A fizika összes törvénye. A professzor tudja

E törvény szerint az a folyamat, amelynek egyetlen eredménye az energia hő formájában történő átadása egy hidegebb testről a melegebbre, lehetetlen magának a rendszernek és a környezetnek a változása nélkül.
A termodinamika második főtétele egy nagyszámú, kaotikusan mozgó részecskéből álló rendszer azon tendenciáját fejezi ki, hogy spontán módon kevésbé valószínű állapotokból valószínűbb állapotokba megy át. Megtiltja a második típusú örökmozgó létrehozását.
Azonos hőmérsékleten és nyomáson azonos térfogatú ideális gázok ugyanannyi molekulát tartalmaznak.
A törvényt 1811-ben A. Avogadro (1776–1856) olasz fizikus fedezte fel.
Az egymástól kis távolságra elhelyezkedő vezetékekben folyó két áram kölcsönhatásának törvénye kimondja: az azonos irányú áramú párhuzamos vezetők vonzzák, az ellenkező irányú áramokkal pedig taszítják.
A törvényt 1820-ban A. M. Ampere fedezte fel.
A víz és az aerosztatika törvénye: a folyadékba vagy gázba merített testre függőlegesen felfelé irányuló felhajtóerő hat, amely megegyezik a test által kiszorított folyadék vagy gáz tömegével, és a bemerült test súlypontjára fejti ki. a test része. FA = gV, ahol g a folyadék vagy gáz sűrűsége, V a bemerült testrész térfogata.
Ellenkező esetben a törvény így fogalmazható meg: a folyadékba vagy gázba merített test annyi súlyt veszít, amennyit kiszorít a folyadék (vagy gáz) súlyából. Ekkor P = mg - FA.
A törvényt az ókori görög tudós, Arkhimédész fedezte fel ie 212-ben. e. Ez az úszó testek elméletének alapja.
Az ideális gáz egyik törvénye: állandó hőmérsékleten a gáz nyomásának és térfogatának szorzata állandó érték. Képlet: pV = állandó. Egy izoterm folyamatot ír le. Az egyetemes gravitáció törvénye, vagy Newton gravitációs törvénye: minden test olyan erővel vonzza egymást, amely egyenesen arányos e testek tömegének szorzatával, és fordítottan arányos a köztük lévő távolság négyzetével. E törvény szerint a szilárd test rugalmas alakváltozásai egyenesen arányosak az azokat okozó külső hatásokkal. Leírja az elektromos áram termikus hatását: a vezetőben egyenáram áthaladásakor felszabaduló hőmennyiség egyenesen arányos az áram négyzetével, a vezető ellenállásával és az áthaladási idővel. Joule és Lenz fedezte fel egymástól függetlenül a XIX. Az elektrosztatika alaptörvénye, amely kifejezi a két állópontos töltés közötti kölcsönhatás erejének a köztük lévő távolságtól való függését: két állóponti töltés olyan erővel lép kölcsönhatásba, amely egyenesen arányos e töltések nagyságának szorzatával és fordítottan arányos a négyzetével a köztük lévő távolság és annak a közegnek a dielektromos állandója, amelyben a töltések találhatók. Az érték számszerűen egyenlő a két, egymástól 1 m távolságra vákuumban elhelyezkedő, egyenként 1 C-os, álló ponttöltés között ható erővel.
A Coulomb-törvény az elektrodinamika egyik kísérleti igazolása. 1785-ben nyitották meg
Az elektromos áram egyik alaptörvénye: az egyenáram erőssége az áramkör egy szakaszában egyenesen arányos ennek a szakasznak a végein lévő feszültséggel, és fordítottan arányos az ellenállásával. Állandó hőmérsékletű fémvezetőkre és elektrolitokra érvényes. Teljes áramkör esetén a következőképpen fogalmazódik meg: az áramkörben az egyenáram erőssége egyenesen arányos az áramforrás emf-jével és fordítottan arányos az elektromos áramkör teljes ellenállásával.

1826-ban fedezte fel G.S. Ohm.

A termodinamika második főtétele

E törvény szerint az a folyamat, amelynek egyetlen eredménye az energia hő formájában történő átadása egy hidegebb testről a melegebbre, lehetetlen magának a rendszernek és a környezetnek a változása nélkül. A termodinamika második főtétele egy nagyszámú, kaotikusan mozgó részecskéből álló rendszer azon tendenciáját fejezi ki, hogy spontán módon kevésbé valószínű állapotokból valószínűbb állapotokba megy át. Megtiltja a második típusú örökmozgó létrehozását.

Avogardo törvénye
Azonos hőmérsékleten és nyomáson azonos térfogatú ideális gázok ugyanannyi molekulát tartalmaznak. A törvényt 1811-ben A. Avogadro (1776–1856) olasz fizikus fedezte fel.

Ampere törvénye
Az egymástól kis távolságra elhelyezkedő vezetékekben folyó két áram kölcsönhatásának törvénye kimondja: az azonos irányú áramú párhuzamos vezetők vonzzák, az ellenkező irányú áramokkal pedig taszítják. A törvényt 1820-ban A. M. Ampere fedezte fel.

Archimedes törvénye

A hidro- és aerosztatika törvénye: a folyadékba vagy gázba merített testre függőlegesen felfelé irányuló felhajtóerő hat, amely megegyezik a test által kiszorított folyadék vagy gáz tömegével, és a test súlypontjában fejti ki hatását. bemerült testrész. FA = gV, ahol g a folyadék vagy gáz sűrűsége, V a bemerült testrész térfogata. Ellenkező esetben a törvény így fogalmazható meg: a folyadékba vagy gázba merített test annyi súlyt veszít, amennyit kiszorít a folyadék (vagy gáz) súlyából. Ekkor P = mg – FA. A törvényt az ókori görög tudós, Arkhimédész fedezte fel ie 212-ben. e. Ez az úszó testek elméletének alapja.

A gravitáció törvénye

Az egyetemes gravitáció törvénye, vagy Newton gravitációs törvénye: minden test olyan erővel vonzza egymást, amely egyenesen arányos e testek tömegének szorzatával, és fordítottan arányos a köztük lévő távolság négyzetével.

Boyle-Mariotte törvény

Az ideális gáz egyik törvénye: állandó hőmérsékleten a gáz nyomásának és térfogatának szorzata állandó érték. Képlet: pV = állandó. Egy izoterm folyamatot ír le.

Hooke törvénye
E törvény szerint a szilárd test rugalmas alakváltozásai egyenesen arányosak az azokat okozó külső hatásokkal.

Dalton törvénye
Az egyik alapvető gáztörvény: kémiailag nem kölcsönható ideális gázok keverékének nyomása megegyezik e gázok parciális nyomásának összegével. J. Dalton fedezte fel 1801-ben.

Joule–Lenz törvény

Leírja az elektromos áram termikus hatását: a vezetőben egyenáram áthaladásakor felszabaduló hőmennyiség egyenesen arányos az áram négyzetével, a vezető ellenállásával és az áthaladási idővel. Joule és Lenz fedezte fel egymástól függetlenül a XIX.

Coulomb törvénye

Az elektrosztatika alaptörvénye, amely kifejezi a két állópontos töltés közötti kölcsönhatás erejének a köztük lévő távolságtól való függését: két állóponti töltés olyan erővel lép kölcsönhatásba, amely egyenesen arányos e töltések nagyságának szorzatával és fordítottan arányos a négyzetével a köztük lévő távolság és annak a közegnek a dielektromos állandója, amelyben a töltések találhatók. Az érték számszerűen egyenlő a két, egymástól 1 m távolságra vákuumban elhelyezkedő, egyenként 1 C-os, álló ponttöltés között ható erővel. A Coulomb-törvény az elektrodinamika egyik kísérleti igazolása. 1785-ben nyitották meg.

Lenz törvénye
E törvény szerint az indukált áramnak mindig olyan iránya van, hogy saját mágneses fluxusa kompenzálja az áramot okozó külső mágneses fluxus változásait. Lenz törvénye az energiamegmaradás törvényének következménye. 1833-ban telepítette E. H. Lenz.

Ohm törvénye

Az elektromos áram egyik alaptörvénye: az egyenáram erőssége az áramkör egy szakaszában egyenesen arányos ennek a szakasznak a végein lévő feszültséggel, és fordítottan arányos az ellenállásával. Állandó hőmérsékletű fémvezetőkre és elektrolitokra érvényes. Teljes áramkör esetén a következőképpen fogalmazódik meg: az áramkörben az egyenáram erőssége egyenesen arányos az áramforrás emf-jével és fordítottan arányos az elektromos áramkör teljes ellenállásával. 1826-ban fedezte fel G.S. Ohm.

A hullámvisszaverődés törvénye

A beeső sugár, a visszavert sugár és a sugár beesési pontjára emelt merőleges ugyanabban a síkban fekszik, és a beesési szög megegyezik a törésszöggel. A törvény a tükörtükrözésre érvényes.

Pascal törvénye
A hidrosztatika alaptörvénye: a folyadék vagy gáz felületén a külső erők által keltett nyomás minden irányban egyformán továbbítódik.

A fénytörés törvénye

A beeső sugár, a megtört sugár és a sugár beesési pontjára visszaállított merőleges egy síkban van, és e két közeg esetében a beesési szög szinuszának és a törésszög szinuszának az aránya állandó érték, amelyet a második közeg relatív törésmutatójának neveznek az elsőhöz viszonyítva.

A fény egyenes vonalú terjedésének törvénye

A geometriai optika törvénye, amely kimondja, hogy a fény egyenes vonalúan terjed homogén közegben. Megmagyarázza például az árnyék és a félárnyék kialakulását.

A töltés megmaradásának törvénye
A természet egyik alaptörvénye: bármely elektromosan elszigetelt rendszer elektromos töltéseinek algebrai összege változatlan marad. Egy elektromosan leválasztott rendszerben a töltésmegmaradás törvénye megengedi új töltött részecskék megjelenését, de a kialakuló részecskék teljes elektromos töltésének mindig nullával kell egyenlőnek lennie.

A lendület megmaradásának törvénye
A mechanika egyik alaptörvénye: bármely zárt rendszer lendülete a rendszerben végbemenő összes folyamat során állandó (konzervált) marad, és csak kölcsönhatásuk következtében oszlik újra a rendszer részei között.

Károly törvénye
Az egyik alapvető gáztörvény: egy ideális gáz adott tömegének állandó térfogatú nyomása egyenesen arányos a hőmérséklettel.

Az elektromágneses indukció törvénye

Leírja az elektromos tér megjelenésének jelenségét, amikor a mágneses tér megváltozik (az elektromágneses indukció jelensége): az indukció elektromotoros ereje egyenesen arányos a mágneses fluxus változásának sebességével. Az arányossági együtthatót a mértékegységrendszer, az előjelet a Lenz-szabály határozza meg. A törvényt M. Faraday fedezte fel.

Az energia megmaradásának és átalakulásának törvénye
Általános természeti törvény: bármely zárt rendszer energiája állandó (megőrződik) a rendszerben végbemenő összes folyamat során. Az energia csak egyik formából a másikba alakítható át, és csak a rendszer részei között osztható el. Nyitott rendszer esetében az energiájának növekedése (csökkenése) egyenlő a vele kölcsönhatásba lépő testek és fizikai mezők energiájának csökkenésével (növekedésével).

Newton törvényei
A klasszikus mechanika Newton 3 törvényén alapul. Newton első törvénye (tehetetlenségi törvény): egy anyagi pont egyenes vonalú és egyenletes mozgású vagy nyugalmi állapotban van, ha más testek nem hatnak rá, vagy ezeknek a testeknek a hatása kompenzálódik. Newton második törvénye (a dinamika alaptörvénye): a test által kapott gyorsulás egyenesen arányos a testre ható összes erő eredőjével, és fordítottan arányos a test tömegével. Newton harmadik törvénye: két test cselekvései mindig egyenlő nagyságúak és ellentétes irányúak.

Faraday törvényei
Faraday első törvénye: az elektromos áram áthaladása során az elektródán felszabaduló anyag tömege egyenesen arányos az elektroliton áthaladó elektromosság (töltés) mennyiségével (m = kq = kIt). Faraday második törvénye: az elektródákon kémiai átalakuláson átmenő különféle anyagok tömegének aránya, amikor azonos elektromos töltések haladnak át az elektroliton, megegyezik a kémiai egyenértékek arányával. A törvényeket 1833–1834-ben M. Faraday alkotta meg.

A termodinamika első főtétele
A termodinamika első törvénye a termodinamikai rendszer energiamegmaradásának törvénye: a rendszernek átadott Q hőmennyiséget az U rendszer belső energiájának megváltoztatására és a rendszer által külső erőkkel szembeni A munkára fordítják. A Q = U + A képlet a hőmotorok működésének alapja.

Bohr posztulátumai

Bohr első posztulátuma: egy atomi rendszer csak olyan stacionárius állapotokban stabil, amelyek az atomi energiaértékek diszkrét sorozatának felelnek meg. Ennek az energiának minden változása az atom teljes átmenetéhez kapcsolódik egyik álló állapotból a másikba. Bohr második posztulátuma: az atom energiaelnyelése és -emissziója annak a törvénynek megfelelően történik, amely szerint az átmenethez kapcsolódó sugárzás monokromatikus és frekvenciája: h = Ei – Ek, ahol h Planck-állandó, valamint Ei és Ek. az atom energiái álló állapotban.

Bal kéz szabály
Meghatározza a mágneses térben elhelyezkedő áramvezető vezetőre (vagy mozgó töltött részecskékre) ható erő irányát. A szabály azt mondja: ha a bal kéz úgy van elhelyezve, hogy a kinyújtott ujjak az áram irányát (részecskesebesség) jelzik, a mágneses erővonalak (mágneses indukciós vonalak) pedig a tenyérbe hatolnak, akkor a kinyújtott hüvelykujj jelzi az áram irányát. a vezetőre ható erő (pozitív részecske; ben Negatív részecske esetén az erő iránya ellentétes).

Jobb kéz szabály
Meghatározza az indukciós áram irányát egy mágneses térben mozgó vezetőben: ha a jobb kéz tenyerét úgy helyezzük el, hogy a mágneses indukciós vonalak belemenjenek, és a behajlított hüvelykujj a vezető mozgása mentén irányul, akkor a négy a kinyújtott ujjak mutatják az indukciós áram irányát.

Huygens elve
Lehetővé teszi a hullámfront helyzetének bármikori meghatározását. A Huygens-elv szerint minden pont, amelyen a hullámfront áthalad a t időpontban, másodlagos gömbhullámok forrása, és a hullámfront kívánt helyzete t időpontban egybeesik az összes másodlagos hullámot beborító felülettel. Huygens elve megmagyarázza a fény visszaverődésének és törésének törvényeit.

Huygens–Fresnel elv
Ezen elv szerint egy pontszerű fényforrást lefedő tetszőleges zárt felületen kívül bármely pontban az e forrás által gerjesztett fényhullám a meghatározott zárt felület összes pontja által kibocsátott másodlagos hullámok interferenciájának eredményeként ábrázolható. Az elv lehetővé teszi a fényelhajlás legegyszerűbb problémáinak megoldását.

A relativitás elve
Bármely tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerben azonos feltételek mellett minden fizikai (mechanikai, elektromágneses stb.) jelenség ugyanúgy megy végbe. Ez a Galilei-féle relativitás elvének általánosítása.

Galilei relativitás elve

A mechanikai relativitáselmélet, vagy a klasszikus mechanika elve: bármely inerciális vonatkoztatási rendszerben minden mechanikai jelenség ugyanúgy megy végbe, azonos feltételek mellett.

