Кои са основните закони на физиката? Физика: основни понятия, формули, закони. Основни закони на физиката, които човек трябва да знае Основни закони на класическата физика

1.1. Анотация.Законите на теорията на относителността и квантовата механика, според които се осъществява движението и взаимодействието на елементарните частици на материята, предопределят формирането и появата на модели на най-широк кръг от явления, изучавани от различни природни науки. Тези закони са в основата на съвременните високи технологии и до голяма степен определят състоянието и развитието на нашата цивилизация. Следователно запознаването с основите на фундаменталната физика е необходимо не само за студенти, но и за ученици. Активното притежаване на основни познания за устройството на света е необходимо на човек, който влиза в живота, за да намери своето място в този свят и успешно да продължи образованието си.

1.2. Каква е основната трудност на този доклад.Насочена е както към специалисти в областта на физиката на елементарните частици, така и към много по-широка аудитория: физици, които не се занимават с елементарни частици, математици, химици, биолози, енергийни учени, икономисти, философи, лингвисти, ... За да бъдат достатъчно точно, трябва да използвам термините и формулите на фундаменталната физика. За да бъда разбран, трябва постоянно да обяснявам тези термини и формули. Ако физиката на елементарните частици не е вашата специалност, прочетете първо само онези раздели, чиито заглавия не са маркирани със звездички. След това опитайте да прочетете раздели с една звездичка *, две ** и накрая три ***. По време на репортажа успях да говоря за повечето секции без звездички, но за останалите нямаше време.

1.3. Физика на елементарните частици.Физиката на елементарните частици е в основата на всички природни науки. Изучава най-малките частици на материята и основните модели на техните движения и взаимодействия. В крайна сметка именно тези закономерности определят поведението на всички обекти на Земята и в небето. Физиката на елементарните частици се занимава с такива фундаментални понятия като пространство и време; материя; енергия, импулс и маса; въртене. (Повечето читатели имат представа за пространството и времето, може би са чували за връзката между масата и енергията и нямат представа какво общо има импулсът и едва ли се досещат за най-важната роля на въртенето във физиката. Те могат дори не се споразумяват помежду си как да нарекат материята все още експерти.) Физиката на елементарните частици е създадена през 20-ти век. Създаването му е неразривно свързано със създаването на две от най-великите теории в историята на човечеството: теорията на относителността и квантовата механика. Ключовите константи на тези теории са скоростта на светлината ° Си константа на Планк з.

1.4. Теория на относителността.Специалната теория на относителността, възникнала в началото на 20-ти век, завърши синтеза на редица науки, изучаващи такива класически явления като електричество, магнетизъм и оптика, създавайки механика със скорости на тела, сравними със скоростта на светлината. (Класическата нерелативистична механика на Нютон се занимава със скоростите v<<° С.) Тогава, през 1915 г., е създадена общата теория на относителността, която е предназначена да описва гравитационни взаимодействия, като се вземе предвид ограничеността на скоростта на светлината ° С.

1.5. Квантова механика.Квантовата механика, създадена през 20-те години на миналия век, обяснява структурата и свойствата на атомите въз основа на свойствата на двойната вълна-частица на електроните. Тя обясни огромна гама от химически явления, свързани с взаимодействието на атоми и молекули. И позволява да се опишат процесите на излъчване и поглъщане на светлина от тях. Разберете информацията, която ни носи светлината на Слънцето и звездите.

1.6. Квантова теория на полето.Обединяването на теорията на относителността и квантовата механика доведе до създаването на квантовата теория на полето, която дава възможност да се опишат най-важните свойства на материята с висока степен на точност. Разбира се, квантовата теория на полето е твърде сложна, за да се обясни на учениците. Но в средата на 20-ти век в него се появява визуален език на диаграмите на Файнман, който радикално опростява разбирането на много аспекти на квантовата теория на полето. Една от основните цели на тази беседа е да покаже как най-широкият спектър от явления могат да бъдат просто разбрани с помощта на диаграмите на Файнман. В същото време ще се спра по-подробно на въпроси, които далеч не са известни на всички експерти по квантовата теория на полето (например за връзката между класическата и квантовата гравитация), и само пестеливо ще очертая въпроси, широко обсъждани в популярните научна литература.

1.7. Идентичност на елементарните частици.Елементарни частици се наричат ​​най-малките неделими частици на материята, от които е изграден целият свят. Най-удивителното свойство, което отличава тези частици от обикновените неелементарни частици, например пясъчни зърна или мъниста, е, че всички елементарни частици от един и същи вид, например, всички електрони във Вселената са абсолютно (!) Еднакви - идентични. И като следствие, техните най-прости свързани състояния са идентични едно с друго - атоми и най-прости молекули.

1.8. Шест елементарни частици.За да разберем основните процеси, протичащи на Земята и Слънцето, е достатъчно да разберем, като първо приближение, процесите, в които участват шест частици: електронът д, протон стр, неутрон ни електронно неутрино ν e , както и фотон γ и гравитон g̃. Първите четири частици имат спин 1/2, фотонът има спин 1, а гравитонът има 2. (Частиците с цяло число се наричат ​​бозони, частиците с половин цяло число се наричат ​​фермиони. Спинът ще бъде разгледан по-подробно по-долу. ) Обикновено протоните и неутроните се наричат ​​нуклони, защото от тях са изградени атомни ядра, а ядрото на английски е ядрото. Електронът и неутриното се наричат ​​лептони. Те нямат силни ядрени сили.

Поради много слабото взаимодействие на гравитоните е невъзможно да се наблюдават отделни гравитони, но именно чрез тези частици се осъществява гравитацията в природата. Точно както електромагнитните взаимодействия се осъществяват с помощта на фотони.

1.9. Античастици.Електронът, протонът и неутронът имат така наречените античастици: позитрон, антипротон и антинеутрон. Те не влизат в състава на обикновената материя, тъй като при срещата си със съответните частици влизат в реакции на взаимно унищожение с тях - анихилация. По този начин електрон и позитрон се анихилират в два или три фотона. Фотонът и гравитонът са наистина неутрални частици: те съвпадат с техните античастици. Все още не е известно дали неутриното е наистина неутрална частица.

1.10. Нуклони и кварки.В средата на 20 век стана ясно, че самите нуклони се състоят от по-елементарни частици - кварки от два вида, които означават uи д: стр = uud, н = ddu. Взаимодействието между кварките се осъществява от глуони. Антинуклоните са изградени от антикварки.

1.11. Три поколения фермиони.Както и u, д, д, v ддве други групи (или, както се казва, поколения) от кварки и лептони са открити и изследвани: ° С, с, μ, ν μ и т, б, τ , ν τ . Тези частици не са включени в състава на обикновената материя, тъй като са нестабилни и бързо се разпадат на по-леки частици от първо поколение. Но те изиграха важна роля в първите моменти от съществуването на Вселената.

За още по-пълно и задълбочено разбиране на природата са необходими още повече частици с още по-необичайни свойства. Но може би в бъдеще цялото това разнообразие ще бъде сведено до няколко прости и красиви същности.

1.12. адрони.Голямо семейство частици, състоящо се от кварки и/или антикварки и глуони, се наричат ​​адрони. Всички адрони, с изключение на нуклоните, са нестабилни и следователно не влизат в състава на обикновената материя.

Често адроните също се наричат ​​елементарни частици, тъй като не могат да бъдат разделени на свободни кварки и глуони. (И аз също, отнасяйки протона и неутрона към първите шест елементарни частици.) ​​Ако всички адрони се считат за елементарни, тогава броят на елементарните частици ще се измерва в стотици.

1.13. Стандартен модел и четири типа взаимодействия.Както ще бъде обяснено по-долу, изброените по-горе елементарни частици дават възможност в рамките на така наречения „Стандартен модел на елементарните частици“ да се опишат всички известни досега процеси, които протичат в природата в резултат на гравитационни, електромагнитни , слаби и силни взаимодействия. Но за да се разбере как работят първите две от тях, са достатъчни четири частици: фотон, гравитон, електрон и протон. Освен това фактът, че протонът се състои от u- и д-кварки и глуони, се оказва незначителен. Разбира се, без слаби и силни взаимодействия е невъзможно да се разбере нито как са подредени атомните ядра, нито как работи нашето Слънце. Но как са подредени атомните обвивки, които определят всички химични свойства на елементите, как работи електричеството и как са подредени галактиките, човек може да разбере.

1.14. Отвъд известното.Днес вече знаем, че частиците и взаимодействията на Стандартния модел не изчерпват съкровищата на природата.

Установено е, че обикновените атоми и йони съставляват само по-малко от 20% от цялата материя във Вселената, а повече от 80% е така наречената тъмна материя, чиято природа все още не е известна. Най-разпространеното мнение е, че тъмната материя се състои от суперчастици. Възможно е да се състои от огледални частици.

Още по-поразителен е фактът, че цялата материя, както видима (светла), така и тъмна, носи само една четвърт от цялата енергия на Вселената. Три четвърти принадлежат към така наречената тъмна енергия.

1.15. Елементарни частици"д до известна степен" са фундаментални.Когато моят учител Исак Яковлевич Померанчук искаше да подчертае важността на даден въпрос, той каза, че въпросът e е важен по степен. Разбира се, повечето от естествените науки, а не само физиката на елементарните частици, са фундаментални. Физиката на кондензираната материя, например, е подчинена на фундаментални закони, които могат да се използват, без да се налага да разбираме как следват от законите на физиката на елементарните частици. Но законите на относителността и квантовата механика " ддо степен фундаментална" в смисъл, че нито един от по-малко общите закони не може да им противоречи.

1.16. Основни закони.Всички процеси в природата протичат в резултат на локални взаимодействия и движения (разпределения) на елементарни частици. Основните закони, управляващи тези движения и взаимодействия, са много необичайни и много прости. Те се основават на концепцията за симетрия и на принципа, че всичко, което не противоречи на симетрията, може и трябва да се случи. По-долу, използвайки езика на диаграмите на Файнман, ще проследим как това се реализира в гравитационните, електромагнитните, слабите и силните взаимодействия на частиците.

2. Частици и живот

2.1. За цивилизацията и културата.Чуждестранният член на Руската академия на науките Валентин Телегди (1922–2006) обяснява: „Ако WC (килер) е цивилизация, тогава способността да се използва е култура.

Изследователят на ITEP А. А. Абрикосов мл. наскоро ми написа: „Една от целите на вашия доклад е да убеди широката аудитория в необходимостта от по-широко преподаване на съвременната физика. Ако е така, тогава може би си струва да дадем няколко ежедневни примера. имам предвид следното:

Живеем в свят, който е немислим дори на ежедневно ниво без квантовата механика (QM) и теорията на относителността (RT). Мобилните телефони, компютрите, цялата съвременна електроника, да не говорим за LED светлини, полупроводникови лазери (включително указатели), LCD дисплеите са по същество квантови устройства. Невъзможно е да се обясни как работят без основните понятия на QM. И как ги обясняваш без да споменаваш тунелирането?

Вторият пример, може би знам от вас. Във всеки 10-ти автомобил са инсталирани сателитни навигатори. Точността на синхронизация на часовника в сателитната мрежа е не по-малко от 10 −8 (това съответства на грешка от порядъка на един метър при локализацията на обект на земната повърхност). Такава точност изисква да се вземат предвид корекциите на TO на часовника на движещ се спътник. Казват, че инженерите не можели да повярват, така че първите устройства имали двойна програма: с и без корекции. Както се оказа, първата програма работи по-добре. Ето един тест на теорията на относителността на ниво домакинство.

Разбира се, говоренето по телефона, шофирането на кола и писането на компютърни ключове е възможно без висока наука. Но едва ли академиците трябва да призовават да не учат география, защото „има такси“.

И тогава те говорят с ученици, а след това и със студенти в продължение на пет години за материални точки и Галилеева относителност и изведнъж, без никаква причина, казват, че това „не е съвсем вярно“.

Трудно е да се премине от визуалния нютонов свят към квантовия, дори във Физикотехническия институт. Ваш, ААА."

2.2. По фундаментална физика и образование.За съжаление съвременната образователна система изостава от съвременната фундаментална физика с цял век. И повечето хора (включително по-голямата част от учените) нямат представа за онази удивително ясна и проста картина (карта) на света, която е създала физиката на елементарните частици. Тази карта прави много по-лесна навигацията във всички природни науки. Целта на моя доклад е да ви убедя, че някои елементи (концепции) от физиката на елементарните частици, теорията на относителността и квантовата теория могат и трябва да станат основа за преподаване на всички естественонаучни предмети, не само във висшите, но и в средните и дори и начално училище. В крайна сметка фундаментално новите понятия се овладяват най-лесно именно в детството. Детето лесно владее езика, владее с мобилен телефон. Много деца връщат кубчето на Рубик в първоначалното му състояние за секунди и дори един ден не ми стига.

За да се избегнат неприятни изненади в бъдеще, е необходимо да се създаде адекватен мироглед в детската градина. Константи ° Си зтрябва да се превърнат в инструменти за познание за децата.

