Koji su osnovni zakoni fizike? Fizika: osnovni pojmovi, formule, zakoni. Osnovni zakoni fizike koje osoba treba da poznaje Osnovni zakoni klasične fizike

1.1. Anotacija. Zakoni teorije relativnosti i kvantne mehanike, prema kojima se odvija kretanje i interakcija elementarnih čestica materije, predodređuju formiranje i pojavu obrazaca najšireg spektra pojava koje proučavaju različite prirodne nauke. Ovi zakoni su u osnovi modernih visokih tehnologija i u velikoj mjeri određuju stanje i razvoj naše civilizacije. Stoga je upoznavanje sa osnovama fundamentalne fizike neophodno ne samo za studente, već i za školarce. Aktivno posedovanje osnovnih znanja o ustrojstvu sveta neophodno je osobi koja ulazi u život kako bi pronašla svoje mesto u ovom svetu i uspešno nastavila školovanje.

1.2. Šta je glavna poteškoća ovog izvještaja. Upućen je kako specijalistima iz oblasti fizike elementarnih čestica tako i mnogo široj publici: fizičarima koji se ne bave elementarnim česticama, matematičarima, hemičarima, biolozima, energentima, ekonomistima, filozofima, lingvistima,... precizno, moram koristiti termine i formule fundamentalne fizike. Da bih bio shvaćen, moram stalno objašnjavati ove pojmove i formule. Ako fizika elementarnih čestica nije vaša specijalnost, prvo pročitajte samo one dijelove čiji naslovi nisu označeni zvjezdicama. Zatim pokušajte da pročitate odeljke sa jednom zvezdicom *, dve ** i na kraju tri ***. Uspeo sam da govorim o većini delova bez zvezdica tokom izveštaja, ali za ostale nije bilo vremena.

1.3. Fizika elementarnih čestica. Fizika čestica je temelj svih prirodnih nauka. Proučava najsitnije čestice materije i osnovne obrasce njihovog kretanja i interakcija. Na kraju krajeva, upravo te pravilnosti određuju ponašanje svih objekata na Zemlji i na nebu. Fizika čestica se bavi takvim fundamentalnim konceptima kao što su prostor i vrijeme; stvar; energija, impuls i masa; spin. (Većina čitalaca ima ideju o prostoru i vremenu, možda su čuli za vezu između mase i energije, a nemaju pojma kakve veze ima impuls s tim, a teško da nagađaju o najvažnijoj ulozi spina u fizici. čak se ne slažu među sobom oko toga kako nazvati materiju još stručnjaci.) Fizika čestica nastala je u 20. veku. Njeno stvaranje je neraskidivo povezano sa stvaranjem dve najveće teorije u istoriji čovečanstva: teorije relativnosti i kvantne mehanike. Ključne konstante ovih teorija su brzina svjetlosti c i Plankova konstanta h.

1.4. Teorija relativnosti. Specijalna teorija relativnosti, koja je nastala početkom 20. stoljeća, dovršila je sintezu niza znanosti koje su proučavale takve klasične pojave kao što su elektricitet, magnetizam i optika, stvarajući mehaniku pri brzinama tijela uporedivim sa brzinom svjetlosti. (Njutnova klasična nerelativistička mehanika bavila se brzinama v<<c.) Zatim je 1915. godine stvorena opšta teorija relativnosti, koja je dizajnirana da opiše gravitacione interakcije, uzimajući u obzir konačnost brzine svetlosti c.

1.5. Kvantna mehanika. Kvantna mehanika, stvorena 1920-ih, objasnila je strukturu i svojstva atoma na osnovu svojstava dualnog talasa i čestica elektrona. Objasnila je ogroman raspon hemijskih pojava povezanih sa interakcijom atoma i molekula. I dozvoljeno je opisati procese emisije i apsorpcije svjetlosti od strane njih. Shvatite informacije koje nam donosi svjetlost Sunca i zvijezda.

1.6. Kvantna teorija polja. Objedinjavanje teorije relativnosti i kvantne mehanike dovelo je do stvaranja kvantne teorije polja, koja omogućava da se najvažnija svojstva materije opisuju sa visokim stepenom tačnosti. Kvantna teorija polja je, naravno, previše komplikovana da bi se objasnila školarcima. Ali sredinom 20. stoljeća u njemu se pojavio vizualni jezik Feynmanovih dijagrama, koji radikalno pojednostavljuje razumijevanje mnogih aspekata kvantne teorije polja. Jedan od glavnih ciljeva ovog govora je pokazati kako se najširi spektar fenomena može jednostavno razumjeti uz pomoć Feynmanovih dijagrama. Istovremeno ću se detaljnije zadržati na pitanjima koja su daleko od poznata svim stručnjacima u kvantnoj teoriji polja (na primjer, o odnosu klasične i kvantne gravitacije), i samo ću štedljivo iznijeti pitanja o kojima se široko raspravlja u popularnim naučna literatura.

1.7. Identitet elementarnih čestica. Elementarne čestice nazivaju se najmanje nedjeljive čestice materije, od kojih je izgrađen cijeli svijet. Najnevjerovatnije svojstvo koje razlikuje ove čestice od običnih neelementarnih čestica, na primjer, zrna pijeska ili perli, je da su sve elementarne čestice iste vrste, na primjer, svi elektroni u Univerzumu apsolutno (!) Isti - identičan. I kao posljedica toga, njihova najjednostavnija vezana stanja su identična jedno drugom - atomi i najjednostavniji molekuli.

1.8. Šest elementarnih čestica. Da bismo razumeli glavne procese koji se dešavaju na Zemlji i na Suncu, dovoljno je razumeti, kao prvu aproksimaciju, procese u kojima učestvuje šest čestica: elektron e, proton str, neutron n i elektronski neutrino ν e , kao i foton γ i graviton g̃. Prve četiri čestice imaju spin 1/2, foton ima spin 1, a graviton ima 2. (Čestice sa cjelobrojnim spinom nazivaju se bozoni, čestice s polucijelim spinom nazivaju se fermioni. Više o spinu će biti riječi kasnije.) Protoni i neutroni se obično nazivaju nukleoni jer su atomske jezgre građene od njih, a jezgro na engleskom je jezgro. Elektron i neutrino se nazivaju leptoni. Oni nemaju jake nuklearne snage.

Zbog vrlo slabe interakcije gravitona nemoguće je promatrati pojedinačne gravitone, ali se upravo kroz te čestice gravitacija odvija u prirodi. Kao što se elektromagnetne interakcije izvode pomoću fotona.

1.9. Antičestice. Elektron, proton i neutron imaju takozvane antičestice: pozitron, antiproton i antineutron. Oni nisu uključeni u sastav obične materije, jer kada se sretnu sa odgovarajućim česticama, s njima stupaju u reakcije međusobnog uništenja - anihilacije. Tako se elektron i pozitron anihiliraju u dva ili tri fotona. Foton i graviton su zaista neutralne čestice: poklapaju se sa svojim antičesticama. Još uvijek nije poznato da li je neutrino zaista neutralna čestica.

1.10. Nukleoni i kvarkovi. Sredinom 20. stoljeća postalo je jasno da se sami nukleoni sastoje od elementarnijih čestica - kvarkova dvije vrste, koje označavaju u i d: str = uud, n = ddu. Interakciju između kvarkova vrše gluoni. Antinukleoni se sastoje od antikvarkova.

1.11. Tri generacije fermiona. Kao i u, d, e, v e otkrivene su i proučavane još dvije grupe (ili, kako kažu, generacije) kvarkova i leptona: c, s, μ, ν μ i t, b, τ , ν τ . Ove čestice nisu uključene u sastav obične materije, jer su nestabilne i brzo se raspadaju na lakše čestice prve generacije. Ali oni su igrali važnu ulogu u prvim trenucima postojanja svemira.

Za još potpunije i dublje razumijevanje prirode potrebno je još više čestica sa još neobičnijim svojstvima. Ali, možda će se u budućnosti sva ta raznolikost svesti na nekoliko jednostavnih i lijepih entiteta.

1.12. Hadroni. Velika porodica čestica koja se sastoji od kvarkova i/ili antikvarkova i gluona naziva se hadroni. Svi hadroni, osim nukleona, su nestabilni i stoga ne ulaze u sastav obične materije.

Hadroni se često nazivaju i elementarnim česticama, jer se ne mogu podijeliti na slobodne kvarkove i gluone. (Tako sam i ja, upućujući proton i neutron na prvih šest elementarnih čestica.) Ako se svi hadroni smatraju elementarnim, tada će se broj elementarnih čestica mjeriti u stotinama.

