Toate legile fizicii. Profesor știind

Acasă

Conductă

Conform acestei legi, un proces al cărui singur rezultat este transferul de energie sub formă de căldură de la un corp mai rece la unul mai fierbinte este imposibil fără modificări ale sistemului în sine și ale mediului.
A doua lege a termodinamicii exprimă tendința unui sistem format dintr-un număr mare de particule care se mișcă haotic de a trece spontan de la stări mai puțin probabile la stări mai probabile. Interzice crearea unei mașini cu mișcare perpetuă de al doilea fel.
Volume egale de gaze ideale la aceeași temperatură și presiune conțin același număr de molecule.
Legea a fost descoperită în 1811 de către fizicianul italian A. Avogadro (1776–1856).
Legea interacțiunii dintre doi curenți care circulă în conductori aflați la mică distanță unul de celălalt afirmă: conductoarele paralele cu curenți în aceeași direcție se atrag, iar cu curenții în sens opus se resping.
Legea a fost descoperită în 1820 de A. M. Ampere.
Legea hidrostatică și aerostatică: un corp scufundat într-un lichid sau într-un gaz este acționat de o forță de plutire îndreptată vertical în sus, egală cu greutatea lichidului sau a gazului deplasat de corp și aplicată la centrul de greutate al corpului scufundat. parte a corpului. FA = gV, unde g este densitatea lichidului sau a gazului, V este volumul părții scufundate a corpului.
În caz contrar, legea poate fi formulată astfel: un corp scufundat într-un lichid sau într-un gaz pierde la fel de multă greutate cât cântărește lichidul (sau gazul) pe care îl deplasează. Atunci P = mg - FA.
Legea a fost descoperită de savantul grec antic Arhimede în anul 212 î.Hr. e. Este baza teoriei corpurilor plutitoare.
Una dintre legile unui gaz ideal: la o temperatură constantă, produsul dintre presiunea gazului și volumul acestuia este o valoare constantă. Formula: pV = const. Descrie un proces izoterm. Legea gravitației universale sau legea gravitației lui Newton: toate corpurile se atrag reciproc cu o forță direct proporțională cu produsul maselor acestor corpuri și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele. Conform acestei legi, deformațiile elastice ale unui corp solid sunt direct proporționale cu influențele externe care le provoacă. Descrie efectul termic al curentului electric: cantitatea de căldură degajată într-un conductor atunci când trece un curent continuu prin el este direct proporțională cu pătratul curentului, rezistența conductorului și timpul de trecere. Descoperit de Joule și Lenz independent unul de celălalt în secolul al XIX-lea. Legea de bază a electrostaticei, care exprimă dependența forței de interacțiune dintre două sarcini punctuale staționare de distanța dintre ele: două sarcini punctuale staționare interacționează cu o forță direct proporțională cu produsul mărimilor acestor sarcini și invers proporțională cu pătratul. a distanţei dintre ele şi constanta dielectrică a mediului în care se află sarcinile. Valoarea este numeric egală cu forța care acționează între două sarcini punctiforme staționare de 1 C fiecare situate în vid la o distanță de 1 m una de cealaltă.
Legea lui Coulomb este una dintre justificările experimentale ale electrodinamicii. Deschis în 1785
Una dintre legile de bază ale curentului electric: puterea curentului electric continuu într-o secțiune a unui circuit este direct proporțională cu tensiunea de la capetele acestei secțiuni și invers proporțională cu rezistența acesteia. Valabil pentru conductori metalici și electroliți a căror temperatură este menținută constantă. În cazul unui circuit complet, se formulează astfel: puterea unui curent electric continuu în circuit este direct proporțională cu fem-ul sursei de curent și invers proporțională cu rezistența totală a circuitului electric.

Descoperit în 1826 de G.S. Ohm.

A doua lege a termodinamicii

Legea lui Avogardo
Volume egale de gaze ideale la aceeași temperatură și presiune conțin același număr de molecule. Legea a fost descoperită în 1811 de către fizicianul italian A. Avogadro (1776–1856).

legea lui Ampere
Legea interacțiunii dintre doi curenți care circulă în conductori aflați la mică distanță unul de celălalt afirmă: conductoarele paralele cu curenți în aceeași direcție se atrag, iar cu curenții în sens opus se resping. Legea a fost descoperită în 1820 de A. M. Ampere.

Legea lui Arhimede

Legea hidro- și aerostatică: un corp scufundat într-un lichid sau gaz este acționat de o forță de plutire îndreptată vertical în sus, egală cu greutatea lichidului sau gazului deplasat de corp și aplicată la centrul de greutate al parte scufundată a corpului. FA = gV, unde g este densitatea lichidului sau a gazului, V este volumul părții scufundate a corpului. În caz contrar, legea poate fi formulată astfel: un corp scufundat într-un lichid sau într-un gaz pierde la fel de multă greutate cât cântărește lichidul (sau gazul) pe care îl deplasează. Atunci P = mg – FA. Legea a fost descoperită de savantul grec antic Arhimede în anul 212 î.Hr. e. Este baza teoriei corpurilor plutitoare.

Legea gravitației

Legea gravitației universale sau legea gravitației lui Newton: toate corpurile se atrag reciproc cu o forță direct proporțională cu produsul maselor acestor corpuri și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele.

Legea Boyle-Mariotte

Una dintre legile unui gaz ideal: la o temperatură constantă, produsul dintre presiunea gazului și volumul acestuia este o valoare constantă. Formula: pV = const. Descrie un proces izoterm.

legea lui Hooke
Conform acestei legi, deformațiile elastice ale unui corp solid sunt direct proporționale cu influențele externe care le provoacă.

legea lui Dalton
Una dintre legile de bază ale gazelor: presiunea unui amestec de gaze ideale care nu interacționează chimic este egală cu suma presiunilor parțiale ale acestor gaze. Descoperit în 1801 de J. Dalton.

Legea Joule-Lenz

Descrie efectul termic al curentului electric: cantitatea de căldură degajată într-un conductor atunci când trece un curent continuu prin el este direct proporțională cu pătratul curentului, rezistența conductorului și timpul de trecere. Descoperit de Joule și Lenz independent unul de celălalt în secolul al XIX-lea.

legea lui Coulomb

Legea de bază a electrostaticei, care exprimă dependența forței de interacțiune dintre două sarcini punctuale staționare de distanța dintre ele: două sarcini punctuale staționare interacționează cu o forță direct proporțională cu produsul mărimilor acestor sarcini și invers proporțională cu pătratul. a distanţei dintre ele şi constanta dielectrică a mediului în care se află sarcinile. Valoarea este numeric egală cu forța care acționează între două sarcini punctiforme staționare de 1 C fiecare situate în vid la o distanță de 1 m una de cealaltă. Legea lui Coulomb este una dintre justificările experimentale ale electrodinamicii. Deschis în 1785.

legea lui Lenz
Conform acestei legi, curentul indus are întotdeauna o astfel de direcție încât propriul său flux magnetic compensează modificările fluxului magnetic extern care a provocat acest curent. Legea lui Lenz este o consecință a legii conservării energiei. Instalat în 1833 de E. H. Lenz.

Legea lui Ohm

Una dintre legile de bază ale curentului electric: puterea curentului electric continuu într-o secțiune a unui circuit este direct proporțională cu tensiunea de la capetele acestei secțiuni și invers proporțională cu rezistența acesteia. Valabil pentru conductori metalici și electroliți a căror temperatură este menținută constantă. În cazul unui circuit complet, se formulează astfel: puterea unui curent electric continuu în circuit este direct proporțională cu fem-ul sursei de curent și invers proporțională cu rezistența totală a circuitului electric. Descoperit în 1826 de G.S. Ohm.

Legea reflexiei undei

Raza incidentă, raza reflectată și perpendiculara ridicată la punctul de incidență al razei se află în același plan, iar unghiul de incidență este egal cu unghiul de refracție. Legea este valabilă pentru reflexia în oglindă.

legea lui Pascal
Legea de bază a hidrostaticii: presiunea produsă de forțele externe pe suprafața unui lichid sau a unui gaz se transmite în mod egal în toate direcțiile.

Legea refracției luminii

Raza incidentă, raza refractată și perpendiculara restabilită la punctul de incidență al razei se află în același plan, iar pentru aceste două medii raportul dintre sinusul unghiului de incidență și sinusul unghiului de refracție este un valoare constantă, numită indice de refracție relativ al celui de-al doilea mediu față de primul.

Legea propagării rectilinie a luminii

Legea opticii geometrice, care afirmă că lumina se propagă rectiliniu într-un mediu omogen. Explică, de exemplu, formarea umbrei și a penumbrei.

Legea conservării sarcinii
Una dintre legile fundamentale ale naturii: suma algebrică a sarcinilor electrice ale oricărui sistem izolat electric rămâne neschimbată. Într-un sistem izolat electric, legea conservării sarcinii permite apariția de noi particule încărcate, dar sarcina electrică totală a particulelor emergente trebuie să fie întotdeauna egală cu zero.

Legea conservării impulsului
Una dintre legile de bază ale mecanicii: impulsul oricărui sistem închis, în timpul tuturor proceselor care au loc în sistem, rămâne constant (conservat) și poate fi redistribuit doar între părți ale sistemului ca urmare a interacțiunii lor.

Legea lui Charles
Una dintre legile de bază ale gazelor: presiunea unei mase date a unui gaz ideal la volum constant este direct proporțională cu temperatura.

Legea inducției electromagnetice

Descrie fenomenul apariției unui câmp electric atunci când un câmp magnetic se modifică (fenomenul inducției electromagnetice): forța electromotoare a inducției este direct proporțională cu viteza de modificare a fluxului magnetic. Coeficientul de proporționalitate este determinat de sistemul de unități, semnul este determinat de regula lui Lenz. Legea a fost descoperită de M. Faraday.

Legea conservării și transformării energiei
Legea generală a naturii: energia oricărui sistem închis rămâne constantă (conservată) în timpul tuturor proceselor care au loc în sistem. Energia poate fi convertită doar dintr-o formă în alta și redistribuită între părți ale sistemului. Pentru un sistem deschis, o creștere (scădere) a energiei sale este egală cu o scădere (creștere) a energiei corpurilor și a câmpurilor fizice care interacționează cu acesta.

legile lui Newton
Mecanica clasică se bazează pe cele 3 legi ale lui Newton. Prima lege a lui Newton (legea inerției): un punct material se află într-o stare de mișcare sau repaus rectilinie și uniformă dacă alte corpuri nu acționează asupra lui sau acțiunea acestor corpuri este compensată. A doua lege a lui Newton (legea fundamentală a dinamicii): accelerația primită de un corp este direct proporțională cu rezultanta tuturor forțelor care acționează asupra corpului și invers proporțională cu masa corpului. A treia lege a lui Newton: acțiunile a două corpuri sunt întotdeauna egale ca mărime și direcționate în direcții opuse.

legile lui Faraday
Prima lege a lui Faraday: masa unei substanțe eliberată pe electrod în timpul trecerii unui curent electric este direct proporțională cu cantitatea de electricitate (sarcină) care trece prin electrolit (m = kq = kIt). A doua lege a lui Faraday: raportul dintre masele diferitelor substanțe care suferă transformări chimice pe electrozi atunci când sarcini electrice identice trec prin electrolit este egal cu raportul echivalenților chimici. Legile au fost stabilite în 1833–1834 de către M. Faraday.

Prima lege a termodinamicii
Prima lege a termodinamicii este legea conservării energiei pentru un sistem termodinamic: cantitatea de căldură Q transmisă sistemului este cheltuită pentru modificarea energiei interne a sistemului U și pentru efectuarea muncii A de către sistem împotriva forțelor externe. Formula Q = U + A stă la baza funcționării motoarelor termice.

postulatele lui Bohr

Primul postulat al lui Bohr: un sistem atomic este stabil doar în stări staționare care corespund unei secvențe discrete de valori ale energiei atomice. Fiecare modificare a acestei energii este asociată cu o tranziție completă a atomului de la o stare staționară la alta. Al doilea postulat al lui Bohr: absorbția și emisia de energie de către un atom are loc conform legii conform căreia radiația asociată tranziției este monocromatică și are o frecvență: h = Ei – Ek, unde h este constanta lui Planck, iar Ei și Ek sunt energiile atomului în stări staţionare.

Regula pentru mâna stângă
Determină direcția forței care acționează asupra unui conductor purtător de curent (sau a unei particule încărcate în mișcare) situată într-un câmp magnetic. Regula spune: dacă mâna stângă este poziționată astfel încât degetele întinse să indice direcția curentului (viteza particulelor), iar liniile câmpului magnetic (liniile de inducție magnetică) intră în palmă, atunci degetul mare întins va indica direcția forță care acționează asupra conductorului (particulă pozitivă; în cazul unei particule negative, direcția forței este opusă).

Regula pentru mâna dreaptă
Determină direcția curentului de inducție într-un conductor care se mișcă într-un câmp magnetic: dacă palma mâinii drepte este poziționată astfel încât liniile de inducție magnetică să intre în ea, iar degetul mare îndoit este îndreptat de-a lungul mișcării conductorului, atunci patru degetele întinse vor arăta direcția curentului de inducție.

Principiul lui Huygens
Vă permite să determinați în orice moment poziția frontului de undă. Conform principiului lui Huygens, toate punctele prin care trece frontul de undă la momentul t sunt surse de unde sferice secundare, iar poziția dorită a frontului de undă la momentul t coincide cu suprafața care învăluie toate undele secundare. Principiul lui Huygens explică legile reflexiei și refracției luminii.

Principiul Huygens-Fresnel
Conform acestui principiu, în orice punct situat în afara unei suprafețe închise arbitrare care acoperă o sursă punctuală de lumină, unda luminoasă excitată de această sursă poate fi reprezentată ca rezultat al interferenței undelor secundare emise de toate punctele suprafeței închise specificate. Principiul vă permite să rezolvați cele mai simple probleme de difracție a luminii.

Principiul relativității
În orice sisteme de referință inerțiale, toate fenomenele fizice (mecanice, electromagnetice etc.) în aceleași condiții decurg în același mod. Este o generalizare a principiului relativității lui Galileo.

Principiul relativității lui Galileo

Principiul mecanic al relativității sau principiul mecanicii clasice: în orice cadru inerțial de referință, toate fenomenele mecanice se desfășoară în același mod în aceleași condiții.

Sunet
Sunetul este numele dat undelor elastice care se propagă în lichide, gaze și solide și sunt percepute de urechea oamenilor și a animalelor. O persoană are capacitatea de a auzi sunete cu frecvențe în intervalul 16-20 kHz. Sunetul cu frecvențe de până la 16 Hz este de obicei numit infrasunet; cu frecvenţe de 2·104–109 Hz – ultrasunete, iar cu frecvenţe de 109–1013 Hz – hipersunete. Știința care studiază sunetele se numește „acustica”.