2.3. Относно математиката.Математиката - кралицата и слугиня на всички науки - със сигурност трябва да служи като основен инструмент на познанието. Той дава основни понятия като истина, красота, симетрия, ред. концепции за нула и безкрайност. Математиката ви учи да мислите и смятате. Фундаменталната физика е немислима без математика. Образованието е немислимо без математика. Разбира се, може да е твърде рано да изучавате теорията на групите в училище, но е необходимо да ви научи да цените истината, красотата, симетрията и реда (и в същото време някакво разстройство).

Много е важно да се разбере преходът от реални (реални) числа (прости, рационални, ирационални) към въображаеми и сложни. Вероятно само тези студенти, които искат да работят в областта на математиката и теоретичната физика, трябва да изучават хиперкомплексни числа (кватерниони и октониони). В работата си, например, никога не съм използвал октони. Но знам, че те улесняват разбирането на най-обещаващата, според много физици-теоретици, изключителна група на симетрия E 8 .

2.4. За мирогледа и природните науки.Идеята за основните закони, които управляват света, е необходима във всички природни науки. Разбира се, физиката на твърдото тяло, химията, биологията, науките за Земята и астрономията имат свои специфични концепции, методи и проблеми. Но е много важно да имате обща карта на света и разбиране, че на тази карта има много празни петна от неизвестното. Много е важно да се разбере, че науката не е закостеняла догма, а жив процес на доближаване до истината в много точки от картата на света. Приближаването до истината е асимптотичен процес.

2.5. За истинския и вулгарен редукционизъм.Идеята, че по-сложните структури в природата се състоят от по-малко сложни структури и в крайна сметка от най-простите елементи, обикновено се нарича редукционизъм. В този смисъл това, в което се опитвам да ви убедя, е редукционизъм. Но вулгарният редукционизъм, който твърди, че всички науки могат да се сведат до физика на елементарните частици, е абсолютно неприемлив. При всяко по-високо и по-високо ниво на сложност се формират и възникват свои собствени модели. Не е нужно да знаете физика на елементарните частици, за да бъдете добър биолог. Но да разберем неговото място и роля в системата на науките, да разберем ключовата роля на константите ° Си знеобходимо. В крайна сметка науката като цяло е единен организъм.

2.6. По хуманитарни и социални науки.Общата представа за структурата на света е много важна и за икономиката, и за историята, и за когнитивните науки, като науките за езика, и за философията. И обратното – тези науки са изключително важни за най-фундаменталната физика, която непрекъснато усъвършенства своите фундаментални понятия. Това ще се види от разглеждането на теорията на относителността, към което се обръщам сега. Специално ще спомена правните науки, които са изключително важни за просперитета (да не говорим за оцеляването) на природните науки. Убеден съм, че социалните закони не трябва да противоречат на основните закони на природата. Човешките закони не трябва да противоречат на Божествените закони на природата.

2.7. Микро-, Макро-, Космо-.Нашият обикновен свят от големи, но не гигантски неща обикновено се нарича макрокосмос. Светът на небесните обекти може да се нарече космически свят, а светът на атомните и субатомните частици се нарича микросвят. (Тъй като размерите на атомите са от порядъка на 10 −10 m, тогава микросветът означава обекти с поне 4 или дори 10 порядъка по-малки от микрометър и 1–7 порядъка по-малки от нанометър. Нано модата зона се намира по протежение на пътя от микро към макро.) През 20-ти век е изграден така нареченият Стандартен модел на елементарните частици, който ви позволява просто и ясно да разберете много макро и космически закони, базирани на микро закони.

2.8. Нашите модели.Моделите в теоретичната физика се изграждат чрез отхвърляне на несъществени обстоятелства. Например в атомната и ядрената физика гравитационните взаимодействия на частиците са незначителни и могат да бъдат пренебрегнати. Такъв модел на света се вписва в специалната теория на относителността. Този модел има атоми, молекули, кондензирани тела,... ускорители и колайдери, но няма Слънце и звезди.

Такъв модел със сигурност би бил грешен в много големи мащаби, където гравитацията е от съществено значение.

Разбира се, за съществуването на ЦЕРН съществуването на Земята (и следователно на гравитацията) е необходимо, но за разбирането на огромното мнозинство от експериментите, проведени в ЦЕРН (с изключение на търсенията в колайдера за микроскопични „черни дупки“) , гравитацията не е от съществено значение.

2.9. Реди на величина.Една от трудностите при разбирането на свойствата на елементарните частици се дължи на факта, че те са много малки и има много от тях. Има огромен брой атоми в лъжица вода (около 10 23). Броят на звездите във видимата част на Вселената не е много по-малък. Големите числа не трябва да се страхуват. В крайна сметка не е трудно да се справите с тях, тъй като умножението на числата се свежда главно до добавянето на техните поръчки: 1 = 10 0, 10 = 10 1, 100 = 10 2. Умножете 10 по 100, получаваме 10 1+2 = 10 3 = 1000.

2.10. Капка масло.Ако капка капка масло с обем 1 милилитър върху повърхността на водата, тя ще се разпространи в петно ​​на дъгата с площ от около няколко квадратни метра и дебелина около сто нанометра. Това е само с три порядъка по-голямо от размера на атом. А дебелината на филма от сапунени мехурчета на най-тънките места е от порядъка на размера на молекулите.

2.11. джаули.Типичната AA батерия има напрежение от 1,5 волта (V) и съдържа 10 4 джаула (J) електрическа енергия. Нека ви напомня, че 1 J \u003d 1 висулка × 1 V, а също и че 1 J = kg m 2 / s 2 и че ускорението на гравитацията е около 10 m / s 2. Така че 1 джаул ви позволява да вдигнете 1 килограм на височина от 10 см, а 10 4 J ще вдигнете 100 кг на 10 метра. Това е колко енергия изразходва един асансьор, за да отведе ученик до десетия етаж. Това е колко енергия има в батерията.

2.12. Електронволтове.Единицата за енергия във физиката на елементарните частици е електронният волт (eV): енергията от 1 eV се придобива от 1 електрон, който е преминал през потенциална разлика от 1 волт. Тъй като в една висулка има 6,24 × 10 18 електрона, тогава 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.

Нека ви напомня, че енергията на един протон в Големия адронен колайдер на ЦЕРН трябва да е равна на 7 TeV.

3. За теорията на относителността

3.1. Референтни системи.Ние описваме всички наши експерименти в една или друга референтна система. Референтната система може да бъде лаборатория, влак, спътник на Земята, център на галактика... . Всяка частица, летяща, например, в ускорител на частици, също може да бъде референтна система. Тъй като всички тези системи се движат една спрямо друга, не всички експерименти ще изглеждат еднакво в тях. Освен това гравитационното влияние на най-близките масивни тела също е различно в тях. Именно разглеждането на тези различия съставлява основното съдържание на теорията на относителността.

3.2. Корабът на Галилей.Галилей формулира принципа на относителността, описвайки колоритно всякакви експерименти в кабината на плавно плаващ кораб. Ако прозорците са завеси, с помощта на тези експерименти е невъзможно да се установи колко бързо се движи корабът и дали стои неподвижно. Айнщайн добави експерименти с ограничената скорост на светлината към тази кабина. Ако не погледнете през прозореца, не можете да разберете скоростта на кораба. Но ако погледнете брега, можете.

3.3. Далечни звезди*.Разумно е да се отдели такава референтна рамка, по отношение на която хората биха могли да формулират резултатите от своите експерименти, независимо къде се намират. За такава универсална референтна система отдавна е приета система, в която далечните звезди са неподвижни. И сравнително наскоро (преди половин век) бяха открити още по-далечни квазари и се оказа, че реликтният микровълнов фон трябва да бъде изотропен в тази система.

3.4. В търсене на универсална референтна рамка*.По същество цялата история на астрономията е напредък към все по-универсална референтна рамка. От антропоцентричен, където човекът е в центъра, до геоцентричен, където Земята е в покой в ​​центъра (Птолемей, 87–165), до хелиоцентричен, където Слънцето е в покой в ​​центъра (Коперник, 1473–1543), до халацентричен, където почива центърът на нашата Галактика, до мъглявини, където почива системата от мъглявини - купове от галактики, до фон, където космическият микровълнов фон е изотропен. Важно е обаче скоростите на тези референтни системи да са малки в сравнение със скоростта на светлината.

3.5. Коперник, Кеплер, Галилей, Нютон*.В книгата на Николай Коперник „За въртенията на небесните сфери”, публикувана през 1543 г., се казва: „Всички движения, забелязани от Слънцето, не са характерни за него, а принадлежат на Земята и нашата сфера, заедно с които ние върти около Слънцето, като всяка друга планета; така Земята има няколко движения. Привидните движения напред и назад на планетите не принадлежат на тях, а на Земята. Така само това движение е достатъчно, за да обясни големия брой неравности, видими в небето.

Коперник и Кеплер (1571–1630) дават просто феноменологично описание на кинематиката на тези движения. Галилей (1564–1642) и Нютон (1643–1727) обясняват тяхната динамика.

3.6. Универсално пространство и време*.Пространствените координати и времето, свързани с универсалната референтна система, могат да бъдат наречени универсални или абсолютни в пълна хармония с теорията на относителността. Важно е само да се подчертае, че изборът на тази система е направен и съгласуван от местни наблюдатели. Всяка референтна система, която се движи прогресивно спрямо универсалната система, е инерционна: свободното движение в нея е равномерно и праволинейно.

3.7. "Теория на инвариантността"*. Обърнете внимание, че както Алберт Айнщайн (1879–1955), така и Макс Планк (1858–1947) (който въведе термина „теория на относителността“ през 1907 г., наричайки го теорията, предложена от Айнщайн през 1905 г.) вярват, че терминът „инвариантност на теорията“ може отразяват по-точно неговата същност. Но очевидно в началото на 20-ти век беше по-важно да се подчертае относителността на такива понятия като време и едновременност в равни инерционни референтни системи, отколкото да се отдели една от тези рамки. По-важно беше, че със завесите прозорци на каютата на Галилей беше невъзможно да се определи скоростта на кораба. Но сега е време да разделим завесите и да погледнем към брега. В същото време, разбира се, всички модели, установени при затворени завеси, ще останат непоклатими.

3.8. Писмо до Chimmer*. През 1921 г. Айнщайн в писмо до Е. Чимер, автор на книгата „Философски писма“, пише: „Що се отнася до термина „теория на относителността“, признавам, че той е неуспешен и води до философски недоразумения“. Но за да го променим, според Айнщайн, вече е твърде късно, особено защото е широко разпространено. Това писмо е публикувано в 12-ия том на 25-томното Събрание на Айнщайн, публикувано в Принстън, публикувано през есента на 2009 г.

3.9. Максимална скорост в природата.Ключовата константа на теорията на относителността е скоростта на светлината ° С\u003d 300 000 km / s \u003d 3 × 10 8 m / s. (По-точно, ° С= 299 792 458 m/s. И това число сега е в основата на определението за метър.) Тази скорост е максималната скорост на разпространение на всякакви сигнали в природата. Тя е с много порядки по-висока от скоростта на масивни обекти, с които се справяме всеки ден. Именно нейната необичайно голяма стойност пречи на разбирането на основното съдържание на теорията на относителността. Частиците, движещи се със скорости от порядъка на скоростта на светлината, се наричат ​​релативистични.

3.10. Енергия, инерция и скорост.Свободното движение на частица се характеризира с енергията на частицата Еи нейната инерция стр. Според теорията на относителността скоростта на частица vсе определя по формулата

Една от основните причини за терминологичното объркване, разгледано в разд. 3.14 се крие във факта, че когато създават теорията на относителността, те се опитват да запазят нютоновата връзка между импулса и скоростта стр = мv, което противоречи на теорията на относителността.

3.11. Тегло.Маса на частиците мсе определя по формулата

Докато енергията и импулсът на частица зависят от референтната система, големината на нейната маса мне зависи от референтната система. Тя е инвариант. Формулите (1) и (2) са основни в теорията на относителността.

Колкото и да е странно, първата монография за теорията на относителността, в която се появява формула (2), е публикувана едва през 1941 г. Това са „Теориите на полето“ от Л. Ландау (1908–1968) и Е. Лифшиц (1915–1985) . Не го намерих в нито едно от произведенията на Айнщайн. Не е в забележителната книга "Теория на относителността" на В. Паули (1900–1958), публикувана през 1921 г. Но релативисткото вълново уравнение, съдържащо тази формула, е в книгата "Принципи на квантовата механика" от П. Дирак, публикуван през 1930 г. (1902–1984), а още по-рано в статиите от 1926 г. на О. Клайн (1894–1977) и В. Фок (1898–1974).

3.12. Безмасов фотон.Ако масата на частицата е нула, т.е., частицата е без маса, тогава от формули (1) и (2) следва, че във всяка референтна система нейната скорост е равна на ° С. Тъй като масата на частица светлина - фотон - е толкова малка, че не може да бъде открита, общоприето е, че тя е равна на нула и че ° Се скоростта на светлината.

3.13. Енергия на мира.Ако масата на частицата е различна от нула, тогава разгледайте референтна система, в която свободната частица е в покой и близо до нея v = 0, стр= 0. Такава референтна система се нарича покой на частицата, а енергията на частицата в тази система се нарича енергия на покой и се означава E0. От формула (2) следва, че

Тази формула изразява връзката между енергията на покой на масивна частица и нейната маса, открита от Айнщайн през 1905 г.