Hang
Hangnak nevezik azokat a rugalmas hullámokat, amelyek folyadékokban, gázokban és szilárd anyagokban terjednek, és amelyeket az emberek és az állatok füle érzékel. Az ember képes hallani a 16–20 kHz-es frekvenciájú hangokat. A 16 Hz-ig terjedő frekvenciájú hangot általában infrahangnak nevezik; 2·104–109 Hz-es frekvenciákkal – ultrahang, 109–1013 Hz-es frekvenciákkal – hiperhang. A hangokat tanulmányozó tudományt „akusztikának” nevezik.

Fény
A fény a fogalom szűk értelmében az emberi szem által érzékelt frekvenciatartományban lévő elektromágneses hullámokat jelenti: 7,5 ‘1014–4,3 ‘1014 Hz. A hullámhossz 760 nm (piros fény) és 380 nm (ibolya fény) között mozog.

1.1. Annotáció. A relativitáselmélet és a kvantummechanika törvényei, amelyek szerint az anyag elemi részecskéinek mozgása és kölcsönhatása bekövetkezik, előre meghatározzák a különféle természettudományok által vizsgált jelenségek széles körének mintázatának kialakulását és megjelenését. Ezek a törvények állnak a modern csúcstechnológiák hátterében, és nagymértékben meghatározzák civilizációnk állapotát és fejlődését. Ezért az alapvető fizika alapjainak ismerete nemcsak a diákok, hanem az iskolások számára is szükséges. A világ szerkezetére vonatkozó alapismeretek aktív birtoklása szükséges ahhoz, hogy az életbe lépő ember megtalálja helyét ebben a világban, és sikeresen folytathassa tanulmányait.

1.2. Mi a fő nehézsége ennek a jelentésnek? Mind a részecskefizika szakembereinek, mind pedig sokkal szélesebb közönségnek szól: nem részecskefizikusoknak, matematikusoknak, vegyészeknek, biológusoknak, energiatudósoknak, közgazdászoknak, filozófusoknak, nyelvészeknek,... Hogy kellően pontos legyek, használnom kell a az alapvető fizika fogalmai és képletei. Ahhoz, hogy megértsem, folyamatosan magyaráznom kell ezeket a kifejezéseket és képleteket. Ha a részecskefizika nem az Ön szakterülete, először csak azokat a részeket olvassa el, amelyek címe nincs csillaggal jelölve. Ezután próbálja meg felolvasni az egy csillaggal *, két ** és végül három *** jelű szakaszokat. A legtöbb csillag nélküli rovatról sikerült beszélnem a riportban, de a többire már nem jutott idő.

1.3. Az elemi részecskék fizikája. A részecskefizika minden természettudomány alapja. Tanulmányozza az anyag legkisebb részecskéit, mozgásuk és kölcsönhatásaik alapvető mintázatait. Végső soron ezek a minták határozzák meg az összes objektum viselkedését a Földön és az égen. A részecskefizika olyan alapvető fogalmakkal foglalkozik, mint a tér és az idő; ügy; energia, lendület és tömeg; spin. (A legtöbb olvasónak van fogalma a térről és az időről, lehet, hogy hallott már a tömeg és az energia kapcsolatáról, és fogalma sincs, mi köze ehhez a lendületnek, és nem valószínű, hogy felismeri a spin legfontosabb szerepét a fizikában. egymás között még nem tudnak megegyezni abban, hogy mit nevezzünk anyagszakértőnek.) A részecskefizika a 20. században jött létre. Létrehozása elválaszthatatlanul kapcsolódik az emberiség történetének két legnagyobb elméletének megalkotásához: a relativitáselmélethez és a kvantummechanikához. Ezen elméletek kulcsállandója a fénysebesség cés Planck állandója h.

1.4. Relativitás-elmélet. A 20. század elején kialakult speciális relativitáselmélet számos olyan tudomány szintézisét fejezte be, amelyek olyan klasszikus jelenségeket vizsgáltak, mint az elektromosság, a mágnesesség és az optika, és a fénysebességhez hasonló sebességű testek mechanikáját hozta létre. (Newton klasszikus nem relativisztikus mechanikája a sebességekkel foglalkozott v<<c.) Majd 1915-ben megalkották az általános relativitáselméletet, amely a gravitációs kölcsönhatásokat hivatott leírni, figyelembe véve a fény véges sebességét. c.

1.5. Kvantummechanika. Az 1920-as években megalkotott kvantummechanika az elektronok kettős hullám-részecske tulajdonságai alapján magyarázta az atomok szerkezetét és tulajdonságait. Elmagyarázta az atomok és molekulák kölcsönhatásával kapcsolatos kémiai jelenségek széles skáláját. És lehetővé tette az általuk kibocsátott és fényelnyelési folyamatok leírását. Értsd meg az információkat, amelyeket a Nap és a csillagok fénye hoz nekünk.

1.6. Kvantumtér elmélet. A relativitáselmélet és a kvantummechanika kombinációja a kvantumtérelmélet megalkotásához vezetett, amely lehetővé teszi az anyag legfontosabb tulajdonságainak nagy pontosságú leírását. A kvantumtérelmélet természetesen túl bonyolult ahhoz, hogy elmagyarázzuk az iskolásoknak. De a 20. század közepén megjelent a Feynman-diagramok vizuális nyelve, amely radikálisan leegyszerűsíti a kvantumtérelmélet számos aspektusának megértését. Ennek az előadásnak az egyik fő célja annak bemutatása, hogyan használhatók a Feynman-diagramok a jelenségek széles skálájának egyszerű megértésére. Ugyanakkor részletesebben kitérek azokra a kérdésekre, amelyeket a kvantumtérelmélet minden szakértője nem ismer (például a klasszikus és a kvantumgravitáció kapcsolatáról), és csak röviden felvázolom azokat a kérdéseket, amelyekről széles körben tárgyalnak népszerű tudományos irodalom.

1.7. Az elemi részecskék azonossága. Az elemi részecskék az anyag legkisebb oszthatatlan részecskéi, amelyekből az egész világ felépül. A legcsodálatosabb tulajdonság, amely megkülönbözteti ezeket a részecskéket a közönséges nem elemi részecskéktől, például homokszemcséktől vagy gyöngyöktől, az, hogy minden azonos típusú elemi részecske, például az Univerzum összes elektronja teljesen (!) ugyanaz - azonos. Ennek következtében a legegyszerűbb kötött állapotaik - az atomok és a legegyszerűbb molekulák - azonosak egymással.

1.8. Hat elemi részecske. A Földön és a Napon végbemenő alapvető folyamatok megértéséhez első közelítésként elég megérteni azokat a folyamatokat, amelyekben hat részecske vesz részt: elektron e, proton p, neutron nés elektronneutrínó ν e, valamint foton γ és graviton g̃. Az első négy részecske spinje 1/2, a foton spinje 1, a graviton spinje 2. (Az egész spinű részecskéket bozonoknak, a fél-egész spinű részecskéket fermionoknak nevezzük. A spin az alábbiakban részletesebben tárgyaljuk.) A protonokat és a neutronokat általában nukleonoknak nevezik, mert belőlük épülnek fel az atommagok, a nucleus pedig angolul nucleus. Az elektronokat és a neutrínókat leptonoknak nevezzük. Nincsenek erős nukleáris kölcsönhatásaik.

A gravitonok nagyon gyenge kölcsönhatása miatt lehetetlen megfigyelni az egyes gravitonokat, de ezeken a részecskéken keresztül valósul meg a gravitáció a természetben. Ugyanúgy, mint az elektromágneses kölcsönhatások fotonokon keresztül.

1.9. Antirészecskék. Az elektronnak, protonnak és neutronnak úgynevezett antirészecskéi vannak: pozitron, antiproton és antineutron. Nem részei a közönséges anyagnak, mivel amikor találkoznak a megfelelő részecskékkel, kölcsönös pusztító - megsemmisülési reakciókba lépnek. Így egy elektron és egy pozitron két vagy három fotonná annihilálódik. A foton és a graviton valóban semleges részecskék: egybeesnek az antirészecskéikkel. Az, hogy a neutrínó valóban semleges részecske-e, még mindig nem ismert.

1.10. Nukleonok és kvarkok. A 20. század közepén kiderült, hogy maguk a nukleonok több elemi részecskéből állnak - kétféle kvarkból, amelyek uÉs d: p = uud, n = ddu. A kvarkok közötti kölcsönhatást gluonok hajtják végre. Az antinukleonok antikvarkokból állnak.

1.11. A fermionok három generációja. Együtt u, d, e, ν e A kvarkok és leptonok két másik csoportját (vagy, ahogy mondják, generációit) fedezték fel és tanulmányozták: c, s, μ, ν μ és t, b, τ , ν τ . Ezek a részecskék nem szerepelnek a közönséges anyag összetételében, mivel instabilok és gyorsan szétesnek az első generáció könnyebb részecskéivé. De fontos szerepet játszottak az Univerzum létezésének első pillanataiban.

A természet még teljesebb és mélyebb megértéséhez még több, még szokatlanabb tulajdonságú részecskére van szükségünk. De talán a jövőben ez a sokféleség néhány egyszerű és gyönyörű esszenciára redukálódik.

1.12. Hadronok. A kvarkokból és/vagy antikvarkokból és gluonokból álló részecskék nagy családját hadronoknak nevezzük. A nukleonok kivételével minden hadron instabil, ezért nem része a közönséges anyagnak.

Gyakran a hadronokat is elemi részecskék közé sorolják, mivel nem bonthatók szabad kvarkokra és gluonokra. (Én is így tettem, a protont és a neutront az első hat elemi részecske közé soroltam.) Ha minden hadront eleminek tekintünk, akkor az elemi részecskék számát százban mérjük.

1.13. Standard modell és négyféle interakció. Amint azt az alábbiakban kifejtjük, a fent felsorolt ​​elemi részecskék lehetővé teszik az úgynevezett „elemi részecskék standard modellje” keretein belül, hogy leírjuk az összes eddig ismert folyamatot, amely a természetben a gravitációs, elektromágneses, gyenge és erős kölcsönhatások. De ahhoz, hogy megértsük, hogyan működik közülük az első kettő, elegendő négy részecske: foton, graviton, elektron és proton. Ráadásul az a tény, hogy egy proton áll u- És d a kvarkok és gluonok jelentéktelenek bizonyulnak. Természetesen gyenge és erős kölcsönhatások nélkül lehetetlen megérteni sem az atommagok felépítését, sem a Nap működését. De meg lehet érteni, hogyan épülnek fel az atomhéjak, amelyek meghatározzák az elemek összes kémiai tulajdonságát, hogyan működik az elektromosság és hogyan épülnek fel a galaxisok.

1.14. Az ismerten túl. Ma már tudjuk, hogy a Standard Modell részecskéi és kölcsönhatásai nem merítik ki a természet kincseit.

Megállapítást nyert, hogy a közönséges atomok és ionok az Univerzumban található összes anyagnak csak kevesebb mint 20%-át teszik ki, és több mint 80%-a az úgynevezett sötét anyag, amelynek természete még mindig ismeretlen. A legelterjedtebb hiedelem szerint a sötét anyag szuperrészecskékből áll. Lehetséges, hogy tükörrészecskékből áll.

Még elképesztőbb, hogy minden anyag, a látható (fény) és a sötét is, az Univerzum teljes energiájának csak a negyedét hordozza. Háromnegyede az úgynevezett sötét energiához tartozik.

1.15. elemi részecskék"e bizonyos mértékig” alapvetőek. Amikor Isaac Yakovlevich Pomeranchuk tanárom egy kérdés fontosságát akarta hangsúlyozni, azt mondta, hogy a kérdés bizonyos fokig fontos. Természetesen a legtöbb természettudomány, nem csak a részecskefizika, alapvető. A kondenzált anyag fizikáját például olyan alapvető törvények szabályozzák, amelyek anélkül használhatók, hogy megértenék, hogyan következnek ezek a részecskefizika törvényeiből. De a relativitás és a kvantummechanika törvényei" e„egy bizonyos fokig alapvető” abban az értelemben, hogy ezeknek nem lehet ellentmondani egyik kevésbé általános törvény sem.

1.16. Alaptörvények. A természetben minden folyamat az elemi részecskék lokális kölcsönhatásának és mozgásának (terjedésnek) eredményeként megy végbe. Az alapvető törvények, amelyek ezeket a mozgásokat és kölcsönhatásokat szabályozzák, nagyon szokatlanok és nagyon egyszerűek. A szimmetria fogalmán és azon az elven alapulnak, hogy minden, ami nem mond ellent a szimmetriának, megtörténhet és meg is kell történnie. Az alábbiakban a Feynman-diagramok nyelvezetével nyomon követjük, hogyan valósul meg ez a részecskék gravitációs, elektromágneses, gyenge és erős kölcsönhatásaiban.

2. Részecskék és élet

2.1. A civilizációról és a kultúráról. A RAS külföldi tagja, Telegdi Valentin (1922–2006) kifejtette: „Ha a WC (vizes vécé) civilizáció, akkor a használat képessége kultúra.”

Az ITEP alkalmazottja, A. A. Abrikosov Jr. a közelmúltban ezt írta nekem: „Az ön jelentésének egyik célja, hogy meggyőzze a nagy közönséget a modern fizika szélesebb körű oktatásának szükségességéről. Ha igen, akkor talán érdemes lenne néhány hétköznapi példát hozni. Erre gondolok:

Olyan világban élünk, amely még a mindennapi szinten is elképzelhetetlen kvantummechanika (QM) és relativitáselmélet (TR) nélkül. A mobiltelefonok, számítógépek, minden modern elektronika, nem beszélve a LED-lámpákról, a félvezető lézerekről (beleértve a mutatókat is) és az LCD-kijelzők alapvetően kvantumeszközök. A CM alapfogalmai nélkül lehetetlen megmagyarázni, hogyan működnek. Hogyan magyarázhatja el őket anélkül, hogy megemlítené az alagútépítést?

A második példát talán tőled tudom. Műholdas navigátor már minden 10. autóba van beépítve. Az óraszinkronizálás pontossága egy műholdhálózatban nem kisebb, mint 10-8 (ez egy méteres nagyságrendű hibának felel meg egy objektum Föld felszínén történő lokalizálása során). Az ilyen pontosság érdekében figyelembe kell venni a mozgó műhold órajelének karbantartási korrekcióit. Azt mondják, hogy a mérnökök nem hitték el, ezért az első készülékeken kettős program volt: korrekciókkal és anélkül. Mint kiderült, az első program jobban működik. Íme a relativitáselmélet tesztje mindennapi szinten.

Természetesen a telefonos csevegés, az autóvezetés és a számítógép gombjainak kopogtatása magas tudomány nélkül is lehetséges. De az akadémikusoknak aligha kellene arra buzdítaniuk az embereket, hogy ne tanuljanak földrajzot, mert „vannak taxisok”.

Aztán az iskolások, majd a diákok öt éve beszélnek az anyagi pontokról és a galilei relativitáselméletről, és hirtelen, minden látható ok nélkül kijelentik, hogy ez „nem teljesen igaz”.

A vizuális newtoni világról a kvantumvilágra még a fizikában és a technikában is nehéz áttérni. A tiéd, AAA."