Ușoară
Lumina în sensul restrâns al termenului se referă la undele electromagnetice în intervalul de frecvență perceput de ochiul uman: 7,5 ‘1014–4,3 ‘1014 Hz. Lungimile de undă variază de la 760 nm (lumină roșie) la 380 nm (lumină violetă).

1.1. Adnotare. Legile teoriei relativității și mecanicii cuantice, conform cărora au loc mișcarea și interacțiunea particulelor elementare de materie, predetermina formarea și apariția modelelor unei game largi de fenomene studiate de diferite științe ale naturii. Aceste legi stau la baza tehnologiilor moderne moderne și determină în mare măsură starea și dezvoltarea civilizației noastre. Prin urmare, familiarizarea cu elementele de bază ale fizicii fundamentale este necesară nu numai pentru elevi, ci și pentru școlari. Posesia activă a cunoștințelor de bază despre structura lumii este necesară pentru o persoană care intră în viață pentru a-și găsi locul în această lume și pentru a-și continua educația cu succes.

1.2. Care este principala dificultate a acestui raport? Se adresează atât specialiștilor din domeniul fizicii particulelor, cât și unui public mult mai larg: fizicieni non-particule, matematicieni, chimiști, biologi, energeticieni, economiști, filozofi, lingviști,... Pentru a fi suficient de precis, trebuie să folosesc termeni și formule ale fizicii fundamentale. Pentru a fi înțeles, trebuie să explic în mod constant acești termeni și formule. Dacă fizica particulelor nu este specialitatea ta, citește mai întâi numai acele secțiuni ale căror titluri nu sunt marcate cu asteriscuri. Apoi încercați să citiți secțiuni cu un asterisc *, două ** și, în final, trei ***. Am reușit să vorbesc despre majoritatea secțiunilor fără stele în timpul reportajului, dar nu am avut timp de restul.

1.3. Fizica particulelor elementare. Fizica particulelor este fundamentul tuturor științelor naturii. Ea studiază cele mai mici particule de materie și modelele de bază ale mișcărilor și interacțiunilor lor. În cele din urmă, aceste modele sunt cele care determină comportamentul tuturor obiectelor de pe Pământ și de pe cer. Fizica particulelor se ocupă de concepte fundamentale precum spațiu și timp; materie; energie, impuls și masă; a învârti. (Majoritatea cititorilor au o idee despre spațiu și timp, poate că au auzit despre legătura dintre masă și energie și nu au idee ce legătură are impulsul cu aceasta și este puțin probabil să realizeze cel mai important rol al spinului în fizică. Chiar și între ei nu se pot pune încă de acord cu privire la cum să numim experți în materie.) Fizica particulelor a fost creată în secolul al XX-lea. Crearea sa este indisolubil legată de crearea a două cele mai mari teorii din istoria omenirii: teoria relativității și mecanica cuantică. Constantele cheie ale acestor teorii sunt viteza luminii cși constanta lui Planck h.

1.4. Teoria relativitatii. Teoria specială a relativității, care a apărut la începutul secolului al XX-lea, a completat sinteza unui număr de științe care au studiat fenomene clasice precum electricitatea, magnetismul și optica, creând mecanica la viteze ale corpurilor comparabile cu viteza luminii. (Mecanica clasică non-relativista a lui Newton s-a ocupat de viteze v<<c.) Apoi, în 1915, a fost creată teoria generală a relativității, care a fost menită să descrie interacțiunile gravitaționale, ținând cont de viteza finită a luminii. c.

1.5. Mecanica cuantică. Mecanica cuantică, creată în anii 1920, a explicat structura și proprietățile atomilor pe baza proprietăților duble undă-particulă ale electronilor. Ea a explicat o gamă largă de fenomene chimice asociate cu interacțiunea atomilor și moleculelor. Și a făcut posibilă descrierea proceselor de emisie și absorbție a luminii de către acestea. Înțelegeți informațiile pe care ni le oferă lumina Soarelui și a stelelor.

1.6. Teoria câmpului cuantic. Combinația dintre teoria relativității și mecanica cuantică a condus la crearea teoriei cuantice a câmpurilor, care face posibilă descrierea celor mai importante proprietăți ale materiei cu un grad ridicat de precizie. Teoria cuantică a câmpului este, desigur, prea complexă pentru a fi explicată elevilor. Dar la mijlocul secolului al XX-lea a apărut limbajul vizual al diagramelor Feynman, care simplifică radical înțelegerea multor aspecte ale teoriei câmpurilor cuantice. Unul dintre obiectivele principale ale acestei discuții este de a arăta cum diagramele Feynman pot fi folosite pentru a înțelege cu ușurință o gamă largă de fenomene. În același timp, mă voi opri mai detaliat asupra problemelor care nu sunt cunoscute de toți experții în teoria câmpurilor cuantice (de exemplu, despre legătura dintre gravitația clasică și cea cuantică) și voi sublinia doar pe scurt problemele care sunt discutate pe larg în literatura stiintifica populara.

1.7. Identitatea particulelor elementare. Particulele elementare sunt cele mai mici particule indivizibile de materie din care este construită întreaga lume. Cea mai uimitoare proprietate care distinge aceste particule de particulele obișnuite non-elementare, de exemplu, boabe de nisip sau margele, este că toate particulele elementare de același tip, de exemplu, toți electronii din Univers sunt absolut (!) la fel - identic. Și, în consecință, cele mai simple stări legate - atomii și cele mai simple molecule - sunt identice unele cu altele.

1.8. Șase particule elementare. Pentru a înțelege procesele de bază care au loc pe Pământ și pe Soare, ca primă aproximare este suficient să înțelegem procesele la care participă șase particule: electroni. e, proton p, neutron nși neutrinul electron ν e , precum și fotonul γ și gravitonul g̃. Primele patru particule au un spin de 1/2, un foton are un spin de 1, iar un graviton are un spin de 2. (Particulele cu spin întreg se numesc bosoni, particulele cu spin semiîntreg sunt numite fermioni. Spinul va fi discutat mai detaliat mai jos.) Protonii și neutronii sunt de obicei numiți nucleoni deoarece nucleele atomice sunt construite din ei, iar nucleus în engleză este nucleus. Electronii și neutrinii se numesc leptoni. Nu au interacțiuni nucleare puternice.

Datorită interacțiunii foarte slabe a gravitonilor, este imposibil să se observe gravitonii individuali, dar prin aceste particule se realizează gravitația în natură. La fel cum interacțiunile electromagnetice sunt efectuate prin fotoni.

1.9. Antiparticule. Electronul, protonul și neutronul au așa-numitele antiparticule: pozitron, antiproton și antineutron. Ele nu fac parte din materia obișnuită, deoarece atunci când întâlnesc particulele corespunzătoare, ele intră în reacții de distrugere reciprocă - anihilare. Astfel, un electron și un pozitron se anihilează în doi sau trei fotoni. Fotonul și gravitonul sunt particule cu adevărat neutre: ele coincid cu antiparticulele lor. Încă nu se știe dacă neutrino este o particulă cu adevărat neutră.

1.10. Nucleoni și cuarci. La mijlocul secolului al XX-lea, s-a dovedit că nucleonii înșiși constau din mai multe particule elementare - două tipuri de quarci, care denotă uȘi d: p = uud, n = ddu. Interacțiunea dintre quarci este realizată de gluoni. Antinucleonii sunt formați din antiquarci.

1.11. Trei generații de fermioni.Împreună cu u, d, e, ν e alte două grupuri (sau, după cum se spune, generații) de quarci și leptoni au fost descoperite și studiate: c, s, μ, ν μ și t, b, τ , ν τ . Aceste particule nu sunt incluse în compoziția materiei obișnuite, deoarece sunt instabile și se dezintegrează rapid în particule mai ușoare de prima generație. Dar au jucat un rol important în primele momente ale existenței Universului.

Pentru o înțelegere și mai completă și mai profundă a naturii, avem nevoie de și mai multe particule cu proprietăți și mai neobișnuite. Dar poate că în viitor toată această diversitate se va reduce la câteva esențe simple și frumoase.

1.12. Hadronii. O familie mare de particule constând din quarci și/sau antiquarci și gluoni se numesc hadroni. Toți hadronii, cu excepția nucleonilor, sunt instabili și, prin urmare, nu fac parte din materia obișnuită.

Adesea hadronii sunt, de asemenea, clasificați ca particule elementare, deoarece nu pot fi descompusi în quarci liberi și gluoni. (Am făcut același lucru, clasificând protonul și neutronul ca primele șase particule elementare.) Dacă toți hadronii sunt considerați elementari, atunci numărul de particule elementare va fi măsurat în sute.

1.13. Model standard și patru tipuri de interacțiuni. După cum va fi explicat mai jos, particulele elementare enumerate mai sus fac posibilă, în cadrul așa-numitului „Model standard al particulelor elementare”, să se descrie toate procesele cunoscute până acum care au loc în natură ca urmare a gravitației, electromagnetice, slabe și interacțiuni puternice. Dar pentru a înțelege cum funcționează primele două dintre ele, sunt suficiente patru particule: foton, graviton, electron și proton. Mai mult, faptul că un proton este format din u- Și d-cuarcii si gluonii se dovedesc a fi nesemnificativi. Desigur, fără interacțiuni slabe și puternice este imposibil să înțelegem nici cum sunt structurați nucleele atomice, fie cum funcționează Soarele nostru. Dar este posibil să înțelegem cum sunt structurate învelișurile atomice, care determină toate proprietățile chimice ale elementelor, cum funcționează electricitatea și cum sunt structurate galaxiile.

1.14. Dincolo de cunoscut.Știm deja astăzi că particulele și interacțiunile Modelului Standard nu epuizează comorile naturii.

S-a stabilit că atomii și ionii obișnuiți reprezintă doar mai puțin de 20% din întreaga materie din Univers, iar mai mult de 80% este așa-numita materie întunecată, a cărei natură este încă necunoscută. Cea mai comună credință este că materia întunecată este formată din superparticule. Este posibil ca acesta să fie format din particule de oglindă.

Și mai uimitor este că toată materia, atât vizibilă (luminoasă), cât și întunecată, poartă doar un sfert din energia totală a Universului. Trei sferturi aparțin așa-numitei energii întunecate.

1.15. Particule elementare"e într-o anumită măsură” sunt fundamentale. Când profesorul meu Isaac Yakovlevich Pomeranchuk a vrut să sublinieze importanța unei întrebări, a spus că întrebarea este într-o măsură importantă. Desigur, majoritatea științelor naturii, nu doar fizica particulelor, sunt fundamentale. Fizica materiei condensate, de exemplu, este guvernată de legi fundamentale care pot fi folosite fără a înțelege cum decurg din legile fizicii particulelor. Dar legile relativității și mecanicii cuantice " e„într-o măsură fundamentală” în sensul că nu pot fi contrazise de niciuna dintre legile mai puțin generale.

1.16. Legile fundamentale. Toate procesele din natură apar ca rezultat al interacțiunilor locale și al mișcărilor (propagarilor) particulelor elementare. Legile de bază care guvernează aceste mișcări și interacțiuni sunt foarte neobișnuite și foarte simple. Ele se bazează pe conceptul de simetrie și pe principiul că tot ceea ce nu contrazice simetria poate și ar trebui să se întâmple. Mai jos, folosind limbajul diagramelor Feynman, vom urmări cum se realizează acest lucru în interacțiunile gravitaționale, electromagnetice, slabe și puternice ale particulelor.

2. Particule și viață

2.1. Despre civilizație și cultură. Membru străin al RAS Valentin Telegdi (1922–2006) a explicat: „Dacă un WC (toaletă) este civilizație, atunci capacitatea de a-l folosi este cultură”.

Angajatul ITEP A. A. Abrikosov Jr. mi-a scris recent: „Unul dintre scopurile raportului dumneavoastră este de a convinge publicul înalt de necesitatea de a preda fizica modernă mai pe scară largă. Dacă da, atunci poate că ar merita să dați câteva exemple de zi cu zi. Ce vreau să spun este asta:

Trăim într-o lume care, chiar și la nivel de zi cu zi, este de neconceput fără mecanica cuantică (QM) și teoria relativității (TR). Telefoanele mobile, computerele, toate electronicele moderne, ca să nu mai vorbim de luminile LED, laserele cu semiconductori (inclusiv pointerii) și afișajele LCD sunt în esență dispozitive cuantice. Este imposibil de explicat cum funcționează fără conceptele de bază ale CM. Cum le poți explica fără a menționa tunelul?

Al doilea exemplu, poate, îl știu de la tine. Navigatoarele prin satelit sunt deja instalate în fiecare a 10-a mașină. Precizia sincronizării ceasului într-o rețea de satelit nu este mai mică de 10 -8 (aceasta corespunde unei erori de ordinul unui metru în localizarea unui obiect pe suprafața Pământului). O astfel de acuratețe necesită luarea în considerare a corecțiilor de întreținere ale frecvenței ceasului pe un satelit în mișcare. Se spune că inginerilor nu le venea să creadă, așa că primele dispozitive aveau un program dublu: cu și fără corecții. După cum se dovedește, primul program funcționează mai bine. Iată un test al teoriei relativității la nivel de zi cu zi.

Desigur, discuția la telefon, conducerea unei mașini și atingerea tastelor computerului este posibilă fără știință înaltă. Dar academicienii cu greu ar trebui să îndemne oamenii să nu studieze geografia, pentru că „există taximetriști”.

Și apoi școlari, apoi elevi, au vorbit despre aspecte materiale și despre relativitatea galileană timp de cinci ani și dintr-o dată, fără un motiv aparent, ei declară că acest lucru „nu este în întregime adevărat”.

Este dificil să treci de la lumea vizuală newtoniană la cea cuantică chiar și în fizică și tehnologie. Al tău, AAA.”

2.2. Despre fizica fundamentală și educație. Din păcate, sistemul modern de învățământ este cu un secol în urmă cu fizica fundamentală modernă. Și majoritatea oamenilor (inclusiv majoritatea oamenilor de știință) nu au idee despre imaginea (harta) uimitor de clară și simplă a lumii pe care a creat-o fizica particulelor. Această hartă face mult mai ușor să navighezi în toate științele naturale. Scopul raportului meu este de a vă convinge că unele elemente (concepte) ale fizicii particulelor elementare, teoria relativității și teoria cuantică pot și ar trebui să devină baza pentru predarea tuturor disciplinelor de științe naturale nu numai la nivel superior, ci și la secundar și chiar Școala primară. La urma urmei, conceptele fundamental noi sunt cel mai ușor stăpânite în copilărie. Copilul stăpânește cu ușurință limba și se obișnuiește să folosească telefonul mobil. Mulți copii readuc cubul Rubik la starea inițială în câteva secunde, dar nici măcar o zi nu este suficientă pentru mine.