3.14. "Най-известната формула."За съжаление, много често формулата на Айнщайн е написана под формата на „най-известната формула E=mc2“, пропускайки нулевия индекс на енергията на покой, което води до множество недоразумения и объркване. В крайна сметка тази „известна формула“ идентифицира енергията и масата, което противоречи на теорията на относителността като цяло и на формула (2) в частност. От него следва широко разпространено погрешно схващане, че масата на тялото, според теорията на относителността, уж нараства с увеличаване на скоростта му. През последните години Руската академия на образованието направи много, за да разсее това погрешно схващане.

3.15. Единица за скорост*. В теорията на относителността, която се занимава със скорости, сравними със скоростта на светлината, е естествено да се избере ° Скато единица за скорост. Този избор опростява всички формули, тъй като ° С/° С= 1 и трябва да ги поставим ° С= 1. В този случай скоростта става безразмерна величина, разстоянието има измерението на времето, а масата има измерението на енергията.

Във физиката на елементарните частици масите на частиците обикновено се измерват в електронволтове - eV и техните производни (вижте раздел 2.14). Масата на електрона е около 0,5 MeV, масата на протона е около 1 GeV, масата на най-тежкия кварк е около 170 GeV, а масата на неутрино е около части от eV.

3.16. Астрономически разстояния*. В астрономията разстоянията се измерват в светлинни години. Размерът на видимата част от Вселената е около 14 милиарда светлинни години. Това число е още по-впечатляващо в сравнение с времето от 10 -24 s, необходимо на светлината да измине разстояние от порядъка на размера на протон. И в целия този колосален диапазон работи теорията на относителността.

3.17. Светът на Минковски.През 1908 г., няколко месеца преди преждевременната си смърт, Херман Минковски (1864-1909) пророчески казва: „Възгледите за пространството и времето, които възнамерявам да развия преди вас, са възникнали на експериментална физическа основа. Това е тяхната сила. Тенденцията им е радикална. Оттук нататък пространството само по себе си и времето само по себе си трябва да се превърнат във фикции и само някаква комбинация от двете трябва да запази независимост.

Век по-късно знаем, че времето и пространството не са се превърнали в измислици, но идеята на Минковски направи възможно да се опишат движенията и взаимодействията на частиците на материята по много прост начин.

3.18. 4D свят*. В единици, в които ° С= 1, идеята за света на Минковски изглежда особено красива, която съчетава времето и триизмерното пространство в единен четириизмерен свят. След това енергията и импулсът се комбинират в един четириизмерен вектор и масата, в съответствие с уравнение (2), служи като псевдоевклидова дължина на този 4-енергиен вектор на импулса стр = Е, стр:

Четириизмерна траектория в света на Минковски се нарича световна линия, а отделните точки се наричат ​​световни точки.

3.19. Зависимостта на тактовата честота от тяхната скорост**. Многобройни наблюдения показват, че часовниците работят най-бързо, когато са в покой по отношение на инерциалната рамка. Крайното движение в инерционната отправна система забавя тяхното развитие. Колкото по-бързо се движат в пространството, толкова по-бавно се движат във времето. Замедлението е абсолютно в универсалната референтна система (виж раздели 3.1–3.8). Неговата мярка е съотношението e/m, което често се обозначава с буквата γ.

3.20. Мюони в пръстеновиден ускорител и в покой**. Съществуването на това забавяне може да се види най-ясно чрез сравняване на живота на мюон в покой и мюон, въртящ се в пръстенов ускорител. Фактът, че в ускорителя мюонът не се движи напълно свободно, а има центростремително ускорение ω 2 R, където ω е радиалната честота на въртене, и Ре радиусът на орбитата, дава само незначителна корекция, тъй като E/ω 2 R = ER>> 1. Движението по окръжност, а не по права линия, е абсолютно необходимо за директно сравнение на въртящ се мюон с мюон в покой. Но що се отнася до скоростта на стареене на движещ се мюон, кръгова дъга с достатъчно голям радиус е неразличима от права линия. Тази норма се определя от съотношението e/m. (Подчертавам, че според специалната теория на относителността референтната система, в която въртящият се мюон е в покой, не е инерционна.)

3.21. Арка и акорд**. От гледна точка на наблюдател в покой в ​​инерционна отправна система дъгата на окръжност с достатъчно голям радиус и нейната хорда са практически неразличими: движението по дъгата е почти инерционно. От гледна точка на наблюдател в покой спрямо мюон, летящ в кръг, неговото движение е по същество неинерционно. В крайна сметка скоростта му променя знака за половин оборот. (За движещия се наблюдател далечните звезди в никакъв случай не са неподвижни. Цялата Вселена е асиметрична за него: звездите отпред са сини, а отзад са червени. Докато за нас всички те са еднакви - златни, защото скоростта на слънчевата системата е ниска.) И неинерционността на този наблюдател се проявява в това, че съзвездията отпред и отзад се променят, докато мюонът се движи в пръстеновидния ускорител. Не можем да считаме почиващите и движещите се наблюдатели за еквивалентни, тъй като първият не изпитва никакво ускорение, а вторият, за да се върне в точката на среща, трябва да го изпита.

3.22. обща теория на относителността**. Физиците-теоретици, свикнали с езика на Общата теория на относителността (ОТО), настояват, че всички референтни системи са равни. Не само инерционен, но и ускорен. Самото пространство-време е извито. В този случай гравитационното взаимодействие престава да бъде същото физическо взаимодействие като електромагнитното, слабо и силно, и се превръща в изключителна проява на извито пространство. В резултат на това цялата физика за тях изглежда сякаш е разделена на две части. Ако изхождаме от факта, че ускорението винаги се дължи на взаимодействие, че то не е относително, а абсолютно, тогава физиката става единна и проста.

3.23. "Ленком".Използването на думите "относителност" и "релативизъм" по отношение на скоростта на светлината напомня името на театър "Ленком" или вестник "Московский комсомолец", само генеалогично свързан с Комсомола. Това са езикови парадокси. Скоростта на светлината във вакуум не е относителна. Тя е абсолютна. Просто физиците се нуждаят от помощта на лингвистите.

4. За квантовата теория

4.1. Константа на Планк.Ако в теорията на относителността ключовата константа е скоростта на светлината ° С, то ключовата константа в квантовата механика е з= 6,63 10 −34 J s, открито от Макс Планк през 1900 г. Физическото значение на тази константа ще стане ясно от следващата презентация. В по-голямата си част така наречената намалена константа на Планк се появява във формулите на квантовата механика:

ħ = h/2π= 1,05 10 −34 J × ° С= 6,58 10 −22 MeV s.

В много явления важна роля играе количеството ħc= 1,97 10 −11 MeV cm.

4.2. Спин на електрон.Да започнем с добре познатото наивно сравнение на атома с планетарната система. Планетите се въртят около Слънцето и около собствената си ос. По същия начин електроните се въртят около ядрото и около собствената си ос. Въртенето на електрон в орбита се характеризира с орбиталния ъглов импулс Л(често и не съвсем правилно се нарича орбитален ъглов импулс). Въртенето на електрона около собствената му ос се характеризира със собствен ъглов импулс - спин С. Оказа се, че всички електрони в света имат спин равен на (1/2) ħ . За сравнение отбелязваме, че „въртенето“ на Земята е 6 10 33 m 2 kg / s = 6 10 67 ħ .

4.3. Водороден атом.Всъщност атомът не е планетарна система и електронът не е обикновена частица, движеща се по орбита. Електронът, както всички други елементарни частици, изобщо не е частица в ежедневния смисъл на думата, което предполага, че частицата трябва да се движи по определена траектория. В най-простия атом - водородния атом, ако е в основното си състояние, т.е. не е възбуден, електронът по-скоро прилича на сферичен облак с радиус от порядъка на 0,5 10 -10 m. Тъй като атомът е възбуден, електронът преминава във все по-високи и по-високи състояния, които стават все по-големи.

4.4. Квантовите числа на електроните.Без да се отчита спинът, движението на електрон в атом се характеризира с две квантови числа: главното квантово число ни орбитално квантово число л, освен това н ≥ л. Ако л= 0, тогава електронът е сферично симетричен облак. Колкото по-голямо е n, толкова по-голям е размерът на този облак. Колкото повече л, толкова повече движението на електрона е подобно на движението на класическа частица в орбита. Енергията на свързване на електрон, разположен във водороден атом върху обвивка с квантово число н, е равно на

където α =д 2/ħc≈ 1/137, а де зарядът на електрона.

4.5. Многоелектронни атоми.Спинът играе ключова роля в запълването на електронните обвивки на многоелектронните атоми. Факт е, че два електрона с една и съща посока на собственото си въртене (същата посока на завъртания) не могат да бъдат на една и съща обвивка с дадените стойности ни л. Това е забранено от така наречения принцип на Паули (1900–1958). По същество принципът на Паули определя периодите на Периодичната таблица на елементите на Менделеев (1834–1907).

4.6. Бозони и фермиони.Всички елементарни частици имат спин. И така, спинът на фотона е 1 в единици ħ , спинът на гравитона е 2. Частици с целочислен спин в единици ħ се наричат ​​бозони. Частиците с полу-цяло число спин се наричат ​​фермиони. Бозоните са колективисти: „те са склонни всички да живеят в една и съща стая“, да бъдат в едно и също квантово състояние. Лазерът се основава на това свойство на фотоните: всички фотони в лазерния лъч имат абсолютно еднакъв импулс. Фермионите са индивидуалисти: „всеки от тях се нуждае от отделен апартамент“. Това свойство на електроните определя моделите на запълване на електронните обвивки на атомите.

4.7. „Квантови кентаври“.Елементарните частици са като квантовите кентаври: получастици - полувълни. Поради своите вълнови свойства, квантовите кентаври, за разлика от класическите частици, могат да преминават през два процепа наведнъж, което води до интерференционна картина на екрана зад тях. Всички опити квантовите кентаври да бъдат поставени в прокрустовото легло на концепциите на класическата физика се оказаха безплодни.

4.8. Отношения на несигурност.Постоянна ħ определя особеностите не само на ротационното, но и на транслационното движение на елементарните частици. Неопределеността на положението и импулса на частицата трябва да отговаря на така наречените отношения на неопределеността на Хайзенберг (1901–1976), като напр.

Подобна връзка съществува за енергия и време:

4.9. Квантова механика.Както спиновото квантуване, така и отношенията на неопределеност са частни проявления на общите закони на квантовата механика, създадени през 20-те години на миналия век. Според квантовата механика всяка елементарна частица, например електрон, е както елементарна частица, така и елементарна (едночастична) вълна. Освен това, за разлика от обикновената вълна, която е периодично движение на колосален брой частици, елементарната вълна е нов, непознат досега тип движение на отделна частица. Елементарна дължина на вълната λ на частица с импулс стре равно на λ = з/|стр|, и елементарната честота ν съответстваща на енергията Е, е равно на ν = E/h.

4.10. Квантова теория на полето.И така, отначало бяхме принудени да признаем, че частиците могат да бъдат произволно леки и дори безмасови и че техните скорости не могат да надвишават ° С. Тогава бяхме принудени да признаем, че частиците изобщо не са частици, а особени хибриди на частици и вълни, чието поведение е комбинирано от квантово з. Обединяването на теорията на относителността и квантовата механика е извършено от Дирак (1902-1984) през 1930 г. и води до създаването на теория, наречена квантова теория на полето. Именно тази теория описва основните свойства на материята.

4.11. Единици, в които ° С, ħ = 1. По-нататък по правило ще използваме такива единици, в които се приема за единица скорост ° С, и за единица ъглов импулс (действие) - ħ . В тези единици всички формули са значително опростени. В тях, по-специално, размерите на енергията, масата и честотата са еднакви. Тези единици са приети във физиката на високите енергии, тъй като квантовите и релативистичните явления са от съществено значение в нея. В случаите, когато е необходимо да се подчертае квантовата природа на определено явление, ние изрично ще изпишем ħ . Ще направим същото с ° С.

4.12. Айнщайн и квантовата механика*.Айнщайн, в известен смисъл, родил квантовата механика, не се примири с нея. И до края на живота си той се опитва да изгради „единна теория за всичко“ на базата на класическата теория на полето, пренебрегвайки ħ . Айнщайн вярваше в класическия детерминизъм и в недопустимостта на случайността. Той повтаряше за Бог: „Той не играе на зарове“. И той не можа да се примири с факта, че моментът на разпадане на отделна частица не може да бъде предвиден по принцип, въпреки че средният живот на един или друг вид частица се предсказва в рамките на квантовата механика с безпрецедентна точност. За съжаление, неговите зависимости определиха възгледите на толкова много хора.

5. Диаграми на Файнман

5.1. Най-простата диаграма.Взаимодействията на частиците се разглеждат удобно с помощта на диаграми, предложени от Ричард Файнман (1918–1988) през 1949 г. 1 е показана най-простата диаграма на Фейнман, описваща взаимодействието на електрон и протон чрез обмен на фотон.

