد معدل تغير التدفق المغناطيسي.

بصريات

كما يعكس فرع "البصريات" جزءًا من المناهج الدراسية (القوانين الأساسية للفيزياء: الصفوف 7-9). لذلك ، ليس من الصعب فهم هذه المبادئ كما قد يبدو للوهلة الأولى. دراستهم لا تجلب معها معرفة إضافية فحسب ، بل فهمًا أفضل للواقع المحيط. القوانين الرئيسية للفيزياء التي يمكن أن تنسب إلى مجال دراسة البصريات هي كما يلي:

1. مبدأ هوينز. إنها طريقة تسمح لك بتحديد موضع مقدمة الموجة بدقة في أي جزء من الثانية. جوهرها هو كما يلي: جميع النقاط الموجودة في مسار مقدمة الموجة في جزء معين من الثانية ، في الواقع ، تصبح مصادر للموجات الكروية (الثانوية) في حد ذاتها ، في حين أن وضع مقدمة الموجة في نفس الكسر الثانية متطابقة مع السطح الذي يدور حول جميع الموجات الكروية (الثانوية). يستخدم هذا المبدأ لشرح القوانين الحالية المتعلقة بانكسار الضوء وانعكاسه.
2. يعكس مبدأ Huygens-Fresnel طريقة فعالة لحل المشكلات المتعلقة بانتشار الموجات. يساعد في شرح المشكلات الأولية المرتبطة بانحراف الضوء.
3. أمواج. يستخدم بالتساوي للانعكاس في المرآة. يكمن جوهرها في حقيقة أن كلاً من الشعاع الساقط والشعاع المنعكس ، وكذلك العمودي المشيد من نقطة وقوع الحزمة ، يقعان في مستوى واحد. من المهم أيضًا أن تتذكر أنه في هذه الحالة ، تكون الزاوية التي يسقط بها الشعاع دائمًا مساوية تمامًا لزاوية الانكسار.
4. مبدأ انكسار الضوء. هذا تغيير في مسار الموجة الكهرومغناطيسية (الضوء) في لحظة الحركة من وسيط متجانس إلى آخر ، والذي يختلف اختلافًا كبيرًا عن الأول في عدد من مؤشرات الانكسار. سرعة انتشار الضوء فيها مختلفة.
5. قانون الانتشار المستقيم للضوء. في جوهره ، هو قانون متعلق بمجال البصريات الهندسية ، وهو على النحو التالي: في أي وسيط متجانس (بغض النظر عن طبيعته) ، ينتشر الضوء بشكل مستقيم بشكل صارم ، على طول أقصر مسافة. يشرح هذا القانون ببساطة وبشكل واضح تشكيل الظل.

الفيزياء الذرية والنووية

تتم دراسة القوانين الأساسية لفيزياء الكم ، وكذلك أساسيات الفيزياء الذرية والنووية ، في المدارس الثانوية ومؤسسات التعليم العالي.

وبالتالي ، فإن فرضيات بوهر هي سلسلة من الفرضيات الأساسية التي أصبحت أساس النظرية. جوهرها هو أن أي نظام ذري يمكن أن يظل مستقرًا فقط في الحالات الثابتة. أي انبعاث أو امتصاص للطاقة بواسطة ذرة يحدث بالضرورة باستخدام المبدأ ، الذي يكون جوهره كما يلي: يصبح الإشعاع المرتبط بالنقل أحادي اللون.

تشير هذه الفرضيات إلى منهج المدرسة القياسي الذي يدرس القوانين الأساسية للفيزياء (الصف 11). معرفتهم إلزامية للخريج.

القوانين الأساسية للفيزياء التي يجب أن يعرفها الإنسان

بعض المبادئ الفيزيائية ، على الرغم من أنها تنتمي إلى أحد فروع هذا العلم ، إلا أنها ذات طبيعة عامة ويجب أن تكون معروفة للجميع. نسرد القوانين الأساسية للفيزياء التي يجب أن يعرفها الشخص:

• قانون أرخميدس (ينطبق على مجالات المياه ، وكذلك الهواء الجوي). إنه يعني ضمناً أن أي جسم مغمور في مادة غازية أو في سائل يخضع لنوع من قوة الطفو ، والتي يتم توجيهها عموديًا بالضرورة إلى الأعلى. هذه القوة دائمًا مساوية عدديًا لوزن السائل أو الغاز الذي أزاحه الجسم.
• هناك صيغة أخرى لهذا القانون وهي كما يلي: الجسم المنغمس في غاز أو سائل سوف يفقد بالتأكيد نفس القدر من الوزن مثل كتلة السائل أو الغاز الذي تم غمره فيه. أصبح هذا القانون الافتراض الأساسي لنظرية الأجسام العائمة.
• قانون الجاذبية الكونية (اكتشفه نيوتن). يكمن جوهرها في حقيقة أن جميع الأجسام تنجذب حتماً إلى بعضها البعض بقوة أكبر ، وكلما زاد ناتج كتل هذه الأجسام ، وبالتالي ، كلما قل مربع المسافة بينها. .

هذه هي القوانين الأساسية الثلاثة للفيزياء التي يجب أن يعرفها كل من يريد أن يفهم آلية عمل العالم المحيط وخصائص العمليات التي تحدث فيه. من السهل جدًا فهم كيفية عملها.

قيمة هذه المعرفة

يجب أن تكون القوانين الأساسية للفيزياء في أمتعة معرفة الشخص ، بغض النظر عن عمره ونوع نشاطه. إنها تعكس آلية وجود كل واقع اليوم ، وهي في جوهرها الثابت الوحيد في عالم متغير باستمرار.

تفتح القوانين الأساسية ومفاهيم الفيزياء فرصًا جديدة لدراسة العالم من حولنا. تساعد معرفتهم على فهم آلية وجود الكون وحركة جميع الأجسام الكونية. إنه لا يحولنا فقط إلى متفرجين للأحداث والعمليات اليومية ، ولكنه يتيح لنا أن نكون على دراية بها. عندما يفهم الشخص بوضوح القوانين الأساسية للفيزياء ، أي جميع العمليات التي تحدث من حوله ، فإنه يحصل على فرصة للسيطرة عليها بأكثر الطرق فعالية ، مما يجعل الاكتشافات وبالتالي يجعل حياته أكثر راحة.

نتائج

يضطر البعض إلى الدراسة المتعمقة للقوانين الأساسية للفيزياء للامتحان ، والبعض الآخر - حسب المهنة ، والبعض الآخر - بدافع الفضول العلمي. بغض النظر عن أهداف دراسة هذا العلم ، لا يمكن المبالغة في تقدير فوائد المعرفة المكتسبة. لا يوجد شيء أكثر إرضاءً من فهم الآليات والقوانين الأساسية لوجود العالم المحيط.

لا تكن غير مبال - تطوير!