1.13. Standardni model i četiri vrste interakcija. Kao što će biti objašnjeno u nastavku, gore navedene elementarne čestice omogućavaju da se u okviru takozvanog „Standardnog modela elementarnih čestica” opišu svi do sada poznati procesi koji se dešavaju u prirodi kao rezultat gravitacionih, elektromagnetnih , slabe i jake interakcije. Ali da bi se razumjelo kako funkcioniraju prve dvije od njih, dovoljne su četiri čestice: foton, graviton, elektron i proton. Štaviše, činjenica da se proton sastoji od u- i d-kvarkova i gluona, ispada beznačajnim. Naravno, bez slabih i jakih interakcija, nemoguće je razumjeti ni kako su raspoređena atomska jezgra, niti kako funkcionira naše Sunce. Ali kako su raspoređene atomske ljuske, koje određuju sva hemijska svojstva elemenata, kako funkcioniše električna energija i kako su raspoređene galaksije, može se razumeti.

1.14. Iznad poznatog. Danas već znamo da čestice i interakcije Standardnog modela ne iscrpljuju blaga prirode.

Utvrđeno je da obični atomi i ioni čine tek manje od 20% sve materije u svemiru, a više od 80% je takozvana tamna materija, čija je priroda još nepoznata. Najčešće mišljenje je da se tamna materija sastoji od superčestica. Moguće je da se sastoji od zrcalnih čestica.

Još je upečatljivija činjenica da sva materija, i vidljiva (svjetlo) i tamna, nosi samo četvrtinu cjelokupne energije svemira. Tri četvrtine pripada takozvanoj tamnoj energiji.

1.15. elementarne čestice"e do određenog stepena" su fundamentalni. Kada je moj učitelj Isaak Yakovlevich Pomeranchuk želio da naglasi važnost pitanja, rekao je da je pitanje e važno po stepenu. Naravno, većina prirodnih nauka, a ne samo fizika elementarnih čestica, je fundamentalna. Fizika kondenzirane materije, na primjer, podliježe osnovnim zakonima koji se mogu koristiti bez potrebe da se shvati kako slijede iz zakona fizike čestica. Ali zakoni relativnosti i kvantna mehanika" e do temeljnog stepena" u smislu da im nijedan od manje opštih zakona ne može biti u suprotnosti.

1.16. Osnovni zakoni. Svi procesi u prirodi nastaju kao rezultat lokalnih interakcija i kretanja (distribucije) elementarnih čestica. Osnovni zakoni koji upravljaju ovim pokretima i interakcijama su vrlo neobični i vrlo jednostavni. Zasnivaju se na konceptu simetrije i principu da sve što nije u suprotnosti sa simetrijom može i treba da se desi. U nastavku ćemo, koristeći jezik Feynmanovih dijagrama, pratiti kako se to ostvaruje u gravitacijskim, elektromagnetnim, slabim i jakim interakcijama čestica.

2. Čestice i život

2.1. O civilizaciji i kulturi. Strani član Ruske akademije nauka Valentin Telegdi (1922–2006) objasnio je: „Ako je WC (ormar) civilizacija, onda je sposobnost njegovog korišćenja kultura.

ITEP istraživač A. A. Abrikosov Jr. nedavno mi je napisao: „Jedan od ciljeva vašeg izvještaja je da uvjerite široku publiku u potrebu šireg podučavanja moderne fizike. Ako je tako, onda bi možda bilo vrijedno dati nekoliko svakodnevnih primjera. mislim na sljedeće:

Živimo u svijetu koji je nezamisliv čak i na svakodnevnom nivou bez kvantne mehanike (QM) i teorije relativnosti (RT). Mobilni telefoni, kompjuteri, sva moderna elektronika, da ne spominjemo LED svjetla, poluvodičke lasere (uključujući pokazivače), LCD ekrani su u suštini kvantni uređaji. Nemoguće je objasniti kako oni funkcionišu bez osnovnih pojmova QM-a. A kako ih objasniti bez pominjanja tunela?

Drugi primjer, možda znam od vas. Satelitski navigatori su ugrađeni u svaki 10. automobil. Preciznost sinhronizacije sata u satelitskoj mreži nije manja od 10 −8 (ovo odgovara pogrešci od jednog metra u lokalizaciji objekta na površini Zemlje). Takva tačnost zahtijeva uzimanje u obzir korekcija TO na satu na satelitu u pokretu. Kažu da inženjeri nisu mogli vjerovati, pa su prvi uređaji imali dvostruki program: sa i bez korekcija. Kako se ispostavilo, prvi program radi bolje. Evo testa teorije relativnosti na nivou domaćinstva.

Naravno, razgovor telefonom, vožnja automobila i kucanje kompjuterskih ključeva moguće je bez visoke nauke. Ali malo je vjerovatno da bi akademici trebali pozivati ​​da ne studiraju geografiju, jer "ima taksija".

I onda pet godina razgovaraju sa školarcima, a onda i sa studentima o materijalnim tačkama i Galilejevoj relativnosti, i odjednom, bez ikakvog razloga, kažu da to „nije baš tačno“.

Teško je preći iz vizuelnog njutnovskog sveta u kvantni, čak i na Fizikotehničkom institutu. Tvoj, AAA."

2.2. O fundamentalnoj fizici i obrazovanju. Nažalost, savremeni obrazovni sistem zaostaje za savremenom fundamentalnom fizikom za čitav vek. I većina ljudi (uključujući većinu naučnika) nema pojma o toj neverovatno jasnoj i jednostavnoj slici (mapi) sveta koju je stvorila fizika elementarnih čestica. Ova karta znatno olakšava navigaciju u svim prirodnim naukama. Svrha mog izvještaja je da vas uvjerim da neki elementi (koncepti) fizike elementarnih čestica, teorije relativnosti i kvantne teorije mogu i trebaju postati osnova za nastavu svih prirodno-naučnih predmeta, ne samo u višim, već iu srednjim i čak i osnovnu školu. Uostalom, fundamentalno novi pojmovi se najlakše savladavaju upravo u djetinjstvu. Dijete lako savladava jezik, savladava mobilnim telefonom. Mnoga djeca vrate Rubikovu kocku u prvobitno stanje za nekoliko sekundi, a meni ni dan nije dovoljan.

Kako bi se izbjegla neugodna iznenađenja u budućnosti, potrebno je u vrtiću postaviti adekvatan pogled na svijet. Konstante c i h treba da postanu oruđe znanja za djecu.

2.3. O matematici. Matematika – kraljica i sluškinja svih nauka – svakako mora poslužiti kao glavno oruđe znanja. Daje osnovne pojmove kao što su istina, ljepota, simetrija, red. koncepte nule i beskonačnosti. Matematika vas uči da mislite i računate. Fundamentalna fizika je nezamisliva bez matematike. Obrazovanje je nezamislivo bez matematike. Naravno, možda je prerano učiti teoriju grupa u školi, ali je potrebno naučiti vas da cijenite istinu, ljepotu, simetriju i red (i neki nered u isto vrijeme).

Vrlo je važno razumjeti prijelaz sa realnih (realnih) brojeva (jednostavnih, racionalnih, iracionalnih) na imaginarne i složene. Vjerovatno bi samo oni studenti koji žele da se bave matematikom i teorijskom fizikom trebali proučavati hiperkompleksne brojeve (kvaternione i oktonione). U svom radu, na primjer, nikada nisam koristio oktonione. Ali znam da oni olakšavaju razumijevanje najperspektivnije, prema mnogim teoretskim fizičarima, izuzetne grupe simetrije E 8 .

2.4. O svjetonazoru i prirodnim naukama. Ideja o osnovnim zakonima koji vladaju svijetom neophodna je u svim prirodnim naukama. Naravno, fizika čvrstog stanja, hemija, biologija, nauke o Zemlji i astronomija imaju svoje specifične koncepte, metode i probleme. Ali vrlo je važno imati opštu kartu svijeta i razumijevanje da na ovoj karti ima mnogo praznih tačaka nepoznatog. Veoma je važno shvatiti da nauka nije okoštala dogma, već živi proces približavanja istini u mnogim tačkama mape sveta. Približavanje istini je asimptotski proces.