Стрелките на фигурата показват посоката на потока от време за всяка частица.

5.2. реални частици.Всеки процес съответства на една или повече диаграми на Файнман. Външните линии на диаграмата съответстват на входящите (преди взаимодействие) и изходящите (след взаимодействие) частици, които са свободни. Техният 4-момент p удовлетворява уравнението

Те се наричат ​​реални частици и се казва, че са на повърхността на масата.

5.3. виртуални частици.Вътрешните линии на диаграмите съответстват на частици във виртуално състояние. За тях

Те се наричат ​​виртуални частици и се казва, че са извън черупката. Разпространението на виртуална частица се описва с математическа величина, наречена пропагатор.

Тази обща терминология може да доведе начинаещия до идеята, че виртуалните частици са по-малко материални от реалните частици. В действителност те са еднакво материални, но ние възприемаме реалните частици като материя и радиация, а виртуалните – главно като силови полета, въпреки че това разграничение е до голяма степен произволно. Важно е една и съща частица, например фотон или електрон, да може да бъде реална при определени условия и виртуална при други.

5.4. върхове.Върховете на диаграмата описват локални актове на елементарни взаимодействия между частиците. Във всеки връх 4-импулсът се запазва. Лесно е да се види, че ако три линии от стабилни частици се срещат в един връх, тогава поне една от тях трябва да е виртуална, т.е. трябва да е извън масовата обвивка: „Боливар не може да разруши три“. (Например, свободен електрон не може да излъчва свободен фотон и да остане свободен електрон.)

Две реални частици взаимодействат от разстояние, обменяйки една или повече виртуални частици.

5.5. Разпространение.Ако се казва, че реалните частици се движат, тогава се казва, че виртуалните частици се разпространяват. Терминът "разпространение" подчертава факта, че една виртуална частица може да има много траектории и може да се окаже, че нито една от тях не е класическа, като виртуален фотон с нулева енергия и ненулев импулс, който описва статичното кулоново взаимодействие.

5.6. Античастици.Забележително свойство на диаграмите на Файнман е, че те описват както частиците, така и съответните античастици по единен начин. В този случай античастицата изглежда като частица, движеща се назад във времето. На фиг. Фигура 2 показва диаграма, показваща производството на протон и антипротон по време на анихилацията на електрон и позитрон.

Обръщането на времето важи еднакво за фермиони и бозони. Това прави ненужно тълкуването на позитроните като празни състояния в море от електрони с отрицателна енергия, към което прибягва Дирак, когато въвежда концепцията за античастица през 1930 г.

5.7. Диаграми на Швингер и Файнман.Швингер (1918–1994), който не е имал проблем с изчислителните трудности, не харесва диаграмите на Файнман и е написал малко снизходително за тях: „Като компютърен чип през последните години, диаграмата на Файнман донесе изчисленията на масите. За съжаление, за разлика от чипа, диаграмите на Файнман не достигнаха до най-широките маси.

5.8. Диаграми на Файнман и Файнман.По неизвестни причини диаграмите на Файнман дори не стигнаха до известните лекции на Файнман по физика. Убеден съм, че те трябва да бъдат доведени до гимназистите, като им се разяснят основните идеи на физиката на елементарните частици. Това е най-простият възглед за микрокосмоса и света като цяло. Ако ученикът знае концепцията за потенциална енергия (например законът на Нютон или законът на Кулон), тогава диаграмите на Файнман му позволяват да получи израз за тази потенциална енергия.

5.9. Виртуални частици и физически силови полета.Диаграмите на Файнман са най-простият език на квантовата теория на полето. (Поне в случаите, когато взаимодействието не е много силно и може да се използва теорията на смущенията.) В повечето книги по квантовата теория на полето частиците се третират като възбуждания на квантово поле, което изисква запознаване с втория формализъм за квантуване. На езика на диаграмите на Файнман полетата се заменят с виртуални частици.

Елементарните частици имат както корпускулярни, така и вълнови свойства. При това в реално състояние те са частици материя, а във виртуално състояние са и носители на сили между материалните обекти. След въвеждането на виртуални частици понятието сила става излишно, а с понятието поле, ако не е било познато преди, може би трябва да се запознае след усвояването на понятието виртуална частица.

5.10. Елементарни взаимодействия*. Елементарните актове на излъчване и поглъщане на виртуални частици (върхове) се характеризират с такива константи на взаимодействие като електрически заряд e в случай на фотон, слаби заряди e/sin θ Wв случая на W бозона и e/sin θ W cos θ Wв случая на Z-бозона (където θW- ъгъл на Вайнберг), цветен заряд жв случай на глуони и количеството √Gв случай на гравитон, където ге константа на Нютон. (Вижте гл. 6–10.) Електромагнитното взаимодействие се обсъжда по-долу в гл. 7. Слабо взаимодействие – в гл. 8. Силен – в гл. девет.

И ще започнем в следващата глава. 6 с гравитационно взаимодействие.

6. Гравитационно взаимодействие

6.1. Гравитони.Ще започна с частици, които все още не са открити и вероятно няма да бъдат открити в обозримо бъдеще. Това са частици от гравитационното поле – гравитони. Все още не са открити не само гравитоните, но и гравитационните вълни (и това е докато електромагнитните вълни буквално проникват в живота ни). Това се дължи на факта, че при ниски енергии гравитационното взаимодействие е много слабо. Както ще видим, теорията на гравитоните дава възможност да се разберат всички известни свойства на гравитационното взаимодействие.

6.2. Обмяна на гравитони.На езика на диаграмите на Файнман гравитационното взаимодействие на две тела се осъществява чрез обмен на виртуални гравитони между елементарните частици, които изграждат тези тела. На фиг. 3 гравитон се излъчва от частица с 4-импулс p 1 и се поглъща от друга частица с 4-импулс p 2 . Поради запазването на 4-импулса, q=p 1 − p′ 1 =p′ 2 −p 2 , където q е 4-импулсът на гравитона.

Разпределението на виртуален гравитон (той, както всяка виртуална частица, съответства на пропагатор) е показано на фигурата чрез пружина.

6.3. Водороден атом в гравитационното поле на Земята.На фиг. Фигура 4 показва сбора от диаграми, в които водороден атом с 4-импулс p 1 обменя гравитони с всички земни атоми с общ 4-импулс p 2 . И в този случай q = p 1 − p′ 1 = p′ 2 − p 2 , където q е общият 4-импулс на виртуалните гравитони.

6.4. Върху масата на атома.В бъдеще, когато разглеждаме гравитационното взаимодействие, ще пренебрегнем масата на електрона спрямо масата на протона, както и разликата в масите на протон и неутрон и енергията на свързване на нуклоните в атомните ядра. Така че масата на атома е приблизително сумата от масите на нуклоните в атомното ядро.

6.5. Печалба*. Броят на нуклоните на Земята N E ≈ 3,6 10 51 е равен на произведението на броя на нуклоните в един грам земна материя, т.е. числото на Авогадро N A ≈ 6 10 23 , от масата на Земята в грамове ≈ 6 10 27 . Следователно, диаграмата на фиг. 4 е сборът от 3.6·10 51 диаграмите на фиг. 3, което е белязано от удебеляването на линиите на Земята и виртуалните гравитони на фиг. 4. Освен това "гравитонната пружина", за разлика от пропагатора на един гравитон, е направена на фиг. 4 сиво. Изглежда, че съдържа 3,6·10 51 гравитона.

6.6. Ябълката на Нютон в гравитационното поле на Земята.На фиг. 5, всички атоми на ябълката, които имат общ 4-импулс p 1 , взаимодействат с всички атоми на Земята, които имат общ 4-импулс p 2 .

6.7. Брой диаграми*. Нека ви напомня, че един грам обикновена материя съдържа N A = 6·10 23 нуклона. Броят на нуклоните в 100 грама ябълка е N a = 100N A = 6 10 25 . Масата на Земята е 6 10 27 g и следователно броят на нуклоните на Земята N E = 3,6 10 51 . Разбира се, удебеляването на линиите на фиг. 5 по никакъв начин не съответства на огромния брой ябълкови нуклони N a , земни нуклони N E и много по-големия, просто фантастичен брой диаграми на Файнман N d = N a N E = 2,2·10 77 . В крайна сметка всеки нуклон на ябълката взаимодейства с всеки нуклон на Земята. За да се подчертае колосалния брой диаграми, пружината на фиг. 5 се прави тъмен.

Въпреки че взаимодействието на гравитон с единична елементарна частица е много малко, сборът от диаграмите за всички нуклони на Земята създава значително привличане, което усещаме. Универсалната гравитация привлича Луната към Земята, и двете към Слънцето, всички звезди в нашата Галактика и всички галактики една към друга.

6.8. Амплитудата на Файнман и нейното преобразуване на Фурие***.

Диаграмата на Фейнман на гравитационното взаимодействие на две бавни тела с маси m 1 и m 2 съответства на амплитудата на Файнман

където г- константа на Нютон, а q- 3-импульс, пренасян от виртуални гравитони. (Стойност 1/q2, където q- 4-импулс, наречен гравитонен пропагатор. В случай на бавни тела енергията практически не се прехвърля и следователно q2 = −q 2 .)

За да преминете от импулсното пространство към конфигурационното (координатното) пространство, трябва да вземете преобразуването на Фурие на амплитудата A( q)

Стойност A( r) дава потенциалната енергия на гравитационното взаимодействие на нерелативистки частици и определя движението на релативистка частица в статично гравитационно поле.

6.9. Потенциалът на Нютон*. Потенциалната енергия на две тела с маси m 1 и m 2 е

където г- константа на Нютон, а r- разстояние между телата.

Тази енергия се съдържа в „извора“ на виртуалните гравитони на фиг. 5. Взаимодействие, чийто потенциал намалява като 1/ r, се нарича дългосрочен. Използвайки трансформацията на Фурие, може да се види, че гравитацията е далечна, тъй като гравитонът е без маса.

6.10. Потенциален тип потенциал на Юкава**. Наистина, ако гравитонът имаше маса, различна от нула м, тогава амплитудата на Файнман за техния обмен ще има формата

и би съответствал на потенциал като потенциала на Юкава с радиус на действие r ≈ 1/м:

6.11. Относно потенциалната енергия**. В нерелативистичната механика на Нютон кинетичната енергия на частицата зависи от нейната скорост (импульс), докато потенциалната енергия зависи само от нейните координати, т.е. от нейното положение в пространството. В релативистичната механика такова изискване не може да се поддържа, тъй като самото взаимодействие на частиците често зависи от техните скорости (импульси) и следователно от кинетичната енергия. Въпреки това, за обикновени, доста слаби гравитационни полета, промяната в кинетичната енергия на частицата е малка в сравнение с нейната обща енергия и следователно тази промяна може да бъде пренебрегната. Общата енергия на нерелативистка частица в слабо гравитационно поле може да се запише като ε = Ерод + Е 0 + У.

6.12. Универсалност на гравитацията.За разлика от всички други взаимодействия, гравитацията има забележително свойство на универсалност. Взаимодействието на гравитон с която и да е частица не зависи от свойствата на тази частица, а зависи само от количеството енергия, което частицата притежава. Ако тази частица е бавна, тогава нейната енергия на покой Е 0 = mc 2, съдържаща се в неговата маса, далеч надхвърля кинетичната му енергия. И следователно гравитационното му взаимодействие е пропорционално на неговата маса. Но за достатъчно бърза частица, нейната кинетична енергия е много по-голяма от нейната маса. В този случай гравитационното му взаимодействие практически не зависи от масата и е пропорционално на кинетичната му енергия.

6.13. Завъртането на гравитона и универсалността на гравитацията**. По-точно, излъчването на гравитон е пропорционално не на простата енергия, а на тензора енергия-импульс на частицата. А това от своя страна се дължи на факта, че спинът на гравитона е равен на две. Нека 4-импулсът на частицата преди излъчването на гравитона е стр 1 и последваща емисия стр 2. Тогава импулсът на гравитона е q = стр 1 − стр 2. Ако въведем обозначението стр = стр 1 + стр 2, тогава връхът на гравитонно излъчване ще изглежда така

където h αβ е гравитонната вълнова функция.

6.14. Взаимодействие на гравитон с фотон**. Това се вижда особено ясно на примера на фотон, чиято маса е равна на нула. Експериментално е доказано, че когато фотон лети от долния етаж на сградата до горния етаж, неговият импулс намалява под въздействието на земната гравитация. Също така е доказано, че лъч светлина от далечна звезда се отклонява от гравитационното привличане на Слънцето.

6.15. Взаимодействие на фотон със Земята**. На фиг. 6 показва обмена на гравитони между Земята и фотон. Тази цифра условно представлява сумата от числата на гравитонния обмен на фотон с всички нуклони на Земята. На него земният връх се получава от нуклонния като се умножи по броя на нуклоните в Земята N E със съответното заместване на 4-импулса на нуклона с 4-импулса на Земята (виж фиг.3).

