Vsi zakoni fizike. Profesor, ki ve

Po tem zakonu je proces, katerega edini rezultat je prenos energije v obliki toplote od hladnejšega telesa k bolj vročemu, nemogoč brez sprememb v samem sistemu in okolju.
Drugi zakon termodinamike izraža težnjo sistema, sestavljenega iz velikega števila kaotično gibajočih se delcev, da spontano prehaja iz manj verjetnih stanj v bolj verjetna stanja. Prepoveduje ustvarjanje večnega gibalca druge vrste.
Enake prostornine idealnih plinov pri isti temperaturi in tlaku vsebujejo enako število molekul.
Zakon je leta 1811 odkril italijanski fizik A. Avogadro (1776–1856).
Zakon interakcije med dvema tokovoma, ki tečeta v vodnikih, ki sta na kratki razdalji drug od drugega, pravi: vzporedni vodniki s tokovi v isti smeri se privlačijo, s tokovi v nasprotni smeri pa se odbijajo.
Zakon je leta 1820 odkril A. M. Ampere.
Zakon hidro in aerostatike: na telo, potopljeno v tekočino ali plin, deluje vzgonska sila, usmerjena navpično navzgor, enaka teži tekočine ali plina, ki ga je telo izpodrinilo, in deluje v težišču potopljenega telesa. del telesa. FA = gV, kjer je g gostota tekočine ali plina, V prostornina potopljenega dela telesa.
Sicer pa lahko zakon formuliramo takole: telo, potopljeno v tekočino ali plin, izgubi toliko teže, kolikor tehta tekočina (ali plin), ki jo izpodriva. Potem je P = mg - FA.
Zakon je odkril starogrški znanstvenik Arhimed leta 212 pr. e. Je osnova teorije lebdečih teles.
Eden od zakonov idealnega plina: pri stalni temperaturi je produkt tlaka plina in njegove prostornine stalna vrednost. Formula: pV = konst. Opisuje izotermičen proces. Zakon univerzalne gravitacije ali Newtonov gravitacijski zakon: vsa telesa se privlačijo s silo, ki je premosorazmerna zmnožku mas teh teles in obratno sorazmerna s kvadratom razdalje med njimi. Po tem zakonu so elastične deformacije trdnega telesa premosorazmerne z zunanjimi vplivi, ki jih povzročajo. Opisuje toplotni učinek električnega toka: količina toplote, ki se sprosti v prevodniku, ko skoznje teče enosmerni tok, je premo sorazmerna s kvadratom toka, uporom prevodnika in časom prehoda. Odkrila sta Joule in Lenz neodvisno drug od drugega v 19. stoletju. Osnovni zakon elektrostatike, ki izraža odvisnost sile interakcije med dvema stacionarnima točkastima nabojema od razdalje med njima: dva stacionarna točkasta naboja delujeta s silo, ki je neposredno sorazmerna zmnožku velikosti teh nabojev in obratno sorazmerna kvadratu razdalje med njimi in dielektrične konstante medija, v katerem so naboji. Vrednost je številčno enaka sili, ki deluje med dvema stacionarnima točkastima nabojema po 1 C, ki se nahajata v vakuumu na razdalji 1 m drug od drugega.
Coulombov zakon je ena od eksperimentalnih utemeljitev elektrodinamike. Odprt leta 1785
Eden od osnovnih zakonov električnega toka: jakost enosmernega električnega toka v odseku vezja je premo sorazmerna z napetostjo na koncih tega odseka in obratno sorazmerna z njegovim uporom. Velja za kovinske prevodnike in elektrolite, katerih temperatura se vzdržuje konstantno. V primeru celotnega tokokroga je formuliran na naslednji način: jakost enosmernega električnega toka v tokokrogu je neposredno sorazmerna z emf tokovnega vira in obratno sorazmerna s celotnim uporom električnega tokokroga.

Leta 1826 ga je odkril G. S. Ohm.

Drugi zakon termodinamike

Po tem zakonu je proces, katerega edini rezultat je prenos energije v obliki toplote s hladnejšega telesa na bolj vroče, nemogoč brez sprememb v samem sistemu in okolju. Drugi zakon termodinamike izraža težnjo sistema, sestavljenega iz velikega števila kaotično gibajočih se delcev, da spontano prehaja iz manj verjetnih stanj v bolj verjetna stanja. Prepoveduje ustvarjanje večnega gibalca druge vrste.

Avogardov zakon
Enake prostornine idealnih plinov pri isti temperaturi in tlaku vsebujejo enako število molekul. Zakon je leta 1811 odkril italijanski fizik A. Avogadro (1776–1856).

Amperov zakon
Zakon interakcije med dvema tokovoma, ki tečeta v prevodnikih, ki sta na kratki razdalji drug od drugega, pravi: vzporedni vodniki s tokovi v isti smeri se privlačijo, s tokovi v nasprotni smeri pa se odbijajo. Zakon je leta 1820 odkril A. M. Ampere.

Arhimedov zakon

Zakon hidro- in aerostatike: na telo, potopljeno v tekočino ali plin, deluje vzgonska sila, usmerjena navpično navzgor, enaka teži tekočine ali plina, ki ga je telo izpodrinilo, in deluje v težišču telesa. potopljeni del telesa. FA = gV, kjer je g gostota tekočine ali plina, V prostornina potopljenega dela telesa. Sicer pa lahko zakon formuliramo takole: telo, potopljeno v tekočino ali plin, izgubi toliko teže, kolikor tehta tekočina (ali plin), ki jo izpodriva. Potem je P = mg – FA. Zakon je odkril starogrški znanstvenik Arhimed leta 212 pr. e. Je osnova teorije lebdečih teles.

Gravitacijski zakon

Zakon univerzalne gravitacije ali Newtonov gravitacijski zakon: vsa telesa se privlačijo s silo, ki je premosorazmerna zmnožku mas teh teles in obratno sorazmerna s kvadratom razdalje med njimi.

Boyle-Mariottov zakon

Eden od zakonov idealnega plina: pri stalni temperaturi je produkt tlaka plina in njegove prostornine stalna vrednost. Formula: pV = konst. Opisuje izotermičen proces.

Hookov zakon
Po tem zakonu so elastične deformacije trdnega telesa premosorazmerne z zunanjimi vplivi, ki jih povzročajo.

Daltonov zakon
Eden od osnovnih plinskih zakonov: tlak zmesi kemično nevzajemno delujočih idealnih plinov je enak vsoti parcialnih tlakov teh plinov. Leta 1801 ga je odkril J. Dalton.

Joule-Lenzov zakon

Opisuje toplotni učinek električnega toka: količina toplote, ki se sprosti v prevodniku, ko skoznje teče enosmerni tok, je premo sorazmerna s kvadratom toka, uporom prevodnika in časom prehoda. Odkrila sta Joule in Lenz neodvisno drug od drugega v 19. stoletju.

Coulombov zakon

Osnovni zakon elektrostatike, ki izraža odvisnost sile interakcije med dvema stacionarnima točkastima nabojema od razdalje med njima: dva stacionarna točkasta naboja delujeta s silo, ki je neposredno sorazmerna zmnožku velikosti teh nabojev in obratno sorazmerna kvadratu razdalje med njimi in dielektrične konstante medija, v katerem so naboji. Vrednost je številčno enaka sili, ki deluje med dvema stacionarnima točkastima nabojema po 1 C, ki se nahajata v vakuumu na razdalji 1 m drug od drugega. Coulombov zakon je ena od eksperimentalnih utemeljitev elektrodinamike. Odprt leta 1785.

Lenzov zakon
Po tem zakonu ima inducirani tok vedno tako smer, da lastni magnetni tok kompenzira spremembe zunanjega magnetnega toka, ki je ta tok povzročil. Lenzov zakon je posledica zakona o ohranitvi energije. Leta 1833 ga je postavil E. H. Lenz.

Ohmov zakon

Eden od osnovnih zakonov električnega toka: jakost enosmernega električnega toka v odseku vezja je premo sorazmerna z napetostjo na koncih tega odseka in obratno sorazmerna z njegovim uporom. Velja za kovinske prevodnike in elektrolite, katerih temperatura se vzdržuje konstantno. V primeru celotnega tokokroga je formuliran na naslednji način: jakost enosmernega električnega toka v tokokrogu je neposredno sorazmerna z emf tokovnega vira in obratno sorazmerna s celotnim uporom električnega tokokroga. Leta 1826 ga je odkril G. S. Ohm.

Zakon odboja valov

Vpadni žarek, odbiti žarek in navpičnica, dvignjena na vpadno točko žarka, ležijo v isti ravnini, vpadni kot pa je enak lomnemu kotu. Zakon velja za zrcalni odsev.

Pascalov zakon
Osnovni zakon hidrostatike: tlak, ki ga povzročajo zunanje sile na površino tekočine ali plina, se prenaša enakomerno v vse smeri.

Zakon loma svetlobe

Vpadni žarek, lomljeni žarek in navpičnica, vzpostavljena na vpadno točko žarka, ležijo v isti ravnini in za ta dva medija je razmerje med sinusom vpadnega kota in sinusom lomnega kota konstantna vrednost, imenovana relativni lomni količnik drugega medija glede na prvega.

Zakon premočrtnega širjenja svetlobe

Zakon geometrijske optike, ki pravi, da se svetloba v homogenem mediju širi premočrtno. Razloži na primer nastanek sence in polsence.

Zakon o ohranitvi naboja
Eden temeljnih naravnih zakonov: algebraična vsota električnih nabojev katerega koli električno izoliranega sistema ostane nespremenjena. V električno izoliranem sistemu zakon o ohranitvi naboja dovoljuje pojav novih nabitih delcev, vendar mora biti skupni električni naboj nastajajočih delcev vedno enak nič.

Zakon ohranitve gibalne količine
Eden od osnovnih zakonov mehanike: gibalna količina katerega koli zaprtega sistema med vsemi procesi, ki se v sistemu dogajajo, ostane konstantna (ohranjena) in se lahko prerazporedi med deli sistema le kot posledica njihove interakcije.

Charlesov zakon
Eden od osnovnih plinskih zakonov: tlak dane mase idealnega plina pri stalni prostornini je premosorazmeren s temperaturo.

Zakon elektromagnetne indukcije

Opisuje pojav pojava električnega polja, ko se spremeni magnetno polje (pojav elektromagnetne indukcije): elektromotorna sila indukcije je premo sorazmerna s hitrostjo spremembe magnetnega pretoka. Koeficient sorazmernosti je določen s sistemom enot, predznak pa z Lenzovim pravilom. Zakon je odkril M. Faraday.

Zakon o ohranitvi in ​​transformaciji energije
Splošni naravni zakon: energija katerega koli zaprtega sistema ostaja konstantna (ohranjena) med vsemi procesi, ki se v sistemu dogajajo. Energijo je mogoče le pretvoriti iz ene oblike v drugo in jo prerazporediti med deli sistema. Za odprt sistem je povečanje (zmanjšanje) njegove energije enako zmanjšanju (povečanju) energije teles in fizičnih polj, ki medsebojno delujejo z njim.

Newtonovi zakoni
Klasična mehanika temelji na treh Newtonovih zakonih. Prvi Newtonov zakon (vztrajnostni zakon): materialna točka je v stanju premočrtnega in enakomernega gibanja ali mirovanja, če nanjo ne delujejo druga telesa ali je delovanje teh teles kompenzirano. Newtonov drugi zakon (temeljni zakon dinamike): pospešek, ki ga prejme telo, je premo sorazmeren z rezultanto vseh sil, ki delujejo na telo, in obratno sorazmeren z maso telesa. Tretji Newtonov zakon: dejanja dveh teles so vedno enaka po velikosti in usmerjena v nasprotni smeri.

Faradayevi zakoni
Faradayev prvi zakon: masa snovi, ki se sprosti na elektrodi med prehodom električnega toka, je premo sorazmerna s količino elektrike (naboja), ki prehaja skozi elektrolit (m = kq = kIt). Faradayev drugi zakon: razmerje med masami različnih snovi, ki se kemijsko preoblikujejo na elektrodah, ko enaki električni naboji prehajajo skozi elektrolit, je enako razmerju kemijskih ekvivalentov. Zakone je v letih 1833–1834 določil M. Faraday.

Prvi zakon termodinamike
Prvi zakon termodinamike je zakon o ohranitvi energije za termodinamični sistem: količina toplote Q, posredovana sistemu, se porabi za spreminjanje notranje energije sistema U in opravljanje dela A s strani sistema proti zunanjim silam. Osnova delovanja toplotnih strojev je formula Q = U + A.

Bohrovi postulati

Bohrov prvi postulat: atomski sistem je stabilen samo v stacionarnih stanjih, ki ustrezajo diskretnemu zaporedju vrednosti atomske energije. Vsaka sprememba te energije je povezana s popolnim prehodom atoma iz enega stacionarnega stanja v drugega. Bohrov drugi postulat: absorpcija in oddajanje energije iz atoma poteka po zakonu, po katerem je sevanje, povezano s prehodom, monokromatsko in ima frekvenco: h = Ei – Ek, kjer je h Planckova konstanta, Ei in Ek so energije atoma v stacionarnih stanjih.

Pravilo leve roke
Določa smer sile, ki deluje na prevodnik s tokom (ali premikajoči se nabiti delec), ki se nahaja v magnetnem polju. Pravilo pravi: če je leva roka postavljena tako, da iztegnjeni prsti kažejo smer toka (hitrost delcev), magnetne silnice (magnetne indukcijske črte) pa segajo v dlan, bo iztegnjen palec kazal smer toka. sila, ki deluje na vodnik (pozitiven delec; v Pri negativnem delcu je smer sile nasprotna).

Pravilo desne roke
Določa smer indukcijskega toka v prevodniku, ki se premika v magnetnem polju: če je dlan desne roke nameščena tako, da črte magnetne indukcije vstopijo vanjo, upognjen palec pa je usmerjen vzdolž gibanja prevodnika, potem štiri iztegnjeni prsti bodo pokazali smer indukcijskega toka.

Huygensovo načelo
Omogoča vam, da kadar koli določite položaj fronte valov. Po Huygensovem principu so vse točke, skozi katere poteka valovna fronta v času t, viri sekundarnih sferičnih valov, želeni položaj valovne fronte v času t pa sovpada s površino, ki obdaja vse sekundarne valove. Huygensov princip pojasnjuje zakone odboja in loma svetlobe.

Huygens-Fresnelov princip
V skladu s tem načelom lahko na kateri koli točki zunaj poljubne zaprte površine, ki pokriva točkovni vir svetlobe, svetlobni val, ki ga vzbuja ta vir, predstavimo kot rezultat interference sekundarnih valov, ki jih oddajajo vse točke navedene zaprte površine. Načelo vam omogoča reševanje najpreprostejših problemov difrakcije svetlobe.