2.2. Az alapvető fizikáról és oktatásról. Sajnos a modern oktatási rendszer egy évszázaddal elmarad a modern alapvető fizikától. A legtöbb embernek (beleértve a legtöbb tudóst is) pedig fogalma sincs a világ elképesztően tiszta és egyszerű képéről (térképéről), amelyet a részecskefizika alkotott. Ez a térkép sokkal könnyebbé teszi a tájékozódást az összes természettudományban. Jelentésem célja, hogy meggyőzze Önt arról, hogy az elemi részecskefizika egyes elemei (fogalmai), a relativitáselmélet és a kvantumelmélet alapjául szolgálhatnak és kell is képezniük minden természettudományi tárgy oktatásának nemcsak felsőoktatási, hanem középfokú, sőt Általános iskolák. Hiszen az alapvetően új fogalmakat gyermekkorban lehet a legkönnyebben elsajátítani. A gyerek könnyen elsajátítja a nyelvet, hozzászokik a mobiltelefon használatához. Sok gyerek pillanatok alatt visszaadja eredeti állapotába a Rubik-kockát, de nekem még egy nap sem elég.

A későbbi kellemetlen meglepetések elkerülése érdekében az óvodában megfelelő világképet kell kialakítani. Állandók cÉs h a gyerekek megismerésének eszközévé kell válniuk.

2.3. A matematikáról. A matematikának – minden tudomány királynőjének és szolgájának – minden bizonnyal a tudás fő eszközeként kell szolgálnia. Olyan alapfogalmakat ad, mint az igazság, szépség, szimmetria, rend. A nulla és a végtelen fogalmai. A matematika megtanít gondolkodni és számolni. Az alapvető fizika elképzelhetetlen matematika nélkül. Az oktatás elképzelhetetlen matematika nélkül. Persze lehet, hogy korai még az iskolában csoportelméletet tanulni, de meg kell tanítani értékelni az igazságot, a szépséget, a szimmetriát és a rendet (és egyben némi rendetlenséget).

Nagyon fontos megérteni a valós (valós) számokról (egyszerű, racionális, irracionális) a képzeletbeli és összetett átmenetet. Hiperkomplex számokat (kvaterniókat és oktonokat) valószínűleg csak azoknak a diákoknak érdemes tanulniuk, akik matematika és elméleti fizika területén szeretnének dolgozni. Én például soha nem használtam oktont a munkám során. De tudom, hogy megkönnyítik annak megértését, amit sok elméleti fizikus a legígéretesebb és legkiválóbb szimmetriacsoportnak, az E 8-nak tart.

2.4. A világnézetről és a természettudományokról. A világot irányító alapvető törvények fogalma minden természettudományban szükséges. Természetesen a szilárdtestfizikának, kémiának, biológiának, földtudománynak és csillagászatnak megvannak a maga sajátos fogalmai, módszerei és problémái. De nagyon fontos, hogy rendelkezzünk egy általános világtérképpel, és megértsük, hogy ezen a térképen sok az ismeretlen üres foltja. Nagyon fontos megérteni, hogy a tudomány nem egy megcsontosodott dogma, hanem az igazsághoz való közeledés élő folyamata a világtérkép számos pontján. Az igazság megközelítése aszimptotikus folyamat.

2.5. Az igaz és vulgáris redukcionizmusról. Azt az elképzelést, hogy a természetben a bonyolultabb struktúrák kevésbé bonyolult struktúrákból és végső soron egyszerűbb elemekből állnak, redukcionizmusnak nevezik. Ebben az értelemben a redukcionizmusról próbállak meggyőzni. De a vulgáris redukcionizmus, amely azt állítja, hogy minden tudomány levezethető az elemi részecskék fizikájára, teljesen elfogadhatatlan. A komplexitás minden egyes magasabb szintjén saját mintái alakulnak ki és jelennek meg. Ahhoz, hogy jó biológus legyél, nem kell ismerned a részecskefizikát. De megérteni a tudományok rendszerében betöltött helyét, szerepét, megérteni az állandók kulcsszerepét cÉs h szükséges. Hiszen a tudomány egésze egyetlen organizmus.

2.6. A bölcsészet- és társadalomtudományokról. A világ szerkezetének általános megértése nagyon fontos a közgazdaságtan, a történelem, a kognitív tudományok, például a nyelvtudományok és a filozófia számára. És fordítva – ezek a tudományok rendkívül fontosak magának az alapvető fizika számára, amely folyamatosan finomítja alapvető fogalmait. Ez világos lesz a relativitáselmélet tárgyalásából, amelyre most rátérek. Főleg a jogtudományokról szólok, amelyek rendkívül fontosak a természettudományok boldogulásához (nem is beszélve a fennmaradáshoz). Meggyőződésem, hogy a társadalmi törvényeknek nem szabad ellentmondani a természet alapvető törvényeinek. Az emberi törvényeknek nem szabad ellentmondaniuk a természet isteni törvényeinek.

2.7. Mikro-, makro-, kozmo-. A nagy, de nem gigantikus dolgok hétköznapi világát általában makrovilágnak hívják. Az égi objektumok világát nevezhetjük kozmovilágnak, az atomi és szubatomi részecskék világát pedig mikrovilágnak. (Mivel az atomok mérete 10-10 m nagyságrendű, a mikrokozmosz egy mikrométernél legalább 4, sőt 10 nagyságrenddel, nanométernél 1-7 nagyságrenddel kisebb objektumokat jelent. A divatos nano régió a mikrotól a makro felé vezető úton található.) A 20. században kiépült az elemi részecskék úgynevezett szabványos modellje, amely lehetővé teszi számos makro- és kozmikus törvény egyszerű és világos megértését a mikrotörvények alapján.

2.8. Modelljeink. Az elméleti fizika modelljei a lényegtelen körülmények elvetésével épülnek fel. Például az atom- és magfizikában a részecskék gravitációs kölcsönhatása elhanyagolható, és figyelmen kívül hagyható. Ez a világmodell beleillik a speciális relativitáselméletbe. Ebben a modellben vannak atomok, molekulák, kondenzált testek,... gyorsítók és ütköztetők, de nincs Nap és csillagok.

Egy ilyen modell minden bizonnyal helytelen lenne nagyon nagy léptékben, ahol a gravitáció jelentős.

Természetesen a Föld létezése (és így a gravitáció) szükséges a CERN létezéséhez, de a CERN-ben végzett kísérletek túlnyomó többségének megértéséhez (kivéve a mikroszkopikus „fekete lyukak” keresését az ütközőnél) a gravitáció. lényegtelen.

2.9. Nagyságrendek. Az elemi részecskék tulajdonságainak megértésének egyik nehézsége abból adódik, hogy nagyon kicsik és nagyon sok van belőlük. Egy kanál vízben hatalmas számú atom van (kb. 10 23). Az Univerzum látható részén a csillagok száma nem sokkal kevesebb. Nem kell félni a nagy számoktól. Elvégre ezek kezelése nem nehéz, hiszen a számok szorzása elsősorban a sorrendjük összeadásával jár: 1 = 10 0, 10 = 10 1, 100 = 10 2. Ha megszorozzuk 10-et 100-zal, 10 1+2 = 10 3 = 1000 kapjuk.

2.10. Egy csepp olaj. Ha egy csepp 1 milliliter térfogatú olajat csepegtetünk a víz felszínére, az szivárványszínű folttá válik, amelynek területe körülbelül több négyzetméter és vastagsága körülbelül száz nanométer. Ez csak három nagyságrenddel nagyobb egy atom méreténél. A szappanbuborék filmrétegének vastagsága pedig a legvékonyabb helyeken a molekulák nagyságrendjébe esik.

2.11. Joule. Egy tipikus AA elem feszültsége 1,5 volt (V), és 10 4 joule (J) elektromos energiát tartalmaz. Hadd emlékeztesselek arra, hogy 1 J = 1 coulomb × 1 V, és arra is, hogy 1 J = kg m 2 / s 2 és a gravitációs gyorsulás körülbelül 10 m / s 2. Tehát 1 joule lehetővé teszi, hogy 1 kilogrammot 10 cm magasra emeljen, 10 4 J pedig 100 kg-ot 10 méterre. Ennyi energiát fogyaszt egy lift, hogy egy iskolás gyereket felvigyen a tizedik emeletre. Ennyi energia van az akkumulátorban.

2.12. Elektrovoltok. Az energia mértékegysége a részecskefizikában az elektronvolt (eV): 1 eV energiát 1 elektron 1 voltos potenciálkülönbségen áthaladva szerzi meg. Mivel egy coulombban 6,24 × 10 18 elektron van, akkor 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.

Hadd emlékeztesselek arra, hogy a CERN nagy hadronütköztetőjében egy proton energiájának 7 TeV-nek kell lennie.

3. A relativitáselméletről

3.1. Referenciakeretek. Valamennyi kísérletünket egyik vagy másik referenciakeretben írjuk le. A referenciarendszer lehet laboratórium, vonat, földi műhold, a galaxis közepe... . A referenciarendszer lehet bármilyen repülő részecske, például egy részecskegyorsítóban. Mivel ezek a rendszerek egymáshoz képest mozognak, nem minden kísérlet fog ugyanúgy kinézni bennük. Emellett a közeli tömeges testek gravitációs hatása is eltérő. Ezeknek a különbségeknek a figyelembe vétele alkotja a relativitáselmélet fő tartalmát.

3.2. Galilei hajója. Galilei megfogalmazta a relativitás elvét, színesen leírva mindenféle kísérletet egy simán vitorlás hajó kabinjában. Ha az ablakok függönyösek, ezekkel a kísérletekkel nem lehet kideríteni, milyen gyorsan halad a hajó, és hogy áll-e. Einstein véges fénysebesség-kísérleteket adott ehhez a kabinhoz. Ha nem néz ki az ablakon, nem tudja megmondani a hajó sebességét. De ha a partra néz, megteheti.

3.3. Távoli csillagok*. Célszerű olyan referenciakeretet megadni, amelyhez viszonyítva az emberek megfogalmazhatják kísérleteik eredményeit, függetlenül attól, hogy hol vannak. Egy rendszer, amelyben a távoli csillagok mozdulatlanok, régóta elfogadott ilyen univerzális vonatkoztatási rendszer. És viszonylag nemrég (fél évszázaddal ezelőtt) még távolabbi kvazárokat fedeztek fel, és kiderült, hogy ebben a rendszerben a reliktum mikrohullámú háttérnek izotrópnak kell lennie.

3.4. Univerzális referenciarendszer keresése*. Lényegében a csillagászat egész története előrelépést jelent egy egyre univerzálisabb vonatkoztatási keret felé. Az antropocentrikustól, ahol az ember van a középpontban, a geocentrikusig, ahol a Föld nyugszik a középpontban (Ptolemaiosz, 87–165), a heliocentrikusig, ahol a Nap nyugszik a középpontban (Kopernikusz, 1473–1543), a galacentrikusig, ahol Galaxisunk közepe nyugszik, a ködben, ahol a ködrendszer - galaxishalmazok nyugszik; a háttérben, ahol a kozmikus mikrohullámú háttér izotróp. Fontos azonban, hogy ezeknek a referenciarendszereknek a sebessége kicsi a fénysebességhez képest.

3.5. Kopernikusz, Kepler, Galilei, Newton*. Nicolaus Kopernikusz 1543-ban kiadott „Az égi szférák forgásairól” című könyvében ez áll: „A Napban észlelhető összes mozgás nem sajátja, hanem a Földhöz és a mi szféránkhoz tartozik, amivel együtt a Nap körül keringünk, mint bármely más bolygó; így a Földnek több mozgása van. A bolygók látszólagos előre-hátra mozgása nem hozzájuk, hanem a Földhöz tartozik. Így ez a mozgás önmagában elegendő magyarázatot adni az égbolton látható számos szabálytalanságra.”

Kopernikusz és Kepler (1571–1630) egyszerű fenomenológiai leírást adtak e mozgások kinematikájáról. Galilei (1564–1642) és Newton (1643–1727) fejtették ki dinamikájukat.

3.6. Univerzális tér és idő*. Az univerzális vonatkoztatási rendszernek nevezett térbeli koordinátákat és időt a relativitáselmélettel teljes összhangban nevezhetjük univerzálisnak vagy abszolútumnak. Csak azt fontos hangsúlyozni, hogy ezt a rendszert a helyi megfigyelők választják ki és állapodnak meg. Minden referenciarendszer, amely az univerzális rendszerhez képest fokozatosan mozog, inerciális: benne a szabad mozgás egyenletes és egyenes vonalú.

3.7. "Az invariancia elmélete"*. Figyeljük meg, hogy mind Albert Einstein (1879–1955), mind Max Planck (1858–1947) (aki 1907-ben megalkotta a „relativitáselmélet” kifejezést, utalva az Einstein által 1905-ben előterjesztett elméletre) úgy gondolta, hogy az „elmélet invariancia” kifejezés. pontosabban tükrözheti a lényegét. De úgy tűnik, a 20. század elején sokkal fontosabb volt az olyan fogalmak relativitásának hangsúlyozása, mint az idő és az egyidejűség egyenlő inerciális vonatkoztatási rendszerekben, mintsem ezek közül egyet kiemelni. A fontosabb az volt, hogy Galileo kabinjának ablakai lefüggönyözve nem lehetett meghatározni a hajó sebességét. De most ideje kinyitni a függönyt, és megnézni a partot. Ebben az esetben természetesen az összes behúzott függöny mellett kialakított minta megingathatatlan marad.

3.8. Levél Chimmernek*. 1921-ben Einstein E. Chimmernek, a „Philosophical Letters” című könyv szerzőjének írt levelében ezt írta: „Ami a „relativitáselmélet” kifejezést illeti, elismerem, hogy sajnálatos, és filozófiai félreértésekhez vezet.” De Einstein szerint túl késő változtatni ezen, különösen azért, mert széles körben elterjedt. Ez a levél a Princetonban megjelent 25 kötetes „Einstein összegyűjtött munkái” 12. kötetében jelent meg, 2009 őszén.

3.9. Maximális sebesség a természetben. A relativitáselmélet kulcsállandója a fénysebesség c= 300 000 km/s = 3 × 10 8 m/s. (Pontosabban, c= 299 792 458 m/s. És ez a szám most a mérő definíciójának alapja.) Ez a sebesség bármely jel maximális terjedési sebessége a természetben. Sok nagyságrenddel meghaladja azoknak a hatalmas tárgyaknak a sebességét, amelyekkel nap mint nap foglalkozunk. Éppen szokatlanul nagy értéke akadályozza a relativitáselmélet fő tartalmának megértését. A fénysebesség nagyságrendjének megfelelő sebességgel mozgó részecskéket relativisztikusnak nevezzük.

3.10. Energia, lendület és sebesség. A részecske szabad mozgását a részecske energiája jellemzi Eés annak impulzusa p. A relativitáselmélet szerint a részecske sebessége v képlet határozza meg

Szektében tárgyalt terminológiai zűrzavar egyik fő oka. 3.14, hogy a relativitáselmélet megalkotásakor megpróbálták megőrizni a newtoni kapcsolatot a lendület és a sebesség között p = mv, ami ellentmond a relativitáselméletnek.

3.11. Súly. Részecske tömeg m képlet határozza meg

Míg egy részecske energiája és lendülete a vonatkoztatási rendszertől, a tömegének nagyságától függ m nem függ a referenciarendszertől. Ez egy invariáns. Az (1) és (2) képlet alapvető a relativitáselméletben.

Furcsa módon az első relativitáselmélet monográfiája, amelyben a (2) képlet szerepelt, csak 1941-ben jelent meg. Ez L. Landau (1908–1968) és E. Lifshitz (1915–1985) „Field Theories” volt. . Einstein egyik művében sem találtam. Nem található meg W. Pauli (1900–1958) csodálatos, 1921-ben megjelent könyvében, a „Relativitáselmélet” című könyvében. De az ezt a képletet tartalmazó relativisztikus hullámegyenlet P. Dirac „Principles of Quantum Mechanics” című könyvében található. , 1930-ban (1902–1984), és még korábban O. Klein (1894–1977) és V. Fock (1898–1974) 1926-os cikkeiben.