Pentru a evita surprizele neplăcute în viitor, la grădiniță trebuie să se stabilească o viziune adecvată asupra lumii. constante cȘi h ar trebui să devină instrumente de cunoaștere pentru copii.

2.3. Despre matematică. Matematica - regina și slujitorul tuturor științelor - ar trebui să servească cu siguranță ca principal instrument de cunoaștere. Oferă concepte de bază precum adevăr, frumusețe, simetrie, ordine. Conceptele de zero și infinit. Matematica te învață să gândești și să numeri. Fizica fundamentală este de neconceput fără matematică. Educația este de neconceput fără matematică. Desigur, poate fi prea devreme să studiezi teoria de grup la școală, dar este necesar să înveți să apreciezi adevărul, frumusețea, simetria și ordinea (și, în același timp, o oarecare dezordine).

Este foarte important să înțelegem trecerea de la numerele reale (reale) (simple, raționale, iraționale) la cele imaginare și complexe. Probabil că doar acei studenți care doresc să lucreze în domeniul matematicii și fizicii teoretice ar trebui să studieze numerele hipercomplexe (cuaternioni și octonii). De exemplu, nu am folosit niciodată octonions în munca mea. Dar știu că fac mai ușor de înțeles ceea ce mulți fizicieni teoreticieni consideră a fi cel mai promițător și excepțional grup de simetrie, E 8 .

2.4. Despre viziunea asupra lumii și științele naturii. O idee despre legile de bază care guvernează lumea este necesară în toate științele naturii. Desigur, fizica stării solide, chimia, biologia, științele Pământului și astronomia au propriile concepte, metode și probleme specifice. Dar este foarte important să existe o hartă generală a lumii și să înțelegem că pe această hartă există multe puncte goale ale necunoscutului. Este foarte important să înțelegem că știința nu este o dogmă osificată, ci un proces viu de abordare a adevărului în multe puncte de pe harta lumii. Abordarea adevărului este un proces asimptotic.

2.5. Despre reducționismul adevărat și vulgar. Ideea că structurile mai complexe din natură sunt compuse din structuri mai puțin complexe și, în ultimă instanță, din elemente mai simple este denumită în mod obișnuit reducționism. În acest sens, ceea ce încerc să vă conving este reducționismul. Dar reducționismul vulgar, care susține că toate științele pot fi reduse la fizica particulelor elementare, este absolut inacceptabil. La fiecare nivel din ce în ce mai ridicat de complexitate, se formează și apar propriile modele. Pentru a fi un bun biolog, nu trebuie să cunoști fizica particulelor. Dar să înțelegem locul și rolul său în sistemul științelor, să înțelegem rolul cheie al constantelor cȘi h necesar. La urma urmei, știința în ansamblu este un singur organism.

2.6. Despre științe umaniste și sociale. O înțelegere generală a structurii lumii este foarte importantă pentru economie, istorie, științe cognitive, cum ar fi științele limbajului și filozofie. Și invers - aceste științe sunt extrem de importante pentru fizica fundamentală în sine, care își rafinează constant conceptele fundamentale. Acest lucru va fi clar din discuția despre teoria relativității, la care mă voi întoarce acum. Voi spune mai ales despre științele juridice, care sunt extrem de importante pentru prosperitatea (ca să nu mai vorbim de supraviețuire) științelor naturii. Sunt convins că legile sociale nu trebuie să contrazică legile fundamentale ale naturii. Legile umane nu ar trebui să contrazică Legile divine ale naturii.

2.7. Micro-, Macro-, Cosmo-. Lumea noastră obișnuită de lucruri mari, dar nu gigantice, se numește de obicei macrolume. Lumea obiectelor cerești poate fi numită cosmoworld, iar lumea particulelor atomice și subatomice se numește microlume. (Deoarece dimensiunile atomilor sunt de ordinul a 10-10 m, microcosmosul înseamnă obiecte cu cel puțin 4, sau chiar 10 ordine de mărime mai mici decât un micrometru și cu 1-7 ordine de mărime mai mici decât un nanometru. Nano la modă. regiunea este situată pe drumul de la micro la macro.) În secolul al XX-lea, a fost construit așa-numitul model standard al particulelor elementare, care vă permite să înțelegeți simplu și clar multe legi macro și cosmice bazate pe micro legi.

2.8. Modelele noastre. Modelele din fizica teoretică sunt construite prin eliminarea circumstanțelor irelevante. De exemplu, în fizica atomică și nucleară, interacțiunile gravitaționale ale particulelor sunt neglijabile și pot fi ignorate. Acest model al lumii se încadrează în teoria relativității speciale. În acest model sunt atomi, molecule, corpuri condensate,... acceleratori și ciocnitori, dar nu există Soare și stele.

Un astfel de model ar fi cu siguranță incorect la scări foarte mari unde gravitația este semnificativă.

Desigur, existența Pământului (și, prin urmare, a gravitației) este necesară pentru existența CERN, dar pentru înțelegerea marii majorități a experimentelor efectuate la CERN (cu excepția căutării „găurilor negre” microscopice la coliziune), gravitația. este neimportant.

2.9. Ordine de mărime. Una dintre dificultățile în înțelegerea proprietăților particulelor elementare se datorează faptului că acestea sunt foarte mici și sunt foarte multe. Există un număr mare de atomi într-o lingură de apă (aproximativ 10 23). Numărul de stele din partea vizibilă a Universului nu este cu mult mai mic. Nu trebuie să vă fie frică de un număr mare. La urma urmei, gestionarea lor nu este dificilă, deoarece înmulțirea numerelor se reduce în principal la adunarea ordinelor lor: 1 = 10 0, 10 = 10 1, 100 = 10 2. Înmulțind 10 cu 100, obținem 10 1+2 = 10 3 = 1000.

2.10. O picătură de ulei. Dacă o picătură de ulei cu un volum de 1 mililitru este aruncată pe suprafața apei, aceasta se va estompa într-un loc de culoarea curcubeului cu o suprafață de aproximativ câțiva metri pătrați și o grosime de aproximativ o sută de nanometri. Aceasta este cu doar trei ordine de mărime mai mare decât dimensiunea unui atom. Și grosimea peliculei unui balon de săpun în locurile cele mai subțiri este de ordinul mărimii moleculelor.

2.11. Jouli. O baterie tipică AA are o tensiune de 1,5 volți (V) și conține 10 4 jouli (J) de energie electrică. Permiteți-mi să vă reamintesc că 1 J = 1 coulomb × 1 V și, de asemenea, că 1 J = kg m 2 / s 2 și că accelerația gravitației este de aproximativ 10 m / s 2. Deci 1 joule vă permite să ridicați 1 kilogram la o înălțime de 10 cm, iar 10 4 J va ridica 100 kg până la 10 metri. Aceasta este câtă energie consumă un lift pentru a duce un școlar la etajul zece. Aceasta este câtă energie este în baterie.

2.12. Electrovolți. Unitatea de energie în fizica particulelor este electronvoltul (eV): energia de 1 eV este dobândită de 1 electron care trece printr-o diferență de potențial de 1 volt. Deoarece există 6,24 × 10 18 electroni într-un coulomb, atunci 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.

Permiteți-mi să vă reamintesc că energia unui proton din marele colisionator de hadroni CERN ar trebui să fie egală cu 7 TeV.

3. Despre teoria relativității

3.1. Cadre de referință. Descriem toate experimentele noastre într-un cadru de referință sau altul. Sistemul de referință poate fi un laborator, un tren, un satelit Pământului, centrul galaxiei... . Sistemul de referință poate fi orice particule care zboară, de exemplu, într-un accelerator de particule. Deoarece toate aceste sisteme se mișcă unul față de celălalt, nu toate experimentele vor arăta la fel în ele. În plus, influența gravitațională a corpurilor masive din apropiere este, de asemenea, diferită. Luarea în considerare a acestor diferențe constituie conținutul principal al teoriei relativității.

3.2. nava lui Galileo. Galileo a formulat principiul relativității, descriind plin de culoare tot felul de experimente în cabina unei nave cu vele. Dacă ferestrele sunt draperii, cu ajutorul acestor experimente nu se poate afla cât de repede se mișcă nava și dacă este staționară. Einstein a adăugat experimente cu viteza finită a luminii acestei cabine. Dacă nu te uiți pe fereastră, nu poți spune viteza navei. Dar dacă te uiți la țărm, poți.

3.3. Stele îndepărtate*. Este logic să oferim un cadru de referință în raport cu care oamenii ar putea formula rezultatele experimentelor lor, indiferent de locul în care se află. Un sistem în care stelele îndepărtate sunt nemișcate a fost de mult acceptat ca un astfel de sistem de referință universal. Și relativ recent (în urmă cu jumătate de secol) au fost descoperiți și mai mult quasari îndepărtați și s-a dovedit că în acest sistem fondul relict al microundelor ar trebui să fie izotrop.

3.4. În căutarea unui sistem de referință universal*.În esență, întreaga istorie a astronomiei este o progresie către un cadru de referință din ce în ce mai universal. De la antropocentric, unde omul este în centru, la geocentric, unde Pământul se odihnește în centru (Ptolemeu, 87–165), la heliocentric, unde Soarele se odihnește în centru (Copernic, 1473–1543), până la galacentric, unde centrul galaxiei noastre se odihnește, spre nebular, unde se odihnește sistemul de nebuloase - clustere de galaxii; pe fundal, unde fundalul cosmic cu microunde este izotrop. Este important, totuși, ca vitezele acestor sisteme de referință să fie mici în comparație cu viteza luminii.

3.5. Copernic, Kepler, Galileo, Newton*.În cartea lui Nicolaus Copernic „Despre rotațiile sferelor cerești”, publicată în 1543, se spune: „Toate mișcările observabile la Soare nu îi sunt specifice, ci aparțin Pământului și sferei noastre, împreună cu care. ne învârtim în jurul Soarelui, ca orice altă planetă; astfel Pământul are mai multe mișcări. Mișcările aparente înainte și înapoi ale planetelor nu le aparțin, ci Pământului. Astfel, această mișcare singură este suficientă pentru a explica un număr mare de nereguli vizibile pe cer.”

Copernic și Kepler (1571–1630) au oferit o descriere fenomenologică simplă a cinematicii acestor mișcări. Galileo (1564–1642) și Newton (1643–1727) au explicat dinamica lor.

3.6. Spațiu și timp universal*. Coordonatele spațiale și timpul, referite la un sistem de referință universal, pot fi numite universale sau absolute în deplină armonie cu teoria relativității. Este important doar să subliniem că alegerea acestui sistem este făcută și convenită de către observatorii locali. Orice sistem de referință care se mișcă progresiv în raport cu sistemul universal este inerțial: în el, mișcarea liberă este uniformă și rectilinie.

3.7. „Teoria invarianței”*. Rețineți că atât Albert Einstein (1879–1955), cât și Max Planck (1858–1947) (care au inventat termenul „teoria relativității” în 1907, referindu-se la teoria prezentată de Einstein în 1905) credeau că termenul „invarianță teorie” ar putea reflecta mai exact esența sa. Dar, aparent, la începutul secolului al XX-lea era mai important să se sublinieze relativitatea unor concepte precum timpul și simultaneitatea în sisteme de referință inerțiale egale decât să se evidențieze unul dintre aceste sisteme. Cel mai important lucru a fost că, cu ferestrele cabinei lui Galileo acoperite, era imposibil să se determine viteza navei. Dar acum este timpul să deschidem draperiile și să privim țărm. În acest caz, desigur, toate modelele stabilite cu perdelele închise vor rămâne de neclintit.

3.8. Scrisoare către Chimmer*. În 1921, Einstein, într-o scrisoare către E. Chimmer, autorul cărții „Scrisori filosofice”, scria: „În ceea ce privește termenul „teoria relativității”, recunosc că este regretabil și duce la neînțelegeri filozofice”. Dar, potrivit lui Einstein, este prea târziu pentru ao schimba, în special pentru că este larg răspândită. Această scrisoare a fost publicată în al 12-lea volum al „Opere colectate ale lui Einstein”, în 25 de volume, publicat în Princeton, publicat în toamna anului 2009.

3.9. Viteza maximă în natură. Constanta cheie a teoriei relativității este viteza luminii c= 300.000 km/s = 3 × 10 8 m/s. (Mai precis, c= 299.792.458 m/s. Și acest număr stă acum la baza definiției contorului.) Această viteză este viteza maximă de propagare a oricăror semnale din natură. Depășește viteza obiectelor masive cu care avem de-a face în fiecare zi cu multe ordine de mărime. Tocmai valoarea sa neobișnuit de mare este cea care împiedică înțelegerea conținutului principal al teoriei relativității. Particulele care se deplasează cu viteze de ordinul vitezei luminii se numesc relativiste.

3.10. Energie, impuls și viteză. Mișcarea liberă a unei particule este caracterizată de energia particulei Eși impulsul său p. Conform teoriei relativității, viteza unei particule v este determinat de formula

Unul dintre principalele motive pentru confuzia terminologică discutată în Sect. 3.14, este că atunci când au creat teoria relativității, au încercat să păstreze legătura newtoniană dintre impuls și viteză. p = mv, care contrazice teoria relativității.

3.11. Greutate. Masa particulelor m este determinat de formula

În timp ce energia și impulsul unei particule depind de cadrul de referință, de mărimea masei sale m nu depinde de sistemul de referință. Este un invariant. Formulele (1) și (2) sunt de bază în teoria relativității.

În mod ciudat, prima monografie despre teoria relativității, în care a apărut formula (2), a fost publicată abia în 1941. Era „Teoriile câmpului” de L. Landau (1908–1968) și E. Lifshitz (1915–1985) . Nu l-am găsit în niciuna dintre lucrările lui Einstein. Nu se găsește în minunata carte „Theory of Relativity” de W. Pauli (1900–1958), publicată în 1921. Dar ecuația de undă relativistă care conține această formulă a fost în cartea „Principles of Quantum Mechanics” de P. Dirac , publicat în 1930 (1902–1984), și chiar mai devreme în articolele din 1926 de O. Klein (1894–1977) și V. Fok (1898–1974).

3.12. Fotoni fără masă. Dacă masa unei particule este zero, adică particula nu are masă, atunci din formulele (1) și (2) rezultă că în orice cadru de referință viteza sa este egală cu c. Deoarece masa unei particule de lumină - un foton - este atât de mică încât nu poate fi detectată, se acceptă în general că este egală cu zero și că c- aceasta este viteza luminii.