Načelo relativnosti
V vseh inercialnih referenčnih sistemih se vsi fizikalni (mehanski, elektromagnetni itd.) pojavi pod enakimi pogoji odvijajo na enak način. Je posplošitev Galilejevega načela relativnosti.

Galilejev princip relativnosti

Mehansko načelo relativnosti ali načelo klasične mehanike: v katerem koli inercialnem referenčnem sistemu se vsi mehanski pojavi odvijajo na enak način pod enakimi pogoji.

Zvok
Zvok je ime za elastična valovanja, ki se širijo v tekočinah, plinih in trdnih snoveh in jih zaznavajo ušesa ljudi in živali. Oseba ima sposobnost slišati zvoke s frekvencami v območju 16–20 kHz. Zvok s frekvencami do 16 Hz običajno imenujemo infrazvok; s frekvencami 2·104–109 Hz – ultrazvok in s frekvencami 109–1013 Hz – hiperzvok. Veda, ki preučuje zvoke, se imenuje "akustika".

Svetloba
Svetloba v ožjem pomenu izraza se nanaša na elektromagnetno valovanje v frekvenčnem območju, ki ga zazna človeško oko: 7,5 ‘1014–4,3 ‘1014 Hz. Valovne dolžine segajo od 760 nm (rdeča svetloba) do 380 nm (vijolična svetloba).

1.1. Opomba. Zakoni teorije relativnosti in kvantne mehanike, po katerih poteka gibanje in interakcija osnovnih delcev snovi, vnaprej določajo nastanek in nastanek vzorcev širokega spektra pojavov, ki jih preučujejo različne naravoslovne vede. Te zakonitosti so osnova sodobnih visokih tehnologij in v veliki meri določajo stanje in razvoj naše civilizacije. Zato je poznavanje osnov temeljne fizike potrebno ne le za študente, ampak tudi za šolarje. Aktivno posedovanje osnovnih znanj o strukturi sveta je potrebno za človeka, ki vstopa v življenje, da bi našel svoje mesto v tem svetu in uspešno nadaljeval svoje izobraževanje.

1.2. Kaj je glavna težava tega poročila? Namenjena je tako strokovnjakom s področja fizike delcev kot tudi veliko širšemu občinstvu: fizikom nedelcev, matematikom, kemikom, biologom, energetikom, ekonomistom, filozofom, jezikoslovcem,... Če sem dovolj natančen, moram uporabiti izrazi in formule temeljne fizike. Da bi me razumeli, moram nenehno razlagati te izraze in formule. Če fizika delcev ni vaša specializacija, najprej preberite le tiste poglavje, katerih naslovi niso označeni z zvezdicami. Nato poskusite prebrati razdelke z eno zvezdico *, dvema ** in na koncu s tremi ***. O večini odsekov brez zvezdic mi je med reportažo uspelo spregovoriti, za ostale pa nisem imel časa.

1.3. Fizika osnovnih delcev. Fizika delcev je temelj vseh naravoslovnih znanosti. Proučuje najmanjše delce snovi ter osnovne vzorce njihovega gibanja in interakcij. Navsezadnje so ti vzorci tisti, ki določajo obnašanje vseh predmetov na Zemlji in na nebu. Fizika delcev se ukvarja s temeljnimi koncepti, kot sta prostor in čas; zadeva; energija, zagon in masa; vrtenje. (Večina bralcev ima predstavo o prostoru in času, morda so slišali za povezavo med maso in energijo in nimajo pojma, kaj ima s tem opraviti zagon, in verjetno ne bodo spoznali najpomembnejše vloge vrtenja v fiziki. Celo med seboj se še ne morejo dogovoriti, kaj naj imenujejo strokovnjaki za snov.) Fizika delcev je nastala v 20. stoletju. Njegov nastanek je neločljivo povezan z nastankom dveh največjih teorij v človeški zgodovini: teorije relativnosti in kvantne mehanike. Ključne konstante teh teorij so svetlobne hitrosti c in Planckovo konstanto h.

1.4. Teorija relativnosti. Posebna teorija relativnosti, ki se je pojavila v začetku 20. stoletja, je zaključila sintezo številnih znanosti, ki so preučevale tako klasične pojave, kot so elektrika, magnetizem in optika, in ustvarile mehaniko pri hitrostih teles, primerljivih s svetlobno hitrostjo. (Newtonova klasična nerelativistična mehanika se je ukvarjala s hitrostmi v<<c.) Nato je leta 1915 nastala splošna teorija relativnosti, ki je bila namenjena opisovanju gravitacijskih interakcij ob upoštevanju končne hitrosti svetlobe. c.

1.5. Kvantna mehanika. Kvantna mehanika, ustvarjena v dvajsetih letih 20. stoletja, je pojasnila zgradbo in lastnosti atomov na podlagi dvojnih valovnih lastnosti elektronov. Pojasnila je ogromno kemijskih pojavov, povezanih z interakcijo atomov in molekul. In to je omogočilo opisovanje procesov njihovega oddajanja in absorpcije svetlobe. Razumeti informacije, ki nam jih prinaša svetloba Sonca in zvezd.

1.6. Kvantna teorija polja. Kombinacija teorije relativnosti in kvantne mehanike je pripeljala do nastanka kvantne teorije polja, ki omogoča opisovanje najpomembnejših lastnosti snovi z visoko stopnjo natančnosti. Kvantna teorija polja je seveda preveč zapletena, da bi jo razložili šolarjem. Toda sredi 20. stoletja se je pojavil vizualni jezik Feynmanovih diagramov, ki radikalno poenostavlja razumevanje številnih vidikov kvantne teorije polja. Eden od glavnih ciljev tega govora je pokazati, kako je mogoče Feynmanove diagrame uporabiti za preprosto razumevanje širokega nabora pojavov. Hkrati se bom podrobneje posvetil vprašanjem, ki jih ne poznajo vsi poznavalci kvantne teorije polja (na primer o povezavi med klasično in kvantno gravitacijo), in le na kratko orisal vprašanja, o katerih se veliko razpravlja v poljudnoznanstvena literatura.

1.7. Identiteta osnovnih delcev. Elementarni delci so najmanjši nedeljivi delci snovi, iz katerih je zgrajen ves svet. Najbolj neverjetna lastnost, ki razlikuje te delce od običajnih neelementarnih delcev, na primer zrn peska ali kroglic, je, da so vsi osnovni delci iste vrste, na primer vsi elektroni v vesolju, popolnoma (!) enaki - enaka. In posledično so njihova najpreprostejša vezana stanja – atomi in najpreprostejše molekule – enaka drug drugemu.

1.8. Šest osnovnih delcev. Za razumevanje osnovnih procesov, ki se dogajajo na Zemlji in Soncu, je kot prvi približek dovolj razumeti procese, v katerih sodeluje šest delcev: elektron e, proton str, nevtron n in elektronski nevtrino ν e, kot tudi foton γ in graviton g̃. Prvi štirje delci imajo spin 1/2, foton ima spin 1 in graviton ima spin 2. (Delce s celim številom spina imenujemo bozoni, delce s pol-celim spinom imenujemo fermioni. Spin bo o čemer bomo podrobneje razpravljali v nadaljevanju.) Protone in nevtrone običajno imenujemo nukleoni, ker so iz njih zgrajena atomska jedra, jedro pa je v angleščini nucleus. Elektrone in nevtrine imenujemo leptoni. Nimajo močnih jedrskih interakcij.

Zaradi zelo šibke interakcije gravitonov je nemogoče opazovati posamezne gravitone, vendar se ravno preko teh delcev uresničuje gravitacija v naravi. Tako kot se elektromagnetne interakcije izvajajo preko fotonov.

1.9. Antidelci. Elektron, proton in nevtron imajo tako imenovane antidelce: pozitron, antiproton in antinevtron. Niso del navadne materije, saj ob srečanju z ustreznimi delci vstopijo v reakcije medsebojnega uničenja – anihilacije. Tako se elektron in pozitron anihilirata v dva ali tri fotone. Foton in graviton sta resnično nevtralna delca: sovpadata s svojimi antidelci. Še vedno ni znano, ali je nevtrino resnično nevtralen delec.

1.10. Nukleoni in kvarki. Sredi 20. stoletja se je izkazalo, da so nukleoni sami sestavljeni iz bolj elementarnih delcev - dveh vrst kvarkov, ki označujeta u in d: str = uud, n = ddu. Interakcijo med kvarki izvajajo gluoni. Antinukleoni so sestavljeni iz antikvarkov.

1.11. Tri generacije fermionov. Skupaj z u, d, e, ν e sta bili odkriti in raziskani še dve skupini (ali, kot pravijo, generaciji) kvarkov in leptonov: c, s, μ, ν μ in t, b, τ , ν τ . Ti delci niso vključeni v sestavo navadne snovi, saj so nestabilni in hitro razpadejo v lažje delce prve generacije. Igrali pa so pomembno vlogo v prvih trenutkih obstoja vesolja.

Za še popolnejše in globlje razumevanje narave potrebujemo še več delcev s še bolj nenavadnimi lastnostmi. Morda pa bo v prihodnosti vsa ta raznolikost skrčena na nekaj preprostih in lepih esenc.

1.12. Hadroni. Velika družina delcev, ki jo sestavljajo kvarki in/ali antikvarki in gluoni, se imenuje hadroni. Vsi hadroni, razen nukleonov, so nestabilni in zato niso del običajne snovi.

Pogosto hadrone uvrščamo tudi med osnovne delce, saj jih ni mogoče razgraditi na proste kvarke in gluone. (Naredil sem enako, pri čemer sem proton in nevtron uvrstil med prvih šest osnovnih delcev.) Če vsi hadroni veljajo za osnovne, potem se bo število osnovnih delcev merilo v stotinah.

1.13. Standardni model in štiri vrste interakcij. Kot bo pojasnjeno v nadaljevanju, zgoraj našteti osnovni delci omogočajo, da v okviru tako imenovanega »Standardnega modela osnovnih delcev« opišemo vse doslej znane procese, ki se dogajajo v naravi kot posledica gravitacijskih, elektromagnetnih, šibkih in močne interakcije. Toda za razumevanje delovanja prvih dveh so dovolj štirje delci: foton, graviton, elektron in proton. Še več, dejstvo, da je proton sestavljen iz u- In d-kvarkov in gluonov se izkaže za nepomembne. Seveda je brez šibkih in močnih interakcij nemogoče razumeti, kako so strukturirana atomska jedra ali kako deluje naše Sonce. Vendar pa je mogoče razumeti, kako so strukturirane atomske lupine, ki določajo vse kemijske lastnosti elementov, kako deluje elektrika in kako so strukturirane galaksije.

1.14. Onkraj znanega.Že danes vemo, da delci in interakcije standardnega modela ne izčrpajo zakladov narave.

Ugotovljeno je bilo, da navadni atomi in ioni predstavljajo le manj kot 20% vse snovi v vesolju, več kot 80% pa je tako imenovana temna snov, katere narava je še neznana. Najpogostejše prepričanje je, da je temna snov sestavljena iz superdelcev. Možno je, da je sestavljen iz zrcalnih delcev.

Še bolj neverjetno je, da vsa snov, tako vidna (svetla) kot temna, nosi le četrtino celotne energije vesolja. Tri četrtine pripada tako imenovani temni energiji.

1.15. Elementarni delci"e do neke mere« so temeljne. Ko je moj učitelj Isaac Yakovlevich Pomeranchuk želel poudariti pomembnost vprašanja, je rekel, da je vprašanje do neke mere pomembno. Seveda je večina naravoslovnih znanosti, ne le fizika delcev, temeljnih. Fiziko kondenzirane snovi na primer urejajo temeljni zakoni, ki jih je mogoče uporabiti, ne da bi razumeli, kako izhajajo iz zakonov fizike delcev. Toda zakoni relativnosti in kvantne mehanike " e»do neke mere temeljni« v smislu, da jim ne more nasprotovati noben od manj splošnih zakonov.

1.16. Osnovni zakoni. Vsi procesi v naravi nastanejo kot posledica lokalnih interakcij in gibanj (širjenja) osnovnih delcev. Osnovni zakoni, ki urejajo ta gibanja in interakcije, so zelo nenavadni in zelo preprosti. Temeljijo na konceptu simetrije in načelu, da se lahko in mora zgoditi vse, kar ni v nasprotju s simetrijo. V nadaljevanju bomo z uporabo jezika Feynmanovih diagramov izsledili, kako se to realizira v gravitacijskih, elektromagnetnih, šibkih in močnih interakcijah delcev.

2. Delci in življenje

2.1. O civilizaciji in kulturi. Tuji član RAS Valentin Telegdi (1922–2006) je pojasnil: »Če je WC (vodni wc) civilizacija, potem je sposobnost njegove uporabe kultura.«

Uslužbenec ITEP A. A. Abrikosov Jr. mi je pred kratkim napisal: »Eden od ciljev vašega poročila je prepričati visoko občinstvo o potrebi po širšem poučevanju sodobne fizike. Če je tako, bi bilo morda vredno navesti nekaj vsakdanjih primerov. Tole mislim:

Živimo v svetu, ki si ga tudi na vsakdanji ravni ni mogoče zamisliti brez kvantne mehanike (KM) in relativnostne teorije (TR). Mobilni telefoni, računalniki, vsa sodobna elektronika, da ne omenjamo LED luči, polprevodniški laserji (vključno s kazalci) in LCD zasloni so v bistvu kvantne naprave. Nemogoče je razložiti, kako delujejo brez osnovnih konceptov CM. Kako jih lahko razložite, ne da bi omenili tuneliranje?

Drugi primer morda poznam od vas. Satelitski navigatorji so že vgrajeni v vsak 10. avto. Natančnost sinhronizacije ure v satelitskem omrežju ni manjša od 10 -8 (to ustreza napaki reda metra pri lokalizaciji predmeta na zemeljski površini). Takšna natančnost zahteva upoštevanje vzdrževalnih popravkov takta premikajočega se satelita. Pravijo, da inženirji niso mogli verjeti, zato so prve naprave imele dvojni program: s popravki in brez njih. Kot se je izkazalo, prvi program deluje bolje. Tukaj je preizkus relativnostne teorije na vsakdanji ravni.

Seveda je klepetanje po telefonu, vožnja z avtomobilom in tapkanje po tipkah računalnika mogoča brez visoke znanosti. Toda akademiki komajda bi morali pozivati ​​ljudi, naj ne študirajo geografije, ker "obstajajo taksisti."