3.12. Tömeg nélküli foton. Ha egy részecske tömege nulla, azaz a részecske tömegtelen, akkor az (1) és (2) képletből az következik, hogy bármely vonatkoztatási rendszerben a sebessége egyenlő c. Mivel egy fényrészecske - egy foton - tömege olyan kicsi, hogy nem detektálható, általánosan elfogadott, hogy egyenlő nullával és c- ez a fénysebesség.

3.13. A pihenés energiája. Ha a részecske tömege eltér nullától, akkor vegye figyelembe azt a vonatkoztatási rendszert, amelyben a szabad részecske nyugalmi állapotban van, és v = 0, p= 0. Az ilyen vonatkoztatási rendszert a részecske nyugalmi keretének, a részecske energiáját pedig nyugalmi energiának nevezzük, és jelöljük. E 0. A (2) képletből az következik

Ez a képlet egy hatalmas részecske nyugalmi energiája és tömege közötti kapcsolatot fejezi ki, amelyet Einstein fedezett fel 1905-ben.

3.14. – A leghíresebb képlet. Sajnos nagyon gyakran Einstein képlete „a leghíresebb képlet” formájában van írva E = mc 2”, elhagyva a nyugalmi energia nulla indexét, ami számos félreértéshez és zűrzavarhoz vezet. Végül is ez a „híres képlet” az energiát és a tömeget azonosítja, ami általában ellentmond a relativitáselméletnek, és különösen a (2) képletnek. Ebből az a széles körben elterjedt tévhit következik, hogy a test tömege a relativitáselmélet szerint állítólag a sebesség növekedésével növekszik. Az elmúlt években az Orosz Oktatási Akadémia sokat tett ennek a tévhitnek az eloszlatására.

3.15. A sebesség mértékegysége*. A relativitáselméletben, amely a fénysebességhez mérhető sebességekkel foglalkozik, természetes, hogy c mint a sebesség mértékegysége. Ez a választás leegyszerűsíti az összes képletet, mivel c/c= 1, és fel kell tenni őket c= 1. Ebben az esetben a sebesség dimenzió nélküli mennyiséggé válik, a távolságé az idő, a tömegé az energia dimenziója.

A részecskefizikában a részecskék tömegét általában elektronvoltban – eV-ben és származékaiban – mérik (lásd 2.14. fejezet). Az elektron tömege körülbelül 0,5 MeV, a proton tömege körülbelül 1 GeV, a legnehezebb kvark tömege körülbelül 170 GeV, a neutrínó tömege pedig körülbelül egy eV töredéke.

3.16. Csillagászati ​​távolságok*. A csillagászatban a távolságokat fényévekben mérik. Az Univerzum látható részének mérete körülbelül 14 milliárd fényév. Ez a szám még lenyűgözőbb, ha összehasonlítjuk a 10–24 másodperces idővel, amely alatt a fény egy proton nagyságrendű távolságot tesz meg. És ezen a kolosszális tartományon keresztül működik a relativitáselmélet.

3.17. Minkowski világa. 1908-ban, néhány hónappal korai halála előtt, Herman Minkowski (1864–1909) prófétailag ezt mondta: „A térről és időről alkotott nézetek, amelyeket előtted ki akarok alakítani, kísérleti fizikai alapon merültek fel. Ez az erejük. Hajlamuk radikális. Ezentúl a térnek önmagában és az időnek önmagában fikcióvá kell alakulnia, és csak a kettő valamilyen kombinációja kell, hogy megőrizze függetlenségét.”

Egy évszázaddal később már tudjuk, hogy az idő és a tér nem vált fikcióvá, de Minkowski ötlete lehetővé tette az anyagrészecskék mozgásának és kölcsönhatásainak nagyon egyszerű leírását.

3.18. Négydimenziós világ*. Olyan egységekben, amelyekben c= 1, Minkowski világának ötlete, amely az időt és a háromdimenziós teret egyetlen négydimenziós világgá egyesíti, különösen szépnek tűnik. Az energia és az impulzus egyetlen négydimenziós vektorban egyesül, és a tömeg a (2) egyenletnek megfelelően ennek az energia-impulzus 4-vektornak a pszeudo-euklideszi hosszaként szolgál. p = E, p:

A Minkowski-világ négydimenziós pályáját világvonalnak, az egyes pontokat pedig világpontoknak nevezzük.

3.19. Az óra sebességétől való függése**. Számos megfigyelés azt mutatja, hogy az órák a tehetetlenségi kerethez képest nyugalmi állapotban járnak a leggyorsabban. A véges mozgás egy inerciális vonatkoztatási rendszerben lelassítja a fejlődésüket. Minél gyorsabban mozognak a térben, annál lassabban haladnak az időben. A lassulás abszolút az univerzális referenciarendszerben (lásd a 3.1–3.8 fejezeteket). Mértéke az arány E/m, amit gyakran γ betűvel jelölnek.

3.20. Müonok gyűrűgyorsítóban és nyugalomban**. Ennek a lassulásnak a létezését legtisztábban egy nyugalmi müon és egy gyűrűgyorsítóban forgó müon élettartamának összehasonlításával láthatjuk. Az a tény, hogy a gyorsítóban a müon nem mozog teljesen szabadon, hanem centripetális gyorsulása van ω 2 R, Ahol ω a keringés radiális frekvenciája, és R- pályasugár, csak elhanyagolható korrekciót ad, hiszen E/ω 2 R = ER>> 1. A körben és nem egyenes vonalban történő mozgás feltétlenül szükséges egy forgó müon és egy álló müon közvetlen összehasonlításához. De a mozgó müon öregedési sebességét tekintve egy kellően nagy sugarú körív megkülönböztethetetlen az egyenestől. Ezt a tempót az arány határozza meg E/m. (Hangsúlyozom, hogy a speciális relativitáselmélet szerint az a vonatkoztatási rendszer, amelyben egy forgó müon nyugalomban van, nem tehetetlen.)

3.21. Ív és akkord**. Egy tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerben nyugalmi megfigyelő szempontjából a kellően nagy sugarú körív és húrja gyakorlatilag megkülönböztethetetlen: az ív mentén történő mozgás szinte inerciális. A nyugalomban lévő megfigyelő szempontjából a körben repülő müonhoz képest mozgása lényegében nem tehetetlen. Hiszen a sebessége fél fordulat alatt előjelet vált. (A mozgó szemlélő számára a távoli csillagok korántsem mozdulatlanok. Az egész Univerzum aszimmetrikus számára: a csillagok elöl kékek, hátul vörösek. Míg számunkra ezek mind egyformák - aranyszínűek, mert a nap sebessége rendszer alacsony.) Ennek a megfigyelőnek a tehetetlensége pedig abban nyilvánul meg, hogy az elöl és mögötte lévő csillagképek a müon mozgásával a gyűrűgyorsítóban változnak. A nyugalomban lévő és a mozgásban lévő megfigyelőket nem tekinthetjük egyenértékűnek, mivel az első nem tapasztal gyorsulást, a másodiknak pedig, hogy visszatérjen a találkozási helyre, azt tapasztalnia kell.

3.22. GTO**. Az általános relativitáselmélet (GTR) nyelvezetéhez szokott elméleti fizikusok ragaszkodnak ahhoz, hogy minden vonatkoztatási rendszer egyenlő legyen. Nemcsak inerciális, hanem gyorsított is. Maga a téridő görbe. Ebben az esetben a gravitációs kölcsönhatás megszűnik ugyanaz a fizikai kölcsönhatás, mint az elektromágneses, gyenge és erős, hanem a görbe tér kizárólagos megnyilvánulása lesz. Ennek eredményeként úgy tűnik, hogy számukra az egész fizika két részre oszlik. Ha abból indulunk ki, hogy a gyorsulás mindig kölcsönhatásnak köszönhető, hogy nem relatív, hanem abszolút, akkor a fizika egységessé és egyszerűvé válik.

3.23. "Lenkom". A „relativitás” és a „relativizmus” szavak használata a fénysebességre vonatkozóan a Lenkom színház vagy a Moszkovszkij Komsomolec újság nevére emlékeztet, csak genealógiailag kapcsolódik a Komszomolhoz. Ezek a nyelv paradoxonai. A fény sebessége vákuumban nem relatív. Ő abszolút. A fizikusoknak csak a nyelvészek segítségére van szükségük.

4. A kvantumelméletről

4.1. Planck állandó. Ha a relativitáselméletben a kulcsállandó a fénysebesség c, akkor a kvantummechanikában a kulcsállandó az h= 6,63·10 −34 J·s, Max Planck fedezte fel 1900-ban. Ennek az állandónak a fizikai jelentése a következő bemutatásból fog kiderülni. A kvantummechanika képleteiben többnyire megjelenik az úgynevezett redukált Planck-állandó:

ħ = h/2π= 1,05 10 -34 J × c= 6,58·10 −22 MeV·c.

Sok jelenségben a mennyiség játszik fontos szerepet ħc= 1,97·10−11 MeV cm.

4.2. Elektron spin. Kezdjük az atom és a bolygórendszer jól ismert naiv összehasonlításával. A bolygók a Nap körül és saját tengelyük körül forognak. Hasonlóképpen, az elektronok az atommag körül és saját tengelyük körül forognak. Az elektron forgását a pályáján az orbitális szögimpulzus jellemzi L(gyakran és nem egészen helyesen orbitális szögmomentumnak nevezik). Az elektron saját tengelye körüli forgását saját szögimpulzusa – spinje – jellemzi S. Kiderült, hogy a világ összes elektronjának spinje egyenlő (1/2) ħ . Összehasonlításképpen megjegyezzük, hogy a Föld „pörgése” 6·10 33 m 2 kg/s = 6·10 67 ħ .

4.3. Hidrogén atom. Valójában az atom nem bolygórendszer, és az elektron sem egy pályán mozgó közönséges részecske. Az elektron, mint minden más elemi részecske, egyáltalán nem részecske a szó köznapi értelmében, ami azt jelenti, hogy a részecskének egy bizonyos pályán kell mozognia. A legegyszerűbb atomban - egy hidrogénatomban, ha alapállapotában van, azaz nem gerjesztett, akkor az elektron inkább egy 0,5 × 10 -10 m sugarú gömbfelhőhöz hasonlít. Az atom gerjesztésekor az elektron egyre magasabb állapotokba kerül, egyre nagyobb mérettel.

4.4. Az elektronok kvantumszámai. A spin figyelembe vétele nélkül az elektron mozgását egy atomban két kvantumszám jellemzi: a főkvantumszám nés a pályakvantumszám l, és n ≥ l. Ha l= 0, akkor az elektron gömbszimmetrikus felhő. Minél nagyobb n, annál nagyobb ez a felhő. A több l, annál inkább hasonlít az elektron mozgása egy klasszikus részecske mozgásához a pályáján. Egy kvantumszámú héjon lévő hidrogénatomban elhelyezkedő elektron kötési energiája n, egyenlő

Ahol α =e 2/ħc≈ 1/137,a e- elektrontöltés.

4.5. Többelektronos atomok. A spin kulcsszerepet játszik a többelektronos atomok elektronhéjának kitöltésében. A helyzet az, hogy két azonos irányú önforgással (azonos spinekkel) rendelkező elektron nem lehet ugyanazon a héjon ezekkel az értékekkel nÉs l. Ezt tiltja az úgynevezett Pauli-elv (1900–1958). Lényegében a Pauli-elv határozza meg Mengyelejev elemi periódusos rendszerének (1834–1907) periódusait.

4.6. Bozonok és fermionok. Minden elemi részecskének van spinje. Tehát a foton spinje 1 egységben ħ , a graviton spin 2. Egész spinű részecskék egységekben ħ bozonoknak nevezik. A félegész spinű részecskéket fermionoknak nevezzük. A bozonok kollektivisták: „arra törekednek, hogy mindenki ugyanabban a szobában éljen”, hogy ugyanabban a kvantumállapotban legyenek. A lézer a fotonoknak ezen a tulajdonságán alapul: a lézersugárban lévő összes fotonnak pontosan ugyanaz az impulzusa. A fermionok individualisták: „mindegyiküknek külön lakásra van szüksége”. Az elektronoknak ez a tulajdonsága határozza meg az atomok elektronhéjának kitöltési mintázatát.

4.7. "Kvantumkentaurok". Az elemi részecskék olyanok, mint a kvantumkentaurok: a félrészecskék félhullámok. Hullámtulajdonságaik miatt a kvantumkentaurok a klasszikus részecskékkel ellentétben egyszerre két résen is át tudnak haladni, ami a mögöttük lévő képernyőn interferenciamintát eredményez. Minden kísérlet, amely a kvantumkentaurokat a klasszikus fizika prokrusztészi ágyába illesztette, eredménytelennek bizonyult.

4.8. Bizonytalansági viszonyok.Állandó ħ meghatározza az elemi részecskék nemcsak forgó, hanem transzlációs mozgásának jellemzőit is. A részecske helyzetében és lendületében jelentkező bizonytalanságoknak ki kell elégíteniük az úgynevezett Heisenberg-féle bizonytalansági összefüggéseket (1901–1976), mint pl.

Hasonló kapcsolat létezik az energia és az idő tekintetében:

4.9. Kvantummechanika. Mind a spinkvantálás, mind a bizonytalansági viszonyok a kvantummechanika általános törvényeinek sajátos megnyilvánulásai, amelyeket a 20. század 20-as éveiben hoztak létre. A kvantummechanika szerint bármely elemi részecske, például egy elektron, elemi részecske és elemi (egyrészecskés) hullám is. Ezenkívül a közönséges hullámtól eltérően, amely kolosszális számú részecske periodikus mozgása, az elemi hullám egy egyedi részecske új, korábban ismeretlen mozgástípusa. Lendületű részecske elemi hullámhossza λ p egyenlő λ = h/|p|, és az elemi frekvencia ν , energiának megfelelő E, egyenlő ν = E/h.

4.10. Kvantumtér elmélet.Így eleinte kénytelenek voltunk elismerni, hogy a részecskék tetszőlegesen könnyűek, sőt tömegtelenek is lehetnek, és sebességük nem haladhatja meg c. Aztán kénytelenek voltunk elismerni, hogy a részecskék egyáltalán nem részecskék, hanem részecskék és hullámok sajátos hibridjei, amelyek viselkedését a kvantum egyesíti. h. A relativitáselmélet és a kvantummechanika egyesítését Dirac (1902–1984) hajtotta végre 1930-ban, és ez a kvantumtérelméletnek nevezett elmélet megalkotásához vezetett. Ez az elmélet írja le az anyag alapvető tulajdonságait.

4.11. Egységek, amelyekben c, ħ = 1. A következőkben általában olyan mértékegységeket használunk, amelyekben a sebesség mértékegységét tekintjük c, és egységnyi szögimpulzus (hatás) - ħ . Ezekben az egységekben minden képlet jelentősen leegyszerűsödik. Ezekben különösen az energia, a tömeg és a frekvencia méretei azonosak. Ezeket az egységeket a nagyenergiájú fizika elfogadja, mivel ebben jelentősek a kvantum és a relativisztikus jelenségek. Azokban az esetekben, amikor egy adott jelenség kvantumtermészetét kell hangsúlyozni, kifejezetten kiírjuk ħ . Ugyanezt fogjuk tenni vele c.