3.13. Energia odihnei. Dacă masa particulei este diferită de zero, atunci luați în considerare cadrul de referință în care particula liberă este în repaus și v = 0, p= 0. Un astfel de cadru de referință se numește cadrul de repaus al particulei, iar energia particulei din acest cadru se numește energia de repaus și se notează E 0. Din formula (2) rezultă că

Această formulă exprimă relația dintre energia de repaus a unei particule masive și masa ei, descoperită de Einstein în 1905.

3.14. „Cea mai faimoasă formulă”. Din păcate, de foarte multe ori formula lui Einstein este scrisă sub forma „cea mai faimoasă formulă E = mc 2”, omițând indicele zero al energiei de repaus, ceea ce duce la numeroase neînțelegeri și confuzii. La urma urmei, această „formulă faimoasă” identifică energia și masa, ceea ce contrazice teoria relativității în general și formula (2) în special. Din aceasta rezultă o concepție greșită larg răspândită conform căreia masa unui corp, conform teoriei relativității, se presupune că crește odată cu creșterea vitezei. În ultimii ani, Academia Rusă de Educație a făcut multe pentru a risipi această concepție greșită.

3.15. Unitatea de măsură a vitezei*. În teoria relativității, care se ocupă de viteze comparabile cu viteza luminii, este firesc să alegeți c ca unitate a vitezei. Această alegere simplifică toate formulele, deoarece c/c= 1 și ar trebui puse c= 1. În acest caz, viteza devine o mărime adimensională, distanța are dimensiunea timpului, iar masa are dimensiunea energiei.

În fizica particulelor, masele particulelor sunt de obicei măsurate în electronvolți - eV și derivații acestora (vezi Secțiunea 2.14). Masa unui electron este de aproximativ 0,5 MeV, masa unui proton este de aproximativ 1 GeV, masa celui mai greu quarc este de aproximativ 170 GeV, iar masa unui neutrin este de aproximativ o fracțiune de eV.

3.16. Distanțele astronomice*. În astronomie, distanțele sunt măsurate în ani lumină. Dimensiunea părții vizibile a Universului este de aproximativ 14 miliarde de ani lumină. Acest număr este și mai impresionant în comparație cu timpul de 10 -24 s, timp în care lumina parcurge o distanță de ordinul mărimii unui proton. Și în acest interval colosal funcționează teoria relativității.

3.17. Lumea lui Minkowski.În 1908, cu câteva luni înainte de moartea sa prematură, Hermann Minkowski (1864–1909) a spus profetic: „Concepțiile despre spațiu și timp pe care intenționez să le dezvolt înainte de tine au apărut pe o bază fizică experimentală. Aceasta este puterea lor. Tendința lor este radicală. De acum înainte, spațiul în sine și timpul în sine trebuie să se transforme în ficțiune și doar un fel de combinație a ambelor trebuie să-și păstreze în continuare independența.”

Un secol mai târziu, știm că timpul și spațiul nu au devenit ficțiune, dar ideea lui Minkowski a făcut posibil să se descrie foarte simplu mișcările și interacțiunile particulelor de materie.

3.18. Lumea cu patru dimensiuni*. În unităţile în care c= 1, ideea lumii lui Minkowski, care combină timpul și spațiul tridimensional într-o singură lume cu patru dimensiuni, arată deosebit de frumoasă. Energia și impulsul sunt combinate într-un singur vector cu patru dimensiuni, iar masa, în conformitate cu ecuația (2), servește ca lungime pseudo-euclidiană a acestui 4-vector energie-impuls. p = E, p:

O traiectorie cu patru dimensiuni în lumea Minkowski se numește linie de lume, iar punctele individuale sunt numite puncte de lume.

3.19. Dependența ceasului de viteza sa**. Numeroase observații indică faptul că ceasurile funcționează cel mai repede atunci când sunt în repaus în raport cu cadrul inerțial. Mișcarea finită într-un sistem de referință inerțial încetinește progresul lor. Cu cât se deplasează mai repede în spațiu, cu atât merg mai încet în timp. Decelerația este absolută în sistemul de referință universal (vezi secțiunile 3.1–3.8). Măsura sa este raportul E/m, care este adesea notat cu litera γ.

3.20. Muoni într-un accelerator inel și în repaus**. Existența acestei încetiniri poate fi văzută cel mai clar comparând durata de viață a unui muon în repaus și a unui muon care se rotește într-un accelerator inel. Faptul că în accelerator muonul nu se mișcă complet liber, ci are accelerație centripetă ω 2 R, Unde ω este frecvența radială a circulației și R- raza orbitală, dă doar o corecție neglijabilă, deoarece E/ω 2 R = ER>> 1. Mișcarea în cerc, și nu în linie dreaptă, este absolut esențială pentru compararea directă a unui muon în rotație cu unul staționar. Dar în ceea ce privește rata de îmbătrânire a unui muon în mișcare, un arc circular cu o rază suficient de mare nu se poate distinge de o linie dreaptă. Acest tempo este determinat de raport E/m. (Subliniez că, conform teoriei relativității speciale, cadrul de referință în care un muon rotativ este în repaus nu este inerțial.)

3.21. Arc și coardă**. Din punctul de vedere al unui observator în repaus într-un cadru de referință inerțial, un arc de cerc cu o rază suficient de mare și coarda lui sunt practic indistincte: mișcarea de-a lungul arcului este aproape inerțială. Din punctul de vedere al unui observator în repaus în raport cu un muon care zboară în cerc, mișcarea acestuia este în esență neinerțială. La urma urmei, viteza sa se schimbă semnul într-o jumătate de tură. (Pentru un observator în mișcare, stelele îndepărtate nu sunt deloc nemișcate. Întregul Univers este asimetric pentru el: stelele din față sunt albastre și din spate sunt roșii. În timp ce pentru noi sunt toate la fel - aurii, deoarece viteza soarelui sistemul este scăzut.) Iar non-inerțialitatea acestui observator se manifestă prin aceea că constelațiile din față și din spate se schimbă pe măsură ce muonul se mișcă în acceleratorul inel. Nu putem considera observatorii în repaus și observatorii în mișcare ca fiind echivalenti, deoarece primul nu experimentează nicio accelerație, iar al doilea, pentru a se întoarce la locul de întâlnire, trebuie să o experimenteze.

3.22. GTO**. Fizicienii teoreticieni, obișnuiți cu limbajul Teoriei Generale a Relativității (GTR), insistă că toate cadrele de referință sunt egale. Nu doar inerțial, ci și accelerat. Acel spațiu-timp însuși este curbat. În acest caz, interacțiunea gravitațională încetează să fie aceeași interacțiune fizică ca și electromagnetică, slabă și puternică, dar devine o manifestare exclusivă a spațiului curbat. Ca rezultat, toată fizica pentru ei pare să fie împărțită în două părți. Dacă pornim de la faptul că accelerația se datorează întotdeauna interacțiunii, că nu este relativă, ci absolută, atunci fizica devine unificată și simplă.

3.23. „Lenkom”. Folosirea cuvintelor „relativitate” și „relativism” în raport cu viteza luminii amintește de numele teatrului Lenkom sau al ziarului Moskovsky Komsomolets, numai genealogic legat de Komsomol. Acestea sunt paradoxurile limbajului. Viteza luminii în vid nu este relativă. Ea este absolută. Fizicienii au nevoie doar de ajutorul lingviştilor.

4. Despre teoria cuantică

4.1. constanta lui Planck. Dacă în teoria relativității constanta cheie este viteza luminii c, atunci în mecanica cuantică constanta cheie este h= 6,63·10 −34 J· s, descoperit de Max Planck în 1900. Sensul fizic al acestei constante va deveni clar din prezentarea ulterioară. În cea mai mare parte, așa-numita constantă Planck redusă apare în formulele mecanicii cuantice:

ħ = h/2π= 1,05 10 −34 J × c= 6,58.10 -22 MeV.c.

În multe fenomene, cantitatea joacă un rol important ħc= 1,97·10−11 MeV cm.

4.2. Spinul electronilor. Să începem cu binecunoscuta comparație naivă a unui atom cu un sistem planetar. Planetele se rotesc în jurul Soarelui și în jurul propriei axe. În mod similar, electronii se rotesc în jurul nucleului și în jurul propriei axe. Rotația unui electron pe orbita sa este caracterizată de momentul unghiular orbital L(este adesea și nu tocmai corect numit moment unghiular orbital). Rotația unui electron în jurul propriei axe este caracterizată de propriul său moment unghiular - spin S. S-a dovedit că toți electronii din lume au un spin egal cu (1/2) ħ . Pentru comparație, observăm că „învârtirea” Pământului este 6 10 33 m 2 kg/s = 6 10 67 ħ .

4.3. Atom de hidrogen. De fapt, un atom nu este un sistem planetar, iar un electron nu este o particulă obișnuită care se mișcă pe o orbită. Un electron, ca toate celelalte particule elementare, nu este deloc o particulă în sensul de zi cu zi al cuvântului, ceea ce implică faptul că particula trebuie să se miște pe o anumită traiectorie. În cel mai simplu atom - un atom de hidrogen, dacă este în starea sa fundamentală, adică nu este excitat, electronul seamănă mai degrabă cu un nor sferic cu o rază de ordinul a 0,5 × 10 -10 m. Pe măsură ce atomul este excitat, electronul intră în stări din ce în ce mai înalte, având o dimensiune din ce în ce mai mare.

4.4. Numerele cuantice de electroni. Fără a ține cont de spin, mișcarea unui electron într-un atom este caracterizată de două numere cuantice: numărul cuantic principal nși numărul cuantic orbital l, și n ≥ l. Dacă l= 0, atunci electronul este un nor simetric sferic. Cu cât n este mai mare, cu atât este mai mare dimensiunea acestui nor. Cu atât mai mult l, cu atât mișcarea electronului seamănă mai mult cu mișcarea unei particule clasice pe orbita sa. Energia de legare a unui electron situat într-un atom de hidrogen pe o înveliș cu un număr cuantic n, este egal

Unde α =e 2/ħc≈ 1/137, a e- sarcina electronilor.

4.5. Atomi multielectroni. Spinul joacă un rol cheie în umplerea învelișurilor de electroni ale atomilor multielectroni. Faptul este că doi electroni cu auto-rotație direcționată identic (spinuri identice) nu pot fi pe aceeași înveliș cu aceste valori. nȘi l. Acest lucru este interzis de așa-numitul principiu Pauli (1900–1958). În esență, principiul Pauli determină perioadele Tabelului periodic al elementelor al lui Mendeleev (1834–1907).

4.6. Bozoni și fermioni. Toate particulele elementare au spin. Deci, spinul unui foton este 1 în unități ħ , spinul gravitonului este 2. Particule cu spin întreg în unități ħ se numesc bosoni. Particulele cu spin semiîntreg se numesc fermioni. Bosonii sunt colectivişti: „se străduiesc să trăiască toţi în aceeaşi cameră”, să fie în aceeaşi stare cuantică. Un laser se bazează pe această proprietate a fotonilor: toți fotonii dintr-un fascicul laser au exact aceleași impulsuri. Fermionii sunt individualiști: „fiecare dintre ei are nevoie de un apartament separat”. Această proprietate a electronilor determină modelele de umplere a învelișurilor de electroni ale atomilor.

4.7. „Centauri cuantici”. Particulele elementare sunt ca centaurii cuantici: jumătățile de particule sunt semi-unde. Datorită proprietăților lor unde, centaurii cuantici, spre deosebire de particulele clasice, pot trece prin două fante simultan, rezultând un model de interferență pe un ecran din spatele lor. Toate încercările de a încadra centaurii cuantici în patul Procustean al conceptelor fizicii clasice s-au dovedit a fi infructuoase.

4.8. Relații de incertitudine. Constant ħ determină caracteristicile mișcării nu numai de rotație, ci și de translație a particulelor elementare. Incertitudinile în poziția și impulsul particulei trebuie să satisfacă așa-numitele relații de incertitudine Heisenberg (1901–1976), cum ar fi

O relație similară există pentru energie și timp:

4.9. Mecanica cuantică. Atât cuantizarea spinului, cât și relațiile de incertitudine sunt manifestări particulare ale legilor generale ale mecanicii cuantice, create în anii 20 ai secolului XX. Conform mecanicii cuantice, orice particulă elementară, de exemplu, un electron, este atât o particulă elementară, cât și o undă elementară (cu o singură particulă). În plus, spre deosebire de unda obișnuită, care este mișcarea periodică a unui număr colosal de particule, o undă elementară este un tip nou, necunoscut anterior, de mișcare a unei particule individuale. Lungimea de undă elementară λ a unei particule cu impuls p egal cu λ = h/|p| și frecvența elementară ν , corespunzătoare energiei E, este egal ν = E/h.

4.10. Teoria câmpului cuantic. Deci, la început am fost forțați să admitem că particulele pot fi în mod arbitrar ușoare și chiar fără masă și că viteza lor nu poate depăși c. Apoi am fost forțați să admitem că particulele nu sunt deloc particule, ci hibrizi particulari de particule și unde, al căror comportament este unit de cuantum. h. Unificarea relativității și a mecanicii cuantice a fost realizată de Dirac (1902–1984) în 1930 și a condus la crearea unei teorii numită teoria cuantică a câmpurilor. Această teorie este cea care descrie proprietățile de bază ale materiei.

4.11. Unităţi în care c, ħ = 1. În cele ce urmează, de regulă, vom folosi unități în care se consideră unitatea vitezei c, și pe unitatea de moment unghiular (acțiune) - ħ . În aceste unități, toate formulele sunt simplificate semnificativ. În ei, în special, dimensiunile energiei, masei și frecvenței sunt aceleași. Aceste unități sunt acceptate în fizica energiilor înalte, deoarece fenomenele cuantice și relativiste sunt semnificative în ea. În cazurile în care este necesar să subliniem natura cuantică a unui anumit fenomen, vom scrie în mod explicit ħ . Vom face la fel cu c.

4.12. Einstein și mecanica cuantică*. Einstein, într-un fel, după ce a dat naștere mecanicii cuantice, nu s-a împăcat cu ea. Și până la sfârșitul vieții a încercat să construiască o „teorie unificată a tuturor” bazată pe teoria clasică a câmpului, ignorând ħ . Einstein credea în determinismul clasic și în inadmisibilitatea aleatoriei. El a repetat despre Dumnezeu: „Nu joacă zaruri”. Și nu a putut să se împace cu faptul că momentul de dezintegrare a unei particule individuale nu poate fi prezis, în principiu, deși durata medie de viață a unui anumit tip de particule este prezisă în cadrul mecanicii cuantice cu o precizie fără precedent. Din păcate, părtinirile sale au determinat părerile prea multor oameni.