In potem šolarji in nato študenti že pet let govorijo o materialnih točkah in Galilejevi relativnosti in nenadoma brez očitnega razloga izjavijo, da to »ni povsem res«.

Tudi v fiziki in tehniki je težko preiti iz vizualnega newtonskega sveta v kvantnega. Vaš, AAA."

2.2. O temeljni fiziki in izobraževanju. Na žalost sodobni izobraževalni sistem za sodobno fundamentalno fiziko zaostaja celo stoletje. In večina ljudi (vključno z večino znanstvenikov) nima pojma o neverjetno jasni in preprosti sliki (zemljevidu) sveta, ki jo je ustvarila fizika delcev. Ta zemljevid omogoča veliko lažje krmarjenje po vseh naravoslovnih vedah. Namen mojega poročila je, da vas prepričam, da nekateri elementi (koncepti) fizike osnovnih delcev, teorije relativnosti in kvantne teorije lahko in morajo postati osnova za poučevanje vseh naravoslovnih predmetov ne samo v višjih, temveč tudi v srednjih in celo srednjih šolah. osnovne šole. Navsezadnje se bistveno nove koncepte najlažje obvladajo v otroštvu. Otrok zlahka osvoji jezik in se navadi na uporabo mobilnega telefona. Mnogi otroci Rubikovo kocko vrnejo v prvotno stanje v nekaj sekundah, meni pa tudi en dan ni dovolj.

Da bi se izognili neprijetnim presenečenjem v prihodnosti, je treba v vrtcu vzpostaviti ustrezen pogled na svet. Konstante c in h morajo postati orodje spoznavanja za otroke.

2.3. O matematiki. Matematika - kraljica in služabnica vseh znanosti - bi vsekakor morala služiti kot glavno orodje znanja. Podaja osnovne koncepte, kot so resnica, lepota, simetrija, red. Koncepti ničle in neskončnosti. Matematika te nauči razmišljati in šteti. Fundamentalne fizike si brez matematike ni mogoče zamisliti. Brez matematike si je izobraževanje nepredstavljivo. Seveda je morda prezgodaj za študij teorije skupin v šoli, vendar je treba naučiti ceniti resnico, lepoto, simetrijo in red (in hkrati nekaj nereda).

Zelo pomembno je razumeti prehod od realnih (realnih) števil (preprostih, racionalnih, iracionalnih) k imaginarnim in kompleksnim. Verjetno bi se hiperkompleksnih števil (kvaternionov in oktonionov) morali ukvarjati samo tisti študenti, ki želijo delati na področju matematike in teoretične fizike. Pri svojem delu na primer nikoli nisem uporabljal oktonionov. Vendar vem, da olajšajo razumevanje tega, kar mnogi teoretični fiziki menijo za najbolj obetavno in izjemno simetrično skupino, E 8 .

2.4. O svetovnem nazoru in naravoslovju. Zamisel o osnovnih zakonih, ki vladajo svetu, je potrebna v vseh naravoslovnih vedah. Seveda imajo fizika trdne snovi, kemija, biologija, znanosti o Zemlji in astronomija svoje specifične koncepte, metode in probleme. Vendar je zelo pomembno imeti splošni zemljevid sveta in razumeti, da je na tem zemljevidu veliko praznih lis neznanega. Zelo pomembno je razumeti, da znanost ni okostenela dogma, temveč živ proces približevanja resnici na številnih točkah svetovnega zemljevida. Približevanje resnici je asimptotičen proces.

2.5. O pravem in vulgarnem redukcionizmu. Zamisel, da so kompleksnejše strukture v naravi sestavljene iz manj kompleksnih struktur in navsezadnje iz preprostejših elementov, se običajno imenuje redukcionizem. V tem smislu vas poskušam prepričati redukcionizem. Toda vulgarni redukcionizem, ki trdi, da je mogoče vse znanosti reducirati na fiziko osnovnih delcev, je absolutno nesprejemljiv. Na vsaki vse višji ravni kompleksnosti se oblikujejo in pojavljajo lastni vzorci. Če želite biti dober biolog, vam ni treba poznati fizike delcev. Ampak razumeti njeno mesto in vlogo v sistemu znanosti, razumeti ključno vlogo konstant c in h potrebno. Navsezadnje je znanost kot celota en sam organizem.

2.6. O humanistiki in družboslovju. Splošno razumevanje strukture sveta je zelo pomembno za ekonomijo, zgodovino, kognitivne vede, kot so vede o jeziku, in filozofijo. In obratno – te vede so izjemnega pomena za samo temeljno fiziko, ki nenehno izpopolnjuje svoje temeljne koncepte. To bo razvidno iz razprave o teoriji relativnosti, h kateri se bom sedaj posvetil. Posebej bom rekel o pravnih vedah, ki so izjemno pomembne za razcvet (da ne rečem preživetje) naravoslovja. Prepričan sem, da družbeni zakoni ne smejo biti v nasprotju s temeljnimi zakoni narave. Človeški zakoni ne smejo biti v nasprotju z božanskimi zakoni narave.

2.7. Mikro-, Makro-, Kozmo-. Naš običajni svet velikih, a ne velikanskih stvari, običajno imenujemo makrosvet. Svet nebesnih teles lahko imenujemo kozmosvet, svet atomskih in subatomskih delcev pa mikrosvet. (Ker so velikosti atomov reda velikosti 10−10 m, mikrokozmos pomeni objekte, vsaj 4 ali celo 10 velikosti velikosti, manjše od mikrometra, in 1–7 velikosti velikosti, manjše od nanometra. Modni nano regija se nahaja po poti od mikro do makro.) V 20. stoletju je bil zgrajen tako imenovani standardni model osnovnih delcev, ki vam omogoča preprosto in jasno razumevanje mnogih makro in kozmičnih zakonov, ki temeljijo na mikro zakonih.

2.8. Naši modeli. Modeli v teoretični fiziki so zgrajeni z zavračanjem nepomembnih okoliščin. Na primer, v atomski in jedrski fiziki so gravitacijske interakcije delcev zanemarljive in jih je mogoče zanemariti. Ta model sveta sodi v posebno teorijo relativnosti. V tem modelu so atomi, molekule, zgoščena telesa,... pospeševalci in trkalniki, ni pa Sonca in zvezd.

Takšen model bi bil zagotovo nepravilen na zelo velikih lestvicah, kjer je gravitacija pomembna.

Seveda je obstoj Zemlje (in s tem gravitacije) nujen za obstoj CERN-a, a za razumevanje velike večine eksperimentov, izvedenih v CERN-u (razen iskanja mikroskopskih »črnih lukenj« na trkalniku), gravitacija je nepomemben.

2.9. Redi velikosti. Ena od težav pri razumevanju lastnosti osnovnih delcev je, ker so zelo majhni in jih je veliko. V žlici vode je ogromno atomov (približno 10 23). Število zvezd v vidnem delu vesolja ni dosti manjše. Velikega števila se ni treba bati. Navsezadnje rokovanje z njimi ni težko, saj se množenje števil zmanjša predvsem na seštevanje njihovih vrst: 1 = 10 0, 10 = 10 1, 100 = 10 2. Pomnožimo 10 s 100, dobimo 10 1+2 = 10 3 = 1000.

2.10. Kapljica olja.Če kapljico olja s prostornino 1 mililitra spustimo na površino vode, se bo zabrisala v mavrično liso s površino približno nekaj kvadratnih metrov in debelino približno sto nanometrov. To je le tri velikosti večje od velikosti atoma. In debelina filma milnega mehurčka na najtanjših mestih je po velikosti velikosti molekul.

2.11. Joulov. Tipična AA baterija ima napetost 1,5 volta (V) in vsebuje 10 4 joulov (J) električne energije. Naj vas spomnim, da je 1 J = 1 kulon × 1 V, pa tudi, da je 1 J = kg m 2 / s 2 in da je gravitacijski pospešek približno 10 m / s 2. Torej 1 joul omogoča dvig 1 kilograma na višino 10 cm, 10 4 J pa bo dvignil 100 kg na 10 metrov. Toliko energije porabi dvigalo, da popelje šolarja v deseto nadstropje. Toliko energije je v bateriji.

2.12. Elektrovolti. Enota za energijo v fiziki delcev je elektronvolt (eV): energijo 1 eV pridobi 1 elektron, ki prehaja skozi potencialno razliko 1 volta. Ker je v enem kulonu 6,24 × 10 18 elektronov, potem je 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.

Naj vas spomnim, da bi morala biti energija enega protona v velikem hadronskem trkalniku CERN enaka 7 TeV.

3. O teoriji relativnosti

3.1. Referenčni okvirji. Vse naše poskuse opisujemo v enem ali drugem referenčnem okviru. Referenčni sistem je lahko laboratorij, vlak, Zemljin satelit, središče galaksije... . Referenčni sistem je lahko vsak delec, ki leti, na primer v pospeševalniku delcev. Ker se vsi ti sistemi premikajo relativno drug glede na drugega, vsi poskusi v njih ne bodo videti enako. Poleg tega je drugačen tudi gravitacijski vpliv bližnjih masivnih teles. Prav upoštevanje teh razlik je glavna vsebina relativnostne teorije.

3.2. Galilejeva ladja. Galileo je oblikoval načelo relativnosti in barvito opisal vse vrste poskusov v kabini gladko plujoče ladje. Če so okna zastrta, je s pomočjo teh poskusov nemogoče ugotoviti, kako hitro se ladja premika in ali miruje. Einstein je tej kabini dodal eksperimente s končno hitrostjo svetlobe. Če ne pogledate skozi okno, ne morete ugotoviti hitrosti ladje. Če pa pogledaš na obalo, lahko.

3.3. Oddaljene zvezde*. Smiselno je zagotoviti referenčni okvir, v zvezi s katerim bi lahko ljudje oblikovali rezultate svojih eksperimentov, ne glede na to, kje so. Sistem, v katerem so oddaljene zvezde nepremične, je že dolgo sprejet kot takšen univerzalni referenčni sistem. In relativno nedavno (pred pol stoletja) so odkrili še bolj oddaljene kvazarje in izkazalo se je, da bi moralo biti v tem sistemu reliktno mikrovalovno ozadje izotropno.

3.4. V iskanju univerzalnega referenčnega sistema*. V bistvu je celotna zgodovina astronomije napredovanje k vedno bolj univerzalnemu referenčnemu okviru. Od antropocentričnega, kjer je v središču človek, do geocentričnega, kjer je v središču Zemlja (Ptolomej, 87–165), do heliocentričnega, kjer je v središču Sonce (Kopernik, 1473–1543), do galacentričnega, kjer središče naše Galaksije, do meglice, kjer počiva sistem meglic - jate galaksij, do ozadja, kjer je kozmično mikrovalovno ozadje izotropno. Pomembno pa je, da so hitrosti teh referenčnih sistemov majhne v primerjavi s svetlobno hitrostjo.

3.5. Kopernik, Kepler, Galileo, Newton*. V knjigi Nikolaja Kopernika »O rotacijah nebesnih sfer«, objavljeni leta 1543, je zapisano: »Vsa gibanja, ki so opazna v Soncu, niso njegova lastnost, temveč pripadajo Zemlji in naši sferi, skupaj s katero krožimo okoli Sonca, kot vsak drug planet; tako ima Zemlja več gibanj. Navidezna gibanja planetov naprej in nazaj ne pripadajo njim, ampak Zemlji. Tako že samo to gibanje zadostuje za razlago velikega števila nepravilnosti, vidnih na nebu.«

Kopernik in Kepler (1571–1630) sta podala preprost fenomenološki opis kinematike teh gibanj. Galileo (1564–1642) in Newton (1643–1727) sta pojasnila njihovo dinamiko.

3.6. Univerzalni prostor in čas*. Prostorske koordinate in čas, ki se nanašajo na univerzalni referenčni sistem, lahko imenujemo univerzalni ali absolutni v popolnem soglasju s teorijo relativnosti. Pomembno je le poudariti, da izbiro tega sistema opravijo in z njo soglašajo lokalni opazovalci. Vsak referenčni sistem, ki se postopoma giblje glede na univerzalni sistem, je inercialen: v njem je prosto gibanje enakomerno in premočrtno.

3.7. "Teorija invariantnosti"*. Upoštevajte, da sta Albert Einstein (1879–1955) in Max Planck (1858–1947) (ki je leta 1907 skoval izraz »teorija relativnosti«, sklicujoč se na teorijo, ki jo je predstavil Einstein leta 1905) verjela, da izraz »invariantnost teorije« lahko natančneje odraža njeno bistvo. Toda očitno je bilo na začetku 20. stoletja bolj pomembno poudariti relativnost pojmov, kot sta čas in sočasnost v enakih inercialnih referenčnih sistemih, kot pa izpostaviti enega od teh sistemov. Pomembnejše je bilo to, da z zastrtimi okni Galilejeve kabine ni bilo mogoče določiti hitrosti ladje. Toda zdaj je čas, da odpremo zavese in pogledamo na obalo. V tem primeru bodo seveda vsi vzorci, vzpostavljeni pri zaprtih zavesah, ostali neomajni.

3.8. Pismo Chimmerju*. Leta 1921 je Einstein v pismu E. Chimmerju, avtorju knjige »Filozofska pisma«, zapisal: »Kar zadeva izraz »teorija relativnosti«, priznam, da je neposrečen in vodi v filozofske nesporazume.« Toda po mnenju Einsteina je prepozno, da bi ga spremenili, zlasti zato, ker je zelo razširjen. To pismo je bilo objavljeno v 12. zvezku 25-delnega »Zbranih del Einsteina«, objavljenega v Princetonu, objavljenem jeseni 2009.

3.9. Največja hitrost v naravi. Ključna konstanta relativnostne teorije je svetlobna hitrost c= 300.000 km/s = 3 × 10 8 m/s. (Natančneje, c= 299.792.458 m/s. In ta številka je zdaj osnova za definicijo merilnika.) Ta hitrost je največja hitrost širjenja katerega koli signala v naravi. Za več stopenj velikosti presega hitrost masivnih predmetov, s katerimi imamo opravka vsak dan. Prav njegova nenavadno velika vrednost ovira razumevanje glavne vsebine relativnostne teorije. Delce, ki se gibljejo s hitrostjo reda svetlobne hitrosti, imenujemo relativistični.

3.10. Energija, zagon in hitrost. Prosto gibanje delca je označeno z energijo delca E in njegov impulz str. Po teoriji relativnosti je hitrost delca v se določi s formulo

Eden od glavnih razlogov za terminološko zmedo, obravnavano v oddelku 3.14, je, da so pri ustvarjanju teorije relativnosti poskušali ohraniti newtonovo povezavo med gibalno količino in hitrostjo str = mv, kar je v nasprotju s teorijo relativnosti.