2.5. O pravom i vulgarnom redukcionizmu. Ideja da se složenije strukture u prirodi sastoje od manje složenih struktura i, konačno, od najjednostavnijih elemenata, obično se naziva redukcionizmom. U tom smislu, ono u šta pokušavam da vas uvjerim je redukcionizam. Ali vulgarni redukcionizam, koji tvrdi da se sve nauke mogu svesti na fiziku elementarnih čestica, apsolutno je neprihvatljiv. Na svakom sve višem i višem nivou složenosti formiraju se i nastaju vlastiti obrasci. Ne morate znati fiziku čestica da biste bili dobar biolog. Ali shvatiti njeno mjesto i ulogu u sistemu nauka, razumjeti ključnu ulogu konstanti c i h neophodno. Na kraju krajeva, nauka kao celina je jedan organizam.

2.6. O humanističkim i društvenim naukama. Opća ideja o strukturi svijeta vrlo je važna i za ekonomiju, i za historiju, i za kognitivne nauke, kao što su nauke o jeziku, i za filozofiju. I obrnuto – ove nauke su izuzetno važne za najfundamentalniju fiziku, koja stalno usavršava svoje temeljne koncepte. To će se vidjeti iz razmatranja teorije relativnosti, na koju se sada okrećem. Posebno ću pomenuti pravne nauke, koje su izuzetno važne za prosperitet (da ne govorimo o opstanku) prirodnih nauka. Uvjeren sam da društveni zakoni ne bi trebali biti u suprotnosti sa osnovnim zakonima prirode. Ljudski zakoni ne bi trebali biti u suprotnosti sa Božanskim zakonima prirode.

2.7. Mikro-, Makro-, Kosmo-. Naš obični svijet velikih, ali ne i gigantskih stvari obično se naziva makrokosmosom. Svijet nebeskih objekata može se nazvati kosmičkim svijetom, a svijet atomskih i subatomskih čestica mikrosvijetom. (Budući da su veličine atoma reda veličine 10 -10 m, onda mikrosvijet označava objekte najmanje 4 ili čak 10 redova veličine manje od mikrometra, i 1-7 redova veličine manje od nanometra. Nano moda područje se nalazi uz put od mikro ka makro.) U 20. vijeku je izgrađen takozvani Standardni model elementarnih čestica, koji vam omogućava da jednostavno i jasno shvatite mnoge makro i kosmičke zakone zasnovane na mikro zakonima.

2.8. Naši modeli. Modeli u teorijskoj fizici se grade odbacivanjem nebitnih okolnosti. Na primjer, u atomskoj i nuklearnoj fizici, gravitacijske interakcije čestica su zanemarljive i mogu se zanemariti. Takav model svijeta uklapa se u specijalnu teoriju relativnosti. Ovaj model ima atome, molekule, kondenzovana tijela,... akceleratore i sudarače, ali nema Sunca i zvijezda.

Takav model bi sigurno bio pogrešan u vrlo velikim razmjerima gdje je gravitacija bitna.

Naravno, za postojanje CERN-a neophodno je postojanje Zemlje (a samim tim i gravitacije), ali za razumijevanje velike većine eksperimenata provedenih u CERN-u (osim pretraživanja na sudaraču za mikroskopskim "crnim rupama") , gravitacija nije bitna.

2.9. Redovi veličine. Jedna od poteškoća u razumijevanju svojstava elementarnih čestica je vezana za činjenicu da su one vrlo male i da ih ima puno. U kašičici vode nalazi se ogroman broj atoma (oko 10 23). Broj zvijezda u vidljivom dijelu Univerzuma nije mnogo manji. Velikih brojeva se ne treba bojati. Uostalom, nije se teško nositi s njima, jer se množenje brojeva uglavnom svodi na zbrajanje njihovih redoslijeda: 1 = 10 0, 10 = 10 1, 100 = 10 2. Pomnožite 10 sa 100, dobijamo 10 1+2 = 10 3 = 1000.

2.10. Kap ulja. Ako se kap ulja zapremine 1 mililitar ispusti na površinu vode, onda će se ona proširiti u duginu tačku površine oko nekoliko kvadratnih metara i debljine oko stotinu nanometara. Ovo je samo tri reda veličine veće od veličine atoma. A debljina filma mehurića od sapunice na najtanjim mestima je reda veličine molekula.

2.11. Joules. Tipična AA baterija ima napon od 1,5 volti (V) i sadrži 10 4 džula (J) električne energije. Da vas podsjetim da je 1 J = 1 privjesak × 1 V, kao i da je 1 J = kg m 2 / s 2 i da je ubrzanje gravitacije oko 10 m / s 2. Dakle, 1 džul vam omogućava da podignete 1 kilogram na visinu od 10 cm, a 10 4 J će podići 100 kg na 10 metara. Ovo je koliko energije troši lift da bi studenta odveo na deseti sprat. Toliko je energije u bateriji.

2.12. Elektronvolti. Jedinica za energiju u fizici elementarnih čestica je elektron volt (eV): energija od 1 eV dobija se tako što 1 elektron prolazi kroz potencijalnu razliku od 1 volta. Pošto se u jednom privjesku nalazi 6,24 × 10 18 elektrona, onda je 1 J = 6,24 × 10 18 eV.

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

Da vas podsjetim da bi energija jednog protona u CERN-ovom Velikom hadronskom sudaraču trebala biti jednaka 7 TeV.

3. O teoriji relativnosti

3.1. Referentni sistemi. Sve naše eksperimente opisujemo u jednom ili drugom referentnom sistemu. Referentni sistem može biti laboratorija, voz, satelit Zemlje, centar galaksije... . Bilo koja čestica koja leti, na primjer, u akceleratoru čestica, također može biti referentni sistem. Pošto se svi ovi sistemi kreću relativno jedan prema drugom, neće svi eksperimenti u njima izgledati isto. Osim toga, gravitacijski utjecaj najbližih masivnih tijela je također različit u njima. Upravo razmatranje ovih razlika čini glavni sadržaj teorije relativnosti.

3.2. Galilejev brod. Galileo je formulirao princip relativnosti, živopisno opisujući sve vrste eksperimenata u kabini broda koji glatko plovi. Ako su prozori zastrti, nemoguće je pomoću ovih eksperimenata saznati kojom brzinom se brod kreće i stoji li mirno. Einstein je ovoj kabini dodao eksperimente s konačnom brzinom svjetlosti. Ako ne pogledate kroz prozor, ne možete znati brzinu broda. Ali ako pogledate obalu, možete.

3.3. Daleke zvijezde*. Razumno je izdvojiti takav referentni okvir, u odnosu na koji bi ljudi mogli formulirati rezultate svojih eksperimenata, bez obzira gdje se nalaze. Za takav univerzalni referentni sistem odavno je prihvaćen sistem u kojem su udaljene zvijezde nepomične. A relativno nedavno (prije pola stoljeća) otkriveni su još udaljeniji kvazari i pokazalo se da bi reliktna mikrovalna pozadina trebala biti izotropna u ovom sistemu.

3.4. U potrazi za univerzalnim referentnim okvirom*. U suštini, čitava istorija astronomije je napredak ka sve univerzalnijem referentnom okviru. Od antropocentričnog, gde je čovek u centru, do geocentričnog, gde Zemlja miruje u centru (Ptolomej, 87–165), do heliocentričnog, gde Sunce miruje u centru (Kopernik, 1473–1543), na halacentrično, gde počiva centar naše Galaksije, na maglino, gde počiva sistem maglina - jata galaksija, na pozadinu, gde je kosmička mikrotalasna pozadina izotropna. Bitno je, međutim, da su brzine ovih referentnih okvira male u poređenju sa brzinom svjetlosti.

3.5. Kopernik, Kepler, Galilej, Njutn*. U knjizi Nikole Kopernika „O rotacijama nebeskih sfera“, objavljenoj 1543. godine, stoji: „Svi pokreti koje Sunce primećuje nisu karakteristični za njega, već pripadaju Zemlji i našoj sferi, zajedno sa kojom mi okreću se oko Sunca, kao i svaka druga planeta; stoga Zemlja ima nekoliko kretanja. Prividna kretanja planeta naprijed i nazad ne pripadaju njima, već Zemlji. Dakle, samo ovo kretanje je dovoljno da objasni veliki broj nepravilnosti vidljivih na nebu.

Kopernik i Kepler (1571–1630) dali su jednostavan fenomenološki opis kinematike ovih kretanja. Galileo (1564–1642) i Newton (1643–1727) objasnili su njihovu dinamiku.

3.6. Univerzalni prostor i vrijeme*. Prostorne koordinate i vrijeme vezano za univerzalni referentni sistem mogu se nazvati univerzalnim ili apsolutnim u potpunom skladu sa teorijom relativnosti. Važno je samo naglasiti da izbor ovog sistema donose i slažu lokalni posmatrači. Svaki referentni okvir koji se progresivno kreće u odnosu na univerzalni okvir je inercijalan: slobodno kretanje u njemu je jednolično i pravolinijsko.