5. Diagrame Feynman

5.1. Cea mai simplă diagramă. Interacțiunile particulelor pot fi vizualizate convenabil folosind diagramele propuse de Richard Feynman (1918–1988) în 1949. În fig. Figura 1 prezintă cea mai simplă diagramă Feynman care descrie interacțiunea unui electron și a unui proton prin schimbul unui foton.

Săgețile din figură indică direcția fluxului de timp pentru fiecare particulă.

5.2. Particule reale. Fiecare proces este reprezentat de una sau mai multe diagrame Feynman. Liniile exterioare din diagramă corespund particulelor de intrare (înainte de interacțiune) și de ieșire (după interacțiune) care sunt libere. Momentul lor de 4 p satisface ecuația

Se numesc particule reale și se spune că se află pe suprafața masei.

5.3. Particule virtuale. Liniile interioare ale diagramelor corespund particulelor în stare virtuală. Pentru ei

Ele sunt numite particule virtuale și se spune că sunt în afara cochiliei. Propagarea unei particule virtuale este descrisă de o mărime matematică numită propagator.

Această terminologie comună poate determina un începător să creadă că particulele virtuale sunt mai puțin materiale decât particulele reale. În realitate, ele sunt la fel de materiale, dar noi percepem particulele reale ca materie și radiații, iar pe cele virtuale - în principal ca câmpuri de forță, deși această distincție este în mare măsură arbitrară. Este important ca aceeași particulă, de exemplu, un foton sau un electron, să poată fi reală în anumite condiții și virtuală în altele.

5.4. Vârfurile. Vârfurile diagramei descriu actele locale ale interacțiunilor elementare dintre particule. La fiecare vârf se conservă 4-momentul. Este ușor de observat că, dacă trei linii de particule stabile se întâlnesc la un vârf, atunci cel puțin una dintre ele trebuie să fie virtuală, adică trebuie să fie în afara suprafeței de masă: „Bolivar nu poate demola trei”. (De exemplu, un electron liber nu poate emite un foton liber și rămâne totuși un electron liber.)

Două particule reale interacționează la distanță, schimbând una sau mai multe particule virtuale.

5.5. Răspândirea. Dacă se spune că particulele reale se mișcă, atunci se spune că particulele virtuale se propagă. Termenul de „propagare” subliniază faptul că o particulă virtuală poate avea multe traiectorii și este posibil ca niciuna dintre ele să nu fie clasică, ca un foton virtual cu energie zero și impuls diferit de zero care descrie interacțiunea statică Coulomb.

5.6. Antiparticule. O proprietate remarcabilă a diagramelor Feynman este că ele descriu atât particulele, cât și antiparticulele lor corespunzătoare într-un mod unificat. În acest caz, antiparticula arată ca o particulă care se mișcă înapoi în timp. În fig. Figura 2 prezintă o diagramă care ilustrează nașterea unui proton și a unui antiproton în timpul anihilării unui electron și a unui pozitron.

Mișcarea înapoi în timp se aplică în egală măsură fermionilor și bosonilor. Face inutilă interpretarea pozitronilor ca stări neumplute într-o mare de electroni cu energie negativă, la care a recurs Dirac când a introdus conceptul de antiparticulă în 1930.

5.7. Diagramele Schwinger și Feynman. Schwinger (1918–1994), căruia nu i-au păsat dificultățile de calcul, nu i-au plăcut diagramele Feynman și a scris oarecum condescendent despre ele: „La fel ca cipul computerului din ultimii ani, diagrama Feynman a adus calcule maselor”. Din păcate, spre deosebire de cip, diagramele Feynman nu au atins cele mai largi mase.

5.8. Diagramele Feynman și Feynman. Din motive necunoscute, diagramele lui Feynman nici măcar nu au ajuns la celebrele Prelegeri Feynman despre fizică. Sunt convins că trebuie aduse elevilor de liceu explicându-le ideile de bază ale fizicii particulelor. Aceasta este cea mai simplă viziune asupra microcosmosului și a lumii în ansamblu. Dacă un elev cunoaște conceptul de energie potențială (de exemplu, legea lui Newton sau legea lui Coulomb), atunci diagramele Feynman îi permit să obțină o expresie pentru această energie potențială.

5.9. Particule virtuale și câmpuri de forță fizică. Diagramele Feynman sunt cel mai simplu limbaj al teoriei câmpurilor cuantice. (Cel puțin în cazurile în care interacțiunea nu este foarte puternică și teoria perturbației poate fi folosită.) Majoritatea cărților despre teoria cuantică a câmpurilor tratează particulele ca excitații cuantice ale câmpurilor, ceea ce necesită familiarizarea cu formalismul cuantizării secundare. În limbajul diagramelor Feynman, câmpurile sunt înlocuite cu particule virtuale.

Particulele elementare au atât proprietăți corpusculare, cât și proprietăți ondulatorii. Mai mult, în stare reală sunt particule de materie, iar în stare virtuală sunt și purtători de forțe între obiectele materiale. După introducerea particulelor virtuale, conceptul de forță devine inutil, iar conceptul de câmp, dacă nu erai familiarizat cu el înainte, ar trebui poate să fie introdus după ce conceptul de particule virtuale a fost stăpânit.

5.10. Interacțiuni elementare*. Actele elementare de emisie și absorbție a particulelor virtuale (vârfurile) sunt caracterizate de astfel de constante de interacțiune precum sarcina electrică e în cazul unui foton, sarcini slabe e/sin θ Wîn cazul bosonului W şi e/sin θ W cos θ Wîn cazul bosonului Z (unde θ W- Unghiul Weinberg), încărcare de culoare gîn cazul gluonilor, și cantitatea √Gîn cazul gravitonului, unde G- Constanta lui Newton. (Vezi cap. 6–10.) Interacțiunea electromagnetică este discutată mai jos în cap. 7. Interacțiune slabă - în cap. 8. Puternic - în cap. 9.

Vom începe cu următorul capitol. 6 cu interacțiune gravitațională.

6. Interacțiune gravitațională

6.1. Gravitoni. Voi începe cu particule care nu au fost încă descoperite și cu siguranță nu vor fi descoperite în viitorul apropiat. Acestea sunt particule din câmpul gravitațional - gravitoni. Nu doar gravitonii nu au fost încă descoperiti, ci și undele gravitaționale (și asta într-un moment în care undele electromagnetice pătrund literalmente în viața noastră). Acest lucru se datorează faptului că la energii joase interacțiunea gravitațională este foarte slabă. După cum vom vedea, teoria gravitonilor ne permite să înțelegem toate proprietățile cunoscute ale interacțiunii gravitaționale.

6.2. Schimb de gravitoni.În limbajul diagramelor Feynman, interacțiunea gravitațională a două corpuri se realizează prin schimbul de gravitoni virtuali între particulele elementare care alcătuiesc aceste corpuri. În fig. 3, un graviton este emis de o particulă cu 4-moment p 1 și este absorbit de o altă particulă cu 4-moment p 2 . Datorită conservării 4-momentului, q=p 1 − p′ 1 =p′ 2 −p 2 , unde q este 4-momentul gravitonului.

Propagarea unui graviton virtual (ca orice particulă virtuală, are un propagator) este reprezentată în figură de un arc.

6.3. Un atom de hidrogen în câmpul gravitațional al Pământului.În fig. Figura 4 prezintă suma diagramelor în care un atom de hidrogen cu 4 momente p 1 schimbă gravitoni cu toți atomii Pământului având un total de 4 momente p 2 . Și în acest caz q = p 1 − p′ 1 = p′ 2 − p 2 , unde q este impulsul total de 4 gravitoni virtuali.

6.4. Despre masa atomului.În viitor, când luăm în considerare interacțiunea gravitațională, vom neglija masa electronului în comparație cu masa protonului și, de asemenea, vom neglija diferența dintre masele protonului și neutronului și energia de legare a nucleonilor din nucleele atomice. Deci masa unui atom este aproximativ suma maselor nucleonilor din nucleul atomic.

6.5. Câştig*. Numărul de nucleoni ai Pământului N E ≈ 3,6·10 51 este egal cu produsul dintre numărul de nucleoni dintr-un gram de materie terestră, adică numărul lui Avogadro N A ≈ 6·10 23, cu masa Pământului în grame ≈ 6 ·10 27. Prin urmare, diagrama din fig. 4 reprezintă suma a 3,6 10 51 diagrame din Fig. 3, care este marcat de îngroșarea liniilor Pământului și gravitonii virtuali din Fig. 4. În plus, „arcul gravitonului”, spre deosebire de propagatorul unui graviton, este prezentat în Fig. 4 gri. Se pare că conține 3,6·10 51 gravitoni.

6.6. Mărul lui Newton în câmpul gravitațional al Pământului.În fig. 5, toți atomii de mere cu un total de 4 momente p 1 interacționează cu toți atomii Pământului cu un total de 4 momente p 2 .

6.7. Numărul de diagrame*. Permiteți-mi să vă reamintesc că un gram de materie obișnuită conține N A = 6·10 23 nucleoni. Numărul de nucleoni dintr-un măr de 100 de grame N a = 100N A = 6·10 25. Masa Pământului este de 6·10 27 g și, prin urmare, numărul de nucleoni ai Pământului N E = 3,6·10 51. Desigur, îngroșarea liniilor din Fig. 5 nu corespunde în niciun caz numărului imens de nucleoni de măr Na, nucleonii Pământului N E și numărului mult mai mare, pur și simplu fantastic, de diagrame Feynman N d = N a N E = 2,2·10 77 . La urma urmei, fiecare nucleon al unui măr interacționează cu fiecare nucleon al Pământului. Pentru a sublinia numărul enorm de diagrame, arcul din Fig. 5 este întunecat.

Deși interacțiunea unui graviton cu o particulă elementară individuală este foarte mică, suma diagramelor pentru toți nucleonii Pământului creează o atracție semnificativă pe care o simțim. Gravitația universală trage Luna spre Pământ, ambele spre Soare, toate stelele din galaxia noastră și toate galaxiile una spre cealaltă.

6.8. Amplitudinea Feynman și transformarea sa Fourier***.

Diagrama Feynman a interacțiunii gravitaționale a două corpuri lente cu mase m 1 și m 2 corespunde amplitudinii Feynman

Unde G- constanta lui Newton, a q- 3-impuls transportat de gravitoni virtuali. (Valoare 1/q 2, Unde q- 4-pulse, numit propagator graviton. În cazul corpurilor lente, energia practic nu este transferată și, prin urmare q 2 = −q 2 .)

Pentru a trece de la spațiul de impuls în spațiul de configurație (coordonate), trebuie să luăm transformata Fourier a amplitudinii A( q)

Valoarea A( r) oferă energia potențială a interacțiunii gravitaționale a particulelor non-relativiste și determină mișcarea unei particule relativiste într-un câmp gravitațional static.

6.9. Potențialul lui Newton*. Energia potenţială a două corpuri cu mase m 1 şi m 2 este egală cu

Unde G- constanta lui Newton, a r- distanta dintre corpuri.

Această energie este conținută în „izvorul” gravitonilor virtuali din Fig. 5. Interacțiune, al cărei potențial scade cu 1/ r, se numește distanță lungă. Folosind transformata Fourier, putem vedea că gravitația este cu rază lungă, deoarece gravitonul este fără masă.

6.10. Potențial de tip Yukawa**. Într-adevăr, dacă gravitonul ar avea o masă diferită de zero m, atunci amplitudinea Feynman pentru schimbul său ar avea forma

iar un potențial precum potențialul Yukawa cu o gamă de acțiune i-ar corespunde r ≈ 1/m:

6.11. Despre energia potențială**. În mecanica non-relativista a lui Newton, energia cinetică a unei particule depinde de viteza (impulsul) acesteia, iar energia potențială numai de coordonatele sale, adică de poziția sa în spațiu. În mecanica relativistă, o astfel de cerință nu poate fi păstrată, deoarece interacțiunea particulelor în sine depinde adesea de vitezele (momentele) lor și, în consecință, de energia cinetică. Cu toate acestea, pentru câmpurile gravitaționale obișnuite, destul de slabe, modificarea energiei cinetice a particulei este mică în comparație cu energia sa totală și, prin urmare, această schimbare poate fi neglijată. Energia totală a unei particule nonrelativiste într-un câmp gravitațional slab poate fi scrisă ca ε = E rudă + E 0 + U.

6.12. Universalitatea gravitației. Spre deosebire de toate celelalte interacțiuni, gravitația are proprietatea remarcabilă a universalității. Interacțiunea unui graviton cu orice particulă nu depinde de proprietățile acestei particule, ci depinde doar de cantitatea de energie pe care o posedă particula. Dacă această particulă este lentă, atunci energia ei de repaus E 0 = mc 2, conținut în masa sa, își depășește cu mult energia cinetică. Și, prin urmare, interacțiunea gravitațională este proporțională cu masa sa. Dar pentru o particulă suficient de rapidă, energia sa cinetică este mult mai mare decât masa sa. În acest caz, interacțiunea sa gravitațională este practic independentă de masă și este proporțională cu energia sa cinetică.

6.13. Spinul gravitonului și universalitatea gravitației**. Mai precis, emisia gravitonului este proporțională nu cu energia simplă, ci cu tensorul energie-impuls al particulei. Și asta, la rândul său, se datorează faptului că spin-ul gravitonului este egal cu doi. Fie 4-momentul particulei înainte de emisia gravitonului p 1 și după emisie p 2. Atunci impulsul gravitonului este egal cu q = p 1 − p 2. Dacă introduceți denumirea p = p 1 + p 2, atunci vârful emisiei gravitonului va avea forma

unde h αβ este funcția de undă gravitonă.

6.14. Interacțiunea gravitonului cu fotonul**. Acest lucru se vede în mod clar în exemplul unui foton, a cărui masă este zero. S-a dovedit experimental că atunci când un foton zboară de la etajul inferior al unei clădiri până la etajul superior, impulsul său scade sub influența gravitației Pământului. De asemenea, s-a dovedit că o rază de lumină de la o stea îndepărtată este deviată de atracția gravitațională a Soarelui.

6.15. Interacțiunea unui foton cu Pământul**. În fig. Figura 6 prezintă schimbul de gravitoni între Pământ și foton. Această cifră reprezintă în mod convențional suma cifrelor schimburilor de gravitoni ale unui foton cu toți nucleonii Pământului. Pe acesta, vârful pământului se obține din vârful nucleonului prin înmulțirea cu numărul de nucleoni din Pământul N E cu înlocuirea corespunzătoare a 4-momentului nucleonului cu 4-momentul Pământului (vezi Fig. 3).