3.11. Utež. Masa delcev m se določi s formulo

Medtem ko sta energija in zagon delca odvisna od referenčnega okvira, velikosti njegove mase m ni odvisen od referenčnega sistema. Je invarianta. Formuli (1) in (2) sta osnovni v teoriji relativnosti.

Nenavadno je, da je bila prva monografija o teoriji relativnosti, v kateri se je pojavila formula (2), objavljena šele leta 1941. To so bile "Teorije polja" L. Landau (1908–1968) in E. Lifshitz (1915–1985) . Nisem ga našel v nobenem Einsteinovem delu. Ne najdemo ga v čudoviti knjigi "Teorija relativnosti" W. Paulija (1900–1958), objavljeni leta 1921. Toda relativistična valovna enačba, ki vsebuje to formulo, je bila v knjigi "Principi kvantne mehanike" P. Diraca. , objavljeno leta 1930 ( 1902–1984), še prej pa v člankih iz leta 1926 O. Kleina (1894–1977) in V. Focka (1898–1974).

3.12. Brezmasni foton.Če je masa delca enaka nič, to pomeni, da je delec brez mase, potem iz formul (1) in (2) sledi, da je v katerem koli referenčnem sistemu njegova hitrost enaka c. Ker je masa svetlobnega delca - fotona - tako majhna, da je ni mogoče zaznati, je splošno sprejeto, da je enaka nič in da c- to je svetlobna hitrost.

3.13. Energija počitka.Če je masa delca drugačna od nič, upoštevajte referenčni okvir, v katerem prosti delec miruje in v = 0, str= 0. Tak referenčni okvir imenujemo sistem mirovanja delca, energijo delca v tem sistemu pa imenujemo energija mirovanja in ga označimo z E 0. Iz formule (2) sledi, da

Ta formula izraža razmerje med energijo mirovanja masivnega delca in njegovo maso, ki jo je leta 1905 odkril Einstein.

3.14. "Najbolj znana formula." Na žalost je zelo pogosto Einsteinova formula zapisana v obliki »najbolj znane formule E = mc 2”, izpuščanje ničelnega indeksa energije počitka, kar vodi do številnih nesporazumov in zmede. Navsezadnje ta "slavna formula" identificira energijo in maso, kar je v nasprotju s teorijo relativnosti na splošno in še posebej s formulo (2). Iz tega izhaja razširjeno zmotno prepričanje, da naj bi masa telesa po teoriji relativnosti naraščala z naraščajočo hitrostjo. V zadnjih letih je Ruska akademija za izobraževanje naredila veliko, da bi odpravila to napačno prepričanje.

3.15. Enota za hitrost*. V teoriji relativnosti, ki se ukvarja s hitrostmi, primerljivimi s svetlobno hitrostjo, je naravno izbrati c kot enoto za hitrost. Ta izbira poenostavlja vse formule, saj c/c= 1, in jih je treba postaviti c= 1. V tem primeru postane hitrost brezrazsežna veličina, razdalja ima razsežnost časa, masa pa razsežnost energije.

V fiziki delcev se mase delcev običajno merijo v elektronvoltih – eV in njihovih derivatih (glej razdelek 2.14). Masa elektrona je približno 0,5 MeV, masa protona je približno 1 GeV, masa najtežjega kvarka je približno 170 GeV, masa nevtrina pa približno delček eV.

3.16. Astronomske razdalje*. V astronomiji se razdalje merijo v svetlobnih letih. Velikost vidnega dela vesolja je približno 14 milijard svetlobnih let. To število je še bolj impresivno v primerjavi s časom 10 −24 s, v katerem svetloba prepotuje razdaljo velikosti protona. In v tem kolosalnem razponu deluje teorija relativnosti.

3.17. Svet Minkowskega. Leta 1908, nekaj mesecev pred svojo prezgodnjo smrtjo, je Herman Minkowski (1864–1909) preroško rekel: »Pogledi na prostor in čas, ki jih nameravam razviti pred vami, so nastali na eksperimentalni fizični podlagi. To je njihova moč. Njihova težnja je radikalna. Odslej se morata prostor sam po sebi in čas sam po sebi spremeniti v fikcijo in le nekakšna kombinacija obojega mora še ohraniti neodvisnost.«

Stoletje pozneje vemo, da čas in prostor nista postala fikcija, ampak je ideja Minkowskega omogočila zelo preprost opis gibanja in interakcij delcev snovi.

3.18. Štiridimenzionalni svet*. V enotah, v katerih c= 1 je še posebej lepa ideja o svetu Minkovskega, ki združuje čas in tridimenzionalni prostor v en sam štiridimenzionalni svet. Energija in gibalna količina sta združena v en sam štiridimenzionalni vektor, masa pa v skladu z enačbo (2) služi kot psevdoevklidska dolžina tega 4-vektorja energije in gibalne količine str = E, str:

Štiridimenzionalno trajektorijo v svetu Minkowskega imenujemo svetovna črta, posamezne točke pa svetovne točke.

3.19. Odvisnost ure od njene hitrosti**. Številna opazovanja kažejo, da ure tečejo najhitreje, ko mirujejo glede na inercialni okvir. Končno gibanje v inercialnem referenčnem sistemu upočasni njihov napredek. Hitreje ko se gibljejo v prostoru, počasneje gredo v času. Pojemek je absoluten v univerzalnem referenčnem sistemu (glej razdelke 3.1–3.8). Njeno merilo je razmerje E/m, ki se pogosto označuje s črko γ.

3.20. Mioni v obročnem pospeševalniku in v mirovanju**. Obstoj te upočasnitve je najbolj jasno viden s primerjavo življenjskih dob miona v mirovanju in miona, ki se vrti v obročnem pospeševalniku. Dejstvo, da se mion v pospeševalniku ne giblje popolnoma prosto, ampak ima centripetalni pospešek ω 2 R, Kje ω je radialna frekvenca kroženja in R- orbitalni polmer daje le zanemarljiv popravek, saj E/ω 2 R = ER>> 1. Gibanje v krogu in ne v ravni črti je absolutno bistveno za neposredno primerjavo rotirajočega miona s stacionarnim. Toda glede na hitrost staranja gibajočega se miona se krožni lok z dovolj velikim polmerom ne razlikuje od ravne črte. Ta tempo je določen z razmerjem E/m. (Poudarjam, da po posebni teoriji relativnosti referenčni okvir, v katerem miruje rotirajoči mion, ni inercialen.)

3.21. Lok in akord**. Z vidika opazovalca, ki miruje v inercialnem referenčnem sistemu, se krožni lok dovolj velikega polmera in njegova tetiva praktično ne razlikujeta: gibanje po loku je skoraj inercialno. Z vidika opazovalca, ki miruje glede na mion, ki leti v krogu, je njegovo gibanje v bistvu neinercialno. Navsezadnje njegova hitrost spremeni predznak v pol obrata. (Za opazovalca v gibanju oddaljene zvezde nikakor niso negibne. Zanj je celotno vesolje asimetrično: zvezde spredaj so modre, zadaj rdeče. Za nas pa so vse enake – zlate, ker hitrost Sonca sistem je nizek.) In neinercialnost tega opazovalca se kaže v tem, da se konstelacije spredaj in zadaj spreminjajo, ko se muon premika v obročnem pospeševalniku. Opazovalcev v mirovanju in opazovalcev v gibanju ne moremo šteti za enakovredna, saj prvi ne doživi nikakršnega pospeška, drugi pa ga mora, da se vrne na mesto srečanja, doživeti.

3.22. GTO**. Teoretični fiziki, navajeni jezika splošne teorije relativnosti (GTR), vztrajajo, da so vsi referenčni okviri enaki. Ne samo inercialno, ampak tudi pospešeno. Sam prostor-čas je ukrivljen. V tem primeru gravitacijska interakcija preneha biti enaka fizični interakciji kot elektromagnetna, šibka in močna, ampak postane izključna manifestacija ukrivljenega prostora. Posledično se zdi, da je vsa fizika zanje razdeljena na dva dela. Če izhajamo iz dejstva, da je pospešek vedno posledica interakcije, da ni relativna, ampak absolutna, postane fizika enotna in preprosta.

3.23. "Lenkom". Uporaba besed »relativnost« in »relativizem« v povezavi s svetlobno hitrostjo spominja na ime gledališča Lenkom ali časopisa Moskovski komsomolec, ki je le genealoško povezan s Komsomolom. To so paradoksi jezika. Hitrost svetlobe v vakuumu ni relativna. Ona je absolutna. Fiziki potrebujejo samo pomoč jezikoslovcev.

4. O kvantni teoriji

4.1. Planckova konstanta.Če je v teoriji relativnosti ključna konstanta svetlobna hitrost c, potem je v kvantni mehaniki ključna konstanta h= 6,63·10 −34 J· s, ki ga je leta 1900 odkril Max Planck. Fizični pomen te konstante bo jasen iz nadaljnje predstavitve. Večinoma se v formulah kvantne mehanike pojavlja tako imenovana reducirana Planckova konstanta:

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

Pri mnogih pojavih ima količina pomembno vlogo ħc= 1,97·10−11 MeV cm.

4.2. Spin elektrona. Začnimo z znano naivno primerjavo atoma s planetnim sistemom. Planeti se vrtijo okoli Sonca in okoli lastne osi. Podobno se elektroni vrtijo okoli jedra in okoli lastne osi. Rotacijo elektrona v njegovi orbiti označuje orbitalni kotni moment L(pogosto in ne povsem pravilno se imenuje orbitalni kotni moment). Za vrtenje elektrona okoli lastne osi je značilna lastna vrtilna količina - spin S. Izkazalo se je, da imajo vsi elektroni na svetu spin enak (1/2) ħ . Za primerjavo omenimo, da je »spin« Zemlje 6 10 33 m 2 kg/s = 6 10 67 ħ .

4.3. Atom vodika. Pravzaprav atom ni planetarni sistem in elektron ni navaden delec, ki se giblje po orbiti. Elektron, tako kot vsi drugi osnovni delci, sploh ni delec v vsakdanjem pomenu besede, kar pomeni, da se mora delec gibati po določeni trajektoriji. V najpreprostejšem atomu - atomu vodika, če je v osnovnem stanju, torej ni vzbujen, je elektron bolj podoben sferičnemu oblaku s polmerom reda 0,5 × 10 -10 m. Ko je atom vzbujen, elektron prehaja v vse višja stanja in ima vedno večjo velikost.

4.4. Kvantna števila elektronov. Brez upoštevanja spina je gibanje elektrona v atomu označeno z dvema kvantnima številoma: glavnim kvantnim številom n in orbitalno kvantno število l, in n ≥ l. če l= 0, potem je elektron sferično simetričen oblak. Večji kot je n, večja je velikost tega oblaka. Bolj l, bolj je gibanje elektrona podobno gibanju klasičnega delca v njegovi orbiti. Energija vezave elektrona, ki se nahaja v atomu vodika na lupini s kvantnim številom n, je enako

Kje α =e 2/ħc≈ 1/137, a e- naboj elektrona.

4.5. Večelektronski atomi. Spin ima ključno vlogo pri polnjenju elektronskih lupin večelektronskih atomov. Dejstvo je, da dva elektrona z enako usmerjeno samorotacijo (enakimi spini) ne moreta biti na isti lupini s temi vrednostmi n in l. To prepoveduje tako imenovano Paulijevo načelo (1900–1958). V bistvu Paulijev princip določa obdobja Mendelejevega periodnega sistema elementov (1834–1907).

4.6. Bozoni in fermioni. Vsi osnovni delci imajo spin. Torej je vrtenje fotona 1 v enotah ħ , je spin gravitona 2. Delci s celoštevilskim spinom v enotah ħ se imenujejo bozoni. Delce s polcelim spinom imenujemo fermioni. Bozoni so kolektivisti: »prizadevajo si, da vsi živijo v isti sobi«, da so v istem kvantnem stanju. Laser temelji na tej lastnosti fotonov: vsi fotoni v laserskem žarku imajo popolnoma enake impulze. Fermioni so individualisti: "vsak od njih potrebuje ločeno stanovanje." Ta lastnost elektronov določa vzorce polnjenja elektronskih lupin atomov.

4.7. "Kvantni kentavri". Elementarni delci so kot kvantni kentavri: poldelci so polvalovi. Zaradi svojih valovnih lastnosti lahko kvantni kentavri za razliko od klasičnih delcev preidejo skozi dve reži hkrati, kar povzroči interferenčni vzorec na zaslonu za njimi. Vsi poskusi, da bi kvantne kentavre umestili v Prokrustovo posteljo konceptov klasične fizike, so se izkazali za neuspešne.

4.8. Relacije negotovosti. Konstanta ħ določa značilnosti ne samo rotacijskega, temveč tudi translacijskega gibanja osnovnih delcev. Negotovosti v položaju in gibalni količini delca morajo zadostiti tako imenovanim Heisenbergovim razmerjem negotovosti (1901–1976), kot je npr.

Podobno razmerje obstaja za energijo in čas:

4.9. Kvantna mehanika. Tako spinska kvantizacija kot razmerja negotovosti so posebne manifestacije splošnih zakonov kvantne mehanike, ustvarjenih v 20. letih 20. stoletja. Po kvantni mehaniki je vsak elementarni delec, na primer elektron, hkrati elementarni delec in elementarni (enodelčni) val. Še več, za razliko od navadnega vala, ki je periodično gibanje ogromnega števila delcev, je elementarni val nova, prej neznana vrsta gibanja posameznega delca. Elementarna valovna dolžina λ delca z gibalno količino str enako λ = h/|str|, in osnovno frekvenco ν , ki ustreza energiji E, je enako ν = E/h.

4.10. Kvantna teorija polja. Tako smo bili najprej prisiljeni priznati, da so lahko delci poljubno lahki in celo brezmasni ter da njihove hitrosti ne morejo preseči c. Potem smo bili prisiljeni priznati, da delci sploh niso delci, ampak svojevrstni hibridi delcev in valov, katerih obnašanje združuje kvantna h. Poenotenje relativnostne teorije in kvantne mehanike je izvedel Dirac (1902–1984) leta 1930 in pripeljalo do nastanka teorije, imenovane kvantna teorija polja. Prav ta teorija opisuje osnovne lastnosti snovi.

4.11. Enote, v katerih c, ħ = 1. V nadaljevanju bomo praviloma uporabljali enote, v katerih je enota hitrost c, in na enoto kotne količine (akcija) - ħ . V teh enotah so vse formule bistveno poenostavljene. Pri njih so enake predvsem dimenzije energije, mase in frekvence. Te enote so sprejete v fiziki visokih energij, saj so v njej pomembni kvantni in relativistični pojavi. V primerih, ko je treba poudariti kvantno naravo določenega pojava, bomo izrecno zapisali ħ . Enako bomo storili z c.