3.7. "Teorija invarijanse"*. Imajte na umu da su i Albert Ajnštajn (1879-1955) i Maks Plank (1858-1947) (koji je uveo termin "teorija relativnosti" 1907. godine, nazvavši ga teorijom koju je izneo Ajnštajn 1905.) verovali da je termin "invarijantnost teorije" mogao preciznije odraziti njegovu suštinu. No, očigledno je početkom 20. stoljeća bilo važnije naglasiti relativnost pojmova kao što su vrijeme i simultanost u jednakim inercijalnim referentnim okvirima nego izdvojiti jedan od ovih okvira. Važnije je bilo to što sa zastorima na prozorima Galilejeve kabine nije bilo moguće odrediti brzinu broda. Ali sada je vrijeme da razmaknemo zavjese i pogledamo obalu. U isto vrijeme, naravno, svi uzorci uspostavljeni sa zatvorenim zavjesama ostat će nepokolebljivi.

3.8. Pismo Chimmeru*. Ajnštajn je 1921. godine u pismu E. Chimmeru, autoru knjige „Filozofska pisma“, napisao: „Što se tiče pojma „teorija relativnosti“, priznajem da je neuspešan i da vodi ka filozofskim nesporazumima“. Ali da se to promijeni, prema Einsteinu, već je prekasno, posebno zato što je široko rasprostranjen. Ovo pismo je objavljeno u 12. tomu 25-tomnog Sabranih djela Einsteina objavljenog u Princetonu, objavljenom u jesen 2009. godine.

3.9. Maksimalna brzina u prirodi. Ključna konstanta teorije relativnosti je brzina svjetlosti c\u003d 300.000 km / s \u003d 3 × 10 8 m / s. (Tačnije, c= 299 792 458 m/s. I ovaj broj sada leži u osnovi definicije metra.) Ova brzina je maksimalna brzina širenja bilo kojeg signala u prirodi. Mnogo je redova veličine veća od brzine masivnih objekata sa kojima se svakodnevno suočavamo. Njegova neobično velika vrijednost ometa razumijevanje glavnog sadržaja teorije relativnosti. Čestice koje se kreću brzinama reda brzine svjetlosti nazivaju se relativističkim.

3.10. Energija, zamah i brzina. Slobodno kretanje čestice karakterizira energija čestice E i njen zamah str. Prema teoriji relativnosti, brzina čestice v određuje se formulom

Jedan od glavnih razloga za terminološku zbrku o kojoj se govori u odjeljku. 3.14 leži u činjenici da su prilikom stvaranja teorije relativnosti pokušali da očuvaju njutnov odnos između zamaha i brzine str = mv, što je u suprotnosti sa teorijom relativnosti.

3.11. Težina. Masa čestica m određuje se formulom

Dok energija i impuls čestice ovise o referentnom okviru, vrijednosti njene mase m ne zavisi od referentnog sistema. Ona je invarijanta. Formule (1) i (2) su fundamentalne u teoriji relativnosti.

Začudo, prva monografija o teoriji relativnosti, u kojoj se pojavila formula (2), objavljena je tek 1941. To su bile “Teorije polja” L. Landaua (1908–1968) i E. Lifshitza (1915–1985) . Nisam ga našao ni u jednom Ajnštajnovom delu. Nema je u izvanrednoj knjizi "Teorija relativnosti" W. Paulija (1900–1958), objavljenoj 1921. Ali relativistička talasna jednačina koja sadrži ovu formulu nalazi se u knjizi "Principi kvantne mehanike" P. Diraca, objavljeno 1930. (1902–1984), a još ranije u člancima iz 1926. O. Kleina (1894–1977) i W. Focka (1898–1974).

3.12. Foton bez mase. Ako je masa čestice nula, tj. čestica je bez mase, onda iz formula (1) i (2) slijedi da je u bilo kojem referentnom okviru njena brzina jednaka c. Budući da je masa čestice svjetlosti - fotona - toliko mala da se ne može detektirati, općenito je prihvaćeno da je jednaka nuli i da je c je brzina svjetlosti.

3.13. Energija mira. Ako je masa čestice različita od nule, onda razmotrite referentni okvir u kojem slobodna čestica miruje i blizu nje v = 0, str= 0. Takav referentni okvir naziva se okvir mirovanja čestice, a energija čestice u ovom okviru naziva se energija mirovanja i označava E0. Iz formule (2) slijedi da

Ova formula izražava odnos između energije mirovanja masivne čestice i njene mase, koju je otkrio Einstein 1905. godine.

3.14. "Najpoznatija formula." Nažalost, vrlo često se Einsteinova formula zapisuje u obliku „najpoznatije formule E=mc2“, izostavljajući nulti indeks energije mirovanja, što dovodi do brojnih nesporazuma i zabune. Na kraju krajeva, ova "čuvena formula" identifikuje energiju i masu, što je u suprotnosti sa teorijom relativnosti uopšte i formulom (2) posebno. Iz toga slijedi rašireno zabluda da masa tijela, prema teoriji relativnosti, navodno raste s povećanjem njegove brzine. Posljednjih godina Ruska akademija obrazovanja učinila je mnogo da razbije ovu zabludu.

3.15. Jedinica za brzinu*. U teoriji relativnosti, koja se bavi brzinama uporedivim sa brzinom svjetlosti, prirodno je izabrati c kao jedinica za brzinu. Ovaj izbor pojednostavljuje sve formule, jer c/c= 1, i treba ih staviti c= 1. U ovom slučaju brzina postaje bezdimenzionalna veličina, udaljenost ima dimenziju vremena, a masa dimenziju energije.

U fizici elementarnih čestica, mase čestica se obično mjere u elektronvoltima - eV i njihovim derivatima (vidi Odjeljak 2.14). Masa elektrona je oko 0,5 MeV, masa protona je oko 1 GeV, masa najtežeg kvarka je oko 170 GeV, a masa neutrina je oko frakcija eV.

3.16. Astronomske udaljenosti*. U astronomiji se udaljenosti mjere svjetlosnim godinama. Veličina vidljivog dijela svemira je oko 14 milijardi svjetlosnih godina. Ovaj broj je još impresivniji u poređenju sa vremenom od 10 −24 s koje je potrebno svjetlosti da pređe udaljenost veličine protona. I u cijelom tom kolosalnom rasponu, teorija relativnosti funkcionira.

3.17. Svijet Minkovskog. Godine 1908, nekoliko mjeseci prije svoje prerane smrti, Hermann Minkowski (1864-1909) je proročanski rekao: „Stavovi o prostoru i vremenu koje namjeravam razviti prije vas nastali su na eksperimentalnoj fizičkoj osnovi. Ovo je njihova snaga. Njihov trend je radikalan. Od sada se prostor sam po sebi i vrijeme samo po sebi moraju pretvoriti u fikcije, a samo neka vrsta kombinacije oba mora i dalje zadržati neovisnost.

Stoljeće kasnije, znamo da vrijeme i prostor nisu postali fikcije, ali je ideja Minkowskog omogućila da se na vrlo jednostavan način opiše kretanje i interakcija čestica materije.

3.18. 4D svijet*. U jedinicama u kojima c= 1, ideja o svijetu Minkowskog izgleda posebno lijepo, koji spaja vrijeme i trodimenzionalni prostor u jedan četverodimenzionalni svijet. Energija i impuls se zatim kombinuju u jedan četvorodimenzionalni vektor, a masa, u skladu sa jednačinom (2), služi kao pseudo-euklidska dužina ovog vektora 4-energije-momenta str = E, str:

Četvorodimenzionalna putanja u svijetu Minkowskog naziva se svjetska linija, a pojedinačne točke nazivaju se svjetske točke.

3.19. Ovisnost takta o njihovoj brzini**. Brojna zapažanja pokazuju da satovi najbrže rade kada miruju u odnosu na inercijski okvir. Konačno kretanje u inercijskom referentnom okviru usporava njihov napredak. Što se brže kreću u prostoru, sporije idu u vremenu. Usporenje je apsolutno u univerzalnom referentnom okviru (vidi odjeljke 3.1–3.8). Njegova mjera je odnos e/m, koji se često označava slovom γ.