6.16. Interacțiunea gravitonului cu gravitonul***. Deoarece gravitonii transportă energie, ei înșiși trebuie să emită și să absoarbă gravitonii. Nu am văzut niciodată gravitoni reali individuali și nu le vom vedea niciodată. Cu toate acestea, interacțiunea dintre gravitonii virtuali duce la efecte observabile.La prima vedere, contribuția a trei gravitoni virtuali la interacțiunea gravitațională a doi nucleoni este prea mică pentru a fi detectată (vezi Fig. 7).

6.17. Precesia seculară a lui Mercur**. Totuși, această contribuție se manifestă în precesia periheliului orbitei lui Mercur. Precesia seculară a lui Mercur este descrisă de suma diagramelor gravitonului cu o singură buclă a atracției lui Mercur către Soare (Fig. 8).

6.18. Câștig pentru Mercur**. Raportul de masă dintre Mercur și Pământ este 0,055. Deci numărul de nucleoni din Mercur N M = 0,055 N E= 2·10 50 . Masa Soarelui DOMNIȘOARĂ= 2·10 33 g. Deci numărul de nucleoni din Soare N S = N A M S= 1,2·10 57 . Și numărul de diagrame care descriu interacțiunea gravitațională a nucleonilor din Mercur și Soare, N dM= 2,4·10 107 .

Dacă energia potențială de atracție a lui Mercur către Soare este egală cu U = GM S M M/r, apoi după luarea în considerare a corecției discutate pentru interacțiunea gravitonilor virtuali între ei, aceasta este înmulțită cu un factor de 1 - 3 GM S/r. Vedem că corecția la energia potențială este -3 G 2 M S 2 M M /r 2.

6.19. orbita lui Mercur**. Raza orbitală a lui Mercur A= 58·10 6 km. Perioada orbitală este de 88 de zile pământești. Excentricitatea orbitală e= 0,21. Datorită corecției discutate, în timpul unei revoluții, semiaxa majoră a orbitei se rotește printr-un unghi de 6π GM S/A(1 − e 2), adică aproximativ o zecime de secundă de arc, iar în 100 de ani pământeni se rotește cu 43 ".

6.20. Deplasare gravitațională Lamb**. Oricine a studiat electrodinamica cuantică va vedea imediat că diagrama din fig. 7 este similară cu o diagramă triunghiulară care descrie deplasarea de frecvență (energie) a nivelului 2 S 1/2 față de nivelul 2 P 1/2 în atomul de hidrogen (unde triunghiul este format dintr-un foton și două linii de electroni). Această schimbare a fost măsurată în 1947 de Lamb și Rutherford și sa dovedit a fi de 1060 MHz (1,06 GHz).

Această măsurătoare a început o reacție în lanț a lucrărilor teoretice și experimentale care a condus la crearea electrodinamicii cuantice și a diagramelor Feynman. Frecvența de precesiune a lui Mercur este cu 25 de ordine de mărime mai mică.

6.21. Efect clasic sau cuantic?**. Este bine cunoscut faptul că schimbarea nivelului de energie Lamb este un efect pur cuantic, în timp ce precesia lui Mercur este un efect pur clasic. Cum pot fi descrise prin diagrame Feynman similare?

Pentru a răspunde la această întrebare, trebuie să ne amintim relația E = ħω și luați în considerare că transformarea Fourier în tranziția de la spațiul de impuls la spațiul de configurație din Sect. 6.8 conține e iqr / ħ . În plus, trebuie luat în considerare faptul că în triunghiul electromagnetic Lamb shift există o singură linie a unei particule fără masă (foton), iar celelalte două sunt propagatoare de electroni. Prin urmare, distanțele caracteristice din el sunt determinate de masa electronului (lungimea de undă Compton a electronului). Și în triunghiul de precesiune al lui Mercur există doi propagatori ai unei particule fără masă (graviton). Această împrejurare, datorită vârfului de trei gravitoni, duce la faptul că triunghiul gravitațional contribuie la distanțe incomparabil mai mari decât triunghiul electromagnetic. Această comparație demonstrează puterea teoriei cuantice a câmpului în metoda diagramelor Feynman, ceea ce face posibilă înțelegerea și calcularea cu ușurință a unei game largi de fenomene, atât cuantice, cât și clasice.

7. Interacțiune electromagnetică

7.1. Interacțiune electrică. Interacțiunea electrică a particulelor se realizează prin schimbul de fotoni virtuali, ca în Fig. 19.

Fotonii, ca și gravitonii, sunt, de asemenea, particule fără masă. Deci, interacțiunea electrică este și pe rază lungă:

De ce nu este la fel de universal ca gravitația?

7.2. Sarcini pozitive și negative.În primul rând, pentru că există sarcini electrice de două semne. Și în al doilea rând, pentru că există particule neutre care nu au deloc sarcină electrică (neutroni, neutrini, fotoni...). Particulele cu sarcini de semne opuse, precum un electron și un proton, se atrag reciproc. Particulele cu aceleași sarcini se resping reciproc. Ca rezultat, atomii și corpurile formate din ei sunt practic neutre din punct de vedere electric.

7.3. Particule neutre. Neutronul conține u-quarc cu sarcina +2 e/3 și doi d-quarc cu sarcină − e/3. Deci sarcina totală a neutronului este zero. (Reamintim că un proton conține doi u-quarc și unul d-quarc.) Particulele cu adevărat elementare care nu au sarcină electrică sunt fotonii, gravitonul, neutrinul, Z-bosonul și bosonul Higgs.

7.4. Potenţialul Coulombian. Energia potențială de atracție între un electron și un proton situat la distanță r unul de altul, egal

7.5. Interacțiune magnetică. Interacțiunea magnetică nu este la fel de lungă ca interacțiunea electrică. cade ca 1/ r 3. Depinde nu numai de distanța dintre cei doi magneți, ci și de orientarea relativă a acestora. Un exemplu binecunoscut este interacțiunea unui ac de busolă cu câmpul dipol magnetic al Pământului. Energia potențială de interacțiune a doi dipoli magnetici μ 1 și μ 2 este egal

Unde n = r/r.

7.6. Interacțiune electromagnetică. Cea mai mare realizare a secolului al XIX-lea a fost descoperirea că forțele electrice și magnetice sunt două manifestări diferite ale aceleiași forțe electromagnetice. În 1821, M. Faraday (1791–1867) a investigat interacțiunea unui magnet și a unui conductor cu un curent. Un deceniu mai târziu, el a stabilit legile inducției electromagnetice atunci când doi conductori interacționează. În anii următori, el a introdus conceptul de câmp electromagnetic și a exprimat ideea naturii electromagnetice a luminii. În anii 1870, J. Maxwell (1831–1879) și-a dat seama că interacțiunile electromagnetice erau responsabile pentru o clasă largă de fenomene optice: emisia, transformarea și absorbția luminii și a scris ecuații care descriu câmpul electromagnetic. Curând G. Hertz (1857–1894) a descoperit undele radio, iar V. Roentgen (1845–1923) a descoperit razele X. Întreaga noastră civilizație se bazează pe manifestări ale interacțiunilor electromagnetice.

7.7. Combinând teoria relativității și mecanica cuantică. Cea mai importantă etapă în dezvoltarea fizicii a fost 1928, când a apărut un articol al lui P. Dirac (1902–1984), în care a propus o ecuație cuantică și relativistă pentru electron. Această ecuație conținea momentul magnetic al electronului și indica existența antiparticulei electronului - pozitronul, descoperit câțiva ani mai târziu. După aceasta, mecanica cuantică și teoria relativității au fost combinate în teoria cuantică a câmpurilor.

Faptul că interacțiunile electromagnetice sunt cauzate de emisia și absorbția fotonilor virtuali a devenit complet clar abia la mijlocul secolului al XX-lea odată cu apariția diagramelor Feynman, adică după ce conceptul de particule virtuale s-a format în mod clar.

8. Interacțiune slabă

8.1. Interacțiuni nucleare. La începutul secolului XX, atomul și nucleul său au fost descoperite și α -, β - Și γ - razele emise de nucleele radioactive. După cum sa dovedit, γ -razele sunt fotoni de foarte mare energie, β - razele sunt electroni de înaltă energie, α -razele - nuclee de heliu. Acest lucru a condus la descoperirea a două noi tipuri de interacțiuni - puternice și slabe. Spre deosebire de interacțiunile gravitaționale și electromagnetice, interacțiunile puternice și slabe sunt pe rază scurtă.

Mai târziu s-a descoperit că sunt responsabili pentru conversia hidrogenului în heliu în Soarele nostru și în alte stele.

8.2. Curenți încărcați*. Interacțiunea slabă este responsabilă pentru transformarea unui neutron într-un proton cu emisia unui electron și a unui antineutrin electronic. O clasă mare de procese de interacțiune slabă se bazează pe transformarea quarcilor de un tip în quarci de alt tip cu emisia (sau absorbția) de quarci virtuale. W-bosonii: u, c, t ↔ d, s, b. La fel și pentru emisie și absorbție W-bosonii, au loc tranziții între leptonii încărcați și neutrinii corespunzători:

e ↔ ν e, μ ↔ ν μ , τ ↔ ν τ . Tranzițiile de tip apar, de asemenea, în mod egal dˉu ↔ Wși eˉν e ↔ W. În toate aceste tranziţii implicând W-bosonii implică așa-numiții curenți încărcați care modifică încărcăturile leptonilor și quarcilor cu unul. Interacțiunea slabă a curenților încărcați este cu rază scurtă și este descrisă de potențialul Yukawa e−mWr/r, deci raza sa efectivă este r ≈ 1/mW.

8.3. Curenți neutri*. În anii 1970, au fost descoperite procese de interacțiune slabă între neutrini, electroni și nucleoni, cauzate de așa-numiții curenți neutri. În anii 1980, s-a stabilit experimental că interacțiunile curenților încărcați au loc prin schimb W-bosonii, iar interactiunea curentilor neutri - prin schimb Z- bozoni.

8.4. Încălcare P- Și C.P.-paritate*. În a doua jumătate a anilor 1950, a fost descoperită încălcarea parității spațiale Pși paritatea taxelor Cîn interacțiuni slabe. În 1964, au fost descoperite degradari slabe care încalcă conservarea C.P.-simetrie. În prezent, mecanismul de încălcare C.P.-simetria se studiaza in dezintegrarile mezonilor care contin b-quarci.

8.5. Oscilații neutrino*. În ultimele două decenii, atenția fizicienilor s-a concentrat asupra măsurătorilor efectuate la detectoarele de kilotone subterane din Kamioka (Japonia) și Sudbury (Canada). Aceste măsurători au arătat că între cele trei tipuri de neutrini ν e , ν μ , ν τ Tranzițiile reciproce (oscilațiile) au loc în vid. Natura acestor oscilații este în curs de clarificare.

8.6. Interacțiune electroslabă.În anii 1960, s-a formulat teoria conform căreia forțele electromagnetice și cele slabe sunt manifestări diferite ale unei singure forțe electroslabe. Dacă ar exista o simetrie strictă electroslabă, atunci masele W- Și Z-bosonii ar fi egali cu zero ca masa fotonului.

8.7. Rupere de simetrie electroslabă.În modelul standard, bosonul Higgs rupe simetria electroslabă și astfel explică de ce fotonul este fără masă și bosonii slabi sunt masivi. De asemenea, dă mase leptonilor, quarcilor și lui însuși.

8.8. Ce trebuie să știi despre Higgs. Unul dintre obiectivele principale ale LHC Large Hadron Collider este descoperirea bosonului Higgs (numit simplu Higgs și denumit h sau H) și stabilirea ulterioară a proprietăților sale. În primul rând, măsurarea interacțiunilor sale cu W- Și Z-bosonii, cu fotoni, precum și auto-interacțiunile acestuia, adică studiul vârfurilor care conțin trei și patru Higg-uri: h 3 și h 4, și interacțiunile sale cu leptonii și cuarcii, în special cu quarcul top. În cadrul modelului standard, există predicții clare pentru toate aceste interacțiuni. Verificarea lor experimentală este de mare interes din punctul de vedere al căutării unei „noui fizici” dincolo de Modelul Standard.

8.9. Dacă nu există Higgs? Dacă se dovedește că în intervalul de masă de ordinul a câteva sute de GeV Higgs nu există, atunci aceasta va însemna că la energiile peste TeV se află o regiune nouă, complet necunoscută, în care interacțiunile. W- Și Z-bosonii devin puternici neperturbativ, adică nu pot fi descriși de teoria perturbațiilor. Cercetările în acest domeniu vor aduce multe surprize.

8.10. Ciocnitorii Lepton ai viitorului. Pentru a desfășura întregul program de cercetare, pe lângă LHC, poate fi necesar să se construiască colisionare de leptoni:

ILC (International Linear Collider) cu o energie de coliziune de 0,5 TeV,

sau CLIC (Compact Linear Collider) cu o energie de coliziune de 1 TeV,

sau MC (Muon Collider) cu o energie de coliziune de 3 TeV.

8.11. Ciocnitori liniari electron-pozitroni. ILC - International Linear Collider, care ciocnește electronii cu pozitronii, precum și fotonii cu fotonii. Decizia de a-l construi poate fi luată numai după ce devine clar dacă Higgs există și care este masa lui. Unul dintre șantierele ILC propuse se află în vecinătatea orașului Dubna. CLIC - Compact Linear Electron-Positron Collider. Proiectul este dezvoltat la CERN.

8.12. Ciocnitorul de muoni. MS - Ciocnitorul de muoni a fost conceput pentru prima dată de G. I. Budker (1918–1977). În 1999, la San Francisco a avut loc cea de-a cincea Conferință Internațională „Potențialul fizic și dezvoltarea ciocnitorilor de muoni și a fabricilor de neutrini”. Proiectul MS este în prezent în curs de dezvoltare la Laboratorul Național Fermi și ar putea fi implementat în 20 de ani.

9. Interacțiune puternică

9.1. Gluoni și quarcuri. Forța puternică menține nucleonii (protoni și neutroni) în interiorul nucleului. Se bazează pe interacțiunea gluonilor cu quarcii și pe interacțiunea gluonilor cu gluonii. Auto-interacțiunea gluonilor este cea care duce la faptul că, în ciuda faptului că masa gluonului este zero, la fel cum masele fotonului și gravitonului sunt egale cu zero, schimbul de gluoni nu duce la gluon lung. -interacțiunea gamă, similară cu fotonul și gravitonul. Mai mult, duce la absența gluonilor și quarcilor liberi. Acest lucru se datorează faptului că suma schimburilor de un gluon este înlocuită cu un tub sau fir de gluon. Interacțiunea nucleonilor din nucleu este similară cu forțele van der Waals dintre atomii neutri.