4.12. Einstein in kvantna mehanika*. Einstein se v nekem smislu, potem ko je rodil kvantno mehaniko, z njo ni sprijaznil. In do konca svojega življenja je poskušal zgraditi "enotno teorijo vsega", ki je temeljila na klasični teoriji polja, ne upoštevajoč ħ . Einstein je verjel v klasični determinizem in nesprejemljivost naključnosti. O Bogu je ponavljal: "Ne igra kock." In ni se mogel sprijazniti s tem, da trenutka razpada posameznega delca načeloma ni mogoče predvideti, čeprav je povprečna življenjska doba posamezne vrste delcev v okviru kvantne mehanike napovedana z neverjetno natančnostjo. Na žalost so njegove pristranskosti določile poglede preveč ljudi.

5. Feynmanovi diagrami

5.1. Najenostavnejši diagram. Interakcije delcev si lahko priročno ogledate z uporabo diagramov, ki jih je predlagal Richard Feynman (1918–1988) leta 1949. Na sl. Slika 1 prikazuje najpreprostejši Feynmanov diagram, ki opisuje interakcijo elektrona in protona z izmenjavo fotona.

Puščice na sliki označujejo smer časovnega toka za vsak delec.

5.2. Pravi delci. Vsak proces je predstavljen z enim ali več Feynmanovimi diagrami. Zunanje črte v diagramu ustrezajo vhodnim (pred interakcijo) in odhajajočim (po interakciji) delcem, ki so prosti. Njihovi 4-momenti p zadoščajo enačbi

Imenujemo jih pravi delci in naj bi bili na masni površini.

5.3. Virtualni delci. Notranje črte diagramov ustrezajo delcem v virtualnem stanju. Za njih

Imenujejo se virtualni delci in pravijo, da so zunaj lupine. Širjenje virtualnega delca je opisano z matematično količino, imenovano propagator.

Ta običajna terminologija lahko novinca napelje k ​​prepričanju, da so virtualni delci manj materialni kot resnični delci. V resnici so enako materialni, vendar realne delce zaznavamo kot snov in sevanje, virtualne pa predvsem kot polja sil, čeprav je to razlikovanje v veliki meri poljubno. Pomembno je, da je lahko isti delec, na primer foton ali elektron, pod nekaterimi pogoji resničen, pod drugimi pa virtualen.

5.4. Vrhovi. Oglišča diagrama opisujejo lokalne akte elementarnih interakcij med delci. V vsakem vozlišču se 4-impuls ohrani. Preprosto je videti, da če se tri črte stabilnih delcev srečajo na eni točki, potem mora biti vsaj ena od njih virtualna, to je, da mora biti zunaj masne površine: "Bolivar ne more porušiti treh." (Na primer, prosti elektron ne more oddati prostega fotona in še vedno ostati prosti elektron.)

Dva realna delca medsebojno delujeta na daljavo in izmenjujeta enega ali več virtualnih delcev.

5.5. Širjenje.Če pravimo, da se realni delci gibljejo, potem velja, da se virtualni delci širijo. Izraz "širjenje" poudarja dejstvo, da ima lahko navidezni delec veliko trajektorij in mogoče je, da nobena od njih ni klasična, kot navidezni foton z ničelno energijo in različnim zagonom, ki opisuje statično Coulombovo interakcijo.

5.6. Antidelci. Izjemna lastnost Feynmanovih diagramov je, da opisujejo tako delce kot njihove ustrezne antidelce na enoten način. V tem primeru je antidelec videti kot delec, ki se premika nazaj v času. Na sl. Slika 2 prikazuje diagram, ki prikazuje rojstvo protona in antiprotona med anihilacijo elektrona in pozitrona.

Premikanje nazaj v času velja enako za fermione in bozone. Zaradi tega je nepotrebna razlaga pozitronov kot nezapolnjenih stanj v morju elektronov z negativno energijo, h kateri se je zatekel Dirac, ko je leta 1930 predstavil koncept antidelca.

5.7. Schwingerjev in Feynmanov diagram. Schwinger (1918–1994), ki mu računske težave niso marale, Feynmanovih diagramov ni maral in je o njih zapisal nekoliko prizanesljivo: »Tako kot računalniški čip v zadnjih letih je Feynmanov diagram prinesel izračune množicam.« Za razliko od čipa Feynmanovi diagrami žal niso dosegli najširših množic.

5.8. Feynmanov in Feynmanov diagram. Iz neznanih razlogov Feynmanovi diagrami niso prišli niti do slavnih Feynmanovih predavanj o fiziki. Prepričan sem, da jih je treba srednješolcem približati tako, da jim razložimo osnovne ideje fizike delcev. To je najenostavnejši pogled na mikrokozmos in svet kot celoto. Če učenec pozna koncept potencialne energije (na primer Newtonov zakon ali Coulombov zakon), mu Feynmanovi diagrami omogočajo, da dobi izraz za to potencialno energijo.

5.9. Virtualni delci in fizična polja sil. Feynmanovi diagrami so najpreprostejši jezik kvantne teorije polja. (Vsaj v primerih, ko interakcija ni zelo močna in je mogoče uporabiti teorijo motenj.) Večina knjig o kvantni teoriji polja delce obravnava kot kvantno vzbujanje polj, kar zahteva poznavanje formalizma sekundarne kvantizacije. V jeziku Feynmanovih diagramov so polja nadomeščena z virtualnimi delci.

Elementarni delci imajo tako korpuskularne kot valovne lastnosti. Še več, v realnem stanju so delci snovi, v virtualnem stanju pa tudi nosilci sil med materialnimi objekti. Po uvedbi virtualnih delcev pojem sile postane nepotreben, pojem polja pa bi, če ga prej niste poznali, morda morali uvesti, ko že osvojite pojem virtualnega delca.

5.10. Elementarne interakcije*. Za osnovna dejanja emisije in absorpcije virtualnih delcev (točke) so značilne takšne interakcijske konstante, kot so električni naboj e v primeru fotona, šibki naboji e/sin θ W v primeru W bozona in e/sin θ W cos θ W v primeru Z bozona (kjer θ W- Weinbergov kot), barvni naboj g v primeru gluonov pa količino √G v primeru gravitona, kjer G- Newtonova konstanta. (Glej pogl. 6–10.) Elektromagnetna interakcija je obravnavana spodaj v pogl. 7. Šibka interakcija - v pogl. 8. Močno - v pogl. 9.

Začeli bomo v naslednjem poglavju. 6 z gravitacijsko interakcijo.

6. Gravitacijska interakcija

6.1. Gravitoni. Začel bom z delci, ki še niso bili odkriti in zagotovo ne bodo odkriti v bližnji prihodnosti. To so delci gravitacijskega polja – gravitoni. Ne le gravitoni še niso odkriti, ampak tudi gravitacijski valovi (in to v času, ko elektromagnetni valovi dobesedno prežemajo naša življenja). To je posledica dejstva, da je pri nizkih energijah gravitacijska interakcija zelo šibka. Kot bomo videli, nam teorija gravitonov omogoča razumevanje vseh znanih lastnosti gravitacijske interakcije.

6.2. Izmenjava gravitonov. V jeziku Feynmanovih diagramov se gravitacijska interakcija dveh teles izvaja z izmenjavo virtualnih gravitonov med osnovnimi delci, ki sestavljajo ta telesa. Na sl. 3, graviton oddaja delec s 4-impulzom p 1 in ga absorbira drug delec s 4-impulsom p 2 . Zaradi ohranitve 4-impulsa je q=p 1 − p′ 1 =p′ 2 −p 2 , kjer je q 4-impulz gravitona.

Širjenje virtualnega gravitona (kot vsak virtualni delec ima tudi ta svoj propagator) je na sliki prikazano z vzmetjo.

6.3. Atom vodika v gravitacijskem polju Zemlje. Na sl. Slika 4 prikazuje vsoto diagramov, v katerih vodikov atom s 4-impulzom p 1 izmenjuje gravitone z vsemi atomi Zemlje, ki imajo skupno 4-impulz p 2 . In v tem primeru je q = p 1 − p′ 1 = p′ 2 − p 2 , kjer je q skupni 4-impulz virtualnih gravitonov.

6.4. O masi atoma. V prihodnje bomo pri obravnavi gravitacijske interakcije zanemarili maso elektrona v primerjavi z maso protona, zanemarili pa bomo tudi razliko v masi protona in nevtrona ter vezavno energijo nukleonov v atomskih jedrih. Torej je masa atoma približno enaka vsoti mas nukleonov v atomskem jedru.

6.5. Dobiček*. Število nukleonov Zemlje N E ≈ 3,6·10 51 je enako zmnožku števila nukleonov v enem gramu zemeljske snovi, tj. Avogadrovega števila N A ≈ 6·10 23, z maso Zemlje v gramih ≈ 6 ·10 27. Zato je diagram na sl. 4 predstavlja vsoto 3,6 10 51 diagramov na sl. 3, ki je označen z odebelitvijo linij Zemlje in virtualnih gravitonov na sl. 4. Poleg tega je "gravitonska vzmet" v nasprotju s propagatorjem enega gravitona prikazana na sl. 4 siva. Zdi se, da vsebuje 3,6·10 51 gravitonov.

6.6. Newtonovo jabolko v gravitacijskem polju Zemlje. Na sl. 5, vsi atomi jabolka s skupnim 4-impulzom p 1 interagirajo z vsemi atomi Zemlje s skupnim 4-impulzom p 2 .

6.7. Število grafikonov*. Naj vas spomnim, da en gram navadne snovi vsebuje N A = 6·10 23 nukleonov. Število nukleonov v 100-gramskem jabolku N a = 100N A = 6·10 25. Masa Zemlje je 6·10 27 g, zato je število nukleonov Zemlje N E = 3,6·10 51. Seveda je odebelitev črt na sl. 5 nikakor ne ustreza ogromnemu številu jabolčnih nukleonov N a, zemeljskih nukleonov N E in veliko večjemu, naravnost fantastičnemu številu Feynmanovih diagramov N d = N a N E = 2,2·10 77 . Navsezadnje vsak nukleon jabolka sodeluje z vsakim nukleonom Zemlje. Da bi poudarili ogromno število diagramov, vzmet na sl. 5 postane temen.

Čeprav je interakcija gravitona s posameznim osnovnim delcem zelo majhna, vsota diagramov za vse zemeljske nukleone ustvari pomembno privlačnost, ki jo občutimo. Univerzalna gravitacija vleče Luno proti Zemlji, obe proti Soncu, vse zvezde v naši Galaksiji in vse galaksije druga proti drugi.

6.8. Feynmanova amplituda in njena Fourierjeva transformacija***.

Feynmanov diagram gravitacijske interakcije dveh počasnih teles z maso m 1 in m 2 ustreza Feynmanovi amplitudi

Kje G- Newtonova konstanta, a q- 3-impulz, ki ga prenašajo virtualni gravitoni. (Vrednost 1/q 2, Kje q- 4-pulzni, imenovan gravitonski propagator. Pri počasnih telesih se energija praktično ne prenaša in zato q 2 = −q 2 .)

Da se premaknemo iz gibalnega prostora v konfiguracijski (koordinatni) prostor, moramo uporabiti Fourierjevo transformacijo amplitude A( q)

Vrednost A( r) podaja potencialno energijo gravitacijske interakcije nerelativističnih delcev in določa gibanje relativističnega delca v statičnem gravitacijskem polju.

6.9. Newtonov potencial*. Potencialna energija dveh teles z maso m 1 in m 2 je enaka

Kje G- Newtonova konstanta, a r- razdalja med telesi.

Ta energija je vsebovana v "vzmeti" virtualnih gravitonov na sl. 5. Interakcija, katere potencial pada kot 1/ r, se imenuje dolgega dosega. S Fourierjevo transformacijo lahko vidimo, da je gravitacija dolgega dosega, ker je graviton brez mase.

6.10. Potencial tipa Yukawa**. Dejansko, če bi graviton imel različno maso m, potem bi imela Feynmanova amplituda za njeno izmenjavo obliko

in potencial, kot je potencial Yukawa z razponom delovanja, bi mu ustrezal r ≈ 1/m:

6.11. O potencialni energiji**. V Newtonovi nerelativistični mehaniki je kinetična energija delca odvisna od njegove hitrosti (gibalne količine), potencialna energija pa le od njegovih koordinat, torej od njegove lege v prostoru. V relativistični mehaniki se taka zahteva ne more ohraniti, saj je sama interakcija delcev pogosto odvisna od njihovih hitrosti (momentov) in posledično od kinetične energije. Pri navadnih, dokaj šibkih gravitacijskih poljih pa je sprememba kinetične energije delca majhna v primerjavi z njegovo celotno energijo, zato lahko to spremembo zanemarimo. Celotno energijo nerelativističnega delca v šibkem gravitacijskem polju lahko zapišemo kot ε = E sorodstvo + E 0 + U.

6.12. Univerzalnost gravitacije. Za razliko od vseh drugih interakcij ima gravitacija izjemno lastnost univerzalnosti. Interakcija gravitona s katerimkoli delcem ni odvisna od lastnosti tega delca, temveč le od količine energije, ki jo ima delec. Če je ta delec počasen, potem njegova energija mirovanja E 0 = mc 2, ki ga vsebuje njegova masa, močno presega njegovo kinetično energijo. In zato je njegova gravitacijska interakcija sorazmerna z njeno maso. Toda pri dovolj hitrem delcu je njegova kinetična energija veliko večja od njegove mase. V tem primeru je njegova gravitacijska interakcija praktično neodvisna od mase in je sorazmerna z njeno kinetično energijo.

6.13. Spin gravitona in univerzalnost gravitacije**. Natančneje, emisija gravitona ni sorazmerna s preprosto energijo, temveč s tenzorjem energije in impulza delca. In to je posledično posledica dejstva, da je vrtenje gravitona enako dvema. Naj bo 4-impuls delca pred emisijo gravitona enak str 1 in po emisiji str 2. Potem je gibalna količina gravitona enaka q = str 1 − str 2. Če vnesete oznako str = str 1 + str 2, potem bo vrh emisije gravitona imel obliko

kjer je h αβ valovna funkcija gravitona.

6.14. Interakcija gravitona s fotonom**. To je še posebej jasno vidno na primeru fotona, katerega masa je enaka nič. Eksperimentalno je bilo dokazano, da ko foton preleti iz spodnje etaže stavbe v zgornjo etažo, se njegova gibalna količina zmanjša pod vplivom zemeljske gravitacije. Dokazano je tudi, da se svetlobni žarek oddaljene zvezde odkloni zaradi gravitacijske privlačnosti Sonca.