3.20. Mioni u prstenastom akceleratoru iu mirovanju**. Postojanje ovog usporavanja može se najjasnije vidjeti upoređujući životni vijek miona u mirovanju i miona koji rotira u prstenastom akceleratoru. Činjenica da se u akceleratoru mion ne kreće potpuno slobodno, već ima centripetalno ubrzanje ω 2 R, gdje ω je radijalna frekvencija okretanja, i R je radijus orbite, daje samo zanemarljivu korekciju, jer E/ω 2 R = ER>> 1. Kretanje po kružnici, a ne po pravoj liniji, apsolutno je neophodno za direktno poređenje rotirajućeg miona sa mionom u mirovanju. Ali što se tiče brzine starenja miona u pokretu, kružni luk dovoljno velikog radijusa ne može se razlikovati od prave linije. Ova stopa je određena omjerom e/m. (Naglašavam da prema specijalnoj teoriji relativnosti, referentni okvir u kojem miruje rotirajući mion nije inercijalan.)

3.21. Luk i akord**. Sa stanovišta posmatrača koji miruje u inercijskom referentnom okviru, luk kruga dovoljno velikog radijusa i njegova tetiva se praktično ne razlikuju: kretanje duž luka je gotovo inercijalno. Sa stanovišta posmatrača koji miruje u odnosu na mion koji leti u krugu, njegovo kretanje je u suštini neinercijalno. Uostalom, njegova brzina mijenja znak za pola okreta. (Za posmatrača u pokretu, udaljene zvijezde nikako ne miruju. Cijeli Univerzum je za njega asimetričan: zvijezde ispred su plave, a iza su crvene. Dok su za nas sve iste - zlatne, jer je brzina Sunca sistem je nizak.) A neinercijalnost ovog posmatrača se manifestuje u tome što se sazvežđa ispred i iza menjaju kako se mion kreće u prstenastom akceleratoru. Ne možemo smatrati da su posmatrači u mirovanju i u pokretu ekvivalentni, jer prvi ne doživljava nikakvo ubrzanje, a drugi, da bi se vratio na mjesto susreta, mora ga doživjeti.

3.22. opšta relativnost**. Teoretski fizičari, navikli na jezik Opšte teorije relativnosti (GR), insistiraju da su svi referentni okviri jednaki. Ne samo inercijski, već i ubrzani. Sam prostor-vrijeme je zakrivljen. U ovom slučaju, gravitaciona interakcija prestaje da bude ista fizička interakcija kao elektromagnetna, slaba i jaka, i postaje izuzetna manifestacija zakrivljenog prostora. Kao rezultat toga, cijela fizika za njih izgleda kao da je podijeljena na dva dijela. Ako pođemo od činjenice da je ubrzanje uvijek posljedica interakcije, da nije relativno, već apsolutno, tada fizika postaje jedinstvena i jednostavna.

3.23. "Lenkom". Upotreba riječi "relativnost" i "relativizam" u odnosu na brzinu svjetlosti podsjeća na naziv pozorišta "Lenkom" ili novina "Moskovsky Komsomolets", samo genealoški povezanih sa Komsomolom. Ovo su jezički paradoksi. Brzina svjetlosti u vakuumu nije relativna. Ona je apsolutna. Samo fizičari trebaju pomoć lingvista.

4. O kvantnoj teoriji

4.1. Plankova konstanta. Ako je u teoriji relativnosti ključna konstanta brzina svjetlosti c, tada je ključna konstanta u kvantnoj mehanici h= 6,63 10 −34 J s, otkrio Max Planck 1900. Fizičko značenje ove konstante će postati jasno iz sljedeće prezentacije. Uglavnom se takozvana redukovana Plankova konstanta pojavljuje u formulama kvantne mehanike:

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

U mnogim pojavama važnu ulogu igra količina ħc= 1,97 10 −11 MeV cm.

4.2. Spin elektrona. Počnimo sa dobro poznatim naivnim poređenjem atoma sa planetarnim sistemom. Planete se okreću oko Sunca i oko svoje ose. Slično, elektroni se okreću oko jezgra i oko svoje vlastite ose. Rotaciju elektrona u orbiti karakterizira orbitalni ugaoni moment L(često se i ne sasvim ispravno naziva orbitalni ugaoni moment). Rotaciju elektrona oko sopstvene ose karakteriše njegov sopstveni ugaoni moment - spin S. Ispostavilo se da svi elektroni na svijetu imaju spin jednak (1/2) ħ . Za poređenje, napominjemo da je „spin“ Zemlje 6 10 33 m 2 kg/s = 6 10 67 ħ .

4.3. Atom vodonika. Zapravo, atom nije planetarni sistem, a elektron nije obična čestica koja se kreće po orbiti. Elektron, kao i sve druge elementarne čestice, uopće nije čestica u svakodnevnom smislu riječi, što podrazumijeva da se čestica mora kretati određenom putanjom. U najjednostavnijem atomu - atomu vodika, ako je u osnovnom stanju, tj. nije pobuđen, elektron više liči na sferni oblak poluprečnika reda 0,5 10 -10 m. Kako je atom pobuđen, elektron prelazi u sve viša stanja, koja postaju sve veća.

4.4. Kvantni brojevi elektrona. Bez uzimanja u obzir spina, kretanje elektrona u atomu karakteriziraju dva kvantna broja: glavni kvantni broj n i orbitalni kvantni broj l, štaviše n ≥ l. Ako a l= 0, onda je elektron sferno simetričan oblak. Što je veći n, to je veća veličina ovog oblaka. Više l, što je kretanje elektrona više slično kretanju klasične čestice u orbiti. Energija vezivanja elektrona koji se nalazi u atomu vodika na ljusci s kvantnim brojem n, je jednako

gdje α =e 2/ħc≈ 1/137, a e je naboj elektrona.

4.5. Višeelektronski atomi. Spin igra ključnu ulogu u punjenju elektronskih omotača višeelektronskih atoma. Činjenica je da dva elektrona sa istim smjerom vlastite rotacije (isti smjer okretanja) ne mogu biti na istoj ljusci sa datim vrijednostima n i l. To je zabranjeno takozvanim Paulijevim principom (1900–1958). U suštini, Paulijev princip određuje periode Periodnog sistema elemenata Mendeljejeva (1834–1907).

4.6. Bozoni i fermioni. Sve elementarne čestice imaju spin. Dakle, spin fotona je 1 u jedinicama ħ , spin gravitona je 2. Čestice sa cjelobrojnim spinom u jedinicama ħ nazivaju se bozoni. Čestice sa polucijelim spinom nazivaju se fermioni. Bosoni su kolektivisti: „svi imaju tendenciju da žive u istoj prostoriji“, da budu u istom kvantnom stanju. Laser se zasniva na ovoj osobini fotona: svi fotoni u laserskom snopu imaju potpuno isti impuls. Fermioni su individualisti: "svakom od njih je potreban poseban stan." Ovo svojstvo elektrona određuje obrasce popunjavanja elektronskih omotača atoma.

4.7. "Kvantni kentauri". Elementarne čestice su poput kvantnih kentaura: polučestice - polutalasi. Zbog svojih valnih svojstava, kvantni kentauri, za razliku od klasičnih čestica, mogu proći kroz dva proreza odjednom, što rezultira interferencijskim uzorkom na ekranu iza njih. Svi pokušaji da se kvantni kentauri stave u prokrustovo ležište koncepata klasične fizike pokazali su se besplodnim.

4.8. Odnosi nesigurnosti. Konstantno ħ određuje karakteristike ne samo rotacionog, već i translacionog kretanja elementarnih čestica. Nesigurnosti položaja i momenta čestice moraju zadovoljiti takozvane Hajzenbergove relacije nesigurnosti (1901-1976), kao npr.

Sličan odnos postoji i za energiju i vrijeme:

4.9. Kvantna mehanika. I spinska kvantizacija i odnosi nesigurnosti su posebne manifestacije opštih zakona kvantne mehanike, stvorenih 1920-ih. Prema kvantnoj mehanici, svaka elementarna čestica, na primjer, elektron, je i elementarna čestica i elementarni (jednočestični) val. Štaviše, za razliku od običnog talasa, koji je periodično kretanje kolosalnog broja čestica, elementarni talas je nova, do sada nepoznata vrsta kretanja pojedinačne čestice. Elementarna talasna dužina λ čestice sa impulsom str je jednako λ = h/|str|, i elementarnu frekvenciju ν odgovara energiji E, je jednako ν = E/h.

4.10. Kvantna teorija polja. Dakle, u početku smo bili prisiljeni priznati da čestice mogu biti proizvoljno lagane, pa čak i bez mase, te da njihove brzine ne mogu premašiti c. Tada smo bili prisiljeni priznati da čestice uopće nisu čestice, već neobični hibridi čestica i valova čije je ponašanje kombinovano kvantnim h. Objedinjavanje teorije relativnosti i kvantne mehanike sproveo je Dirac (1902–1984) 1930. godine i dovelo do stvaranja teorije koja je nazvana kvantna teorija polja. Upravo ova teorija opisuje osnovna svojstva materije.