9.2. Închidere și libertate asimptotică. Fenomenul gluonilor și quarcilor care nu scapă din hadroni se numește izolare. Dezavantajul dinamicii care duce la izolare este că, la distanțe foarte mici, adânc în interiorul hadronilor, interacțiunea dintre gluoni și quarci se degradează treptat. Quarcii par să devină liberi la distanțe scurte. Acest fenomen se numește libertate asimptotică.

9.3. Culorile quark. Fenomenul de izolare este o consecință a faptului că fiecare dintre cei șase quarci există ca sub forma a trei varietăți „culoare”. Quarcii sunt de obicei „colorați” în galben, albastru și roșu. Antichitățile sunt pictate în culori suplimentare: violet, portocaliu, verde. Toate aceste culori reprezintă sarcinile particulare ale quarcilor - „analogi multidimensionali” ai sarcinii electrice, responsabili pentru interacțiuni puternice. Desigur, nu există nicio legătură, în afară de una metaforică, între culorile quarcilor și culorile optice obișnuite.

9.4. Culori gluon. Familia de gluoni colorați este și mai numeroasă: sunt opt dintre ei, dintre care două sunt identice cu antiparticulele lor, iar restul de șase nu sunt. Interacțiunile sarcinilor de culoare sunt descrise de cromodinamica cuantică și determină proprietățile protonului, neutronului, tuturor nucleelor atomice și proprietățile tuturor hadronilor. Faptul că gluonii poartă sarcini de culoare duce la fenomenul de izolare a gluonilor și quarcilor, ceea ce înseamnă că gluonii și quarcii colorați nu pot scăpa din hadroni. Forțele nucleare dintre hadronii incolori (albi) sunt ecouri slabe ale interacțiunilor puternice de culoare din cadrul hadronilor. Acest lucru este similar cu micimea legăturilor moleculare în comparație cu cele intraatomice.

9.5. Masele de hadron. Masele de hadroni în general și de nucleoni în special sunt determinate de autoacțiunea gluonului. Astfel, masa întregii materii vizibile, care reprezintă 4–5% din energia Universului, se datorează tocmai autoacțiunii gluonilor.

10. Model standard și nu numai

10.1. 18 particule de model standard. Toate particulele fundamentale cunoscute se împart în mod natural în trei grupe:

6 leptoni(învârtire 1/2):
3 neutrini: ν e, ν μ , ν τ ;
3 leptoni încărcați: e, μ , τ ;
6 quarci(învârtire 1/2):
u,c, t,
d, s, b;
6 bosoni:
g̃ - graviton (spin 2),
γ , W, Z, g- gluoni (spin 1),
h- Higgs (rotire 0).

10.2. Dincolo de modelul standard. 96% din energia din Univers se află în afara Modelului Standard, așteaptă să fie descoperită și studiată. Există mai multe ipoteze de bază despre cum ar putea arăta noua fizică (a se vedea punctele 10.3–10.6 de mai jos).

10.3. Marea Unire. Un număr mare de lucrări, în mare parte teoretice, sunt dedicate unificării interacțiunilor puternice și electroslabe. Majoritatea dintre ei presupun că are loc la energii de ordinul 10 16 GeV. O astfel de uniune ar trebui să ducă la dezintegrarea protonilor.

10.4. Particule supersimetrice. Conform ideii de supersimetrie, care a apărut pentru prima dată la Institutul de Fizică Lebedev, fiecare particulă „noastre” are un superpartener al cărui spin diferă cu 1/2: 6 squarks și 6 sleptoni cu spin 0, higgsino, photino, vin și zino cu spin 1/2, gravitino cu spin 3/2. Masele acestor superparteneri trebuie să fie semnificativ mai mari decât cele ale particulelor noastre. Altfel ar fi fost deschise de mult. Unii dintre superparteneri pot fi descoperiți atunci când Large Hadron Collider devine operațional.

10.5. Super șiruri. Ipoteza supersimetriei este dezvoltată de ipoteza existenței unor superstringuri care trăiesc la distanțe foarte scurte de ordinul a 10 −33 cm și energii corespunzătoare de 10 19 GeV. Mulți fizicieni teoreticieni speră că pe baza ideilor despre superstringuri vor putea construi o teorie unificată a tuturor interacțiunilor care nu conține parametri liberi.

10.6. Particule de oglindă. Conform ideii de materie oglindă, care a apărut pentru prima dată la ITEP, fiecare dintre particulele noastre are un geamăn oglindă și există o lume oglindă care este doar foarte slab conectată cu lumea noastră.

10.7. Materie întunecată. Doar 4-5% din energia totală din Univers există ca masă de materie obișnuită. Aproximativ 20% din energia universului este conținută în așa-numita materie întunecată, despre care se crede că este formată din superparticule, sau particule în oglindă sau din alte particule necunoscute. Dacă particulele de materie întunecată sunt mult mai grele decât particulele obișnuite și dacă, atunci când se ciocnesc unele cu altele în spațiu, se anihilează în fotoni obișnuiți, atunci acești fotoni de înaltă energie pot fi detectați de detectoare speciali în spațiu și pe Pământ. Aflarea naturii materiei întunecate este una dintre sarcinile principale ale fizicii.

10.8. Energie întunecată. Dar majoritatea covârșitoare a energiei Universului (aproximativ 75%) se datorează așa-numitei energii întunecate. Este „vărsat” prin vid și împinge grupuri de galaxii în afară. Natura sa este încă neclară.

11. Particule elementare în Rusia și în lume

11.1. Decretul președintelui Federației Ruse. La 30 septembrie 2009, a fost emis Decretul președintelui Federației Ruse „Cu privire la măsuri suplimentare pentru implementarea unui proiect pilot de creare a Centrului Național de Cercetare „Institutul Kurchatov””. Decretul prevede participarea la proiect a următoarelor organizații: Institutul de Fizică Nucleară din Sankt Petersburg, Institutul de Fizică a Energiei Înalte și Institutul de Fizică Teoretică și Experimentală. Decretul prevede, de asemenea, „includerea instituției specificate, ca cea mai importantă instituție științifică, în structura departamentală a cheltuielilor bugetului federal ca principal administrator al fondurilor bugetare”. Acest Decret poate contribui la revenirea fizicii particulelor elementare la numărul de domenii prioritare pentru dezvoltarea științei în țara noastră.

11.2. Audierile Congresului SUA 1. La 1 octombrie 2009, a avut loc o audiere în cadrul Subcomisiei pentru energie și mediu a Comisiei pentru știință și tehnologie a Camerei Reprezentanților SUA pe tema „Investigații asupra naturii materiei, energiei, spațiului și timpului”. Creditul Departamentului de Energie din 2009 pentru acest program este de 795,7 milioane USD. Profesorul de la Universitatea Harvard, Lisa Randall, a prezentat puncte de vedere despre materie, energie și originea Universului din punctul de vedere al viitoarei teorii a corzilor. Directorul Laboratorului Național Fermi (Batavia) Pierre Oddone a vorbit despre starea fizicii particulelor în SUA și, în special, despre finalizarea viitoare a Tevatron și începutul lucrărilor comune între FNAL și laboratorul subteran DUSEL pentru a studia proprietățile. a neutrinilor și a proceselor rare. El a subliniat importanța participării fizicienilor americani la proiectele de fizică a energiei înalte din Europa (LHC), Japonia (JPARC), China (PERC) și proiectul spațial internațional (GLAST, numit recent după Fermi).

11.3. Audierile Congresului SUA 2. Directorul Jefferson National Laboratory, Hugh Montgomery, a vorbit despre contribuțiile Laboratorului la fizica nucleară, tehnologia acceleratoarelor și programele educaționale. Directorul Diviziei de Știință a Fizicii Energiei înalte din cadrul Departamentului de Energie, Dennis Kovar, a vorbit despre trei domenii principale ale fizicii energiilor înalte:

1) cercetare acceleratoare la energii maxime,

2) studii acceleratoare la intensități maxime,

3) explorarea spațială la sol și prin satelit pentru a clarifica natura materiei întunecate și a energiei întunecate,

și trei direcții principale în fizica nucleară:

1) studiul interacțiunilor puternice dintre quarci și gluoni,

2) studiul modului în care s-au format nucleele atomice din protoni și neutroni,

3) studiul interacțiunilor slabe care implică neutrini.

12. Despre știința fundamentală

12.1. Ce este știința fundamentală? Din textul de mai sus este clar că eu, la fel ca majoritatea oamenilor de știință, numesc știință fundamentală acea parte a științei care stabilește cele mai fundamentale legi ale naturii. Aceste legi se află la baza piramidei științei sau a etajelor sale individuale. Ele determină dezvoltarea pe termen lung a civilizației. Există totuși oameni care numesc știință fundamentală acele ramuri ale științei care au cel mai mare impact direct asupra realizărilor de moment în dezvoltarea civilizației. Personal cred că aceste secțiuni și domenii sunt mai bine numite știință aplicată.

12.2. Rădăcini și fructe. Dacă știința fundamentală poate fi comparată cu rădăcinile unui copac, atunci știința aplicată poate fi comparată cu fructele sale. Descoperirile tehnologice majore precum telefoanele mobile sau comunicațiile prin fibră optică sunt roadele științei.

12.3. A. I. Herzen despre știință.În 1845, Alexander Ivanovich Herzen (1812–1870) a publicat remarcabilele „Scrisori despre studiul naturii” în revista Otechestvennye zapiski. La sfârșitul primei sale scrisori, el a scris: „Știința pare dificilă nu pentru că este cu adevărat dificilă, ci pentru că nu poți ajunge la simplitatea ei altfel decât străpungând întunericul unor concepte gata făcute care te împiedică să vezi direct. Să știe cei care ies în față că întregul arsenal de unelte ruginite și fără valoare pe care l-am moștenit de la scolastică este fără valoare, că este necesar să sacrificăm concepțiile formate în afara științei, că fără a arunca totul la gunoi. jumătate de minciună, cu care pentru claritate se îmbracă jumătăţi de adevăruri„Nu poți intra în știință, nu poți ajunge la întregul adevăr.”

12.4. Despre reducerea programelor școlare. Programele moderne de fizică de la școală pot include foarte bine stăpânirea activă a elementelor teoriei particulelor elementare, teoria relativității și mecanica cuantică, dacă reduc acele secțiuni care sunt în principal descriptive și măresc „erudiția” copilului, mai degrabă decât înțelegerea lumii. în jurul lor și capacitatea de a trăi și de a crea.

12.5. Concluzie. Ar fi corect ca Prezidiul Academiei Ruse de Științe să noteze importanța familiarizării timpurii a tinerilor cu o viziune asupra lumii bazată pe realizările teoriei relativității și mecanicii cuantice și să instruiască comisiile Prezidiului Rusiei. Academia de Științe pe manuale (prezidată de vicepreședintele V.V. Kozlov) și pe educație (președintă de vicepreședintele -președintele V. A. Sadovnichy) pentru a pregăti propuneri pentru îmbunătățirea predării fizicii fundamentale moderne în școlile secundare și superioare.

Helen Czerski

Fizician, oceanograf, prezentator de programe de popularizare la BBC.

Când vine vorba de fizică, ne imaginăm niște formule, ceva ciudat și de neînțeles, inutil pentru un om obișnuit. Poate că am auzit ceva despre mecanica cuantică și cosmologie. Dar între acești doi poli se află tot ceea ce ne alcătuiește viața de zi cu zi: planete și sandvișuri, nori și vulcani, bule și instrumente muzicale. Și toate sunt guvernate de un număr relativ mic de legi fizice.

Putem respecta în mod constant aceste legi în acțiune. Luați, de exemplu, două ouă - crude și fierte - și rotește-le, apoi oprește-te. Oul fiert va rămâne nemișcat, cel crud va începe din nou să se rotească. Acest lucru se datorează faptului că ai oprit doar coaja, dar lichidul din interior continuă să se rotească.

Aceasta este o demonstrație clară a legii conservării momentului unghiular. Într-un mod simplificat, poate fi formulat astfel: după ce a început să se rotească în jurul unei axe constante, sistemul va continua să se rotească până când ceva îl oprește. Aceasta este una dintre legile fundamentale ale Universului.

Este util nu numai atunci când trebuie să deosebești un ou fiert de unul crud. Poate fi folosit și pentru a explica modul în care telescopul spațial Hubble, fără niciun suport în spațiu, își îndreaptă lentila către o anumită zonă a cerului. Are doar giroscoape rotative în interior, care se comportă în esență la fel ca un ou crud. Telescopul însuși se rotește în jurul lor și își schimbă astfel poziția. Se pare că legea, pe care o putem testa în bucătăria noastră, explică și structura uneia dintre cele mai remarcabile tehnologii ale omenirii.

Cunoscând legile de bază care ne guvernează viața de zi cu zi, încetăm să ne simțim neputincioși.

Pentru a înțelege cum funcționează lumea din jurul nostru, trebuie mai întâi să înțelegem elementele de bază -. Trebuie să înțelegem că fizica nu este doar despre oameni de știință excentrici în laboratoare sau formule complexe. Este chiar în fața noastră, accesibilă tuturor.

De unde să începi, ai putea crede. Cu siguranță ai observat ceva ciudat sau de neînțeles, dar în loc să te gândești la asta, ți-ai spus că ești adult și nu ai timp pentru asta. Chersky sfătuiește să nu lase astfel de lucruri deoparte, ci să înceapă cu ele.

Daca nu vrei sa astepti sa se intample ceva interesant, pune stafide in sifon si vezi ce se intampla. Privește cum se usucă cafeaua vărsată. Atingeți marginea ceștii cu o lingură și ascultați sunetul. În cele din urmă, încercați să aruncați sandvișul fără ca acesta să cadă cu fața în jos.

Este firesc și corect să fim interesați de lumea din jurul nostru și de tiparele funcționării și dezvoltării acesteia. De aceea, este rezonabil să acordăm atenție științelor naturale, de exemplu, fizicii, ceea ce explică însăși esența formării și dezvoltării Universului. Legile fizice de bază nu sunt greu de înțeles. Școlile introduc copiii în aceste principii de la o vârstă foarte fragedă.

Pentru mulți, această știință începe cu manualul „Fizică (clasa a VII-a)”. Conceptele de bază ale termodinamicii sunt dezvăluite elevilor; aceștia se familiarizează cu nucleul principalelor legi fizice. Dar ar trebui să se limiteze cunoștințele la școală? Ce legi fizice ar trebui să știe fiecare persoană? Acest lucru va fi discutat mai târziu în articol.