4.12. Einstein és a kvantummechanika*. Einstein bizonyos értelemben, miután megszületett a kvantummechanika, nem békült meg vele. Élete végéig pedig a klasszikus térelmélet alapján, figyelmen kívül hagyva próbált felépíteni egy „mindennek egységes elméletét”. ħ . Einstein hitt a klasszikus determinizmusban és a véletlenszerűség megengedhetetlenségében. Megismételte Istenről: „Nem kockáztat.” És nem tudott belenyugodni abba, hogy az egyes részecske bomlásának pillanatát elvileg nem lehet megjósolni, pedig egy adott típusú részecske átlagos élettartamát a kvantummechanika keretein belül példátlan pontossággal jósolják meg. Sajnos elfogultsága túl sok ember véleményét meghatározta.

5. Feynman diagramok

5.1. A legegyszerűbb diagram. A részecskekölcsönhatások kényelmesen megtekinthetők Richard Feynman (1918–1988) által 1949-ben javasolt diagramok segítségével. Az 1. ábra a legegyszerűbb Feynman-diagramot mutatja, amely leírja az elektron és a proton kölcsönhatását fotoncserén keresztül.

Az ábrán látható nyilak az egyes részecskék időáramlási irányát jelzik.

5.2. Valódi részecskék. Minden folyamatot egy vagy több Feynman-diagram ábrázol. A diagram külső vonalai a bejövő (interakció előtt) és a kimenő (interakció után) részecskéknek felelnek meg, amelyek szabadok. 4 momentumuk kielégíti az egyenletet

Valódi részecskéknek nevezik őket, és azt mondják, hogy a tömeg felszínén vannak.

5.3. Virtuális részecskék. A diagramok belső vonalai virtuális állapotban lévő részecskéknek felelnek meg. Nekik

Ezeket virtuális részecskéknek nevezik, és off-shellnek mondják. Egy virtuális részecske terjedését egy terjedőnek nevezett matematikai mennyiség írja le.

Ez az általános terminológia arra késztetheti a kezdőt, hogy azt higgye, hogy a virtuális részecskék kevésbé anyagiak, mint a valódi részecskék. A valóságban egyformán anyagiak, de a valós részecskéket anyagnak és sugárzásnak, a virtuális részecskéket pedig főként erőtérnek érzékeljük, bár ez a megkülönböztetés nagyrészt önkényes. Fontos, hogy ugyanaz a részecske, például egy foton vagy egy elektron, bizonyos körülmények között valóságos, más esetekben virtuális lehet.

5.4. Csúcsok. A diagram csúcsai a részecskék közötti elemi kölcsönhatások lokális aktusait írják le. Minden csúcsban megmarad a 4-es lendület. Könnyen belátható, hogy ha három stabil részecskék sora találkozik egy csúcsban, akkor legalább az egyiknek virtuálisnak kell lennie, vagyis a tömegfelületen kívül kell lennie: „Bolivar nem tud hármat lebontani.” (Például egy szabad elektron nem tud szabad fotont kibocsátani, és továbbra is szabad elektron marad.)

Két valós részecske távolról kölcsönhatásba lép, egy vagy több virtuális részecskét kicserélve.

5.5. Terítés. Ha azt mondják, hogy a valós részecskék mozognak, akkor a virtuális részecskék terjednek. A "terjedés" kifejezés azt a tényt hangsúlyozza, hogy egy virtuális részecskének számos pályája lehet, és előfordulhat, hogy egyik sem klasszikus, mint a statikus Coulomb-kölcsönhatást leíró nulla energiájú és nem nulla impulzusú virtuális foton.

5.6. Antirészecskék. A Feynman-diagramok figyelemre méltó tulajdonsága, hogy a részecskéket és a hozzájuk tartozó antirészecskéket is egységesen írják le. Ebben az esetben az antirészecske úgy néz ki, mint egy időben visszafelé mozgó részecske. ábrán. A 2. ábra egy proton és antiproton születését ábrázoló diagramot ábrázol az elektron és a pozitron megsemmisülése során.

Az időben való visszalépés egyaránt vonatkozik a fermionokra és a bozonokra. Szükségtelenné teszi a pozitronok töltetlen állapotokként való értelmezését a negatív energiájú elektrontengerben, amelyhez Dirac folyamodott, amikor 1930-ban bevezette az antirészecske fogalmát.

5.7. Schwinger és Feynman diagramok. Schwinger (1918–1994), aki nem törődött a számítási nehézségekkel, nem szerette a Feynman-diagramokat, és kissé lekezelően írta róluk: „Ahogy az utóbbi években a számítógépes chip, úgy a Feynman-diagram is tömegekhez juttatta a számításokat.” Sajnos a chippel ellentétben a Feynman-diagramok nem értek el a legszélesebb tömegeket.

5.8. Feynman és Feynman diagramok. Ismeretlen okokból Feynman diagramjai még a híres Feynman Lectures on Physics-be sem kerültek be. Meggyőződésem, hogy ezeket el kell juttatni a középiskolásoknak úgy, hogy elmagyarázzuk nekik a részecskefizika alapgondolatait. Ez a legegyszerűbb nézet a mikrokozmoszról és a világ egészéről. Ha egy tanuló ismeri a potenciális energia fogalmát (például Newton törvényét vagy Coulomb törvényét), akkor a Feynman-diagramok lehetővé teszik számára, hogy megkapja ennek a potenciális energiának a kifejezését.

5.9. Virtuális részecskék és fizikai erőterek. A Feynman-diagramok a kvantumtérelmélet legegyszerűbb nyelve. (Legalábbis olyan esetekben, amikor a kölcsönhatás nem túl erős, és perturbációelmélet használható.) A kvantumtérelméletről szóló könyvek többsége a részecskéket a mezők kvantumgerjesztőjeként kezeli, amihez ismerni kell a másodlagos kvantálás formalizmusát. A Feynman-diagramok nyelvén a mezőket virtuális részecskék helyettesítik.

Az elemi részecskék korpuszkuláris és hullámtulajdonságokkal is rendelkeznek. Ráadásul valós állapotban az anyag részecskéi, virtuális állapotban pedig erőhordozók is az anyagi tárgyak között. A virtuális részecskék bevezetése után az erő fogalma szükségtelenné válik, és a mező fogalmát, ha korábban nem ismerte, talán a virtuális részecske fogalmának elsajátítása után érdemes bevezetni.

5.10. Elemi interakciók*. A virtuális részecskék (csúcsok) kibocsátásának és abszorpciójának elemi aktusait olyan kölcsönhatási állandók jellemzik, mint az elektromos töltés e foton esetén, gyenge töltések e/sin θ W a W-bozon esetében és e/sin θ W cos θ W a Z-bozon esetében (ahol θ W- Weinberg-szög), színtöltés g a gluonok esetében és a mennyiség √G graviton esetén hol G- Newton állandó. (Lásd a 6–10. fejezetet.) Az elektromágneses kölcsönhatást az alábbiakban a Ch. 7. Gyenge interakció - a Ch. 8. Erős - a ch. 9.

A következő fejezetben kezdjük. 6 gravitációs kölcsönhatással.

6. Gravitációs kölcsönhatás

6.1. Gravitonok. Azokkal a részecskékkel kezdem, amelyeket még nem fedeztek fel, és biztosan nem fognak felfedezni a belátható jövőben. Ezek a gravitációs mező részecskéi - gravitonok. Nemcsak a gravitonokat nem fedezték még fel, hanem a gravitációs hullámokat sem (és ez akkor van, amikor az elektromágneses hullámok szó szerint átjárják életünket). Ez annak köszönhető, hogy alacsony energiáknál a gravitációs kölcsönhatás nagyon gyenge. Amint látni fogjuk, a gravitonok elmélete lehetővé teszi számunkra, hogy megértsük a gravitációs kölcsönhatás összes ismert tulajdonságát.

6.2. A gravitonok cseréje. A Feynman-diagramok nyelvén két test gravitációs kölcsönhatását az ezeket a testeket alkotó elemi részecskék közötti virtuális gravitonok cseréje hajtja végre. ábrán. A 3. ábrán egy gravitont bocsát ki egy p 1 4 impulzusú részecske, és nyeli el egy másik, 4 impulzusú p 2 részecske. A 4-impulzus megmaradása miatt q=p 1 − p′ 1 =p′ 2 −p 2, ahol q a graviton 4 impulzusa.

A virtuális graviton (mint minden virtuális részecske, ennek is van propagátora) terjedését egy rugó ábrázolja az ábrán.

6.3. Hidrogénatom a Föld gravitációs mezejében.ábrán. A 4. ábra azon diagramok összegét mutatja, amelyekben egy 4 impulzusú p 1 hidrogénatom gravitonokat cserél a Föld összes atomjával, amelyek összesen 4 impulzusú p 2 . És ebben az esetben q = p 1 − p′ 1 = p′ 2 − p 2 , ahol q a virtuális gravitonok teljes 4 impulzusa.

6.4. Az atom tömegéről. A jövőben a gravitációs kölcsönhatás vizsgálatánál figyelmen kívül hagyjuk az elektron tömegét a proton tömegéhez képest, és figyelmen kívül hagyjuk a proton és a neutron tömegének különbségét, valamint az atommagokban lévő nukleonok kötési energiáját. Tehát az atom tömege megközelítőleg az atommagban lévő nukleonok tömegének összege.

6.5. Nyereség*. A Föld nukleonjainak száma N E ≈ 3,6·10 51 megegyezik a földi anyag egy grammjában lévő nukleonok számának szorzatával, azaz Avogadro-szám N A ≈ 6·10 23, a Föld tömegével grammban ≈ 6 ·10 27. Ezért az ábra diagramja. A 4. ábra a 3,6 10 51 diagram összegét mutatja. ábrán a Föld vonalainak megvastagodásával és a virtuális gravitonokkal jellemezhető. 4. Ezen túlmenően, a „graviton rugó”, ellentétben egy graviton terjedőjével, az ábrán látható. 4 szürke. Úgy tűnik, hogy 3,6·10 51 gravitont tartalmaz.

6.6. Newton alma a Föld gravitációs mezőjében.ábrán. Az 5. ábrán az összes, összesen 4 impulzusú p 1 almaatom kölcsönhatásba lép az összes földi atommal, amelynek összesen 4 impulzusa p 2 .

6.7. Diagramok száma*. Hadd emlékeztesselek arra, hogy egy gramm közönséges anyag N A = 6·10 23 nukleont tartalmaz. A nukleonok száma egy 100 grammos almában N a = 100N A = 6·10 25. A Föld tömege 6·10 27 g, ezért a Föld nukleonjainak száma N E = 3,6·10 51. Természetesen a vonalak vastagodása az ábrán. Az 5 semmiképpen sem felel meg a hatalmas számú almanukleonnak N a , a földi nukleonoknak N E és a sokkal nagyobb, egyszerűen fantasztikus számú Feynman-diagramnak N d = N a N E = 2,2·10 77 . Végül is az alma minden nukleonja kölcsönhatásba lép a Föld minden nukleonjával. A diagramok óriási számának hangsúlyozása érdekében a rugó az ábrán. 5 sötétté válik.

Bár a graviton és az egyes elemi részecskék közötti kölcsönhatás nagyon kicsi, a Föld összes nukleonjára vonatkozó diagramok összege jelentős vonzerőt kelt, amelyet érezzünk. Az egyetemes gravitáció a Holdat a Föld felé húzza, mindkettőt a Nap felé, a galaxisunk összes csillagát és az összes galaxist egymás felé.

6.8. Feynman-amplitúdó és Fourier-transzformációja***.

Két m 1 és m 2 tömegű lassú test gravitációs kölcsönhatásának Feynman diagramja megfelel a Feynman amplitúdónak

Ahol G- Newton-állandó, a q- Virtuális gravitonok által hordozott 3 lendület. (Érték 1/q 2, Ahol q- 4 impulzusú, úgynevezett graviton propagátor. Lassú testeknél az energia gyakorlatilag nem kerül átadásra és ezért q 2 = −q 2 .)

Az impulzustérből a konfigurációs (koordináta) térbe való átlépéshez az A( q)

A( r) megadja a nem relativisztikus részecskék gravitációs kölcsönhatásának potenciális energiáját, és meghatározza a relativisztikus részecske mozgását egy statikus gravitációs térben.

6.9. Newton potenciálja*. Két m 1 és m 2 tömegű test potenciális energiája egyenlő

Ahol G- Newton-állandó, a r- testek közötti távolság.

Ezt az energiát a virtuális gravitonok „rugója” tartalmazza az ábrán. 5. Kölcsönhatás, melynek potenciálja 1/ r, az úgynevezett hosszú távú. A Fourier-transzformáció segítségével láthatjuk, hogy a gravitáció nagy hatótávolságú, mivel a graviton tömeg nélküli.

6.10. Yukawa típusú potenciál**. Valóban, ha a graviton tömege nem nulla m, akkor a cseréjéhez tartozó Feynman-amplitúdó alakja lenne

és egy olyan potenciál, mint a Yukawa-potenciál, cselekvési skálával megfelelne neki r ≈ 1/m:

6.11. A potenciális energiáról**. Newton nem relativisztikus mechanikájában egy részecske mozgási energiája a sebességétől (impulzusától), a potenciális energia pedig csak a koordinátáitól, azaz a térbeli helyzetétől függ. A relativisztikus mechanikában ez a követelmény nem tartható be, mivel a részecskék kölcsönhatása gyakran függ sebességüktől (pillanataitól), és ennek következtében a mozgási energiától. A közönséges, meglehetősen gyenge gravitációs terek esetében azonban a részecske mozgási energiájának változása kicsi a teljes energiájához képest, ezért ez a változás elhanyagolható. Egy gyenge gravitációs térben lévő nemrelativisztikus részecske összenergiája ε = E rokon + E 0 + U.

6.12. A gravitáció egyetemessége. Minden más kölcsönhatástól eltérően a gravitáció az egyetemesség figyelemre méltó tulajdonságával rendelkezik. A graviton kölcsönhatása bármely részecskével nem függ a részecske tulajdonságaitól, hanem csak a részecske energiamennyiségétől. Ha ez a részecske lassú, akkor nyugalmi energiája E 0 = mc 2, amelyet tömege tartalmaz, messze meghaladja a mozgási energiáját. Ezért a gravitációs kölcsönhatása arányos a tömegével. De egy elég gyors részecske esetében a mozgási energiája sokkal nagyobb, mint a tömege. Ebben az esetben gravitációs kölcsönhatása gyakorlatilag független a tömegtől, és arányos annak mozgási energiájával.

6.13. A graviton spin és a gravitáció egyetemessége**. Pontosabban, a graviton kibocsátás nem az egyszerű energiával, hanem a részecske energia-impulzus tenzorával arányos. Ez pedig annak a ténynek köszönhető, hogy a graviton spinje egyenlő kettővel. Legyen a részecske 4-es impulzusa a graviton kibocsátása előtt p 1 és a kibocsátás után p 2. Ekkor a graviton impulzus egyenlő q = p 1 − p 2. Ha megadja a megnevezést p = p 1 + p 2, akkor a graviton emisszió csúcsának alakja lesz

ahol h αβ a graviton hullámfüggvény.

6.14. A graviton és a foton kölcsönhatása**. Ez különösen jól látható egy foton példáján, amelynek tömege nulla. Kísérletileg bebizonyosodott, hogy amikor egy foton az épület alsó szintjéről a felső szintre repül, a lendülete a Föld gravitációja hatására csökken. Az is bebizonyosodott, hogy egy távoli csillag fénysugarát a Nap gravitációs vonzása eltéríti.