4.11. Jedinice u kojima c, ħ = 1. U nastavku ćemo po pravilu koristiti takve jedinice u kojima se uzima jedinica brzine c, i po jedinici ugaonog momenta (akcije) - ħ . U ovim jedinicama, sve formule su znatno pojednostavljene. U njima su, posebno, dimenzije energije, mase i frekvencije iste. Ove jedinice su prihvaćene u fizici visokih energija, jer su kvantni i relativistički fenomeni bitni u njoj. U onim slučajevima kada je potrebno naglasiti kvantnu prirodu određene pojave, eksplicitno ćemo ispisati ħ . Isto ćemo uraditi i sa c.

4.12. Einstein i kvantna mehanika*. Ajnštajn se, u izvesnom smislu, rodivši kvantnu mehaniku, nije pomirio sa njom. I do kraja života pokušavao je da izgradi "jedinstvenu teoriju svega" na bazi klasične teorije polja, zanemarujući ħ . Einstein je vjerovao u klasični determinizam i u neprihvatljivost slučajnosti. O Bogu je ponavljao: "On ne igra kockice." I nije se mogao pomiriti s činjenicom da se trenutak raspada pojedine čestice u principu ne može predvidjeti, iako se prosječni životni vijek jedne ili druge vrste čestice predviđa u okviru kvantne mehanike sa neviđenom tačnošću. Nažalost, njegove ovisnosti su odredile stavove tolikog broja ljudi.

5. Feynmanovi dijagrami

5.1. Najjednostavniji dijagram. Interakcije čestica se zgodno posmatraju pomoću dijagrama koje je predložio Richard Feynman (1918–1988) 1949. godine. 1 prikazuje najjednostavniji Feynmanov dijagram koji opisuje interakciju elektrona i protona razmjenom fotona.

Strelice na slici pokazuju smjer protoka vremena za svaku česticu.

5.2. stvarne čestice. Svaki proces odgovara jednom ili više Feynmanovih dijagrama. Vanjske linije na dijagramu odgovaraju dolaznim (prije interakcije) i odlaznim (poslije interakcije) česticama koje su slobodne. Njihov 4-momenta p zadovoljavaju jednačinu

Zovu se prave čestice i za njih se kaže da se nalaze na površini mase.

5.3. virtuelne čestice. Unutrašnje linije dijagrama odgovaraju česticama u virtuelnom stanju. Za njih

Zovu se virtuelne čestice i kaže se da su izvan ljuske. Širenje virtuelne čestice opisuje se matematičkom veličinom koja se naziva propagator.

Ova uobičajena terminologija može početnike navesti na ideju da su virtualne čestice manje materijalne od stvarnih čestica. U stvarnosti, one su podjednako materijalne, ali stvarne čestice percipiramo kao materiju i zračenje, a virtuelne - uglavnom kao polja sila, iako je ova razlika uglavnom proizvoljna. Važno je da ista čestica, na primjer, foton ili elektron, može biti stvarna pod određenim uvjetima, a virtualna pod drugim.

5.4. Vrhovi. Vrhovi dijagrama opisuju lokalne akte elementarnih interakcija između čestica. Na svakom tjemenu, 4-momentum je očuvan. Lako je vidjeti da ako se tri linije stabilnih čestica susreću na jednom vrhu, onda barem jedna od njih mora biti virtualna, tj. mora biti izvan ljuske mase: "Bolivar ne može uništiti tri." (Na primjer, slobodni elektron ne može emitovati slobodan foton i dalje ostati slobodan elektron.)

Dvije stvarne čestice međusobno djeluju na udaljenosti, razmjenjujući jednu ili više virtualnih čestica.

5.5. Širenje. Ako se kaže da se stvarne čestice kreću, onda se kaže da se virtuelne čestice šire. Termin "propagacija" naglašava činjenicu da virtuelna čestica može imati mnogo putanja, a može biti da nijedna od njih nije klasična, poput virtuelnog fotona sa nultom energijom i ne-nultim impulsom, koji opisuje statičku Kulonovu interakciju.

5.6. Antičestice. Izvanredno svojstvo Feynmanovih dijagrama je da opisuju i čestice i odgovarajuće antičestice na jedinstven način. U ovom slučaju, antičestica izgleda kao čestica koja se kreće unazad u vremenu. Na sl. Slika 2 prikazuje dijagram koji prikazuje proizvodnju protona i antiprotona tokom anihilacije elektrona i pozitrona.

Vremenski preokret se podjednako odnosi na fermione i bozone. Čini nepotrebnim tumačenje pozitrona kao praznih stanja u moru elektrona sa negativnom energijom, čemu je Dirac pribjegao kada je 1930. uveo koncept antičestice.

5.7. Schwinger i Feynman dijagrami. Schwinger (1918–1994), koji nije imao problema s računskim poteškoćama, nije volio Feynmanove dijagrame i o njima je pisao pomalo snishodljivo: “Poput kompjuterskog čipa u novijim godinama, Feynmanov dijagram je donio računanje masama.” Nažalost, za razliku od čipa, Feynmanovi dijagrami nisu došli do najširih masa.

5.8. Feynmanovi i Feynmanovi dijagrami. Iz nepoznatih razloga, Feynmanovi dijagrami nisu stigli ni do čuvenih Feynmanovih predavanja iz fizike. Uvjeren sam da ih treba donijeti srednjoškolcima, objasniti im osnovne ideje fizike elementarnih čestica. Ovo je najjednostavniji pogled na mikrokosmos i svijet u cjelini. Ako učenik poznaje koncept potencijalne energije (na primjer, Newtonov zakon ili Coulombov zakon), tada mu Feynmanovi dijagrami omogućavaju da dobije izraz za ovu potencijalnu energiju.

5.9. Virtuelne čestice i fizička polja sile. Feynmanovi dijagrami su najjednostavniji jezik kvantne teorije polja. (Barem u slučajevima kada interakcija nije jako jaka i može se koristiti teorija perturbacije.) U većini knjiga o kvantnoj teoriji polja, čestice se tretiraju kao kvantne pobude polja, što zahtijeva poznavanje formalizma druge kvantizacije. U jeziku Feynmanovih dijagrama, polja su zamijenjena virtualnim česticama.

Elementarne čestice imaju i korpuskularna i valna svojstva. Štaviše, u stvarnom stanju su čestice materije, au virtuelnom su i nosioci sila između materijalnih objekata. Nakon uvođenja virtuelnih čestica, koncept sile postaje nepotreban, a sa pojmom polja, ako nije bio poznat, možda bi se trebalo upoznati nakon što se savlada pojam virtuelne čestice.

5.10. Elementarne interakcije*. Elementarne radnje emisije i apsorpcije virtuelnih čestica (vrhova) karakteriziraju takve interakcijske konstante kao što su električni naboj e u slučaju fotona, slabi naboji e/sin θ W u slučaju W bozona i e/sin θ W cos θ W u slučaju Z-bozona (gdje θ W- Weinbergov ugao), naboj u boji g u slučaju gluona, i količinu √G u slučaju gravitona, gdje G je Njutnova konstanta. (Vidi pogl. 6–10.) Elektromagnetna interakcija je razmotrena u nastavku u pogl. 7. Slaba interakcija - u gl. 8. Jaka - u Ch. devet.

I počećemo u sledećem poglavlju. 6 sa gravitacionom interakcijom.

6. Gravitaciona interakcija

6.1. Gravitoni. Počeću od čestica koje još nisu otkrivene i verovatno neće biti otkrivene u doglednoj budućnosti. To su čestice gravitacionog polja - gravitoni. Ne samo gravitoni, već i gravitacijski valovi još nisu otkriveni (i to dok elektromagnetski valovi doslovno prožimaju naše živote). To je zbog činjenice da je pri niskim energijama gravitacijska interakcija vrlo slaba. Kao što ćemo vidjeti, teorija gravitona omogućava razumijevanje svih poznatih svojstava gravitacijske interakcije.

6.2. Razmjena gravitona. Jezikom Feynmanovih dijagrama, gravitaciona interakcija dvaju tijela se odvija razmjenom virtuelnih gravitona između elementarnih čestica koje čine ova tijela. Na sl. 3 graviton emituje čestica sa 4 impulsa p 1 i apsorbuje ga druga čestica sa 4 impulsa p 2 . Zbog očuvanja 4-momenta, q=p 1 − p′ 1 =p′ 2 −p 2 , gdje je q 4- impuls gravitona.