6.16. Взаимодействие на гравитон с гравитон***. Тъй като гравитоните носят енергия, те самите трябва да излъчват и абсорбират гравитони. Не сме виждали отделни реални гравитони и никога няма да ги видим. Въпреки това, взаимодействието между виртуалните гравитони води до наблюдаваните ефекти.На пръв поглед приносът на три виртуални гравитона към гравитационното взаимодействие на два нуклона е твърде малък, за да бъде открит (виж фиг.7).

6.17. Светската прецесия на Меркурий**. Този принос обаче се проявява в прецесията на перихелия на орбитата на Меркурий. Светската прецесия на Меркурий се описва чрез сбора от едноконтурни гравитонни диаграми на привличането на Меркурий към Слънцето (фиг. 8).

6.18. Печалба за Меркурий**. Съотношението на масите на Меркурий и Земята е 0,055. И така, броят на нуклоните в Меркурий НМ = 0,055 N E= 2 10 50 . маса на слънцето Г-ЦА= 2 10 33 г. Значи броят на нуклоните в Слънцето N S = N A M S= 1,2 10 57 . И броят на диаграмите, описващи гравитационното взаимодействие на нуклоните на Меркурий и Слънцето, NdM= 2,4 10 107 .

Ако потенциалната енергия на привличане на Меркурий към Слънцето е У = GM S M M/r, то след като се вземе предвид обсъжданата корекция за взаимодействието на виртуалните гравитони един с друг, тя се умножава по коефициента 1 − 3 GM S/r. Виждаме, че корекцията на потенциалната енергия е -3 G 2 M S 2 M M /r 2.

6.19. Орбита на Меркурий**. Радиус на орбитата на Меркурий а= 58 10 6 км. Орбиталният период е 88 земни дни. Орбитален ексцентриситет д= 0,21. Поради обсъжданата корекция, за един оборот голямата полуос на орбитата се завърта на ъгъл от 6π GM S/а(1 − д 2), тоест около една десета от дъговата секунда и се върти с 43 "" за 100 земни години.

6.20. Гравитационно изместване на Ламб**. Всеки, който е изучавал квантовата електродинамика, веднага ще види, че диаграмата на фиг. 7 е подобна на триъгълна диаграма, описваща честотното (енергийно) изместване на ниво 2 С 1/2 спрямо ниво 2 П 1/2 във водородния атом (където триъгълникът се състои от един фотон и две електронни линии). Това изместване е измерено през 1947 г. от Lamb и Riserford и е установено, че е 1060 MHz (1,06 GHz).

Това измерване стартира верижна реакция на теоретична и експериментална работа, която доведе до създаването на квантовата електродинамика и диаграми на Файнман. Честотата на прецесията на Меркурий е с 25 порядъка по-малка.

6.21. Класически или квантов ефект?**. Добре известно е, че Ламб изместването на нивото на енергията е чисто квантов ефект, докато прецесията на Меркурий е чисто класически ефект. Как могат да бъдат описани с подобни диаграми на Файнман?

За да отговорим на този въпрос, трябва да запомним връзката Е = ħω и вземете предвид, че трансформацията на Фурие по време на прехода от импулс към конфигурационно пространство в Разд. 6.8 съдържа e икв / ħ . Освен това трябва да се има предвид, че в електромагнитния триъгълник с изместване на Ламб има само една линия на безмасова частица (фотон), а другите две са електронни разпространители. Следователно характерните разстояния в него се определят от масата на електрона (Комптоновата дължина на вълната на електрона). А в прецесионния триъгълник на Меркурий има два разпространителя на безмасова частица (гравитон). Това обстоятелство, поради пика на три гравитона, води до факта, че гравитационният триъгълник дава принос на несравнимо по-големи разстояния от електромагнитния. Това сравнение показва силата на квантовата теория на полето в метода на диаграмите на Файнман, които улесняват разбирането и изчисляването на широк спектър от явления, както квантови, така и класически.

7. Електромагнитно взаимодействие

7.1. електрическо взаимодействие.Електрическото взаимодействие на частиците се осъществява чрез обмен на виртуални фотони, както е на фиг. деветнадесет.

Фотоните, подобно на гравитоните, също са безмасови частици. Така че електрическото взаимодействие също е на дълъг обхват:

Защо не е толкова универсален, колкото гравитацията?

7.2. положителни и отрицателни заряди.Първо, защото има електрически заряди от два знака. И второ, защото има неутрални частици, които изобщо нямат електрически заряд (неутрон, неутрино, фотон...). Частици със заряди с противоположни знаци, като електрон и протон, се привличат една към друга. Частиците с еднакъв заряд се отблъскват. В резултат на това атомите и съставените от тях тела са основно електрически неутрални.

7.3. неутрални частици.Неутронът съдържа u-кварк със заряд +2 д/3 и две д-кварк със заряд − д/3. Така общият заряд на неутрона е нула. (Припомнете си, че един протон съдържа две u-кварк и един д-кварк.) Наистина елементарните частици, които нямат електрически заряд, са фотон, гравитон, неутрино, З-бозон и бозон на Хигс.

7.4. Кулонов потенциал.Потенциална енергия на привличане на електрон и протон, разположени на разстояние rедин от друг, е

7.5. Магнитно взаимодействие.Магнитното взаимодействие не е толкова далечно, колкото електрическото. Пада като 1/ r 3 . Зависи не само от разстоянието между двата магнита, но и от тяхната взаимна ориентация. Добре известен пример е взаимодействието на стрелка на компас с полето на магнитния дипол на Земята. Потенциална енергия на взаимодействие на два магнитни дипола μ 1 и μ 2 равни

където н = r/r.

7.6. Електромагнитно взаимодействие.Най-голямото постижение на 19-ти век е откритието, че електрическите и магнитните сили са две различни проявления на една и съща електромагнитна сила. През 1821 г. М. Фарадей (1791–1867) изследва взаимодействието на магнит и проводник с ток. Десетилетие по-късно той установява законите на електромагнитната индукция при взаимодействието на два проводника. През следващите години той въвежда концепцията за електромагнитното поле и изразява идеята за електромагнитната природа на светлината. През 1870-те Дж. Максуел (1831-1879) осъзнава, че електромагнитното взаимодействие е отговорно за широк клас оптични явления: излъчване, трансформация и поглъщане на светлината и пише уравнения, описващи електромагнитното поле. Скоро Г. Херц (1857–1894) открива радиовълните, а В. Рентген (1845–1923) открива рентгеновите лъчи. Цялата ни цивилизация се основава на прояви на електромагнитни взаимодействия.

7.7. Обединяване на теорията на относителността и квантовата механика.Най-важният етап в развитието на физиката е 1928 г., когато се появява статия на П. Дирак (1902–1984), в която той предлага квантово и релативистко уравнение за електрона. Това уравнение съдържаше магнитния момент на електрона и показваше съществуването на античастица на електрона – позитрон, открит няколко години по-късно. След това квантовата механика и теорията на относителността се сляха в квантовата теория на полето.

Фактът, че електромагнитните взаимодействия се причиняват от излъчването и поглъщането на виртуални фотони, стана напълно ясен едва в средата на 20-ти век с появата на диаграмите на Файнман, т.е. след като ясно се оформи концепцията за виртуална частица.

8. Слабо взаимодействие

8.1. Ядрени взаимодействия.В началото на 20-ти век атомът и неговото ядро ​​са открити и α -, β - и γ лъчи, излъчвани от радиоактивни ядра. Както се оказа, γ Лъчите са фотони с много висока енергия. β лъчите са електрони с висока енергия α лъчите са хелиеви ядра. Това доведе до откриването на два нови типа взаимодействия – силно и слабо. За разлика от гравитационните и електромагнитните взаимодействия, силните и слабите взаимодействия са къси.

По-късно беше установено, че те са отговорни за превръщането на водорода в хелий в нашето Слънце и други звезди.

8.2. Заредени токове*. Слабата сила е отговорна за превръщането на неутрон в протон с излъчване на електрон и електронно антинеутрино. Голям клас от слаби процеси на взаимодействие се основава на трансформацията на кварки от един тип в кварки от друг тип с излъчване (или поглъщане) на виртуални У-бозони: u, ° С, т ↔ д, с, б. По същия начин за емисия и абсорбция У-бозони, има преходи между заредени лептони и съответните неутрино:

д ↔ ν д , μ ↔ ν μ , τ ↔ ν τ . Преходи от типа dˉu ↔ Уи eˉν e ↔ У. Във всички тези преходи, включващи У-бозоните включват така наречените заредени токове, които променят зарядите на лептоните и кварките с единица. Слабото взаимодействие на заредените токове е късообхватно, описва се с потенциала на Юкава e -mWr /r, така че ефективният му радиус е r ≈ 1/mW.

8.3. Неутрални токове*. През 70-те години на миналия век са открити процеси на слабо взаимодействие между неутрино, електрони и нуклони, поради т. нар. неутрални токове. През 80-те години на миналия век беше експериментално установено, че взаимодействията на заредените токове се осъществяват чрез обмен У-бозони, а взаимодействието на неутрални токове - чрез обмен З- бозони.

8.4. Нарушение П- и CP- паритет*. През втората половина на 50-те години е открито нарушение на паритета Пи паритет на заряда ° Спри слаби взаимодействия. През 1964 г. са открити слаби разпади, които нарушават консервацията CP-симетрии. В момента механизмът на нарушението CP-симетриите се изследват при разпадите на мезони, съдържащи б-кварки.

8.5. Неутрино осцилации*. През последните две десетилетия вниманието на физиците беше приковано към измервания, извършени на подземни килотонни детектори в Камиока (Япония) и Съдбъри (Канада). Тези измервания показаха, че между трите вида неутрино ν e , ν μ , ν τвзаимните преходи (трептения) се случват във вакуум. Естеството на тези трептения се изяснява.

8.6. електрослабо взаимодействие.През 60-те години на миналия век е формулирана теория, според която електромагнитното и слабото взаимодействие са различни прояви на едно единствено електрослабо взаимодействие. Ако имаше строга електрослаба симетрия, тогава масите У- и З-бозоните биха били равни на нула като масата на фотона.

8.7. Нарушаване на електрослабата симетрия.В рамките на стандартния модел бозонът на Хигс нарушава електрослабата симетрия и по този начин обяснява защо фотонът е безмасов, а слабите бозони са масивни. Той също така дава маси на лептони, кварки и себе си.

8.8. Какво трябва да знаете за Хигс.Една от основните задачи на Големия адронен колайдер LHC е откриването на Хигс бозона (който просто се нарича Хигс и означава зили Х) и последващото установяване на неговите имоти. На първо място, измерването на неговите взаимодействия с У- и З-бозони, с фотони, както и неговите самовзаимодействия, т.е. изследване на върховете, съдържащи три и четири Хигс: h 3 и h 4 , и неговите взаимодействия с лептони и кварки, особено с горния кварк. В рамките на стандартния модел има ясни прогнози за всички тези взаимодействия. Експерименталната им проверка представлява голям интерес от гледна точка на търсенето на "нова физика" отвъд Стандартния модел.

8.9. Ами ако няма Хигс?Ако, от друга страна, се окаже, че Хигс не съществува в масовия интервал от порядъка на няколко стотици GeV, тогава това ще означава, че при енергии над TeV има нова, абсолютно неизследвана област, където взаимодействията У- и З-бозоните стават непертурбативно силни, т.е. не могат да бъдат описани от теорията на смущенията. Изследванията в тази област ще донесат много изненади.

8.10. Лептонови колайдери на бъдещето.За да се извърши цялата тази изследователска програма, в допълнение към LHC, може да се наложи да се изградят лептонни колайдери:

ILC (International Linear Collider) с енергия на сблъсък от 0,5 TeV,

или CLIC (Compact Linear Collider) с енергия на сблъсък от 1 TeV,

или MC (Muon Collider) с енергия на сблъсък от 3 TeV.

8.11. Линейни електрон-позитронни колайдери. ILC – Международен линеен колайдер, при който електрони се сблъскват с позитрони, както и фотони с фотони. Решението за изграждането му може да бъде взето едва след като стане ясно дали Хигс съществува и каква е неговата маса. Една от предложените строителни площадки на ILC е в близост до Дубна. CLIC - Компактен линеен електронен и позитронен колайдер. Проектът се разработва в ЦЕРН.

8.12. Мюонен колайдер. MS - Мюонният колайдер е замислен за първи път от G. I. Budker (1918–1977). През 1999 г. в Сан Франциско се провежда Петата международна конференция „Физически потенциал и развитие на мюонни колайдери и неутрино фабрики“. В момента проектът MS се разработва в Националната лаборатория Ферми и може да бъде реализиран след 20 години.

9. Силно взаимодействие

9.1. Глуони и кварки.Силната сила задържа нуклони (протони и неутрони) вътре в ядрото. Тя се основава на взаимодействието на глуони с кварки и взаимодействието на глуони с глуони. Това е самодействието на глуоните, което води до факта, че въпреки факта, че масата на глуона е нула, точно както масите на фотона и гравитона са равни на нула, обменът на глуони не води до глуон взаимодействие на далечни разстояния, подобно на фотонното и гравитонното. Нещо повече, това води до липса на свободни глуони и кварки. Това се дължи на факта, че сборът от един-глюонов обмен се заменя с глюонова тръба или нишка. Взаимодействието на нуклоните в ядрото е подобно на силите на Ван дер Ваалс между неутралните атоми.