6.15. A foton kölcsönhatása a Földdel**. ábrán. A 6. ábra a gravitonok cseréjét mutatja a Föld és a foton között. Ez az ábra hagyományosan egy foton és a Föld összes nukleonja közötti gravitoncserék összegét jelenti. Rajta a Föld csúcsát a nukleoncsúcsból úgy kapjuk meg, hogy megszorozzuk a Föld ÉK-i nukleonjainak számával úgy, hogy a nukleon 4-es impulzusát a Föld 4-impulzusára cseréljük (lásd 3. ábra).

6.16. A graviton és a graviton kölcsönhatása***. Mivel a gravitonok energiát hordoznak, maguknak kell gravitonokat kibocsátani és elnyelni. Soha nem láttunk egyedi gravitonokat és nem is fogunk látni. Ennek ellenére a virtuális gravitonok közötti kölcsönhatás megfigyelhető hatásokhoz vezet, első pillantásra három virtuális graviton hozzájárulása két nukleon gravitációs kölcsönhatásához túl kicsi ahhoz, hogy kimutatható legyen (lásd 7. ábra).

6.17. A Merkúr világi precessziója**. Ez a hozzájárulás azonban a Merkúr pályája perihéliumának precessziójában nyilvánul meg. A Merkúr világi precesszióját a Merkúrnak a Naphoz való vonzódását ábrázoló egyhurkos gravitondiagramok összege írja le (8. ábra).

6.18. Nyereség a Mercury számára**. A Merkúr és a Föld tömegaránya 0,055. Tehát a nukleonok száma a Merkúrban N M = 0,055 N E= 2·10 50 . A Nap tömege KISASSZONY= 2·10 33 g. Tehát a nukleonok száma a Napban N S = N A M S= 1,2·10 57 . És a Merkúr és a Nap nukleonjainak gravitációs kölcsönhatását leíró diagramok száma, N dM= 2,4·10 107 .

Ha a Merkúr Naphoz való vonzódásának potenciális energiája egyenlő U = GM S M M/r, akkor a virtuális gravitonok egymás közötti kölcsönhatásának tárgyalt korrekcióját figyelembe véve megszorozzuk 1 − 3-mal GM S/r. Látjuk, hogy a potenciális energia korrekciója −3 G 2 M S 2 M M /r 2.

6.19. A Merkúr pályája**. A Merkúr pálya sugara a= 58·10 6 km. A keringési periódus 88 földi nap. Orbitális excentricitás e= 0,21. A tárgyalt korrekció miatt egy fordulat alatt a pálya fél-főtengelye 6π szögben elfordul. GM S/a(1 − e 2), azaz körülbelül egytized ívmásodperc, és 100 földi év alatt 43 "-kal elfordul.

6.20. Gravitációs bárány eltolódás**. Bárki, aki tanulmányozta a kvantumelektrodinamikát, azonnal látni fogja, hogy az ábra diagramja. A 7. ábra hasonló a 2. szint frekvencia- (energia) eltolódását leíró háromszögdiagramhoz S 1/2 a 2. szinthez képest P 1/2 a hidrogénatomban (ahol a háromszög egy fotonból és két elektronvonalból áll). Ezt az eltolódást 1947-ben Lamb és Rutherford mérte, és 1060 MHz-nek (1,06 GHz) találta.

Ez a mérés elindította az elméleti és kísérleti munka láncreakcióját, amely kvantumelektrodinamika és Feynman-diagramok létrehozásához vezetett. A Merkúr precessziós frekvenciája 25 nagyságrenddel alacsonyabb.

6.21. Klasszikus vagy kvantumhatás?**. Köztudott, hogy a Lamb szintenergia-eltolódás tisztán kvantumhatás, míg a Merkúr precessziója tisztán klasszikus hatás. Hogyan írhatók le hasonló Feynman-diagramokkal?

A kérdés megválaszolásához emlékeznünk kell a kapcsolatra E = ħω és vegyük figyelembe, hogy a Fourier-transzformáció az impulzustérből a konfigurációs térbe való átmenet során a Szekt. 6.8 tartalmaz e énqr / ħ . Ezenkívül figyelembe kell venni, hogy az elektromágneses Lamb eltolási háromszögben csak egy tömeg nélküli részecske (foton) vonala van, a másik kettő pedig elektronterjesztő. Ezért a benne lévő karakterisztikus távolságokat az elektron tömege (az elektron Compton-hullámhossza) határozza meg. A Merkúr precessziós háromszögében pedig egy tömeg nélküli részecske (graviton) két terjesztője van. Ez a körülmény a három graviton csúcs miatt oda vezet, hogy a gravitációs háromszög összehasonlíthatatlanul nagyobb távolságokban járul hozzá, mint az elektromágneses háromszög. Ez az összehasonlítás bemutatja a kvantumtérelmélet erejét a Feynman-diagramok módszerében, amely lehetővé teszi a kvantum és klasszikus jelenségek széles körének egyszerű megértését és kiszámítását.

7. Elektromágneses kölcsönhatás

7.1. Elektromos kölcsönhatás. A részecskék elektromos kölcsönhatása virtuális fotonok cseréjével valósul meg, amint az az ábrán látható. 19.

A gravitonokhoz hasonlóan a fotonok is tömeg nélküli részecskék. Tehát az elektromos kölcsönhatás is nagy hatótávolságú:

Miért nem olyan univerzális, mint a gravitáció?

7.2. Pozitív és negatív töltések. Először is, mert két előjelű elektromos töltések vannak. Másodszor pedig azért, mert vannak olyan semleges részecskék, amelyeknek egyáltalán nincs elektromos töltése (neutron, neutrínó, foton...). Az ellentétes előjelű töltésű részecskék, mint az elektron és a proton, vonzzák egymást. Az azonos töltésű részecskék taszítják egymást. Ennek eredményeként az atomok és a belőlük álló testek alapvetően elektromosan semlegesek.

7.3. Semleges részecskék. Neutron tartalmaz u-kvark +2 töltéssel e/3 és kettő d-kvark töltéssel − e/3. Tehát a neutron teljes töltése nulla. (Emlékezzünk vissza, hogy egy proton kettőt tartalmaz u-kvark és egy d-kvark.) Valóban elektromos töltéssel nem rendelkező elemi részecskék a foton, graviton, neutrínó, Z-bozon és Higgs-bozon.

7.4. Coulomb potenciál. Potenciális vonzási energia egy elektron és egy távoli proton között r egymástól, egyenlők

7.5. Mágneses kölcsönhatás. A mágneses kölcsönhatás nem olyan nagy hatótávolságú, mint az elektromos kölcsönhatás. úgy esik, mint 1/ r 3. Ez nem csak a két mágnes távolságától függ, hanem a relatív orientációjuktól is. Jól ismert példa az iránytű tűjének kölcsönhatása a Föld mágneses dipólusterével. Két mágneses dipólus kölcsönhatásának potenciális energiája μ 1 és μ 2 egyenlő

Ahol n = r/r.

7.6. Elektromágneses kölcsönhatás. A 19. század legnagyobb vívmánya az volt, hogy felfedezték, hogy az elektromos és a mágneses erők ugyanazon elektromágneses erő két különböző megnyilvánulása. M. Faraday (1791–1867) 1821-ben egy mágnes és egy vezető és az áram kölcsönhatását vizsgálta. Egy évtizeddel később megállapította az elektromágneses indukció törvényeit, amikor két vezető kölcsönhatásba lép. A következő években bevezette az elektromágneses mező fogalmát, és kifejezte a fény elektromágneses természetének gondolatát. Az 1870-es években J. Maxwell (1831–1879) felismerte, hogy az elektromágneses kölcsönhatások az optikai jelenségek széles osztályáért felelősek: a fény kibocsátásáért, átalakulásáért és abszorpciójáért, és megírta az elektromágneses teret leíró egyenleteket. Hamarosan G. Hertz (1857–1894) felfedezte a rádióhullámokat, V. Roentgen (1845–1923) pedig a röntgensugarakat. Egész civilizációnk az elektromágneses kölcsönhatások megnyilvánulásain alapul.

7.7. A relativitáselmélet és a kvantummechanika egyesítése. A fizika fejlődésének legfontosabb állomása 1928 volt, amikor megjelent P. Dirac (1902–1984) cikke, amelyben kvantum és relativisztikus egyenletet javasolt az elektronra. Ez az egyenlet tartalmazza az elektron mágneses momentumát, és jelezte az elektron antirészecskéjének – a pozitronnak – létezését, amelyet néhány évvel később fedeztek fel. Ezt követően a kvantummechanikát és a relativitáselméletet kvantumtérelméletté egyesítették.

Az, hogy az elektromágneses kölcsönhatásokat a virtuális fotonok emissziója és abszorpciója okozza, csak a 20. század közepén vált teljesen világossá a Feynman-diagramok megjelenésével, vagyis azután, hogy a virtuális részecske fogalma egyértelműen kialakult.

8. Gyenge interakció

8.1. Nukleáris kölcsönhatások. A 20. század elején fedezték fel az atomot és annak magját és α -, β - És γ - radioaktív atommagok által kibocsátott sugarak. Mint kiderült, γ - a sugarak nagyon nagy energiájú fotonok, β - a sugarak nagy energiájú elektronok, α -sugarak - hélium magok. Ez két új típusú kölcsönhatás felfedezéséhez vezetett – erős és gyenge. A gravitációs és elektromágneses kölcsönhatásoktól eltérően az erős és gyenge kölcsönhatások rövid hatótávolságúak.

Később kiderült, hogy felelősek a hidrogén héliummá történő átalakulásáért Napunkban és más csillagainkban.

8.2. Töltött áramok*. A gyenge kölcsönhatás felelős a neutron protonná történő átalakulásáért elektron és elektron antineutrínó kibocsátásával. A gyenge kölcsönhatási folyamatok nagy csoportja azon alapul, hogy az egyik típusú kvarkokat virtuális emisszióval (vagy abszorpcióval) egy másik típusú kvarkká alakítják. W- bozonok: u, c, t ↔ d, s, b. Hasonlóképpen az emisszió és az abszorpció tekintetében W-bozonok, átmenetek mennek végbe a töltött leptonok és a megfelelő neutrínók között:

e ↔ ν e, μ ↔ ν μ , τ ↔ ν τ . A típusú átmenetek is ugyanúgy előfordulnak dˉu ↔ Wés eˉν e ↔ W. Mindezekben az átmenetekben, amelyek magukban foglalják W A bozonok úgynevezett töltött áramokat foglalnak magukban, amelyek eggyel megváltoztatják a leptonok és kvarkok töltéseit. A töltött áramok gyenge kölcsönhatása rövid hatótávolságú, és a Yukawa-potenciál írja le e-mWr/r, tehát effektív sugara az r ≈ 1/mW.

8.3. Semleges áramok*. Az 1970-es években felfedezték a neutrínók, elektronok és nukleonok közötti gyenge kölcsönhatási folyamatokat, amelyeket úgynevezett semleges áramok okoztak. Az 1980-as években kísérletileg megállapították, hogy a töltött áramok kölcsönhatásai a cserén keresztül jönnek létre W-bozonok, és a semleges áramok kölcsönhatása - cserén keresztül Z- bozonok.

8.4. Szabálysértés P- És C.P.-paritás*. Az 1950-es évek második felében térbeli paritássértést fedeztek fel Pés töltési paritást C gyenge kölcsönhatásokban. 1964-ben gyenge bomlásokat fedeztek fel, amelyek sértik a természetvédelmi előírásokat C.P.-szimmetria. Jelenleg a jogsértés mechanizmusa C.P.-szimmetriát tartalmazó mezonok bomlásaiban vizsgálják b-kvarkok.

8.5. Neutrinó rezgések*. Az elmúlt két évtizedben a fizikusok figyelme Kamiokában (Japán) és Sudburyben (Kanada) a földalatti kilotonnás detektorokon végzett mérésekre összpontosult. Ezek a mérések azt mutatták, hogy a három neutrínótípus között ν e , ν μ , ν τ Kölcsönös átmenetek (oszcillációk) vákuumban jönnek létre. Ezeknek az oszcillációknak a természete tisztázás alatt áll.

8.6. Electroweak interakció. Az 1960-as években megfogalmazták azt az elméletet, hogy az elektromágneses és a gyenge erők egyetlen elektrogyenge erő különböző megnyilvánulásai. Ha szigorú elektrogyenge szimmetria lenne, akkor a tömegek W- És Z- a bozonok egyenlőek lennének nullával, mint a foton tömege.

8.7. Electroweak szimmetriatörés. A szabványos modellben a Higgs-bozon megtöri az elektrogyenge szimmetriát, és ezzel megmagyarázza, hogy a foton miért tömegtelen, a gyenge bozonok pedig tömegesek. Tömegeket ad leptonoknak, kvarknak és önmagának is.

8.8. Amit a Higgs-ről tudni kell. Az LHC Large Hadron Collider egyik fő célja a Higgs-bozon felfedezése (egyszerûen Higgs-nek nevezzük és jelöljük h vagy H) és ingatlanainak későbbi létrehozása. Mindenekelőtt a vele való kölcsönhatások mérése W- És Z-bozonok, fotonokkal, valamint önkölcsönhatásai, azaz a három és négy Higget: h 3 és h 4 tartalmazó csúcsok, valamint leptonokkal és kvarkokkal, különösen a felső kvarkkal való kölcsönhatásainak vizsgálata. A standard modellen belül világos előrejelzések vannak mindezen interakciókra vonatkozóan. Kísérleti igazolásuk nagy érdeklődésre tart számot a Standard Modellen túlmutató „új fizika” keresése szempontjából.

8.9. Mi van, ha nincs Higgs? Ha kiderül, hogy a több száz GeV nagyságrendű tömegtartományban a Higgs nem létezik, akkor ez azt jelenti, hogy a TeV feletti energiáknál egy új, teljesen ismeretlen régió található, ahol kölcsönhatások lépnek fel. W- És Z- A bozonok nem perturbatívan erősek lesznek, vagyis nem írhatók le perturbációelmélettel. Az ezen a területen végzett kutatások sok meglepetést tartogatnak.

8.10. A jövő Lepton ütközői. A teljes kutatási program végrehajtásához az LHC mellett leptonütköztetők építésére is szükség lehet:

ILC (International Linear Collider) 0,5 TeV ütközési energiával,

vagy CLIC (Compact Linear Collider) 1 TeV ütközési energiával,

vagy MC (Muon Collider) 3 TeV ütközési energiával.

8.11. Lineáris elektron-pozitron ütköztetők. ILC - International Linear Collider, amely az elektronokat pozitronokkal, valamint a fotonokat a fotonokkal ütközteti. Az építkezésről csak akkor lehet dönteni, ha kiderül, hogy létezik-e a Higgs, és mekkora a tömege. Az egyik tervezett ILC építési terület Dubna környékén van. CLIC - Kompakt lineáris elektron-pozitron ütköztető. A projektet a CERN-ben fejlesztik.

8.12. Muon ütköztető. MS – A müonütköztetőt először G. I. Budker (1918–1977) alkotta meg. 1999-ben San Franciscóban rendezték meg az ötödik nemzetközi konferenciát „Müonütköztetők és neutrínógyárak fizikai potenciálja és fejlesztése”. Az MS projektet jelenleg a Fermi Nemzeti Laboratóriumban fejlesztik, és 20 éven belül megvalósulhat.

9. Erős interakció

9.1. Gluonok és kvarkok. Az erős erő a nukleonokat (protonokat és neutronokat) az atommag belsejében tartja. A gluonok kvarkokkal és a gluonok gluonokkal való kölcsönhatásán alapul. A gluonok önkölcsönhatása vezet oda, hogy annak ellenére, hogy a gluon tömege nulla, ahogy a foton és a graviton tömege egyenlő nullával, a gluonok cseréje nem vezet hosszú ideig gluonhoz. -tartomány kölcsönhatás, hasonlóan a fotonhoz és a gravitonhoz. Ezenkívül a szabad gluonok és kvarkok hiányához vezet. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy az egygluon cserék összegét gluoncső vagy cérna helyettesíti. A nukleonok kölcsönhatása az atommagban hasonló a semleges atomok közötti van der Waals-erőkhöz.