6.15. Interakcija fotona z Zemljo**. Na sl. Slika 6 prikazuje izmenjavo gravitonov med Zemljo in fotonom. Ta številka običajno predstavlja vsoto številk gravitonskih izmenjav fotona z vsemi nukleoni Zemlje. Na njem je zemeljsko oglišče pridobljeno iz nukleonskega oglišča z množenjem s številom nukleonov v Zemlji N E z ustrezno zamenjavo 4-momenta nukleona s 4-momentom Zemlje (glej sliko 3).

6.16. Interakcija gravitona z gravitonom***. Ker gravitoni prenašajo energijo, morajo sami oddajati in absorbirati gravitone. Nikoli nismo videli posameznih pravih gravitonov in jih tudi ne bomo. Kljub temu pa interakcija med virtualnimi gravitoni vodi do opaznih učinkov.Na prvi pogled je prispevek treh virtualnih gravitonov k gravitacijski interakciji dveh nukleonov premajhen, da bi ga lahko zaznali (glej sliko 7).

6.17. Sekularna precesija Merkurja**. Vendar se ta prispevek kaže v precesiji perihelija Merkurjeve orbite. Sekularna precesija Merkurja je opisana z vsoto enozantnih gravitonskih diagramov privlačnosti Merkurja k Soncu (slika 8).

6.18. Dobitek za Merkurja**. Masno razmerje Merkurja in Zemlje je 0,055. Torej število nukleonov v Merkurju N M = 0,055 N E= 2·10 50 . Masa Sonca GOSPA= 2·10 33 g. Torej število nukleonov v Soncu N S = N A M S= 1,2·10 57 . In število diagramov, ki opisujejo gravitacijsko interakcijo nukleonov Merkurja in Sonca, N dM= 2,4·10 107 .

Če je potencialna energija privlačnosti Merkurja k Soncu enaka U = GM S M M/r, potem pa se po upoštevanju obravnavanega popravka za interakcijo virtualnih gravitonov med seboj pomnoži s faktorjem 1 − 3 GM S/r. Vidimo, da je popravek potencialne energije −3 G 2 M S 2 M M /r 2.

6.19. Merkurjeva orbita**. Merkurjev orbitalni polmer a= 58·10 6 km. Obhodna doba je 88 zemeljskih dni. Orbitalna ekscentričnost e= 0,21. Zaradi obravnavanega popravka se med enim obratom velika pol os orbite zasuka za kot 6π GM S/a(1 − e 2), tj. približno eno desetinko kotne sekunde, v 100 zemeljskih letih pa se zavrti za 43 "".

6.20. Gravitacijski Lambov premik**. Vsakdo, ki je študiral kvantno elektrodinamiko, bo takoj videl, da diagram na sl. 7 je podoben trikotnemu diagramu, ki opisuje premik frekvence (energije) stopnje 2 S 1/2 glede na stopnjo 2 p 1/2 v atomu vodika (kjer je trikotnik sestavljen iz enega fotona in dveh elektronskih linij). Ta premik sta leta 1947 izmerila Lamb in Rutherford in ugotovila, da znaša 1060 MHz (1,06 GHz).

Ta meritev je sprožila verižno reakcijo teoretičnega in eksperimentalnega dela, ki je vodilo do nastanka kvantne elektrodinamike in Feynmanovih diagramov. Merkurjeva precesijska frekvenca je 25 velikosti nižja.

6.21. Klasični ali kvantni učinek?**. Dobro je znano, da je Lambov premik ravni energije povsem kvantni učinek, medtem ko je Merkurjeva precesija čisto klasičen učinek. Kako jih je mogoče opisati s podobnimi Feynmanovimi diagrami?

Da bi odgovorili na to vprašanje, se moramo spomniti odnosa E = ħω in upoštevajte, da Fourierjeva transformacija pri prehodu iz gibalnega prostora v konfiguracijski prostor v odd. 6.8 vsebuje e jazqr / ħ . Poleg tega je treba upoštevati, da je v elektromagnetnem trikotniku Lambovega premika samo ena črta brezmasnega delca (fotona), drugi dve pa sta propagatorja elektronov. Zato so značilne razdalje v njem določene z maso elektrona (Comptonova valovna dolžina elektrona). In v precesijskem trikotniku Merkurja sta dva propagatorja brezmasnega delca (gravitona). Ta okoliščina zaradi trigravitonskega vrha vodi do tega, da daje gravitacijski trikotnik prispevek na neprimerno večjih razdaljah kot elektromagnetni trikotnik. Ta primerjava prikazuje moč kvantne teorije polja v metodi Feynmanovih diagramov, ki omogoča preprosto razumevanje in izračun širokega nabora pojavov, tako kvantnih kot klasičnih.

7. Elektromagnetna interakcija

7.1. Električna interakcija. Električna interakcija delcev se izvaja z izmenjavo virtualnih fotonov, kot je prikazano na sl. 19.

Tudi fotoni so tako kot gravitoni brezmasni delci. Torej je tudi električna interakcija dolgega dosega:

Zakaj ni tako univerzalna kot gravitacija?

7.2. Pozitivni in negativni naboji. Prvič, ker obstajajo električni naboji dveh predznakov. In drugič, ker obstajajo nevtralni delci, ki sploh nimajo električnega naboja (nevtron, nevtrino, foton ...). Delci z nasprotnimi predznaki, kot sta elektron in proton, se privlačijo. Delci z enakimi naboji se odbijajo. Zato so atomi in telesa, ki jih sestavljajo, v osnovi električno nevtralni.

7.3. Nevtralni delci. Nevtron vsebuje u-kvark z nabojem +2 e/3 in dva d-kvark z nabojem − e/3. Torej je skupni naboj nevtrona enak nič. (Spomnimo se, da proton vsebuje dva u-kvark in ena d-kvark.) Pravi elementarni delci, ki nimajo električnega naboja, so foton, graviton, nevtrino, Z-bozon in Higgsov bozon.

7.4. Coulombov potencial. Potencialna energija privlačnosti med elektronom in protonom, ki se nahajata na razdalji r drug od drugega, enakovreden

7.5. Magnetna interakcija. Magnetna interakcija ni tako dolga kot električna interakcija. Pade kot 1/ r 3. Ni odvisno samo od razdalje med obema magnetoma, ampak tudi od njune relativne orientacije. Dobro znan primer je interakcija igle kompasa z zemeljskim magnetnim dipolnim poljem. Potencialna energija interakcije dveh magnetnih dipolov μ 1 in μ 2 je enako

Kje n = r/r.

7.6. Elektromagnetna interakcija. Največji dosežek 19. stoletja je bilo odkritje, da sta električna in magnetna sila dve različni manifestaciji iste elektromagnetne sile. Leta 1821 je M. Faraday (1791–1867) raziskoval interakcijo magneta in prevodnika s tokom. Desetletje kasneje je postavil zakone elektromagnetne indukcije, ko dva prevodnika medsebojno delujeta. V naslednjih letih je uvedel koncept elektromagnetnega polja in izrazil idejo o elektromagnetni naravi svetlobe. V sedemdesetih letih 19. stoletja je J. Maxwell (1831–1879) spoznal, da so elektromagnetne interakcije odgovorne za širok razred optičnih pojavov: emisijo, transformacijo in absorpcijo svetlobe, in napisal enačbe, ki opisujejo elektromagnetno polje. Kmalu je G. Hertz (1857–1894) odkril radijske valove, V. Roentgen (1845–1923) pa rentgenske žarke. Celotna naša civilizacija temelji na manifestacijah elektromagnetnih interakcij.

7.7. Kombinacija teorije relativnosti in kvantne mehanike. Najpomembnejša faza v razvoju fizike je bilo leto 1928, ko se je pojavil članek P. Diraca (1902–1984), v katerem je predlagal kvantno in relativistično enačbo za elektron. Ta enačba je vsebovala magnetni moment elektrona in nakazovala obstoj elektronovega antidelca – pozitrona, odkritega nekaj let kasneje. Po tem sta bili kvantna mehanika in relativnostna teorija združeni v kvantno teorijo polja.

Dejstvo, da elektromagnetne interakcije povzročata emisija in absorpcija virtualnih fotonov, je postalo popolnoma jasno šele sredi 20. stoletja s pojavom Feynmanovih diagramov, torej potem, ko se je jasno oblikoval koncept virtualnega delca.

8. Šibka interakcija

8.1. Jedrske interakcije. V začetku 20. stoletja so odkrili atom in njegovo jedro α -, β - In γ - žarki, ki jih oddajajo radioaktivna jedra. Kot se je izkazalo, γ -žarki so fotoni zelo visoke energije, β -žarki so visokoenergijski elektroni, α -žarki - helijeva jedra. To je vodilo do odkritja dveh novih vrst interakcij – močne in šibke. Za razliko od gravitacijskih in elektromagnetnih interakcij so močne in šibke interakcije kratkega dosega.

Pozneje so ugotovili, da so odgovorni za pretvorbo vodika v helij v našem Soncu in drugih zvezdah.

8.2. Napolnjeni tokovi*. Šibka interakcija je odgovorna za transformacijo nevtrona v proton z emisijo elektrona in elektronskega antinevtrina. Velik razred procesov šibkih interakcij temelji na transformaciji kvarkov ene vrste v kvarke druge vrste z emisijo (ali absorpcijo) navideznega W-bozoni: u, c, t ↔ d, s, b. Podobno velja za emisijo in absorpcijo W-bozoni, pride do prehodov med nabitimi leptoni in ustreznimi nevtrini:

e ↔ ν e, μ ↔ ν μ , τ ↔ ν τ . Enako se pojavljajo tudi prehodi tipa dˉu ↔ W in eˉν e ↔ W. Pri vseh teh prehodih, ki vključujejo W-bozoni vključujejo tako imenovane nabite tokove, ki spremenijo naboje leptonov in kvarkov za eno. Šibka interakcija nabitih tokov je kratkega dosega in jo opisuje Yukawa potencial e−mWr/r, torej je njegov efektivni polmer r ≈ 1/mW.

8.3. Nevtralni tokovi*. V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja so odkrili procese šibke interakcije med nevtrini, elektroni in nukleoni, ki jih povzročajo tako imenovani nevtralni tokovi. V osemdesetih letih prejšnjega stoletja je bilo eksperimentalno ugotovljeno, da interakcije nabitih tokov potekajo z izmenjavo W-bozoni, in interakcija nevtralnih tokov - preko izmenjave Z- bozoni.

8.4. Kršitev p- In C.P.-pariteta*. V drugi polovici petdesetih let prejšnjega stoletja so odkrili kršitev prostorske paritete p in pariteto polnjenja C v šibkih interakcijah. Leta 1964 so odkrili šibke razpade, ki kršijo ohranitev C.P.-simetrija. Trenutno je mehanizem kršitve C.P.-simetrijo proučujemo pri razpadih mezonov, ki vsebujejo b-kvarki.

8.5. Nevtrinska nihanja*. Zadnji dve desetletji je bila pozornost fizikov usmerjena v meritve, ki so jih izvajali na podzemnih detektorjih kilotonov v Kamioki (Japonska) in Sudburyju (Kanada). Te meritve so pokazale, da med tremi vrstami nevtrinov ν e , ν μ , ν τ Medsebojni prehodi (nihanja) se dogajajo v vakuumu. Narava teh nihanj se razjasnjuje.

8.6. Elektrošibka interakcija. V šestdesetih letih prejšnjega stoletja je bila oblikovana teorija, da sta elektromagnetna in šibka sila različni manifestaciji ene elektrošibke sile. Če bi obstajala stroga elektrošibka simetrija, potem mase W- In Z-bozoni bi bili enaki nič kot masa fotona.

8.7. Elektrošibka kršitev simetrije. V standardnem modelu Higgsov bozon poruši elektrošibko simetrijo in tako pojasni, zakaj je foton brez mase in so šibki bozoni masivni. Prav tako daje mase leptonom, kvarkom in sebi.

8.8. Kaj morate vedeti o Higgsu. Eden od glavnih ciljev velikega hadronskega trkalnika LHC je odkritje Higgsovega bozona (imenovanega preprosto Higgsov in označen h oz H) in poznejša določitev njegovih lastnosti. Prvič, merjenje njegovih interakcij z W- In Z-bozonov, s fotoni, kot tudi njegove samointerakcije, tj. preučevanje oglišč, ki vsebujejo tri in štiri Higgse: h 3 in h 4, ter njegove interakcije z leptoni in kvarki, zlasti z top kvarkom. V standardnem modelu obstajajo jasne napovedi za vse te interakcije. Njihovo eksperimentalno preverjanje je zelo zanimivo z vidika iskanja »nove fizike« onkraj standardnega modela.

8.9. Kaj če ni Higgsa?Če se izkaže, da v masnem območju reda nekaj sto GeV Higgs ne obstaja, potem bo to pomenilo, da se pri energijah nad TeV nahaja novo, popolnoma neznano območje, kjer potekajo interakcije. W- In Z-bozoni postanejo neperturbativno močni, kar pomeni, da jih ni mogoče opisati s teorijo motenj. Raziskave na tem področju bodo prinesle veliko presenečenj.

8.10. Leptonski trkalniki prihodnosti. Za izvedbo tega celotnega raziskovalnega programa bo poleg LHC morda treba zgraditi leptonske trkalnike:

ILC (International Linear Collider) z energijo trka 0,5 TeV,

ali CLIC (kompaktni linearni trkalnik) z energijo trka 1 TeV,

ali MC (Muon Collider) z energijo trka 3 TeV.

8.11. Linearni trkalniki elektron-pozitron. ILC - Mednarodni linearni trkalnik, ki trka elektrone s pozitroni, pa tudi fotone s fotoni. Odločitev o njegovi gradnji se lahko sprejme šele, ko postane jasno, ali Higgs obstaja in kakšna je njegova masa. Eno od predlaganih gradbišč ILC je v bližini Dubne. CLIC - Kompaktni linearni trkalnik elektronov in pozitronov. Projekt razvijajo v CERN-u.

8.12. Mionski trkalnik. MS - Mionski trkalnik si je prvi zamislil G. I. Budker (1918–1977). Leta 1999 je v San Franciscu potekala peta mednarodna konferenca "Fizični potencial in razvoj mionskih trkalnikov in tovarn nevtrinov". Projekt MS se trenutno razvija v nacionalnem laboratoriju Fermi in bi ga lahko začeli izvajati v 20 letih.