9.2. Ограничение и асимптотична свобода.Феноменът на ограничаване на глуони и кварки от адрони се нарича конфайнмент. Обратната страна на динамиката, водеща до ограничаване, е, че на много малки разстояния дълбоко в адроните взаимодействието между глуони и кварки постепенно отпада. Кварките изглежда се освобождават на малки разстояния. Това явление се нарича терминът асимптотична свобода.

9.3. Кваркови цветове.Феноменът на задържането е следствие от факта, че всеки от шестте кварка съществува сякаш под формата на три "цветни" разновидности. Кварките обикновено са "оцветени" в жълти, сини и червени цветове. Антикварките са боядисани в допълнителни цветове: лилаво, оранжево, зелено. Всички тези цветове означават особените заряди на кварките - "многоизмерни аналози" на електрическия заряд, отговорен за силните взаимодействия. Разбира се, няма връзка, освен метафорична, между цветовете на кварките и обикновените оптични цветове.

9.4. Глуонни цветове.Семейството цветни глуони е още по-многобройно: има осем от тях, от които две са идентични с техните античастици, а останалите шест не са. Взаимодействията на цветните заряди се описват от квантовата хромодинамика и определят свойствата на протона, неутрона, всички атомни ядра и свойствата на всички адрони. Фактът, че глуоните носят цветни заряди, води до явлението задържане на глюон-кварк, което означава, че цветните глуони и кварки не могат да избягат от адроните. Ядрените сили между безцветните (бели) адрони са слаб ехо от мощните цветни взаимодействия в адроните. Това е подобно на малкостта на молекулярните връзки в сравнение с вътрешноатомните.

9.5. Маси от адрони.Масите на адроните като цяло и нуклоните в частност се дължат на самодействието на глюона. Така масата на цялата видима материя, която съставлява 4–5% от енергията на Вселената, се дължи именно на самодействието на глуоните.

10. Стандартен модел и извън него

10.1. 18 частици от Стандартния модел.Всички известни фундаментални частици естествено попадат в три групи:

6 лептона(завъртане 1/2):
3 неутрино: ν д , ν μ , ν τ ;
3 заредени лептона: д, μ , τ ;
6 кварка(завъртане 1/2):
u,° С, т,
д, с, б;
6 бозона:
g̃ - гравитон (завъртане 2),
γ , У, З, ж- глуони (спин 1),
з- Хигс (въртене 0).

10.2. Отвъд стандартния модел. 96% от енергията на Вселената е извън Стандартния модел и чака да бъде открита и проучена. Има няколко основни предположения за това как може да изглежда новата физика (вижте раздели 10.3–10.6 по-долу).

10.3. Страхотен съюз.Огромен брой работи, предимно теоретични, са посветени на обединяването на силните и електрослабите взаимодействия. Повечето от тях предполагат, че това се случва при енергии от порядъка на 10 16 GeV. Такъв съюз трябва да доведе до разпадането на протона.

10.4. суперсиметрични частици.Според идеята за суперсиметрията, родена за първи път във FIAN, всяка „наша“ частица има суперпартньор, чийто спин се различава с 1/2: 6 скварки и 6 слиптона със спин 0, higgsino, photino, wine и zino със спин 1/ 2, гравитино ко спин 3/2. Масите на тези суперпартньори трябва да са значително по-големи от тези на нашите частици. Иначе щяха да отворят отдавна. Някои от суперпартньорите могат да бъдат открити, когато Големият адронен колайдер започне да функционира.

10.5. Суперструни.Хипотезата за суперсиметрията се развива от хипотезата за съществуването на суперструни, които живеят на много малки разстояния от порядъка на 10 −33 cm и съответните енергии от 10 19 GeV. Много физици-теоретици се надяват, че въз основа на идеите за суперструните ще бъде възможно да се изгради единна теория за всички взаимодействия, която не съдържа свободни параметри.

10.6. огледални частици.Според идеята за огледалната материя, която за първи път се роди в ITEP, всяка от нашите частици има огледален близнак и има огледален свят, който е много слабо свързан с нашия свят.

10.7. Тъмна материя.Само 4-5% от цялата енергия във Вселената съществува като маса от обикновена материя. Около 20% от енергията на Вселената се съдържа в така наречената тъмна материя, за която се смята, че се състои от суперчастици, или огледални частици, или някакви други неизвестни частици. Ако частиците на тъмната материя са много по-тежки от обикновените частици и ако, сблъсквайки се помежду си в космоса, те се анихилират в обикновени фотони, тогава тези високоенергийни фотони могат да бъдат регистрирани от специални детектори в космоса и на Земята. Изясняването на природата на тъмната материя е една от основните задачи на физиката.

10.8. Тъмна енергия.Но по-голямата част от енергията на Вселената (около 75%) се дължи на така наречената тъмна енергия. Той се „излива“ през вакуума и разтласква куповете галактики. Неговата природа все още не е ясна.

11. Елементарни частици в Русия и света

11.1. Указ на президента на Руската федерация.На 30 септември 2009 г. е издаден Указ на президента на Руската федерация „За допълнителни мерки за изпълнение на пилотния проект за създаване на Национален изследователски център „Курчатовски институт““. Постановлението предвижда участие в проекта на следните организации: Института по ядрена физика в Санкт Петербург, Института по физика на високите енергии и Института по теоретична и експериментална физика. Постановлението също така предвижда „включване на посочената институция като най-значимата научна институция във ведомствената структура на разходите на федералния бюджет като главен разпоредител на бюджетните средства“. Този указ може да допринесе за връщането на физиката на елементарните частици в редицата приоритетни области за развитие на науката у нас.

11.2. Изслушвания в Конгреса на САЩ 1.На 1 октомври 2009 г. се проведоха изслушвания в Подкомисията по енергетика и околна среда към Комисията по наука и технологии на Камарата на представителите на САЩ на тема „Изследване на природата на материята, енергията, пространството и времето“. Бюджетният кредит на Министерството на енергетиката за 2009 г. за тази програма е 795,7 милиона долара. Професорът от Харвардския университет Лиза Рандал очерта възгледите за материята, енергията и произхода на Вселената от гледна точка на бъдещата теория на струните. Директорът на Националната лаборатория на Ферми (Батавия) Пиер Одоун говори за състоянието на физиката на елементарните частици в САЩ и по-специално за предстоящото завършване на Tevatron и началото на съвместна работа на FNAL и подземната лаборатория DUSEL за изследване на свойства на неутрино и редки процеси. Той подчерта важността на участието на американски физици в проекти по физика на високите енергии в Европа (LHC), Япония (JPARC), Китай (PERC) и международния космически проект (GLAST, наскоро кръстен на Ферми).

11.3. Изслушвания в Конгреса на САЩ 2.Директорът на Националната лаборатория на Джеферсън Хю Монтгомъри говори за приноса на тази лаборатория към ядрената физика, ускорителните технологии и образователните програми. Денис Ковар, директор на отдела по физика на високите енергии на Министерството на енергетиката, говори за трите основни области на физиката на високите енергии:

1) изследвания на ускорителя при максимални енергии,

2) ускорителни изследвания при максимални интензитети,

3) наземно и сателитно изследване на космоса, за да се изясни природата на тъмната материя и тъмната енергия,

и три основни направления в ядрената физика:

1) изследване на силни взаимодействия на кварки и глуони,

2) изучаването на това как атомните ядра са се образували от протони и неутрони,

3) изследване на слаби взаимодействия, включващи неутрино.

12. За фундаменталната наука

12.1. Какво е фундаментална наука.От горния текст става ясно, че аз, както повечето учени, наричам фундаментална наука тази част от науката, която установява най-фундаменталните закони на природата. Тези закони лежат в основата на пирамидата на науката или нейните отделни етажи. Те определят дългосрочното развитие на цивилизацията. Има обаче хора, които наричат ​​фундаментална наука онези раздели на науката, които имат най-голямо пряко въздействие върху моментните постижения в развитието на цивилизацията. На мен лично ми се струва, че тези раздели и направления се наричат ​​по-добре приложна наука.

12.2. Корени и плодове.Ако фундаменталната наука може да се сравни с корените на едно дърво, то приложната наука може да се сравни с неговите плодове. Големи технологични открития като мобилни телефони или оптични комуникации са плод на науката.

12.3. А. И. Херцен за науката.През 1845 г. Александър Иванович Херцен (1812–1870) публикува в списание „Отечественные записки“ забележителните „Писма за изследване на природата“. В края на първото писмо той пише: „Науката изглежда трудна, не защото наистина е трудна, а защото в противен случай няма да достигнете до нейната простота, като пробиване през мрака на онези готови концепции, които ви пречат да видите директно. Нека онези, които се изявяват, знаят, че целият арсенал от ръждясали и безполезни инструменти, които сме наследили от схоластиката, е безполезен, че е необходимо да се пожертват възгледите, формулирани извън науката, че, без да се изхвърлят всички наполовина лъжи, с което за яснота се обличат полуистиничовек не може да влезе в науката, не може да достигне до цялата истина.

12.4. За намаляването на училищните програми.Съвременните програми по физика в училище могат да включват активно овладяване на елементи от теорията на елементарните частици, теорията на относителността и квантовата механика, ако намалим онези раздели в тях, които са предимно описателни по природа и повишим „ерудицията“ на детето, вместо разбиране на света наоколо и способност за живот и създаване.

12.5. Заключение.Би било редно Президиумът на Руската академия на науките да отбележи важността на ранното запознаване на младите хора с мироглед, основан на постиженията на теорията на относителността и квантовата механика, и да инструктира комисиите на Президиума на Руската академия на науките по учебници (председател - заместник-председател В. В. Козлов) и по образование (председател - заместник-председател - председател В. А. Садовничий) за изготвяне на предложения за подобряване на обучението по съвременна фундаментална физика в средните и висшите училища.

Описание

За да може една връзка да се нарече физически закон, тя трябва да отговаря на следните изисквания:

• емпирично потвърждение. Един физически закон се счита за верен, ако е потвърден от многократни експерименти.
• Универсалност. Законът трябва да е справедлив за голям брой обекти. В идеалния случай - за всички обекти във Вселената.
• Устойчивост. Физическите закони не се променят с времето, въпреки че могат да бъдат разпознати като приближения към по-точни закони.

Физическите закони обикновено се изразяват като кратко устно твърдение или компактна математическа формула:

Примери

Основна статия: Списък на физическите закони

Някои от най-известните физически закони са:

Закони-принципи

Някои физически закони са универсални по природа и са дефиниции по своята същност. Такива закони често се наричат ​​принципи. Те включват например втория закон на Нютон (определение на силата), закона за запазване на енергията (дефиниция на енергията), принципа на най-малкото действие (определение на действието) и т.н.

Закони-следствия от симетриите

Част от физическите закони са прости последствия от определени симетрии, които съществуват в системата. И така, законите за запазване според теоремата на Ньотер са следствие от симетрията на пространството и времето. А принципът на Паули, например, е следствие от идентичността на електроните (антисиметрията на тяхната вълнова функция по отношение на пермутацията на частиците).

Сближаване на законите

Всички физически закони са следствие от емпирични наблюдения и са верни със същата точност, с която са верни експерименталните наблюдения. Това ограничение не ни позволява да твърдим, че някой от законите е абсолютен. Известно е, че някои от законите очевидно не са абсолютно точни, а са приблизителни към по-точните. И така, законите на Нютон са валидни само за достатъчно масивни тела, движещи се със скорост, много по-малка от скоростта на светлината. По-точни са законите на квантовата механика и специалната теория на относителността. Те обаче от своя страна са приближения на по-точни уравнения на квантовата теория на полето.

Вижте също

Бележки

Фондация Уикимедия. 2010 г.