9.2. Bezártság és aszimptotikus szabadság. Azt a jelenséget, hogy a gluonok és kvarkok nem menekülnek ki a hadronokból, bezártságnak nevezzük. A bezártsághoz vezető dinamika hátulütője az, hogy nagyon kis távolságokban a hadronok mélyén a gluonok és kvarkok közötti kölcsönhatás fokozatosan lebomlik. Úgy tűnik, a kvarkok kis távolságokon szabaddá válnak. Ezt a jelenséget aszimptotikus szabadságnak nevezik.

9.3. Kvark színek. A bezártság jelensége annak a következménye, hogy a hat kvark mindegyike úgy létezik, mintha három „színes” változat formájában létezne. A kvarkok általában sárgák, kékek és vörösek. A régiségek további színekkel vannak festve: lila, narancs, zöld. Mindezek a színek a kvarkok sajátos töltéseit képviselik - az elektromos töltés „többdimenziós analógjai”, amelyek az erős kölcsönhatásokért felelősek. Természetesen a kvarkok színei és a közönséges optikai színek között nincs más kapcsolat, csak egy metaforikus.

9.4. Gluon színek. A színes gluonok családja még nagyobb: nyolc van belőlük, ebből kettő megegyezik antirészecskéjével, a maradék hat pedig nem. A színtöltések kölcsönhatásait a kvantumkromodinamika írja le, és meghatározza a proton, a neutron, az összes atommag és az összes hadron tulajdonságait. Az a tény, hogy a gluonok színes töltéseket hordoznak, a gluonok és kvarkok bezártságának jelenségéhez vezet, ami azt jelenti, hogy a színes gluonok és kvarkok nem tudnak kiszabadulni a hadronokból. A színtelen (fehér) hadronok közötti nukleáris erők halvány visszhangjai a hadronokon belüli erőteljes színkölcsönhatásoknak. Ez hasonló a molekuláris kötések kicsinyéhez az atomon belüli kötésekhez képest.

9.5. Hadron tömegek. A hadronok tömegét általában, és különösen a nukleonok tömegét a gluon önműködése határozza meg. Így az összes látható anyag tömege, amely az Univerzum energiájának 4-5%-át teszi ki, pontosan a gluonok önműködésének köszönhető.

10. Standard modell és azon túl

10.1. 18 Standard Modell részecskék. Az összes ismert alapvető részecske természetesen három csoportba sorolható:

6 lepton(pörgetés 1/2):
3 neutrínó: ν e, ν μ , ν τ ;
3 töltött lepton: e, μ , τ ;
6 kvark(pörgetés 1/2):
u,c, t,
d, s, b;
6 bozon:
g̃ - graviton (2-es pörgés),
γ , W, Z, g- gluonok (1-es pörgés),
h- Higgs (pörgés 0).

10.2. A standard modellen túl. Az Univerzum energiájának 96%-a a Standard Modellen kívül található, és arra vár, hogy felfedezzék és tanulmányozzák. Számos alapfeltevés létezik az új fizika kinézetére vonatkozóan (lásd lent a 10.3–10.6 pontokat).

10.3. Nagy Egyesülés. Hatalmas számú, többnyire elméleti mű foglalkozik az erős és az elektrogyenge kölcsönhatások egyesítésével. Legtöbbjük azt feltételezi, hogy 10 16 GeV nagyságrendű energiáknál fordul elő. Egy ilyen egyesülés protonbomláshoz vezet.

10.4. Szuperszimmetrikus részecskék. A Szuperszimmetria gondolata szerint, amely először a Lebegyev Fizikai Intézetben merült fel, minden „mi” részecskének van egy szuperpartnere, akinek a spinje 1/2-ben különbözik: 6 squark és 6 slepton spin 0, higgsino, photino, bor és zino. centrifugálással 1/2, gravitino centrifugálással 3/2. Ezeknek a szuperpartnereknek a tömegének lényegesen nagyobbnak kell lennie, mint a részecskéink tömegének. Különben már rég kinyitották volna. A szuperpartnerek egy részét felfedezhetik, amikor a Nagy Hadronütköztető működésbe lép.

10.5. Szuperhúrok. A szuperszimmetria hipotézisét a szuperhúrok létezésének hipotézise fejlesztette ki, amelyek nagyon rövid, 10 -33 cm nagyságrendű távolságban élnek, és ennek megfelelő energiájuk 10 19 GeV. Sok elméleti fizikus azt reméli, hogy a szuperhúrokkal kapcsolatos elképzelései alapján képesek lesznek felépíteni egy egységes elméletet az összes kölcsönhatásról, amely nem tartalmaz szabad paramétereket.

10.6. Tükör részecskék. A tüköranyagról alkotott elképzelés szerint, amely először az ITEP-ben merült fel, minden részecskénkben van egy tüköriker, és van egy tükörvilág, amely csak nagyon lazán kapcsolódik a mi világunkhoz.

10.7. Sötét anyag. Az Univerzum teljes energiájának mindössze 4-5%-a létezik közönséges anyag tömegeként. Az univerzum energiájának mintegy 20%-át az úgynevezett sötét anyag tartalmazza, amelyről úgy gondolják, hogy szuperrészecskékből, vagy tükörrészecskékből vagy más ismeretlen részecskékből áll. Ha a sötét anyag részecskéi sokkal nehezebbek, mint a közönséges részecskék, és ha az űrben egymással ütközve közönséges fotonokká semmisülnek meg, akkor ezeket a nagy energiájú fotonokat speciális detektorokkal lehet kimutatni az űrben és a Földön. A sötét anyag természetének feltárása a fizika egyik fő feladata.

10.8. Sötét energia. De az Univerzum energiájának túlnyomó többsége (kb. 75%) az úgynevezett sötét energiának köszönhető. A vákuumon keresztül „kiömlik”, és szétnyomja a galaxishalmazokat. A természete máig tisztázatlan.

11. Elemi részecskék Oroszországban és a világban

11.1. Az Orosz Föderáció elnökének rendelete. 2009. szeptember 30-án kiadták az Orosz Föderáció elnökének rendeletét „A „Kurchatov Institute” Nemzeti Kutatóközpont létrehozására irányuló kísérleti projekt végrehajtására irányuló további intézkedésekről”. A rendelet a következő szervezetek részvételét írja elő a projektben: Szentpétervári Nukleáris Fizikai Intézet, Nagyenergiájú Fizikai Intézet és Elméleti és Kísérleti Fizikai Intézet. A rendelet azt is előírja, hogy „a meghatározott intézmény, mint a legjelentősebb tudományos intézmény a költségvetési források fő kezelőjeként szerepeljen a szövetségi költségvetési kiadások osztályi struktúrájában”. Ez a rendelet hozzájárulhat ahhoz, hogy az elemi részecskefizika visszatérjen hazánk tudományfejlesztésének kiemelt területei közé.

11.2. Az amerikai kongresszusi meghallgatások 1. 2009. október 1-jén meghallgatást tartottak az Egyesült Államok Képviselőházának Tudományos és Technológiai Bizottságának Energiaügyi és Környezetvédelmi Albizottságában „Az anyag, az energia, a tér és az idő természetének vizsgálata” témában. Az Energiaügyi Minisztérium 2009-es előirányzata erre a programra 795,7 millió dollár. Lisa Randall, a Harvard Egyetem professzora az anyagról, az energiáról és az Univerzum keletkezéséről mutatott be nézeteket a jövő húrelmélete szemszögéből. Pierre Oddone, a Fermi Nemzeti Laboratórium (Batavia) igazgatója beszélt a részecskefizika helyzetéről az USA-ban, különös tekintettel a Tevatron közelgő befejezésére, valamint az FNAL és a DUSEL földalatti laboratórium közös munkájának megkezdésére a tulajdonságok tanulmányozására. neutrínók és ritka folyamatok. Kiemelte az amerikai fizikusok részvételének fontosságát az európai (LHC), japán (JPARC), kínai (PERC) nagyenergiájú fizikai projektekben és a nemzetközi űrprojektben (a közelmúltban Fermiről elnevezett GLAST).

11.3. Amerikai Kongresszusi meghallgatások 2. A Jefferson National Laboratory igazgatója, Hugh Montgomery a Laboratórium hozzájárulásáról beszélt a magfizika, a gyorsítótechnológia és az oktatási programok terén. Dennis Kovar, a Department of Energy High Energy Physics Science Division igazgatója a nagyenergiájú fizika három fő területéről beszélt:

1) gyorsítókutatás maximális energiákon,

2) gyorsítóvizsgálatok maximális intenzitással,

3) földi és műholdas űrkutatás a sötét anyag és a sötét energia természetének tisztázása érdekében,

és a magfizika három fő iránya:

1) kvarkok és gluonok erős kölcsönhatásának vizsgálata,

2) annak tanulmányozása, hogyan jöttek létre az atommagok protonokból és neutronokból,

3) a neutrínókat érintő gyenge kölcsönhatások vizsgálata.

12. Az alaptudományról

12.1. Mi az alaptudomány? A fenti szövegből kitűnik, hogy a legtöbb tudóshoz hasonlóan én is alaptudománynak nevezem a tudománynak azt a részét, amely megállapítja a természet legalapvetőbb törvényeit. Ezek a törvények a tudomány piramisának vagy egyes szintjeinek az alapjaiban rejlenek. Ezek határozzák meg a civilizáció hosszú távú fejlődését. Vannak azonban, akik fundamentális tudománynak nevezik azokat a tudományágakat, amelyek a legnagyobb közvetlen hatással vannak a civilizáció fejlődésének pillanatnyi eredményeire. Én személy szerint úgy gondolom, hogy ezeket a részeket és területeket inkább alkalmazott tudománynak nevezzük.

12.2. Gyökerek és gyümölcsök. Ha az alaptudományt a fa gyökereihez lehet hasonlítani, akkor az alkalmazott tudományt a gyümölcseihez lehet hasonlítani. Az olyan jelentős technológiai áttörések, mint a mobiltelefonok vagy a száloptikai kommunikáció, a tudomány gyümölcsei.

12.3. A. I. Herzen a tudományról. 1845-ben Alekszandr Ivanovics Herzen (1812–1870) az Otechestvennye zapiski folyóiratban megjelentette a figyelemre méltó „Levelek a természettudományról” című művét. Első levele végén ezt írta: „A tudomány nem azért tűnik nehéznek, mert valóban nehéz, hanem azért, mert nem lehet másként elérni az egyszerűségét, mint áttörni a kész fogalmak sötétségén, amelyek megakadályozzák a közvetlen látást. Hadd tudják meg az előkerülők, hogy a skolasztikától örökölt rozsdás és értéktelen eszközök teljes arzenálja mit sem ér, fel kell áldozni a tudományon kívül kialakult nézeteket, hogy anélkül, hogy mindent eldobnánk. félig hazugság, amellyel az áttekinthetőség kedvéért felöltöztetnek féligazságok"Nem léphetsz be a tudományba, nem érheted el a teljes igazságot."

12.4. Az iskolai programok csökkentéséről. A modern iskolai fizikaprogramok magukban foglalhatják az elemi részecskék elméletének, a relativitáselméletnek és a kvantummechanikának elemeinek aktív elsajátítását, ha csökkentik azokat a részeket, amelyek elsősorban leíró jellegűek, és növelik a gyermek „műveltségét”, nem pedig a világ megértését. körülöttük, valamint az élet és alkotás képessége.

12.5. Következtetés. Helyénvaló lenne, ha az Orosz Tudományos Akadémia Elnöksége felhívná a figyelmet a fiatalok korai megismertetésének fontosságára a relativitáselmélet és a kvantummechanika eredményein alapuló világnézettel, és utasítaná az Orosz Tudományos Akadémia Elnökségének Bizottságait. Tudományos Akadémia a tankönyvekről (elnöke V. V. Kozlov alelnök) és az oktatásról (elnöke V. A. Sadovnichy alelnök), hogy javaslatokat készítsen a modern alapvető fizika közép- és felsőoktatási oktatásának javítására.

Czerski Helén

Fizikus, oceanográfus, népszerű tudományos műsorok előadója a BBC-n.

Ha fizikáról van szó, elképzelünk néhány képletet, valami furcsát és érthetetlent, ami egy hétköznapi ember számára felesleges. Talán hallottunk valamit a kvantummechanikáról és a kozmológiáról. De e két pólus között ott van minden, ami a mindennapi életünket alkotja: bolygók és szendvicsek, felhők és vulkánok, buborékok és hangszerek. És mindegyiket viszonylag kevés fizikai törvény szabályozza.

Ezeket a törvényeket folyamatosan betarthatjuk működés közben. Vegyünk például két tojást – nyersen és főtt – és forgassuk meg, majd hagyjuk abba. A főtt tojás mozdulatlan marad, a nyers újra forogni kezd. Ez azért van, mert csak a héjat állítottad le, de a benne lévő folyadék tovább forog.

Ez egyértelműen demonstrálja a szögimpulzus megmaradásának törvényét. Leegyszerűsítve a következőképpen fogalmazható meg: ha egy állandó tengely körül elkezdett forogni, a rendszer addig fog tovább forogni, amíg valami meg nem állítja. Ez az Univerzum egyik alaptörvénye.

Nem csak akkor jön jól, ha meg kell különböztetni a főtt tojást a nyerstől. Használható annak magyarázatára is, hogy a Hubble Űrteleszkóp az űrben való támaszték nélkül hogyan irányítja lencséjét az égbolt egy bizonyos területére. Csak forgó giroszkópok vannak benne, amelyek lényegében ugyanúgy viselkednek, mint egy nyers tojás. A teleszkóp maga forog körülöttük, és így megváltoztatja helyzetét. Kiderül, hogy a konyhánkban kipróbálható törvény az emberiség egyik legkiemelkedőbb technológiájának felépítését is megmagyarázza.

Ismerve a mindennapi életünket irányító alapvető törvényeket, megszűnik a tehetetlenség érzése.

Ahhoz, hogy megértsük, hogyan működik a minket körülvevő világ, először meg kell értenünk annak alapjait -. Meg kell értenünk, hogy a fizika nem csak a laboratóriumokban dolgozó excentrikus tudósokról vagy összetett képletekről szól. Közvetlenül előttünk van, mindenki számára elérhető.

Hol kezdje, gondolhatja. Biztosan észrevettél valami furcsát vagy érthetetlent, de ahelyett, hogy ezen gondolkodtál volna, azt mondtad magadnak, hogy felnőtt vagy, és nincs időd erre. Csersky azt tanácsolja, hogy ne ecseteljük az ilyen dolgokat, hanem kezdjük velük.

Ha nem akarja megvárni, hogy valami érdekes történjen, tegyen mazsolát a szódába, és nézze meg, mi történik. Nézze meg a kiömlött kávé kiszáradását. Koppintson a csésze szélére egy kanállal, és hallgassa a hangot. Végül próbálja meg leejteni a szendvicset anélkül, hogy arccal lefelé esne.

Természetes és helyes, hogy érdeklődünk a minket körülvevő világ és működésének, fejlődésének mintái iránt. Éppen ezért érdemes odafigyelni a természettudományokra, például a fizikára, amely megmagyarázza az Univerzum kialakulásának és fejlődésének lényegét. Az alapvető fizikai törvényeket nem nehéz megérteni. Az iskolák már egészen fiatalon megismertetik a gyerekekkel ezekkel az alapelvekkel.