Fizica stiintei

Multe dintre nuanțele științei descrise sunt familiare tuturor încă din copilărie. Acest lucru se datorează faptului că, în esență, fizica este una dintre domeniile științelor naturale. Vorbește despre legile naturii, a căror acțiune influențează viața tuturor și, în multe feluri, chiar o asigură, despre caracteristicile materiei, structura ei și modelele de mișcare.

Termenul „fizică” a fost înregistrat pentru prima dată de Aristotel în secolul al IV-lea î.Hr. Inițial, a fost sinonim cu conceptul de „filozofie”. La urma urmei, ambele științe aveau un singur scop - să explice corect toate mecanismele de funcționare a Universului. Dar deja în secolul al XVI-lea, ca urmare a revoluției științifice, fizica a devenit independentă.

Legea generală

Unele legi de bază ale fizicii sunt aplicate în diferite ramuri ale științei. Pe lângă acestea, există și cele care sunt considerate a fi comune întregii naturi. Este vorba despre

Aceasta implică faptul că energia fiecărui sistem închis în timpul apariției oricăror fenomene în el este cu siguranță conservată. Cu toate acestea, este capabil să se transforme într-o altă formă și să-și schimbe efectiv conținutul cantitativ în diferite părți ale sistemului numit. În același timp, într-un sistem deschis, energia scade cu condiția ca energia oricăror corpuri și câmpuri care interacționează cu acesta să crească.

Pe lângă principiul general de mai sus, fizica conține concepte de bază, formule, legi care sunt necesare pentru interpretarea proceselor care au loc în lumea înconjurătoare. Explorarea lor poate fi incredibil de interesantă. Prin urmare, acest articol va discuta pe scurt legile de bază ale fizicii, dar pentru a le înțelege mai profund, este important să le acordați toată atenția.

Mecanica

Multe legi de bază ale fizicii sunt dezvăluite tinerilor oameni de știință din clasele 7-9 la școală, unde o astfel de ramură a științei precum mecanica este studiată mai pe deplin. Principiile sale de bază sunt descrise mai jos.

Legea relativității a lui Galileo (numită și legea relativității mecanice sau baza mecanicii clasice). Esența principiului este că, în condiții similare, procesele mecanice din orice cadre de referință inerțiale sunt complet identice.
legea lui Hooke. Esența sa este că, cu cât impactul lateral asupra unui corp elastic (arc, tijă, consolă, grindă) este mai mare, cu atât este mai mare deformarea acestuia.

Legile lui Newton (reprezintă baza mecanicii clasice):

Principiul inerției spune că orice corp este capabil să fie în repaus sau să se miște uniform și în linie dreaptă numai dacă niciun alt corp nu acționează asupra lui în vreun fel sau dacă ele compensează cumva acțiunea unul altuia. Pentru a schimba viteza de mișcare, corpul trebuie acționat cu o anumită forță și, desigur, rezultatul influenței aceleiași forțe asupra corpurilor de dimensiuni diferite va fi, de asemenea, diferit.
Principiul principal al dinamicii afirmă că cu cât rezultanta forțelor care acționează în prezent asupra unui corp dat este mai mare, cu atât accelerația pe care o primește este mai mare. Și, în consecință, cu cât greutatea corporală este mai mare, cu atât este mai mic acest indicator.
A treia lege a lui Newton spune că oricare două corpuri interacționează întotdeauna între ele după un model identic: forțele lor sunt de aceeași natură, sunt echivalente ca mărime și au în mod necesar direcția opusă de-a lungul liniei drepte care leagă aceste corpuri.
Principiul relativității afirmă că toate fenomenele care au loc în aceleași condiții în sistemele de referință inerțiale au loc într-un mod absolut identic.

Termodinamica

Manualul școlar, care dezvăluie elevilor legile de bază („Fizica. Clasa a 7-a”), îi introduce și în noțiunile de bază ale termodinamicii. Vom analiza pe scurt principiile sale mai jos.

Legile termodinamicii, care sunt de bază în această ramură a științei, sunt de natură generală și nu au legătură cu detaliile structurii unei anumite substanțe la nivel atomic. Apropo, aceste principii sunt importante nu numai pentru fizică, ci și pentru chimie, biologie, inginerie aerospațială etc.

De exemplu, în industria numită există o regulă care sfidează definiția logică: într-un sistem închis, condițiile externe pentru care sunt neschimbate, se stabilește o stare de echilibru în timp. Iar procesele care continuă în ea se compensează invariabil reciproc.

O altă regulă a termodinamicii confirmă dorința unui sistem, care constă dintr-un număr colosal de particule caracterizate prin mișcare haotică, de a trece independent de la stări mai puțin probabile pentru sistem la cele mai probabile.

Și legea Gay-Lussac (numită și aceasta) afirmă că pentru un gaz cu o anumită masă în condiții de presiune stabilă, rezultatul împărțirii volumului său la temperatura absolută devine cu siguranță o valoare constantă.

O altă regulă importantă a acestei industrii este prima lege a termodinamicii, care este numită și principiul conservării și transformării energiei pentru un sistem termodinamic. Potrivit lui, orice cantitate de căldură care a fost transmisă sistemului va fi cheltuită exclusiv pentru metamorfoza energiei sale interne și pentru efectuarea sa de lucru în raport cu orice forțe externe care acționează. Acest model a devenit baza pentru formarea schemei de funcționare a motoarelor termice.

O altă lege a gazelor este legea lui Charles. Se afirmă că, cu cât presiunea unei anumite mase a unui gaz ideal este mai mare, menținând un volum constant, cu atât temperatura acestuia este mai mare.

Electricitate

Clasa a 10-a de școală dezvăluie tinerilor oameni de știință legile de bază interesante ale fizicii. În acest moment, sunt studiate principiile principale ale naturii și modelelor de acțiune a curentului electric, precum și alte nuanțe.

Legea lui Ampere, de exemplu, afirmă că conductoarele conectate în paralel, prin care curentul circulă în aceeași direcție, se atrag inevitabil, iar în cazul sensului opus al curentului, se resping, respectiv. Uneori, același nume este folosit pentru o lege fizică care determină forța care acționează într-un câmp magnetic existent pe o secțiune mică a unui conductor care în prezent conduce curent. Așa o numesc ei - forța Ampere. Această descoperire a fost făcută de un om de știință în prima jumătate a secolului al XIX-lea (și anume în 1820).

Legea conservării sarcinii este unul dintre principiile de bază ale naturii. Se afirmă că suma algebrică a tuturor sarcinilor electrice care apar în orice sistem izolat electric este întotdeauna conservată (devine constantă). În ciuda acestui fapt, acest principiu nu exclude apariția de noi particule încărcate în astfel de sisteme ca urmare a anumitor procese. Cu toate acestea, sarcina electrică totală a tuturor particulelor nou formate trebuie să fie cu siguranță zero.

Legea lui Coulomb este una dintre cele mai importante în electrostatică. Exprimă principiul forței de interacțiune între sarcinile punctuale staționare și explică calculul cantitativ al distanței dintre ele. Legea lui Coulomb face posibilă fundamentarea experimentală a principiilor de bază ale electrodinamicii. Se afirmă că sarcinile punctuale staționare interacționează cu siguranță între ele cu o forță, care este mai mare, cu cât produsul mărimilor lor este mai mare și, în consecință, cu cât este mai mic, cu atât este mai mic pătratul distanței dintre sarcinile în cauză și mediul în care este mai mare. are loc interacțiunea descrisă.

Legea lui Ohm este unul dintre principiile de bază ale electricității. Se precizează că cu cât este mai mare puterea curentului electric continuu care acționează asupra unei anumite secțiuni a circuitului, cu atât este mai mare tensiunea la capetele acestuia.

Ei îl numesc un principiu care vă permite să determinați direcția într-un conductor a unui curent care se mișcă într-un anumit mod sub influența unui câmp magnetic. Pentru a face acest lucru, trebuie să vă poziționați mâna dreaptă astfel încât liniile de inducție magnetică să atingă figurativ palma deschisă și să vă extindeți degetul mare în direcția de mișcare a conductorului. În acest caz, celelalte patru degete îndreptate vor determina direcția de mișcare a curentului de inducție.

Acest principiu ajută și la aflarea locației exacte a liniilor de inducție magnetică ale unui conductor drept conducător de curent la un moment dat. Se întâmplă așa: puneți degetul mare al mâinii drepte astfel încât să îndrepte și prindeți la figurat conductorul cu celelalte patru degete. Locația acestor degete va demonstra direcția exactă a liniilor de inducție magnetică.

Principiul inducției electromagnetice este un model care explică procesul de funcționare a transformatoarelor, generatoarelor și motoarelor electrice. Această lege este următoarea: într-o buclă închisă, cu cât inducția generată este mai mare, cu atât este mai mare rata de modificare a fluxului magnetic.

Optica

De asemenea, ramura de optică reflectă o parte din programa școlară (legile de bază ale fizicii: clasele 7-9). Prin urmare, aceste principii nu sunt atât de greu de înțeles pe cât ar părea la prima vedere. Studiul lor aduce cu el nu doar cunoștințe suplimentare, ci și o mai bună înțelegere a realității înconjurătoare. Legile de bază ale fizicii care pot fi atribuite studiului opticii sunt următoarele:

Principiul Guynes. Este o metodă care poate determina în mod eficient poziția exactă a frontului de undă la orice fracțiune de secundă dată. Esența sa este următoarea: toate punctele care se află în calea frontului de undă într-o anumită fracțiune de secundă, în esență, devin ele însele surse de unde sferice (secundar), în timp ce locația frontului de undă în aceeași fracțiune de o secundă este identică cu suprafața, care înconjoară toate undele sferice (secundar). Acest principiu este folosit pentru a explica legile existente legate de refracția luminii și reflectarea acesteia.
Principiul Huygens-Fresnel reflectă o metodă eficientă de rezolvare a problemelor legate de propagarea undelor. Ajută la explicarea problemelor elementare asociate cu difracția luminii.
valuri Este folosit în egală măsură pentru reflectarea într-o oglindă. Esența acestuia este că atât fasciculul incident, cât și cel care a fost reflectat, precum și perpendiculara construită din punctul de incidență al fasciculului, sunt situate într-un singur plan. De asemenea, este important să ne amintim că unghiul la care cade fasciculul este întotdeauna absolut egal cu unghiul de refracție.
Principiul refracției luminii. Aceasta este o modificare a traiectoriei unei unde electromagnetice (lumină) în momentul mișcării de la un mediu omogen la altul, care diferă semnificativ de primul într-un număr de indici de refracție. Viteza de propagare a luminii în ele este diferită.
Legea propagării rectilinie a luminii. În esență, este o lege legată de domeniul opticii geometrice și este următoarea: în orice mediu omogen (indiferent de natura sa), lumina se propagă strict rectiliniu, pe cea mai scurtă distanță. Această lege explică formarea umbrelor într-un mod simplu și accesibil.

Fizica atomică și nucleară

Legile de bază ale fizicii cuantice, precum și elementele fundamentale ale fizicii atomice și nucleare, sunt studiate în instituțiile de liceu și de învățământ superior.

Astfel, postulatele lui Bohr reprezintă o serie de ipoteze de bază care au devenit baza teoriei. Esența sa este că orice sistem atomic poate rămâne stabil doar în stări staționare. Orice emisie sau absorbție de energie de către un atom are loc în mod necesar folosind principiul, a cărui esență este următoarea: radiația asociată cu transportul devine monocromatică.

Aceste postulate se referă la programa școlară standard care studiază legile de bază ale fizicii (clasa a 11-a). Cunoștințele lor sunt obligatorii pentru un absolvent.

Legile de bază ale fizicii pe care o persoană ar trebui să le cunoască

Unele principii fizice, deși aparțin uneia dintre ramurile acestei științe, sunt totuși de natură generală și ar trebui să fie cunoscute de toată lumea. Să enumerăm legile de bază ale fizicii pe care o persoană ar trebui să le cunoască:

Legea lui Arhimede (se aplică în domeniile hidro- și aerostatică). Aceasta implică faptul că orice corp care a fost scufundat într-o substanță gazoasă sau lichid este supus unui fel de forță de plutire, care este în mod necesar îndreptată vertical în sus. Această forță este întotdeauna egală numeric cu greutatea lichidului sau gazului deplasat de corp.
O altă formulare a acestei legi este următoarea: un corp scufundat într-un gaz sau lichid pierde cu siguranță la fel de multă greutate ca și masa lichidului sau gazului în care a fost scufundat. Această lege a devenit postulatul de bază al teoriei corpurilor plutitoare.
Legea gravitației universale (descoperită de Newton). Esența sa este că absolut toate corpurile se atrag în mod inevitabil între ele cu o forță, care este mai mare, cu cât produsul maselor acestor corpuri este mai mare și, în consecință, cu atât mai puțin, cu atât este mai mic pătratul distanței dintre ele.

Acestea sunt cele 3 legi de bază ale fizicii pe care ar trebui să le cunoască toți cei care doresc să înțeleagă mecanismul de funcționare al lumii înconjurătoare și particularitățile proceselor care au loc în ea. Este destul de simplu să înțelegeți principiul funcționării lor.

Valoarea unor astfel de cunoștințe

Legile de bază ale fizicii trebuie să fie în baza de cunoștințe a unei persoane, indiferent de vârsta și tipul său de activitate. Ele reflectă mecanismul de existență al întregii realități de astăzi și, în esență, sunt singura constantă într-o lume în continuă schimbare.

Legile și conceptele de bază ale fizicii deschid noi oportunități pentru a studia lumea din jurul nostru. Cunoștințele lor ajută la înțelegerea mecanismului de existență a Universului și a mișcării tuturor corpurilor cosmice. Ea ne transformă nu în simpli observatori ai evenimentelor și proceselor zilnice, ci ne permite să fim conștienți de ele. Când o persoană înțelege în mod clar legile de bază ale fizicii, adică toate procesele care au loc în jurul său, el are ocazia de a le controla în cel mai eficient mod, făcând descoperiri și, astfel, făcându-și viața mai confortabilă.

Rezultate

Unii sunt nevoiți să studieze în profunzime legile de bază ale fizicii pentru examenul de stat unificat, alții din cauza ocupației lor, iar unii din curiozitate științifică. Indiferent de obiectivele studierii acestei științe, beneficiile cunoștințelor dobândite cu greu pot fi supraestimate. Nu există nimic mai satisfăcător decât înțelegerea mecanismelor și tiparelor de bază ale existenței lumii din jurul nostru.

Nu ramane indiferent - dezvolta-te!

Secțiuni