Distribucija virtuelnog gravitona (on, kao i svaka virtualna čestica, odgovara propagatoru) prikazana je na slici oprugom.

6.3. Atom vodonika u gravitacionom polju Zemlje. Na sl. Slika 4 prikazuje zbir dijagrama u kojima atom vodonika sa 4-impulsom p 1 razmjenjuje gravitone sa svim Zemljinim atomima s ukupnim 4-impulsom p 2 . I u ovom slučaju q = p 1 − p′ 1 = p′ 2 − p 2 , gdje je q ukupan 4-moment virtualnih gravitona.

6.4. O masi atoma. U budućnosti, pri razmatranju gravitacione interakcije, zanemarićemo masu elektrona u odnosu na masu protona, kao i razliku u masama protona i neutrona i energiju veze nukleona u atomskim jezgrama. Dakle, masa atoma je otprilike zbir masa nukleona u atomskom jezgru.

6.5. Dobitak*. Broj nukleona Zemlje N E ≈ 3,6 10 51 jednak je umnošku broja nukleona u jednom gramu zemaljske materije, odnosno Avogadrovog broja N A ≈ 6 10 23, na masu Zemlje u gramima ≈ 6 10 27 . Stoga, dijagram na sl. 4 je zbir 3,6·10 51 dijagrama na sl. 3, koji je označen zadebljanjem linija Zemlje i virtuelnih gravitona na Sl. 4. Osim toga, "gravitonska opruga", za razliku od propagatora jednog gravitona, napravljena je na sl. 4 siva. Čini se da sadrži 3,6·10 51 gravitona.

6.6. Njutnova jabuka u gravitacionom polju Zemlje. Na sl. 5, svi atomi jabuke, koji imaju ukupni impuls od 4 p 1 , stupaju u interakciju sa svim atomima Zemlje, koji imaju ukupni 4 impulsa p 2 .

6.7. Broj grafikona*. Da vas podsjetim da jedan gram obične materije sadrži N A = 6·10 23 nukleona. Broj nukleona u jabuci od 100 grama je N a = 100N A = 6 10 25 . Masa Zemlje je 6 10 27 g, a samim tim i broj nukleona Zemlje N E = 3,6 10 51 . Naravno, zadebljanje linija na Sl. 5 ni na koji način ne odgovara ogromnom broju nukleona jabuke N a , nukleona Zemlje N E i mnogo većem, jednostavno fantastičnom broju Feynmanovih dijagrama N d = N a N E = 2,2·10 77 . Na kraju krajeva, svaki nukleon jabuke je u interakciji sa svakim nukleonom Zemlje. Da bi se naglasio kolosalan broj dijagrama, opruga na sl. 5 je tamno.

Iako je interakcija gravitona s jednom elementarnom česticom vrlo mala, zbir dijagrama za sve nukleone Zemlje stvara značajnu privlačnost koju osjećamo. Univerzalna gravitacija vuče Mjesec ka Zemlji, oba prema Suncu, sve zvijezde u našoj galaksiji i sve galaksije jedne prema drugima.

6.8. Feynmanova amplituda i njena Fourierova transformacija***.

Feynmanov dijagram gravitacijske interakcije dva spora tijela s masama m 1 i m 2 odgovara Feynmanovoj amplitudi

gdje G- Njutnova konstanta, a q- 3-impuls koji nose virtuelni gravitoni. (Vrijednost 1/q2, gdje q- 4-momentum, nazvan propagator gravitona. U slučaju sporih tijela, energija se praktično ne prenosi, a samim tim q2 = −q 2 .)

Da bi se prešlo iz impulsnog prostora u konfiguracijski (koordinatni) prostor, potrebno je uzeti Fourierovu transformaciju amplitude A( q)

vrijednost A( r) daje potencijalnu energiju gravitacione interakcije nerelativističkih čestica i određuje kretanje relativističke čestice u statičkom gravitacionom polju.

6.9. Newtonov potencijal*. Potencijalna energija dvaju tijela masa m 1 i m 2 je

gdje G- Njutnova konstanta, a r- udaljenost između tijela.

Ova energija je sadržana u „proleću“ virtuelnih gravitona na Sl. 5. Interakcija čiji potencijal opada kao 1/ r, naziva se dugoročnim. Koristeći Fourierovu transformaciju, može se vidjeti da je gravitacija dugog dometa, jer je graviton bez mase.

6.10. Yukawa potencijalni potencijal tipa**. Zaista, kada bi graviton imao masu različitu od nule m, tada bi Feynmanova amplituda za njihovu razmjenu imala oblik

i odgovarao bi potencijalu poput Yukawa potencijala sa radijusom djelovanja r ≈ 1/m:

6.11. O potencijalnoj energiji**. U Njutnovoj nerelativističkoj mehanici, kinetička energija čestice zavisi od njene brzine (momenta), dok potencijalna energija zavisi samo od njenih koordinata, odnosno od njenog položaja u prostoru. U relativističkoj mehanici takav zahtjev se ne može održati, jer sama interakcija čestica često ovisi o njihovim brzinama (momentima) i, posljedično, o kinetičkoj energiji. Međutim, za obična, prilično slaba gravitaciona polja, promjena kinetičke energije čestice je mala u odnosu na njenu ukupnu energiju, pa se stoga ova promjena može zanemariti. Ukupna energija nerelativističke čestice u slabom gravitacionom polju može se napisati kao ε = E kin + E 0 + U.

6.12. Univerzalnost gravitacije. Za razliku od svih drugih interakcija, gravitacija ima izvanredno svojstvo univerzalnosti. Interakcija gravitona sa bilo kojom česticom ne zavisi od svojstava ove čestice, već zavisi samo od količine energije koju čestica poseduje. Ako je ova čestica spora, onda je njena energija mirovanja E 0 = mc 2, sadržan u njegovoj masi, daleko premašuje njegovu kinetičku energiju. Stoga je njegova gravitacijska interakcija proporcionalna njegovoj masi. Ali za dovoljno brzu česticu, njena kinetička energija je mnogo veća od njene mase. U ovom slučaju, njegova gravitacijska interakcija praktički ne ovisi o masi i proporcionalna je njegovoj kinetičkoj energiji.

6.13. Spin gravitona i univerzalnost gravitacije**. Preciznije, emisija gravitona nije proporcionalna jednostavnoj energiji, već tenzoru energije i impulsa čestice. A to je, pak, zbog činjenice da je spin gravitona jednak dva. Neka je 4-moment čestice prije emisije gravitona str 1 i naknadna emisija str 2. Tada je impuls gravitona q = str 1 − str 2. Ako uvedemo notaciju str = str 1 + str 2, tada će vrh emisije gravitona izgledati ovako

gdje je h αβ valna funkcija gravitona.

6.14. Interakcija gravitona sa fotonom**. To se posebno jasno vidi na primjeru fotona čija je masa jednaka nuli. Eksperimentalno je dokazano da kada foton leti sa donjeg sprata zgrade na gornji sprat, njegov zamah opada pod uticajem Zemljine gravitacije. Takođe je dokazano da se snop svjetlosti udaljene zvijezde odbija od gravitacijske sile Sunca.

6.15. Interakcija fotona sa Zemljom**. Na sl. 6 prikazuje razmjenu gravitona između Zemlje i fotona. Ova brojka uslovno predstavlja zbir gravitona razmene fotona sa svim nukleonima Zemlje. Na njemu se Zemljin vrh dobija od nukleonskog množenjem sa brojem nukleona u Zemlji N E uz odgovarajuću zamenu 4-impulsa nukleona sa 4-impulzom Zemlje (vidi sliku 3).

6.16. Interakcija gravitona i gravitona***. Pošto gravitoni nose energiju, oni sami moraju emitovati i apsorbovati gravitone. Nismo vidjeli pojedinačne stvarne gravitone i nikada ih nećemo vidjeti. Ipak, interakcija između virtuelnih gravitona dovodi do uočenih efekata.Na prvi pogled, doprinos tri virtuelna gravitona gravitacionoj interakciji dva nukleona je premali da bi se mogao detektovati (vidi sliku 7).

6.17. Merkurova sekularna precesija**. Međutim, ovaj doprinos se manifestuje u precesiji perihela Merkurove orbite. Sekularna precesija Merkura je opisana zbirom gravitona dijagrama Merkurove privlačnosti prema Suncu u jednoj petlji (slika 8).