Sokak számára ez a tudomány a „Fizika (7. osztály)” tankönyvvel kezdődik. A termodinamika alapfogalmai megismerkednek az iskolásokkal, megismerkednek a főbb fizikai törvények lényegével. De az ismereteket az iskolára kell korlátozni? Milyen fizikai törvényeket kell mindenkinek tudnia? Erről később a cikkben lesz szó.

Tudomány fizika

A leírt tudomány sok árnyalata mindenki számára ismerős kora gyermekkora óta. Ez annak köszönhető, hogy a fizika lényegében a természettudomány egyik területe. Mesél a természet törvényeiről, amelyek hatása mindenki életét befolyásolja, sőt sok tekintetben biztosítja is, az anyag jellemzőiről, szerkezetéről, mozgási mintáiról.

A "fizika" kifejezést először Arisztotelész jegyezte fel a Kr.e. negyedik században. Kezdetben a „filozófia” fogalmának szinonimája volt. Végül is mindkét tudománynak egyetlen célja volt - helyesen megmagyarázni az Univerzum működésének összes mechanizmusát. De már a tizenhatodik században, a tudományos forradalom eredményeként a fizika függetlenné vált.

Általános törvény

A fizika néhány alapvető törvényét a tudomány különböző ágaiban alkalmazzák. Rajtuk kívül vannak olyanok, amelyeket az egész természetben közösnek tartanak. Ez kb

Ez azt jelenti, hogy minden egyes zárt rendszer energiája a bennük lévő jelenségek előfordulása során biztosan megmarad. Ennek ellenére képes más formába átalakulni, és mennyiségi tartalmát hatékonyan megváltoztatni a nevezett rendszer különböző részein. Ugyanakkor egy nyitott rendszerben az energia csökken, feltéve, hogy a vele kölcsönhatásba lépő testek és mezők energiája nő.

A fizika a fenti általános elv mellett olyan alapfogalmakat, képleteket, törvényszerűségeket tartalmaz, amelyek a környező világban lezajló folyamatok értelmezéséhez szükségesek. Felfedezésük hihetetlenül izgalmas lehet. Ezért ez a cikk röviden tárgyalja a fizika alapvető törvényeit, de ezek mélyebb megértése érdekében fontos, hogy teljes figyelmet fordítsunk rájuk.

Mechanika

A fizika számos alapvető törvényét a 7–9. osztályos fiatal tudósok megismerik az iskolában, ahol a tudomány olyan ágát, mint a mechanika, teljesebben tanulmányozzák. Alapelveit az alábbiakban ismertetjük.

1. Galilei relativitástörvénye (más néven mechanikus relativitástörvény, vagy a klasszikus mechanika alapja). Az elv lényege, hogy hasonló körülmények között a mechanikai folyamatok bármely tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerben teljesen azonosak.
2. Hooke törvénye. Lényege, hogy minél nagyobb oldalról ér egy rugalmas testet (rugó, rúd, konzol, gerenda) érő ütés, annál nagyobb a deformációja.

Newton törvényei (a klasszikus mechanika alapját jelentik):

1. A tehetetlenség elve kimondja, hogy bármely test csak akkor képes nyugalomban lenni vagy egyenletesen és egyenes vonalban mozogni, ha semmilyen más test nem hat rá, vagy ha valamilyen módon kompenzálják egymás hatását. A mozgási sebesség megváltoztatásához a testet bizonyos erővel kell hatni, és természetesen ugyanazon erő különböző méretű testekre gyakorolt ​​hatásának eredménye is eltérő lesz.
2. A dinamika fő elve kimondja, hogy minél nagyobb az adott testre ható erők eredője, annál nagyobb a gyorsulása. És ennek megfelelően minél nagyobb a testsúly, annál alacsonyabb ez a mutató.
3. Newton harmadik törvénye kimondja, hogy bármely két test mindig azonos minta szerint kölcsönhatásba lép egymással: erőik azonos természetűek, nagyságrendjükben egyenértékűek, és szükségszerűen ellentétes irányúak az ezeket a testeket összekötő egyenes mentén.
4. A relativitás elve kimondja, hogy az inerciális vonatkoztatási rendszerekben azonos feltételek mellett előforduló összes jelenség abszolút azonos módon történik.

Termodinamika

Az iskolai tankönyv, amely az alaptörvényeket tárja a tanulók elé („Fizika. 7. évfolyam”), a termodinamika alapjaival is megismerteti őket. Az alábbiakban röviden áttekintjük annak elveit.

A termodinamika törvényei, amelyek ebben a tudományágban alapvetőek, általános jellegűek, és nem kapcsolódnak egy adott anyag atomi szintű szerkezetének részleteihez. Ezek az alapelvek egyébként nem csak a fizika, hanem a kémia, a biológia, a repüléstechnika stb.

Például a nevezett iparágban van egy szabály, amely ellentmond a logikai definíciónak: zárt rendszerben, amelynek külső feltételei változatlanok, idővel egyensúlyi állapot jön létre. A benne folytatódó folyamatok pedig változatlanul kompenzálják egymást.

A termodinamika egy másik szabálya megerősíti a kolosszális számú, kaotikus mozgással jellemezhető részecskékből álló rendszer azon vágyát, hogy a rendszer számára kevésbé valószínű állapotokból a valószínűbb állapotokba váltson át.

A Gay-Lussac törvény (más néven) pedig kimondja, hogy egy bizonyos tömegű gáz esetében stabil nyomás mellett a térfogatának az abszolút hőmérséklettel való elosztásának eredménye minden bizonnyal állandó értékké válik.

Ennek az iparágnak egy másik fontos szabálya a termodinamika első főtétele, amelyet a termodinamikai rendszerek energiamegmaradási és -átalakítási elvének is neveznek. Elmondása szerint a rendszerbe juttatott hőmennyiség kizárólag a belső energiájának metamorfózisára és a ható külső erőkkel szembeni munkavégzésére fog költeni. Ez a minta lett a hőgépek működési sémája kialakításának alapja.

Egy másik gáztörvény Károly törvénye. Kimondja, hogy minél nagyobb egy ideális gáz egy bizonyos tömegének nyomása állandó térfogat fenntartása mellett, annál magasabb a hőmérséklete.

Elektromosság

Az iskola 10. osztálya a fizika érdekes alaptörvényeit tárja a fiatal tudósok elé. Ebben az időben tanulmányozzák az elektromos áram természetének és működési mintáinak fő elveit, valamint más árnyalatokat.

Az Ampere-törvény például kimondja, hogy a párhuzamosan kapcsolt vezetők, amelyeken az áram ugyanabban az irányban folyik, óhatatlanul vonzzák, ellenkező irányú áram esetén pedig taszítják, ill. Néha ugyanazt a nevet használják egy fizikai törvényre, amely meghatározza a meglévő mágneses térben az áramot vezető kis szakaszon ható erőt. Így hívják – Amper-erőnek. Ezt a felfedezést egy tudós tette a tizenkilencedik század első felében (nevezetesen 1820-ban).

A töltésmegmaradás törvénye a természet egyik alapelve. Azt állítja, hogy bármely elektromosan elszigetelt rendszerben keletkező összes elektromos töltés algebrai összege mindig megmarad (állandóvá válik). Ennek ellenére ez az elv nem zárja ki új töltött részecskék megjelenését az ilyen rendszerekben bizonyos folyamatok eredményeként. Ennek ellenére minden újonnan képződött részecske teljes elektromos töltésének nullának kell lennie.

A Coulomb-törvény az elektrosztatika egyik fő törvénye. Kifejezi az álló ponttöltések közötti kölcsönhatási erő elvét, és elmagyarázza a köztük lévő távolság mennyiségi kiszámítását. A Coulomb-törvény lehetővé teszi az elektrodinamika alapelveinek kísérleti alátámasztását. Kimondja, hogy az állópontos töltések minden bizonnyal olyan erővel lépnek kölcsönhatásba egymással, amely annál nagyobb, minél nagyobb a nagyságuk szorzata, és ennek megfelelően minél kisebb, annál kisebb a távolság négyzete a szóban forgó töltések és a közeg között. megtörténik a leírt kölcsönhatás.

Az Ohm törvénye az elektromosság egyik alapelve. Kimondja, hogy minél nagyobb az áramkör bizonyos szakaszán ható egyenáram erőssége, annál nagyobb a feszültség a végein.

Elvnek nevezik, amely lehetővé teszi, hogy meghatározza a mágneses mező hatására egy bizonyos módon mozgó áram irányát a vezetőben. Ehhez a jobb kezét úgy kell elhelyezni, hogy a mágneses indukció vonalai képletesen érintsék a nyitott tenyeret, és nyújtsa ki a hüvelykujját a vezető mozgásának irányába. Ebben az esetben a maradék négy kiegyenesített ujj határozza meg az indukciós áram mozgási irányát.

Ez az elv segít abban is, hogy egy adott pillanatban egy egyenes vezető mágneses indukciós vonalai pontosan hol helyezkednek el áramot. Ez így történik: helyezze a jobb keze hüvelykujját úgy, hogy az mutasson, és képletesen fogja meg a vezetőt a másik négy ujjával. Ezen ujjak elhelyezkedése megmutatja a mágneses indukciós vonalak pontos irányát.

Az elektromágneses indukció elve egy olyan minta, amely megmagyarázza a transzformátorok, generátorok és elektromos motorok működési folyamatát. Ez a törvény a következő: zárt hurokban minél nagyobb a generált indukció, annál nagyobb a mágneses fluxus változási sebessége.

Optika

Az Optika ág az iskolai tananyag egy részét is tükrözi (a fizika alaptörvényei: 7-9. osztály). Ezért ezeket az elveket nem olyan nehéz megérteni, mint amilyennek első pillantásra tűnhet. Tanulmányaik nemcsak további ismereteket hoznak magukkal, hanem a környező valóság jobb megértését is. A fizika alapvető törvényei, amelyek az optika tanulmányozásának tulajdoníthatók, a következők:

1. Guynes elv. Ez egy olyan módszer, amely hatékonyan képes meghatározni a hullámfront pontos helyzetét a másodperc bármely töredékénél. Lényege a következő: minden olyan pont, amely a másodperc egy töredéke alatt a hullámfront útjába kerül, lényegében maga is gömbhullámok forrásává válik (másodlagos), míg a hullámfront elhelyezkedése a hullámfront azonos töredékében. egy másodperc azonos a felülettel, amely minden gömbhullámot megkerül (másodlagos). Ez az elv a fény törésével és visszaverődésével kapcsolatos meglévő törvények magyarázatára szolgál.
2. A Huygens-Fresnel elv egy hatékony módszert tükröz a hullámterjedés problémáinak megoldására. Segít megmagyarázni a fény diffrakciójával kapcsolatos alapvető problémákat.
3. hullámok Ugyanúgy használják tükörben való tükrözéshez. Lényege, hogy mind a beeső, mind a visszavert sugár, valamint a sugár beesési pontjából megszerkesztett merőleges egyetlen síkban helyezkedik el. Azt is fontos megjegyezni, hogy a sugár esési szöge mindig abszolút egyenlő a törésszöggel.
4. A fénytörés elve. Ez egy elektromágneses hullám (fény) pályájának változása az egyik homogén közegből a másikba való mozgás pillanatában, amely számos törésmutatóban jelentősen eltér az elsőtől. A fény terjedési sebessége bennük eltérő.
5. A fény egyenes vonalú terjedésének törvénye. Lényegében a geometriai optika területéhez kapcsolódó törvény, és a következő: bármilyen homogén közegben (természetétől függetlenül) a fény szigorúan egyenes vonalúan, a legrövidebb távolságon terjed. Ez a törvény egyszerű és hozzáférhető módon magyarázza az árnyékok kialakulását.

Atom- és magfizika

A kvantumfizika alaptörvényeit, valamint az atom- és magfizika alapjait középiskolai és felsőoktatási intézményekben tanulják.

Így Bohr posztulátumai olyan alaphipotézisek sorozatát képviselik, amelyek az elmélet alapjává váltak. Lényege, hogy bármely atomrendszer csak álló állapotban maradhat stabil. Az atomok energiakibocsátása vagy elnyelése szükségszerűen az elv alapján történik, amelynek lényege a következő: a szállításhoz kapcsolódó sugárzás monokromatikussá válik.

Ezek a posztulátumok a fizika alaptörvényeit tanulmányozó standard iskolai tantervre vonatkoznak (11. évfolyam). Az ő tudásuk kötelező egy végzősnek.

A fizika alaptörvényei, amelyeket az embernek ismernie kell

Egyes fizikai elvek, bár e tudomány egyik ágához tartoznak, mégis általános jellegűek, és mindenkinek ismernie kell. Soroljuk fel a fizika alapvető törvényeit, amelyeket az embernek ismernie kell:

• Arkhimédész törvénye (a hidro- és aerosztatika területére vonatkozik). Ez azt jelenti, hogy minden test, amely egy gáznemű anyagba vagy folyadékba merült, egyfajta felhajtóerőnek van kitéve, amely szükségszerűen függőlegesen felfelé irányul. Ez az erő számszerűen mindig egyenlő a test által kiszorított folyadék vagy gáz tömegével.
• Ennek a törvénynek egy másik megfogalmazása a következő: egy gázba vagy folyadékba mártott test minden bizonnyal annyi súlyt veszít, amennyi annak a folyadéknak vagy gáznak a tömege, amelybe belemerült. Ez a törvény lett az úszó testek elméletének alapvető posztulátuma.
• Az egyetemes gravitáció törvénye (Felfedezte Newton). Lényege, hogy abszolút minden test elkerülhetetlenül vonzza egymást olyan erővel, amely annál nagyobb, minél nagyobb e testek tömegének szorzata, és ennek megfelelően minél kisebb, minél kisebb a köztük lévő távolság négyzete.

Ez a 3 fizika alaptörvénye, amit mindenkinek tudnia kell, aki meg akarja érteni a környező világ működési mechanizmusát és a benne lezajló folyamatok sajátosságait. Nagyon egyszerű megérteni működésük elvét.

Az ilyen tudás értéke

A fizika alaptörvényeinek az ember tudásbázisában kell lenniük, korától és tevékenységi típusától függetlenül. Ezek tükrözik a mai valóság egészének létezési mechanizmusát, és lényegében az egyetlen állandót jelentik a folyamatosan változó világban.

A fizika alaptörvényei és fogalmai új lehetőségeket nyitnak meg a minket körülvevő világ tanulmányozásában. Tudásuk segít megérteni az Univerzum létezési mechanizmusát és minden kozmikus test mozgását. Nem a napi események és folyamatok puszta megfigyelőivé tesz bennünket, hanem lehetővé teszi, hogy tudatában legyünk ezeknek. Ha az ember tisztán megérti a fizika alaptörvényeit, vagyis a körülötte zajló összes folyamatot, akkor lehetőséget kap arra, hogy a leghatékonyabb módon irányítsa azokat, felfedezéseket tesz, és ezáltal kényelmesebbé teszi életét.

Eredmények

Vannak, akik az egységes államvizsgára kénytelenek behatóan tanulmányozni a fizika alaptörvényeit, mások foglalkozásuk miatt, vannak, akik tudományos kíváncsiságból. A tudomány tanulmányozásának céljaitól függetlenül a megszerzett tudás előnyeit aligha lehet túlbecsülni. Nincs nagyobb kielégítő, mint megérteni a minket körülvevő világ alapvető mechanizmusait és létezési mintáit.

Ne maradj közömbös – fejlődj!