Вижте какво е "Право (физика)" в други речници:

ФИЗИКА. 1. Предмет и структура на физиката Ф. науката, която изучава най-простото и същевременно най-много. общи свойства и закони на движение на обектите от заобикалящия ни материален свят. В резултат на тази обобщеност няма природни явления, които да нямат физически. Имоти... Физическа енциклопедия

Наука, която изучава най-простите и в същото време най-общите закономерности на природните явления, принципите и структурата на материята и законите на нейното движение. Концепциите на Ф. и неговите закони са в основата на цялата естествена наука. Ф. принадлежи към точните науки и изучава количества... Физическа енциклопедия

Законът за праволинейното разпространение на светлината: в прозрачна хомогенна среда светлината се разпространява по прави линии. Във връзка със закона за праволинейно разпространение на светлината се появи концепцията за светлинен лъч, който има геометрично значение като ... ... Wikipedia

ФИЗИКА- ФИЗИКА, наука, която изучава, заедно с химията, общите закони на преобразуването на енергията и материята. И двете науки се основават на два основни закона на естествената наука - законът за запазване на масата (законът на Ломоносов, Лавоазие) и законът за запазване на енергията (R. Mayer, Jaul ... ... Голяма медицинска енциклопедия

Законът на Мариот на Бойл е един от основните закони за газа. Законът е кръстен на ирландския физик, химик и философ Робърт Бойл (1627 1691), който го открива през 1662 г., а също и в чест на френския физик Едме Мариот (1620 1684), който открива ... ... Wikipedia

Статистическа физика Термодинамика Молекулярно-кинетична теория Статистика ... Wikipedia

Законът за ненамаляваща ентропия: "В изолирана система ентропията не намалява." Ако в даден момент от време затворена система е в неравновесно макроскопско състояние, тогава в следващите моменти от времето най-вероятната последица ... ... Wikipedia

Законът за обратната връзка между обхвата и съдържанието на понятието е законът на формалната логика за връзката между промените в обхвата и съдържанието на понятието. Ако първото понятие е по-широко от второто по обхват, то е по-бедно по съдържание; ако ... ... Уикипедия

- (а. физика на експлозия; n. Physik der Explosion; е. physique de l explosion; i. fisica de explosion, fisica de estallido, fisica de detonacion) е наука, която изучава феномена на експлозия и механизма на нейното действие в среда. Механична повреда.... Геологическа енциклопедия

- (физика на течното състояние на материята) клон на физиката, в който се изучават механичните и физичните свойства на течностите. Статистическата теория на течностите е клон на статистическата физика. Най-важният резултат е извеждането на уравнения ... ... Уикипедия

Нито една сфера на човешката дейност не може без точните науки. И колкото и сложни да са човешките взаимоотношения, те също се свеждат до тези закони. предлага да запомните законите на физиката, които човек среща и преживява всеки ден от живота си.

Най-простият, но най-важен закон е Законът за запазване и преобразуване на енергията.

Енергията на всяка затворена система остава постоянна за всички процеси, протичащи в системата. И ние сме в такава затворена система и сме. Тези. колко даваме, толкова получаваме. Ако искаме да получим нещо, трябва да дадем същата сума преди това. И нищо друго!

И ние, разбира се, искаме да получим голяма заплата, но не и да ходим на работа. Понякога се създава илюзия, че „глупаците са късметлии“ и щастието пада върху главите им за мнозина. Прочетете всяка приказка. Героите постоянно трябва да преодоляват огромни трудности! След това плувайте в студена вода, след това във вряща вода.

Мъжете привличат вниманието на жените с ухажване. Жените от своя страна се грижат за тези мъже и деца. И т.н. Така че, ако искате да получите нещо, първо се постарайте да дадете.

Силата на действие е равна на силата на реакция.

Този закон на физиката по принцип отразява предишния. Ако човек е извършил негативен акт – съзнателно или не – и след това е получил отговор, т.е. опозиция. Понякога причината и следствието са разделени във времето и не можете веднага да разберете откъде духа вятърът. Най-важното трябва да помним, че нищо не се случва просто така.

Законът на лоста.

Архимед възкликна: Дайте ми опора и аз ще преместя Земята!". Всяка тежест може да се носи, ако изберете правилния лост. Винаги трябва да прецените колко време ще е необходим лост за постигане на определена цел и да направите заключение за себе си, да зададете приоритети: трябва ли да похарчите толкова много усилия, за да създадете правилния лост и да преместите това тегло, или е по-лесно да напуснете той сам и извършва други дейности.

Правилото на гиллета.

Правилото е, че указва посоката на магнитното поле. Това правило отговаря на вечния въпрос: кой е виновен? И посочва, че ние самите сме виновни за всичко, което ни се случва. Колкото и обидно да е, колкото и да е трудно, колкото и на пръв поглед да е несправедливо, винаги трябва да сме наясно, че ние самите сме били причината от самото начало.

закон на нокътя.

Когато човек иска да забие пирон, той не чука някъде близо до пирона, той чука точно по главата на пирона. Но самите нокти не се изкачват в стените. Винаги трябва да изберете правилния чук, за да не счупите гвоздея с чук. И когато отбелязвате, трябва да изчислите удара, така че шапката да не се огъва. Бъдете прости, грижете се един за друг. Научете се да мислите за ближния си.

И накрая, законът за ентропията.

Ентропията е мярка за разстройството на системата. С други думи, колкото повече хаос е в системата, толкова по-голяма е ентропията. По-точна формулировка: при спонтанни процеси, протичащи в системите, ентропията винаги нараства. По правило всички спонтанни процеси са необратими. Те водят до реални промени в системата и е невъзможно да се върне в първоначалното й състояние без изразходване на енергия. В същото време е невъзможно да се повтори точно (100%) първоначалното му състояние.

За да разберем по-добре за какъв ред и безпорядък говорим, нека си поставим експеримент. Изсипете черни и бели пелети в стъклен буркан. Нека първо сложим черните, след това белите. Пелетите ще бъдат подредени на два слоя: черни отдолу, бели отгоре - всичко е наред. След това разклатете буркана няколко пъти. Пелетите ще се смесят равномерно. И колкото и да разклащаме тогава този буркан, едва ли ще успеем да постигнем, че пелетите отново са подредени на два слоя. Ето го, ентропията в действие!

Състоянието, когато пелетите са били подредени на два слоя, се счита за подредено. Състоянието, когато пелетите са равномерно смесени, се счита за неуредено. Необходимо е почти чудо, за да се върнете в подредено състояние! Или многократна старателна работа с пелети. И не са необходими почти никакви усилия, за да се направи хаос в банка.

Колело на кола. Когато се изпомпва, има излишък от свободна енергия. Колелото може да се движи, което означава, че работи. Това е редът. Ами ако пробиете колело? Налягането в него ще спадне, свободната енергия ще „излезе“ в околната среда (разсейва се) и такова колело вече няма да може да работи. Това е хаос. За да върнете системата в първоначалното й състояние, т.е. за да подредите нещата, трябва да свършите много работа: да залепите камерата, да монтирате колелото, да го напомпате и т.н., след което отново е необходимо нещо, което може да бъде полезно.

Топлината се предава от горещо тяло към студено, а не обратното. Обратният процес теоретично е възможен, но на практика никой няма да се заеме с това, тъй като ще са необходими огромни усилия, специални инсталации и оборудване.

Също и в обществото. Хората остаряват. Къщите се рушат. Скалите потъват в морето. Галактиките са разпръснати. Всяка реалност около нас спонтанно има тенденция към безпорядък.

Въпреки това хората често говорят за разстройството като свобода: Не, не искаме ред! Дайте ни такава свобода, че всеки да прави каквото си иска!» Но когато всеки прави каквото си иска, това не е свобода - това е хаос. В наше време мнозина хвалят разстройството, насърчават анархията - с една дума всичко, което разрушава и разделя. Но свободата не е в хаоса, свободата е точно в реда.

Организирайки живота си, човек създава резерв от свободна енергия, която след това използва за изпълнение на плановете си: работа, учене, отдих, творчество, спорт и т.н. С други думи, противопоставя се на ентропията. Иначе как бихме могли да натрупаме толкова много материални ценности през последните 250 години?!

Ентропията е мярка за безпорядък, мярка за необратимото разсейване на енергията. Колкото повече ентропия, толкова повече безпорядък. Къща, в която никой не живее, се разпада. Желязото ръждясва с времето, колата остарява. Връзките, за които никой не се интересува, ще се разпаднат. Както и всичко останало в живота ни, абсолютно всичко!

Естественото състояние на природата не е равновесие, а увеличаване на ентропията. Този закон работи неумолимо в живота на един човек. Той не трябва да прави нищо, за да увеличи своята ентропия, това се случва спонтанно, според закона на природата. За да намалите ентропията (разстройството), трябва да положите много усилия. Това е един вид шамар на глупаво позитивни хора (под лежащ камък и вода не тече), от които има доста!

Поддържането на успех изисква постоянни усилия. Ако не се развиваме, значи деградираме. И за да запазим това, което имахме преди, трябва да направим повече днес, отколкото направихме вчера. Нещата могат да се поддържат в ред и дори да се подобрят: ако боята на една къща е избледняла, тя може да бъде пребоядисана и дори по-красива от преди.

Хората трябва да се опитат да „умиротворят“ произволното деструктивно поведение, което преобладава навсякъде в съвременния свят, да се опитат да намалят състоянието на хаос, което сме разпръснали до грандиозни граници. И това е физически закон, а не просто бърборене за депресия и негативно мислене. Всичко или се развива, или деградира.

Жив организъм се ражда, развива се и умира и никой никога не е забелязал, че след смъртта той се съживява, става по-млад и се връща в семето или утробата. Когато казват, че миналото никога не се връща, тогава, разбира се, имат предвид преди всичко тези жизненоважни явления. Развитието на организмите задава положителната посока на стрелата на времето и преминаването от едно състояние на системата в друго става винаги в една и съща посока за всички процеси без изключение.

Валериан Чупин

Източник на информация: Чайковски.Новини

Коментари (3)

Богатството на съвременното общество нараства и ще нараства все по-голяма, главно чрез всеобщия труд. Индустриалният капитал е първата историческа форма на обществено производство, когато универсалният труд започва да се експлоатира интензивно. И първо тази, която получи безплатно. Науката, както отбелязва Маркс, не струва нищо на капитала. Всъщност нито един капиталист не плати награда нито на Архимед, нито на Кардано, нито на Галилей, нито на Хюйгенс, нито на Нютон за практическото използване на техните идеи. Но именно индустриалният капитал в масов мащаб започва да експлоатира механичната технология и по този начин общия труд, въплътен в нея. Маркс К, Енгелс Ф. Соч., т. 25, част 1, с. 116

ОСНОВНИ ЗАКОНИ НА ФИЗИКАТА

[Механика | Термодинамика | Електричество | Оптика | атомна физика]

ЗАКОН ЗА ЕНЕРГИИ НА СЪХРАНЕНИЕ И ТРАНСФОРМАЦИЯ - общият закон на природата: енергията на всяка затворена система за всички процеси, протичащи в системата, остава постоянна (запазва се). Енергията може да се преобразува само от една форма в друга и да се преразпредели между части на системата. За отворена система увеличаването (намаляването) на нейната енергия е равно на намаляване (увеличаване) на енергията на телата и физическите полета, взаимодействащи с нея.

1. МЕХАНИКА

ЗАКОН НА АРХИМЕД - законът на хидро- и аеростатиката: тяло, потопено в течност или газ, е подложено на издигаща сила, насочена вертикално нагоре, числено равна на теглото на течността или газа, изместени от тялото, и приложена в центъра на гравитацията на потопената част на тялото. FA= gV, където r е плътността на течността или газа, V е обемът на потопената част на тялото. В противен случай може да се формулира по следния начин: тяло, потопено в течност или газ, губи от теглото си толкова, колкото тежи изместената от него течност (или газ). Тогава P= mg - FA Други гр. учен Архимед през 212г. пр.н.е. Тя е в основата на теорията за плувните тела.

ЗАКОН ЗА УНИВЕРСАЛНО ПРИТЕГЛЕНИЕ - Законът за гравитацията на Нютон: всички тела се привличат едно към друго със сила, пряко пропорционална на произведението на масите на тези тела и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях: , където M и m са масите на взаимодействащите тела, R е разстоянието между тези тела, G е гравитационната константа (в SI G=6.67.10-11 N.m2/kg2.

ПРИНЦИП НА ОТНОСИТЕЛНОСТТА НА ГАЛИЛЕО, механичният принцип на относителността - принципът на класическата механика: във всяка инерционна референтна система всички механични явления протичат по един и същи начин при едни и същи условия. ср принцип на относителността.

ЗАКОН НА КУКА – законът, според който еластичните деформации са право пропорционални на външните въздействия, които ги причиняват.

ЗАКОН ЗА СЪХРАНЕНИЕ НА МОМЕНТА – законът на механиката: импулсът на всяка затворена система във всички процеси, протичащи в системата, остава постоянен (запазва се) и може да бъде преразпределен между части от системата само в резултат на тяхното взаимодействие.

ЗАКОНИ НА НЮТОН - три закона, лежащи в основата на Нютонова класическа механика. 1-ви закон (закон за инерцията): материална точка е в състояние на праволинейно и равномерно движение или покой, ако върху нея не действат други тела или действието на тези тела е компенсирано. 2-ри закон (основен закон на динамиката): ускорението, получено от тялото, е право пропорционално на резултата на всички сили, действащи върху тялото, и обратно пропорционално на масата на тялото (). 3-ти закон: две материални точки взаимодействат помежду си чрез сили от една и съща природа, равни по големина и противоположни по посока по протежение на правата линия, свързваща тези точки ().

ПРИНЦИП НА ОТНОСИТЕЛНОСТТА - един от постулатите на теорията на относителността, гласи, че във всякакви инерционни референтни системи всички физически (механични, електромагнитни и др.) явления при едни и същи условия протичат по един и същи начин. Това е обобщение на Галилей на принципа на относителността за всички физически явления (с изключение на гравитацията).

2. МОЛЕКУЛНА ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

ЗАКОН НА АВОГАДРО – един от основните закони на идеалните газове: равни обеми различни газове при една и съща температура и налягане съдържат еднакъв брой молекули. Отворен през 1811 г. от италианеца. физик А. Авогадро (1776-1856).