9. Močna interakcija

9.1. Gluoni in kvarki. Močna sila zadržuje nukleone (protone in nevtrone) znotraj jedra. Temelji na interakciji gluonov s kvarki in interakciji gluonov z gluoni. Samo-interakcija gluonov vodi do tega, da kljub dejstvu, da je masa gluona enaka nič, tako kot sta masi fotona in gravitona enaki nič, izmenjava gluonov ne vodi do gluona dolgo interakcija na območju, podobna fotonu in gravitonu. Poleg tega vodi do odsotnosti prostih gluonov in kvarkov. To je posledica dejstva, da je vsota enogluonskih izmenjav nadomeščena z gluonsko cevjo ali nitjo. Interakcija nukleonov v jedru je podobna van der Waalsovim silam med nevtralnimi atomi.

9.2. Zaprtost in asimptotična svoboda. Pojav gluonov in kvarkov, ki ne pobegnejo iz hadronov, se imenuje konfinacija. Slaba stran dinamike, ki vodi v zaprtje, je, da na zelo majhnih razdaljah globoko v hadronih interakcija med gluoni in kvarki postopoma propada. Zdi se, da kvarki na kratkih razdaljah postanejo svobodni. Ta pojav imenujemo asimptotična svoboda.

9.3. Quark barve. Pojav zaprtja je posledica dejstva, da vsak od šestih kvarkov obstaja kot v obliki treh "barvnih" različic. Kvarki so običajno "obarvani" rumeno, modro in rdeče. Starine so pobarvane v dodatnih barvah: vijolična, oranžna, zelena. Vse te barve predstavljajo posebne naboje kvarkov - "večdimenzionalnih analogov" električnega naboja, ki so odgovorni za močne interakcije. Med barvami kvarkov in običajnimi optičnimi barvami seveda ni nobene druge povezave, razen metaforične.

9.4. Gluonske barve. Družina barvnih gluonov je še številčnejša: osem jih je, od tega sta dva enaka svojim antidelcem, preostalih šest pa ni. Interakcije barvnih nabojev opisuje kvantna kromodinamika in določajo lastnosti protona, nevtrona, vseh atomskih jeder in lastnosti vseh hadronov. Dejstvo, da gluoni nosijo barvne naboje, vodi do pojava zaprtja gluonov in kvarkov, kar pomeni, da obarvani gluoni in kvarki ne morejo pobegniti iz hadronov. Jedrske sile med brezbarvnimi (belimi) hadroni so šibek odmev močnih barvnih interakcij znotraj hadronov. To je podobno majhnosti molekularnih vezi v primerjavi z znotrajatomskimi.

9.5. Hadronske mase. Mase hadronov na splošno in še posebej nukleonov so določene s samodelovanjem gluona. Tako je masa vse vidne snovi, ki predstavlja 4–5 % energije vesolja, posledica ravno lastnega delovanja gluonov.

10. Standardni model in več

10.1. 18 Standardni model delcev. Vsi znani osnovni delci seveda spadajo v tri skupine:

6 leptonov(vrtenje 1/2):
3 nevtrini: ν e, ν μ , ν τ ;
3 nabiti leptoni: e, μ , τ ;
6 kvarkov(vrtenje 1/2):
u,c, t,
d, s, b;
6 bozonov:
g̃ - graviton (spin 2),
γ , W, Z, g- gluoni (spin 1),
h- Higgs (vrtenje 0).

10.2. Onkraj standardnega modela. 96 % energije v vesolju leži zunaj standardnega modela in čaka na odkritje in študijo. Obstaja več osnovnih predpostavk o tem, kakšna bi lahko bila nova fizika (glejte točke 10.3–10.6 spodaj).

10.3. Velika združitev. Ogromno del, večinoma teoretičnih, je posvečenih poenotenju močnih in elektrošibkih interakcij. Večina jih domneva, da se pojavi pri energijah reda 10 16 GeV. Takšna zveza bi morala voditi do protonskega razpada.

10.4. Supersimetrični delci. Glede na idejo o supersimetriji, ki se je prvič pojavila na Fizikalnem inštitutu Lebedev, ima vsak "naš" delec superpartnerja, katerega spin se razlikuje za 1/2: 6 skvark in 6 sleptonov s spinom 0, higgsino, fotino, vino in zino s spinom 1/2, gravitino s spinom 3/2. Mase teh superpartnerjev morajo biti bistveno večje od mase naših delcev. Sicer bi jih že zdavnaj odprli. Nekateri superpartnerji bodo morda odkriti, ko bo Veliki hadronski trkalnik začel delovati.

10.5. Superstrune. Hipotezo o supersimetriji razvija hipoteza o obstoju superstrun, ki živijo na zelo kratkih razdaljah reda 10 −33 cm in ustreznih energij 10 19 GeV. Mnogi teoretični fiziki upajo, da bodo prav na podlagi idej o superstrunah lahko zgradili enotno teorijo vseh interakcij, ki ne vsebuje prostih parametrov.

10.6. Zrcalni delci. Glede na idejo o zrcalni materiji, ki se je prvič pojavila na ITEP, ima vsak naš delec zrcalni dvojček in obstaja zrcalni svet, ki je le zelo ohlapno povezan z našim svetom.

10.7. Temna snov. Samo 4–5 % celotne energije v vesolju obstaja kot masa navadne snovi. Približno 20 % energije vesolja se nahaja v tako imenovani temni snovi, ki naj bi bila sestavljena iz superdelcev ali zrcalnih delcev ali kakšnih drugih neznanih delcev. Če so delci temne snovi veliko težji od navadnih delcev in če se ob medsebojnem trku v vesolju anihilirajo v navadne fotone, potem lahko te visokoenergijske fotone zaznamo s posebnimi detektorji v vesolju in na Zemlji. Odkrivanje narave temne snovi je ena glavnih nalog fizike.

10.8. Temna energija. Toda velika večina energije vesolja (približno 75%) je posledica tako imenovane temne energije. Ta se »razlije« skozi vakuum in potiska jate galaksij narazen. Njegova narava je še vedno nejasna.

11. Osnovni delci v Rusiji in svetu

11.1. Odlok predsednika Ruske federacije. 30. septembra 2009 je bil izdan Odlok predsednika Ruske federacije "O dodatnih ukrepih za izvedbo pilotnega projekta za ustanovitev Nacionalnega raziskovalnega centra "Kurchatov Institute"". Uredba predvideva sodelovanje naslednjih organizacij pri projektu: Sanktpeterburški inštitut za jedrsko fiziko, Inštitut za fiziko visokih energij in Inštitut za teoretično in eksperimentalno fiziko. Odlok predvideva tudi "vključitev navedene ustanove kot najpomembnejše znanstvene ustanove v resorno strukturo odhodkov zveznega proračuna kot glavnega upravljavca proračunskih sredstev." Ta uredba lahko prispeva k vrnitvi fizike osnovnih delcev med prednostna področja razvoja znanosti pri nas.

11.2. Zaslišanja v ameriškem kongresu 1. 1. oktobra 2009 je v pododboru za energijo in okolje odbora za znanost in tehnologijo predstavniškega doma ameriškega kongresa potekalo zaslišanje na temo "Raziskave narave materije, energije, prostora in časa". Ministrstvo za energijo je za leto 2009 namenilo 795,7 milijona dolarjev za ta program. Profesorica univerze Harvard Lisa Randall je predstavila poglede na materijo, energijo in nastanek vesolja z vidika teorije strun prihodnosti. Direktor Nacionalnega laboratorija Fermi (Batavia) Pierre Oddone je spregovoril o stanju fizike delcev v ZDA in še posebej o prihajajočem dokončanju Tevatrona in začetku skupnega dela med FNAL in podzemnim laboratorijem DUSEL za preučevanje lastnosti nevtrinov in redkih procesov. Poudaril je pomen sodelovanja ameriških fizikov v projektih fizike visokih energij v Evropi (LHC), na Japonskem (JPARC), na Kitajskem (PERC) in mednarodnem vesoljskem projektu (GLAST, pred kratkim poimenovan po Fermiju).

11.3. Zaslišanja v ameriškem kongresu 2. Direktor nacionalnega laboratorija Jefferson Hugh Montgomery je spregovoril o prispevkih laboratorija k jedrski fiziki, tehnologiji pospeševalnikov in izobraževalnim programom. Direktor Oddelka za znanost o fiziki visokih energij na Oddelku za energetiko Dennis Kovar je govoril o treh glavnih področjih fizike visokih energij:

1) raziskave pospeševalnika pri največjih energijah,

2) pospeševalne študije pri največjih intenzivnostih,

3) zemeljsko in satelitsko raziskovanje vesolja, da bi razjasnili naravo temne snovi in ​​temne energije,

in tri glavne smeri jedrske fizike:

1) študij močnih interakcij kvarkov in gluonov,

2) preučevanje, kako so atomska jedra nastala iz protonov in nevtronov,

3) študija šibkih interakcij, ki vključujejo nevtrine.

12. O temeljni znanosti

12.1. Kaj je temeljna znanost? Iz zgornjega besedila je razvidno, da tako kot večina znanstvenikov temeljno znanost imenujem tisti del znanosti, ki vzpostavlja najbolj temeljne zakone narave. Ti zakoni so v temelju piramide znanosti ali njenih posameznih nadstropij. Določajo dolgoročni razvoj civilizacije. So pa ljudje, ki temeljne znanosti imenujejo tiste veje znanosti, ki imajo največji neposredni vpliv na trenutne dosežke v razvoju civilizacije. Osebno menim, da je tem sklopom in področjem bolje reči uporabna znanost.

12.2. Korenine in plodovi.Če lahko temeljno znanost primerjamo s koreninami drevesa, potem lahko uporabno znanost primerjamo z njegovimi sadovi. Veliki tehnološki preboji, kot so mobilni telefoni ali komunikacije z optičnimi vlakni, so plod znanosti.

12.3. A. I. Herzen o znanosti. Leta 1845 je Aleksander Ivanovič Herzen (1812–1870) v reviji Otechestvennye zapiski objavil izjemna »Pisma o preučevanju narave«. Na koncu svojega prvega pisma je zapisal: »Znanost se ne zdi težka zato, ker je res težka, temveč zato, ker njene preprostosti ne morete doseči drugače kot s tem, da se prebijete skozi temo gotovih konceptov, ki vam preprečujejo neposredni pogled. Naj tisti, ki se oglasijo, vedo, da je ves arzenal zarjavelih in ničvrednih orodij, ki smo jih podedovali od sholastike, ničvreden, da je treba žrtvovati zunaj znanosti oblikovana stališča, ne da bi vse zavrgli. pol laž, s katerim zaradi jasnosti oblačijo polresnice"Ne morete vstopiti v znanost, ne morete doseči celotne resnice."

12.4. O krčenju šolskih programov. Sodobni programi fizike v šoli lahko vključujejo aktivno obvladovanje elementov teorije osnovnih delcev, teorije relativnosti in kvantne mehanike, če zmanjšajo tiste dele, ki so večinoma opisne narave in povečajo otrokovo "erudicijo" namesto razumevanja sveta. okoli njih ter sposobnost življenja in ustvarjanja.

12.5. Zaključek. Prav bi bilo, da bi predsedstvo Ruske akademije znanosti opozorilo na pomen zgodnjega seznanjanja mladih s svetovnim nazorom, ki temelji na dosežkih relativnostne teorije in kvantne mehanike, ter komisijam predsedstva Ruske akademije znanosti naložilo, Akademije znanosti o učbenikih (predseduje podpredsednik V. V. Kozlov) in o izobraževanju (predseduje podpredsednik - predsednik V. A. Sadovnichy), da pripravi predloge za izboljšanje poučevanja sodobne temeljne fizike v srednjih in višjih šolah.

Helen Czerski

Fizik, oceanograf, voditelj poljudnoznanstvenih oddaj na BBC.

Ko gre za fiziko, si predstavljamo neke formule, nekaj čudnega in nerazumljivega, nepotrebnega za navadnega človeka. Morda smo slišali kaj o kvantni mehaniki in kozmologiji. Toda med tema dvema poloma leži vse, kar sestavlja naše vsakdanje življenje: planeti in sendviči, oblaki in vulkani, mehurčki in glasbila. In vse jih ureja razmeroma majhno število fizikalnih zakonov.

Te zakonitosti lahko nenehno opazujemo v delovanju. Vzemite na primer dve jajci - surovo in kuhano - in ju zavrtite, nato pa se ustavite. Kuhano jajce bo ostalo nepremično, surovo se bo spet začelo vrteti. To je zato, ker ste samo ustavili lupino, tekočina v notranjosti pa se še naprej vrti.

To je jasen prikaz zakona o ohranitvi kotne količine. Na poenostavljen način ga lahko formuliramo na naslednji način: sistem se bo začel vrteti okoli konstantne osi, dokler ga nekaj ne ustavi. To je eden temeljnih zakonov vesolja.

Prav pride ne samo, ko morate ločiti kuhano jajce od surovega. Lahko se uporabi tudi za razlago, kako vesoljski teleskop Hubble brez kakršne koli podpore v vesolju usmeri svojo lečo na določeno območje neba. V sebi ima le rotirajoče žiroskope, ki se v bistvu obnašajo enako kot surovo jajce. Sam teleskop se vrti okoli njih in tako spreminja svoj položaj. Izkazalo se je, da zakon, ki ga lahko preizkusimo v naši kuhinji, pojasnjuje tudi strukturo ene najbolj izjemnih tehnologij človeštva.

Ko poznamo osnovne zakonitosti, ki urejajo naše vsakdanje življenje, se nehamo počutiti nemočne.

Da bi razumeli, kako deluje svet okoli nas, moramo najprej razumeti njegove osnove -. Razumeti moramo, da fizika niso samo ekscentrični znanstveniki v laboratorijih ali zapletene formule. Je tik pred nami, dostopen vsem.

Kje začeti, si lahko mislite. Zagotovo ste opazili nekaj čudnega ali nerazumljivega, a namesto da bi o tem razmišljali, ste si rekli, da ste odrasli in nimate časa za to. Chersky svetuje, da se takih stvari ne opusti, ampak da se začne z njimi.

Če ne želite čakati, da se zgodi kaj zanimivega, dajte rozine v sodo in poglejte, kaj se bo zgodilo. Opazujte, kako se razlita kava posuši. Z žlico potrkajte po robu skodelice in poslušajte zvok. Nazadnje poskusite spustiti sendvič, ne da bi padel z licem navzdol.

Naravno in pravilno je, da nas zanima svet okoli nas ter vzorci njegovega delovanja in razvoja. Zato je smiselno posvetiti pozornost naravoslovju, na primer fiziki, ki pojasnjuje samo bistvo nastanka in razvoja vesolja. Osnovnih fizikalnih zakonov ni težko razumeti. Šole otroke seznanijo s temi načeli že zelo zgodaj.