ЗАКОН НА БОЙЛ-МАРИОТ – един от законите на идеалния газ: за дадена маса на даден газ при постоянна температура произведението на налягането и обема е константа. Формула: pV=const. Описва изотермичен процес.

ВТОРИ ЗАКОН НА ТЕРМОДИНАМИКАТА - един от основните закони на термодинамиката, според който е невъзможен периодичен процес, единственият резултат от който е извършването на работа, еквивалентна на количеството топлина, получено от нагревателя. Друга формулировка: процес е невъзможен, единственият резултат от който е прехвърлянето на енергия под формата на топлина от по-малко нагрето тяло към по-горещо. В.з.т. изразява тенденцията на система, състояща се от голям брой хаотично движещи се частици, към спонтанен преход от по-малко вероятни състояния към по-вероятни състояния. Забранява създаването на вечен двигател от втори вид.

ЗАКОН ГЕЙ-ЛУСАК - газов закон: за дадена маса на даден газ при постоянно налягане съотношението на обема към абсолютната температура е постоянна стойност, където \u003d 1/273 K-1 е температурният коефициент на обемно разширение.

ЗАКОН НА ДАЛТОН - един от основните газови закони: налягането на смес от химически невзаимодействащи идеални газове е равно на сумата от парциалните налягания на тези газове.

ЗАКОН НА ПАСКАЛ - основният закон на хидростатиката: налягането, произведено от външни сили върху повърхността на течност или газ, се предава еднакво във всички посоки.

ПЪРВИ ЗАКОН НА ТЕРМОДИНАМИКАТА - един от основните закони на термодинамиката, който е законът за запазване на енергията за термодинамична система: количеството топлина Q, предавано на системата, се изразходва за промяна на вътрешната енергия на системата U и извършване на работа A срещу външни сили от системата. Формула: Q=U+A. Той е в основата на работата на топлинните двигатели.

ЗАКОН НА ЧАРЛ - един от основните газови закони: налягането на дадена маса на идеален газ при постоянен обем е право пропорционално на температурата: където p0 е налягането при 00C, \u003d 1/273.15 K-1 е температурен коефициент на налягане.

3. ЕЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗЪМ

ЗАКОН НА АМПЕРА - законът за взаимодействие на два проводника с токове; успоредните проводници с токове в една и съща посока се привличат, а с токове в обратна посока се отблъскват. А.з. наричан още закон, който определя силата, действаща в магнитно поле върху малък сегмент от проводник с ток. Отворен през 1820 г А.-М. ампер.

ЗАКОН НА ЖУЛ-ЛЕНЦ - закон, описващ топлинния ефект на електрическия ток. Според Д. - Л.з. количеството топлина, отделяно в проводника при преминаване на постоянен ток през него, е право пропорционално на квадрата на силата на тока, съпротивлението на проводника и времето на преминаване.

ЗАКОН ЗА СЪХРАНЯВАНЕ НА ЗАРЯДА - един от основните закони на природата: алгебричната сума на електрическите заряди на всяка електрически изолирана система остава непроменена. В електрически изолирана система Z.s.z. позволява появата на нови заредени частици (например при електролитна дисоциация, йонизация на газове, създаване на двойки частица-античастица и т.н.), но общият електрически заряд на появяващите се частици винаги трябва да бъде равен на нула.

Кулонов закон - основният закон на електростатиката, изразяващ зависимостта на силата на взаимодействие на два неподвижни точкови заряда от разстоянието между тях: два неподвижни точкови заряда взаимодействат със сила, пряко пропорционална на произведението на величините на тези заряди и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях и проницаемостта на средата, в която се намират зарядите. В SI изглежда така: . Стойността е числено равна на силата, действаща между два фиксирани точкови заряда от по 1 C всеки, разположени във вакуум на разстояние 1 m един от друг. К.з. е едно от експерименталните обосновки на електродинамиката.

ПРАВИЛО ЗА ЛЯВА РЪКА - правило, което определя посоката на силата, която действа върху проводник с ток в магнитно поле (или движеща се заредена частица). Той казва: ако лявата ръка е разположена така, че протегнатите пръсти показват посоката на тока (скорост на частицата) и силовите линии на магнитното поле (линиите на магнитна индукция) влизат в дланта, тогава прибраният палец ще покаже посоката на силата, действаща върху проводника (положителна частица; в случай на отрицателна частица, посоката на силата е противоположна).

ПРАВИЛО НА ЛЕНЦ (ЗАКОН) - правило, което определя посоката на индукционните токове, които възникват по време на електромагнитна индукция. Според Л.п. индуктивният ток винаги има такава посока, че неговият собствен магнитен поток компенсира промените във външния магнитен поток, който е причинил този ток. L.p. - следствие от закона за запазване на енергията.

ЗАКОН НА OHMA - един от основните закони на електрическия ток: силата на постоянен електрически ток в секцията на веригата е право пропорционална на напрежението в краищата на тази секция и обратно пропорционална на нейното съпротивление. Валидно за метални проводници и електролити, чиято температура се поддържа постоянна. В случай на пълна верига тя се формулира по следния начин: силата на постоянния електрически ток във веригата е право пропорционална на ЕДС на източника на ток и обратно пропорционална на импеданса на електрическата верига.

ПРАВИЛО НА ДЯСНА РЪКА - правило, което определя 1) посоката на индукционния ток в проводник, движещ се в магнитно поле: ако дланта на дясната ръка е разположена така, че включва линии на магнитна индукция, а огънатият палец е насочен по протежение на движението

проводник, тогава четири изпънати пръста ще покажат посоката на индукционния ток; 2) посоката на линиите на магнитна индукция на праволинеен проводник с ток: ако палецът на дясната ръка е поставен в посоката на тока, тогава посоката на хващане на проводника с четири пръста ще покаже посоката на линиите на магнитна индукция.

ЗАКОНИ НА ФАРАДЕЙ – основните закони на електролизата. Първият закон на Фарадей: масата на веществото, освободено върху електрода по време на преминаването на електрически ток, е право пропорционална на количеството електричество (заряд), което е преминало през електролита (m=kq=kIt). Вторият FZ: съотношението на масите на различни вещества, подложени на химични трансформации върху електродите, когато едни и същи електрически заряди преминават през електролита, е равно на съотношението на химическите еквиваленти. Инсталиран през 1833-34 г. от М. Фарадей. Обобщеният закон на електролизата има формата: , където M е моларната (атомна) маса, z е валентността, F е константата на Фарадей. F.p. е равно на произведението на елементарния електрически заряд и константата на Авогадро. F=e.NA. Определя заряда, преминаването на който през електролита води до освобождаване на 1 мол едновалентно вещество върху електрода. F=(96484.56 0.27) клетки/mol. Кръстен на М. Фарадей.

ЗАКОН ЗА ЕЛЕКТРОМАГНИТНА ИНДУКЦИЯ - закон, описващ явлението на възникване на електрическо поле при промяна на магнитното поле (феноменът на електромагнитната индукция): електродвижещата сила на индукцията е право пропорционална на скоростта на изменение на магнитния поток. Коефициентът на пропорционалност се определя от системата от единици, знакът е правилото на Ленц. Формулата в SI е: където Ф е промяната в магнитния поток, а t е интервалът от време, през който е настъпила тази промяна. Открит от М. Фарадей.

4. ОПТИКА

ПРИНЦИП НА ХЮЙГЕНС - метод, който ви позволява да определите позицията на фронта на вълната по всяко време. Според г.п. всички точки, през които преминава вълновият фронт в момент t, са източници на вторични сферични вълни и желаната позиция на фронта на вълната в момент t t съвпада с повърхността, обгръщаща всички вторични вълни. Позволява ви да обясните законите на отражението и пречупването на светлината.

ПРИНЦИП НА ХЮЙГЕНС - ФРЕНЕЛ - приблизителен метод за решаване на задачи за разпространение на вълните. Г.-Ф. Елементът казва: във всяка точка извън произволна затворена повърхност, покриваща точков източник на светлина, светлинната вълна, възбудена от този източник, може да бъде представена като резултат от интерференцията на вторични вълни, излъчвани от всички точки на определената затворена повърхност. Позволява ви да решавате най-простите проблеми на дифракцията на светлината.

ЗАКОН ЗА ОТРАЖЕНИЕТО НА ВЪЛНИ - падащият лъч, отразеният лъч и издигнатият до точката на падане на лъча перпендикуляр лежат в една и съща равнина, а ъгълът на падане е равен на ъгъла на пречупване. Законът е валиден за огледално отражение.

РЕФРАКЦИЯ НА СВЕТЛИНАТА - промяна в посоката на разпространение на светлината (електромагнитна вълна) по време на прехода от една среда в друга, която се различава от първия показател на пречупване. За пречупването е изпълнен законът: падащият лъч, пречупеният лъч и перпендикулярът, повдигнат до точката на падане на лъча, лежат в една и съща равнина, а за тези две среди, отношението на синуса на ъгъла на падане към синусът на ъгъла на пречупване е постоянна стойност, наречена относителен показател на пречупване на втората среда спрямо първата.

ЗАКОН ЗА ПРАВОЛИНЕЙНО РАЗПРЕДЕЛЕНИЕ НА СВЕТЛИНА - законът на геометричната оптика, който се състои в това, че в хомогенна среда светлината се разпространява по права линия. Обяснява например образуването на сянка и полусянка.

6. АТОМНА И ЯДРЕНА ФИЗИКА.

ПОСТУЛАТИ НА БОХ - основните допускания, въведени без доказателство от Н.Бор и лежащи в основата на ТЕОРИЯТА НА БОХ: 1) Атомната система е стабилна само в стационарни състояния, които отговарят на дискретна последователност от стойности на атомната енергия. Всяка промяна в тази енергия е свързана с пълен преход на атома от едно стационарно състояние в друго. 2) Поглъщането и излъчването на енергия от атома става според закона, според който излъчването, свързано с прехода, е монохроматично и има честота: h = Ei-Ek, където h е константата на Планк, а Ei и Ek са енергиите на атома в стационарни състояния

Според този закон процесът, чийто единствен резултат е прехвърлянето на енергия под формата на топлина от по-студено тяло към по-горещо, е невъзможен без промени в самата система и околната среда.
Вторият закон на термодинамиката изразява тенденцията на система, състояща се от голям брой случайно движещи се частици, към спонтанен преход от по-малко вероятни състояния към по-вероятни състояния. Забранява създаването на вечен двигател от втори вид.
Еднакви обеми идеални газове при една и съща температура и налягане съдържат същия брой молекули.
Законът е открит през 1811 г. от италианския физик А. Авогадро (1776–1856).
Законът за взаимодействие на два тока, протичащи в проводници, разположени на малко разстояние един от друг, гласи: успоредните проводници с токове в една посока се привличат, а с токове в противоположна посока се отблъскват.
Законът е открит през 1820 г. от А. М. Ампер.
Законът на хидростатиката и аеростатиката: върху тяло, потопено в течност или газ, подемна сила действа вертикално нагоре, равна на теглото на течността или газа, изместени от тялото, и приложена към центъра на тежестта на потопената част на тялото. FA = gV, където g е плътността на течността или газа, V е обемът на потопената част на тялото.
В противен случай законът може да бъде формулиран по следния начин: тяло, потопено в течност или газ, губи от теглото си толкова, колкото тежи изместената от него течност (или газ). Тогава P = mg - FA.
Законът е открит от древногръцкия учен Архимед през 212 г. пр.н.е. д. Тя е в основата на теорията за плаващите тела.
Един от законите на идеалния газ: при постоянна температура произведението от налягането на газа и неговия обем е постоянна стойност. Формула: pV = const. Описва изотермичен процес. Законът за универсалното притегляне, или законът на Нютон за гравитацията: всички тела се привличат едно към друго със сила, която е право пропорционална на произведението на масите на тези тела и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях. Според този закон еластичните деформации на твърдо тяло са право пропорционални на външните въздействия, които ги причиняват. Описва топлинния ефект на електрическия ток: количеството топлина, отделяно в проводника, когато постоянен ток преминава през него, е право пропорционално на квадрата на силата на тока, съпротивлението на проводника и времето на преминаване. Открит от Джоул и Ленц независимо през 19 век. Основният закон на електростатиката, който изразява зависимостта на силата на взаимодействие на два фиксирани точкови заряда от разстоянието между тях: два фиксирани точкови заряда взаимодействат със сила, която е право пропорционална на произведението на величините на тези заряди и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях и проницаемостта на средата, в която се намират зарядите. Стойността е числено равна на силата, действаща между два фиксирани точкови заряда от 1 C всеки, разположени във вакуум на разстояние 1 m един от друг.
Законът на Кулон е едно от експерименталните обоснования на електродинамиката. Отворен през 1785 г
Един от основните закони на електрическия ток: силата на постоянен електрически ток в секцията на веригата е право пропорционална на напрежението в краищата на тази секция и обратно пропорционална на нейното съпротивление. Валидно за метални проводници и електролити, чиято температура се поддържа постоянна. В случай на пълна верига тя се формулира по следния начин: силата на постоянния електрически ток във веригата е право пропорционална на ЕДС на източника на ток и обратно пропорционална на импеданса на електрическата верига.

Открит през 1826 г. от G. S. Ohm.