Za mnoge se ta znanost začne z učbenikom "Fizika (7. razred)". Šolarjem se razkrijejo osnovni pojmi termodinamike, seznanijo se z jedrom glavnih fizikalnih zakonov. A naj bo znanje omejeno na šolo? Katere fizikalne zakone bi moral poznati vsak človek? O tem bomo razpravljali kasneje v članku.

Znanstvena fizika

Številne nianse opisane znanosti so vsem znane že od zgodnjega otroštva. To je posledica dejstva, da je fizika v bistvu eno od področij naravoslovja. Pripoveduje o naravnih zakonih, katerih delovanje vpliva na življenje vsakogar in ga v marsičem celo zagotavlja, o značilnostih snovi, njeni zgradbi in vzorcih gibanja.

Izraz "fizika" je prvi zapisal Aristotel v četrtem stoletju pred našim štetjem. Sprva je bil sinonim za pojem "filozofija". Navsezadnje sta obe znanosti imeli en sam cilj - pravilno razložiti vse mehanizme delovanja vesolja. Toda že v šestnajstem stoletju se je zaradi znanstvene revolucije fizika osamosvojila.

Splošno pravo

Nekateri osnovni zakoni fizike se uporabljajo v različnih vejah znanosti. Poleg njih obstajajo tudi tisti, ki veljajo za skupne vsej naravi. Gre za

To pomeni, da se energija vsakega zaprtega sistema med pojavom kakršnih koli pojavov v njem zagotovo ohrani. Kljub temu se je sposoben spremeniti v drugo obliko in učinkovito spremeniti svojo kvantitativno vsebino v različnih delih imenovanega sistema. Hkrati se v odprtem sistemu energija zmanjša, če se poveča energija vseh teles in polj, ki z njim sodelujejo.

Poleg zgornjega splošnega načela fizika vsebuje osnovne koncepte, formule, zakone, ki so potrebni za razlago procesov, ki se dogajajo v okoliškem svetu. Njihovo raziskovanje je lahko neverjetno razburljivo. Zato bomo v tem članku na kratko obravnavali osnovne fizikalne zakone, a da bi jih razumeli globlje, je pomembno, da se jim v celoti posvetimo.

Mehanika

Številni osnovni zakoni fizike se mladim znanstvenikom razkrijejo v 7.–9. Njegova osnovna načela so opisana spodaj.

1. Galileijev zakon relativnosti (imenovan tudi mehanski zakon relativnosti ali osnova klasične mehanike). Bistvo načela je, da so pod podobnimi pogoji mehanski procesi v vseh inercialnih referenčnih okvirih popolnoma enaki.
2. Hookov zakon. Njegovo bistvo je, da večji kot je udarec na elastično telo (vzmet, palica, konzola, nosilec) s strani, večja je njegova deformacija.

Newtonovi zakoni (predstavljajo osnovo klasične mehanike):

1. Načelo vztrajnosti pravi, da je vsako telo sposobno mirovati ali se gibati enakomerno in premočrtno le, če nobena druga telesa nanj nikakor ne delujejo ali če nekako kompenzirajo delovanje drug drugega. Za spremembo hitrosti gibanja je treba na telo delovati z neko silo, seveda pa bo tudi rezultat vpliva iste sile na različno velika telesa različen.
2. Glavno načelo dinamike pravi, da večja kot je rezultanta sil, ki trenutno delujejo na dano telo, večji je pospešek, ki ga prejme. In s tem večja kot je telesna teža, nižji je ta kazalnik.
3. Tretji Newtonov zakon pravi, da kateri koli dve telesi vedno medsebojno delujeta po identičnem vzorcu: njuni sili sta enake narave, enakovredni po velikosti in nujno nasprotni smeri vzdolž ravne črte, ki ta telesa povezuje.
4. Načelo relativnosti pravi, da se vsi pojavi, ki se zgodijo pod enakimi pogoji v inercialnih referenčnih sistemih, zgodijo na popolnoma enak način.

Termodinamika

Šolski učbenik, ki učencem razkriva osnovne zakonitosti (»Fizika. 7. razred«), jih seznani tudi z osnovami termodinamike. Spodaj bomo na kratko preučili njegova načela.

Zakoni termodinamike, ki so osnovni v tej veji znanosti, so splošne narave in niso povezani s podrobnostmi zgradbe posamezne snovi na atomski ravni. Mimogrede, ta načela niso pomembna le za fiziko, ampak tudi za kemijo, biologijo, vesoljsko tehniko itd.

Na primer, v imenovani industriji obstaja pravilo, ki se upira logični definiciji: v zaprtem sistemu, katerega zunanji pogoji so nespremenjeni, se s časom vzpostavi ravnovesno stanje. In procesi, ki se nadaljujejo v njem, vedno kompenzirajo drug drugega.

Drugo pravilo termodinamike potrjuje željo sistema, ki je sestavljen iz ogromnega števila delcev, za katere je značilno kaotično gibanje, da samostojno prehaja iz za sistem manj verjetnih stanj v bolj verjetna.

In Gay-Lussacov zakon (imenovan tudi) pravi, da za plin z določeno maso v pogojih stabilnega tlaka rezultat deljenja njegove prostornine z absolutno temperaturo zagotovo postane konstantna vrednost.

Drugo pomembno pravilo te industrije je prvi zakon termodinamike, ki se imenuje tudi princip ohranjanja in transformacije energije za termodinamični sistem. Po njegovem mnenju bo vsa količina toplote, ki je bila posredovana sistemu, porabljena izključno za metamorfozo njegove notranje energije in njegovo opravljanje dela glede na morebitne delujoče zunanje sile. Prav ta vzorec je postal osnova za oblikovanje sheme delovanja toplotnih motorjev.

Drug plinski zakon je Charlesov zakon. Pravi, da večji kot je tlak določene mase idealnega plina ob ohranjanju konstantne prostornine, višja je njegova temperatura.

Elektrika

10. razred šole mladim znanstvenikom odkriva zanimive osnovne zakone fizike. V tem času se preučujejo glavna načela narave in vzorcev delovanja električnega toka ter druge nianse.

Amperov zakon na primer pravi, da se vzporedno povezani vodniki, po katerih teče tok v isti smeri, neizogibno privlačijo, v primeru nasprotne smeri toka pa se odbijajo. Včasih se isto ime uporablja za fizikalni zakon, ki določa silo, ki deluje v obstoječem magnetnem polju na majhen del prevodnika, ki trenutno prevaja tok. Temu pravijo - Amperova sila. To odkritje je naredil znanstvenik v prvi polovici devetnajstega stoletja (in sicer leta 1820).

Zakon o ohranitvi naboja je eden od osnovnih principov narave. Pravi, da se algebraična vsota vseh električnih nabojev, ki nastanejo v katerem koli električno izoliranem sistemu, vedno ohrani (postane konstantna). Kljub temu pa to načelo ne izključuje pojava novih nabitih delcev v takih sistemih kot posledica določenih procesov. Kljub temu pa mora biti skupni električni naboj vseh novo nastalih delcev zagotovo enak nič.

Coulombov zakon je eden glavnih v elektrostatiki. Izraža princip interakcijske sile med mirujočimi točkastimi naboji in pojasnjuje kvantitativni izračun razdalje med njimi. Coulombov zakon omogoča eksperimentalno utemeljitev osnovnih principov elektrodinamike. Navaja, da stacionarni točkasti naboji zagotovo medsebojno delujejo s silo, ki je višja, čim večji je produkt njihovih velikosti in s tem manjša, čim manjši je kvadrat razdalje med zadevnimi naboji in medijem, v katerem pride do opisane interakcije.

Ohmov zakon je eden od osnovnih principov elektrike. Navaja, da večja ko je moč enosmernega električnega toka, ki deluje na določenem odseku vezja, večja je napetost na njegovih koncih.

To imenujejo načelo, ki vam omogoča, da določite smer v prevodniku toka, ki se premika na določen način pod vplivom magnetnega polja. Če želite to narediti, morate desno roko postaviti tako, da se črte magnetne indukcije figurativno dotikajo odprte dlani, in iztegnite palec v smeri gibanja prevodnika. V tem primeru bodo preostali štirje izravnani prsti določali smer gibanja indukcijskega toka.

To načelo tudi pomaga ugotoviti natančno lokacijo magnetnih indukcijskih linij ravnega prevodnika, ki prevaja tok v danem trenutku. Zgodi se tako: palec desne roke postavite tako, da kaže, in figurativno primite dirigent z drugimi štirimi prsti. Lokacija teh prstov bo pokazala natančno smer magnetnih indukcijskih linij.

Načelo elektromagnetne indukcije je vzorec, ki pojasnjuje proces delovanja transformatorjev, generatorjev in elektromotorjev. Ta zakon je naslednji: v zaprti zanki, večja kot je ustvarjena indukcija, večja je hitrost spremembe magnetnega pretoka.

Optika

Veja Optika odraža tudi del šolskega kurikuluma (osnovni zakoni fizike: 7.-9. razred). Zato teh načel ni tako težko razumeti, kot se morda zdi na prvi pogled. Njihov študij ne prinaša le dodatnega znanja, temveč boljše razumevanje okoliške realnosti. Osnovni zakoni fizike, ki jih je mogoče pripisati študiju optike, so naslednji:

1. Guynesovo načelo. To je metoda, ki lahko učinkovito določi natančen položaj valovne fronte v katerem koli danem delčku sekunde. Njegovo bistvo je naslednje: vse točke, ki so na poti valovne fronte v določenem delčku sekunde, v bistvu same postanejo viri sferičnih valov (sekundarni), medtem ko lokacija valovne fronte v istem delčku sekunde sekunda je enaka površini, ki kroži okoli vseh sferičnih valov (sekundarna). To načelo se uporablja za razlago obstoječih zakonov, povezanih z lomom svetlobe in njenim odbojem.
2. Huygens-Fresnelovo načelo odraža učinkovito metodo za reševanje vprašanj, povezanih s širjenjem valov. Pomaga razložiti osnovne probleme, povezane z uklonom svetlobe.
3. valovi Enako se uporablja za odsev v ogledalu. Njegovo bistvo je, da sta tako vpadni žarek kot tisti, ki se je odbil, kot tudi pravokotnica, zgrajena iz točke vpada žarka, v eni ravnini. Pomembno si je tudi zapomniti, da je kot, pod katerim pada žarek, vedno popolnoma enak lomnemu kotu.
4. Načelo loma svetlobe. To je sprememba poti elektromagnetnega valovanja (svetlobe) v trenutku gibanja iz enega homogenega medija v drugega, ki se od prvega bistveno razlikuje po številnih lomnih količnikih. Hitrost širjenja svetlobe v njih je različna.
5. Zakon premočrtnega širjenja svetlobe. V svojem bistvu je zakon, povezan s področjem geometrijske optike, in je naslednji: v katerem koli homogenem mediju (ne glede na njegovo naravo) se svetloba širi strogo premočrtno, na najkrajši razdalji. Ta zakon na preprost in dostopen način pojasnjuje nastanek senc.

Atomska in jedrska fizika

Osnovne zakone kvantne fizike ter osnove atomske in jedrske fizike se preučujejo v srednjih in visokošolskih ustanovah.

Tako Bohrovi postulati predstavljajo vrsto osnovnih hipotez, ki so postale osnova teorije. Njegovo bistvo je, da lahko vsak atomski sistem ostane stabilen le v stacionarnih stanjih. Vsaka emisija ali absorpcija energije s strani atoma se nujno pojavi po principu, katerega bistvo je naslednje: sevanje, povezano s transportom, postane monokromatsko.

Ti postulati se nanašajo na standardni šolski učni načrt, ki preučuje osnovne zakone fizike (11. razred). Njihovo znanje je za diplomanta obvezno.

Osnovni zakoni fizike, ki jih mora človek poznati

Nekatera fizikalna načela, čeprav spadajo v eno od vej te znanosti, so vendarle splošne narave in bi jih morali poznati vsi. Naštejmo osnovne fizikalne zakone, ki bi jih človek moral poznati:

• Arhimedov zakon (velja za področja hidro- in aerostatike). Pomeni, da je vsako telo, ki je bilo potopljeno v plinasto snov ali tekočino, podvrženo nekakšni vzgonski sili, ki je nujno usmerjena navpično navzgor. Ta sila je vedno številčno enaka teži tekočine ali plina, ki ga telo izpodrine.
• Druga formulacija tega zakona je naslednja: telo, potopljeno v plin ali tekočino, zagotovo izgubi toliko teže, kot je masa tekočine ali plina, v katero je bilo potopljeno. Ta zakon je postal osnovni postulat teorije lebdečih teles.
• Zakon univerzalne gravitacije (odkril Newton). Njegovo bistvo je v tem, da se absolutno vsa telesa neizogibno privlačijo s silo, ki je večja, čim večji je produkt mase teh teles in s tem manjši, čim manjši je kvadrat razdalje med njimi.

To so 3 osnovni zakoni fizike, ki bi jih moral poznati vsakdo, ki želi razumeti mehanizem delovanja okoliškega sveta in posebnosti procesov, ki se v njem dogajajo. Razumeti načelo njihovega delovanja je precej preprosto.

Vrednost takega znanja

Osnovni zakoni fizike morajo biti v bazi znanja človeka, ne glede na njegovo starost in vrsto dejavnosti. Odsevajo mehanizem obstoja celotne današnje realnosti in so v bistvu edina stalnica v nenehno spreminjajočem se svetu.

Osnovni zakoni in koncepti fizike odpirajo nove možnosti za preučevanje sveta okoli nas. Njihovo znanje pomaga razumeti mehanizem obstoja vesolja in gibanja vseh kozmičnih teles. Ne spreminja nas v zgolj opazovalce dnevnih dogodkov in procesov, temveč nam omogoča, da se jih zavedamo. Ko človek jasno razume osnovne zakone fizike, to je vse procese, ki se dogajajo okoli njega, dobi možnost, da jih nadzira na najučinkovitejši način, dela odkritja in s tem naredi svoje življenje udobnejše.

Rezultati

Nekateri so prisiljeni poglobljeno preučevati osnovne zakone fizike za enotni državni izpit, drugi zaradi poklica, nekateri pa iz znanstvene radovednosti. Ne glede na cilje študija te vede je koristi pridobljenega znanja težko preceniti. Nič ni večjega zadovoljstva kot razumevanje osnovnih mehanizmov in vzorcev obstoja sveta okoli nas.

Ne ostanite ravnodušni – razvijajte se!