6.18. Dobitak za Merkur**. Odnos masa Merkura i Zemlje je 0,055. Dakle, broj nukleona u Merkuru NM = 0,055 N E= 2 10 50 . masa sunca GOSPOĐA= 2 10 33 g. Dakle, broj nukleona na Suncu N S = N A M S= 1,2 10 57 . I broj dijagrama koji opisuju gravitacionu interakciju nukleona Merkura i Sunca, NdM= 2.4 10 107 .

Ako je potencijalna energija privlačenja Merkura prema Suncu U = GM S M M/r, onda se nakon uzimanja u obzir razmatrane korekcije za međusobnu interakciju virtuelnih gravitona množi sa koeficijentom 1 − 3 GM S/r. Vidimo da je korekcija potencijalne energije −3 G 2 M S 2 M M /r 2.

6.19. Orbita Merkura**. Radijus orbite Merkura a= 58 10 6 km. Orbitalni period je 88 zemaljskih dana. Orbitalni ekscentricitet e= 0,21. Zbog korekcije o kojoj se raspravlja, u jednoj revoluciji, velika poluos orbite rotira za ugao od 6π GM S/a(1 − e 2), tj., oko jedne desetine lučne sekunde, i rotira se za 43 "" za 100 zemaljskih godina.

6.20. Gravitacijski Lamb pomak**. Svako ko je proučavao kvantnu elektrodinamiku odmah će vidjeti da dijagram na sl. 7 je sličan trouglastom dijagramu koji opisuje pomak frekvencije (energije) nivoa 2 S 1/2 u odnosu na nivo 2 P 1/2 u atomu vodonika (gdje se trokut sastoji od jednog fotona i dvije elektronske linije). Ovaj pomak su 1947. izmjerili Lamb i Riserford i utvrđeno je da je 1060 MHz (1,06 GHz).

Ovo mjerenje je pokrenulo lančanu reakciju teorijskog i eksperimentalnog rada koja je dovela do stvaranja kvantne elektrodinamike i Feynmanovih dijagrama. Frekvencija precesije Merkura je 25 redova veličine manja.

6.21. Klasični ili kvantni efekat?**. Dobro je poznato da je Lambov pomak energije nivoa čisto kvantni efekat, dok je precesija Merkura čisto klasičan efekat. Kako se oni mogu opisati sličnim Feynmanovim dijagramima?

Da bismo odgovorili na ovo pitanje, moramo se sjetiti odnosa E = ħω i uzeti u obzir da je Fourierova transformacija tokom prijelaza iz momenta u konfiguracijski prostor u Sek. 6.8 sadrži e iqr / ħ . Osim toga, treba uzeti u obzir da u elektromagnetnom trokutu Lambovog pomaka postoji samo jedna linija čestice bez mase (foton), a druge dvije su propagatori elektrona. Stoga su karakteristične udaljenosti u njemu određene masom elektrona (Komptonova talasna dužina elektrona). A u precesijskom trouglu Merkura postoje dva propagatora čestice bez mase (gravitona). Ova okolnost, zbog trogravitonskog pika, dovodi do toga da gravitacioni trokut daje doprinos na neuporedivo većim udaljenostima od elektromagnetnog. Ovo poređenje pokazuje moć kvantne teorije polja u metodi Feynmanovih dijagrama, koji olakšavaju razumijevanje i izračunavanje širokog spektra fenomena, kako kvantnih tako i klasičnih.

7. Elektromagnetna interakcija

7.1. električna interakcija. Električna interakcija čestica se odvija razmjenom virtuelnih fotona, kao na sl. devetnaest.

Fotoni, poput gravitona, su također čestice bez mase. Dakle, električna interakcija je također dugog dometa:

Zašto nije univerzalan kao gravitacija?

7.2. pozitivni i negativni naboji. Prvo, zato što postoje električni naboji dva znaka. I drugo, zato što postoje neutralne čestice koje nemaju nikakav električni naboj (neutron, neutrino, foton...). Čestice sa naelektrisanjem suprotnih predznaka, poput elektrona i protona, privlače se jedna drugoj. Čestice sa istim nabojem se međusobno odbijaju. Kao rezultat toga, atomi i tijela sastavljena od njih su u osnovi električno neutralni.

7.3. neutralne čestice. Neutron sadrži u-kvark sa nabojem +2 e/3 i dva d-kvark sa nabojem − e/3. Dakle, ukupni naboj neutrona je nula. (Podsjetite se da proton sadrži dva u-kvark i jedan d-kvark.) Zaista elementarne čestice koje nemaju električni naboj su foton, graviton, neutrino, Z-bozon i Higsov bozon.

7.4. Kulonov potencijal. Potencijalna energija privlačenja elektrona i protona koji se nalaze na udaljenosti r jedno od drugog, je

7.5. Magnetna interakcija. Magnetska interakcija nije tako dugog dometa kao električna. Otpada kao 1/ r 3 . To ne zavisi samo od udaljenosti između dva magneta, već i od njihove međusobne orijentacije. Dobro poznat primjer je interakcija igle kompasa sa poljem Zemljinog magnetnog dipola. Potencijalna energija interakcije dva magnetna dipola μ 1 i μ 2 jednako

gdje n = r/r.

7.6. Elektromagnetna interakcija. Najveće dostignuće 19. stoljeća bilo je otkriće da su električne i magnetske sile dvije različite manifestacije iste elektromagnetne sile. Godine 1821. M. Faraday (1791–1867) proučavao je interakciju magneta i provodnika sa strujom. Deceniju kasnije, ustanovio je zakone elektromagnetne indukcije u interakciji dva provodnika. U narednim godinama uveo je koncept elektromagnetnog polja i izrazio ideju o elektromagnetnoj prirodi svjetlosti. 1870-ih, J. Maxwell (1831-1879) je shvatio da je elektromagnetna interakcija odgovorna za široku klasu optičkih fenomena: emisiju, transformaciju i apsorpciju svjetlosti, i napisao je jednačine koje opisuju elektromagnetno polje. Ubrzo je G. Hertz (1857–1894) otkrio radio talase, a V. Roentgen (1845–1923) otkrio je X-zrake. Čitava naša civilizacija zasnovana je na manifestacijama elektromagnetnih interakcija.

7.7. Unifikacija teorije relativnosti i kvantne mehanike. Najvažnija faza u razvoju fizike bila je 1928. kada se pojavio članak P. Diraca (1902–1984) u kojem je predložio kvantnu i relativističku jednačinu za elektron. Ova jednadžba je sadržavala magnetni moment elektrona i ukazivala na postojanje antičestice elektrona - pozitrona, otkrivene nekoliko godina kasnije. Nakon toga, kvantna mehanika i teorija relativnosti su se spojile u kvantnu teoriju polja.

Činjenica da su elektromagnetne interakcije uzrokovane emisijom i apsorpcijom virtuelnih fotona postala je potpuno jasna tek sredinom 20. stoljeća pojavom Feynmanovih dijagrama, odnosno nakon što je jasno formiran koncept virtuelne čestice.

8. Slaba interakcija

8.1. Nuklearne interakcije. Početkom 20. stoljeća otkriveni su atom i njegovo jezgro α -, β - i γ zrake koje emituju radioaktivna jezgra. Kako se ispostavilo, γ Zraci su fotoni veoma visoke energije. β zraci su elektroni visoke energije α zraci su jezgra helijuma. To je dovelo do otkrića dvije nove vrste interakcija - jake i slabe. Za razliku od gravitacionih i elektromagnetnih interakcija, jake i slabe interakcije su kratkog dometa.

Kasnije je otkriveno da su oni odgovorni za pretvaranje vodonika u helijum na našem Suncu i drugim zvijezdama.

8.2. Naelektrisane struje*. Slaba sila je odgovorna za transformaciju neutrona u proton sa emisijom elektrona i elektronskog antineutrina. Velika klasa procesa slabe interakcije zasniva se na transformaciji kvarkova jedne vrste u kvarkove druge vrste uz emisiju (ili apsorpciju) virtuelnog W-bozoni: u, c, t ↔ d, s, b. Slično za emisiju i apsorpciju W-bozoni, postoje prijelazi između nabijenih leptona i odgovarajućih neutrina:

e ↔ ν e , μ ↔ ν μ , τ ↔ ν τ . Tranzicije tipa dˉu ↔ W i eˉν e ↔ W. U svim ovim tranzicijama koje uključuju W-bozoni uključuju takozvane nabijene struje, koje mijenjaju naboje leptona i kvarkova za jedan. Slaba interakcija naelektrisanih struja je kratkog dometa, opisuje se Yukawa potencijalom e -mWr /r, tako da je njegov efektivni polumjer r ≈ 1/m W.

8.3. Neutralne struje*. Sedamdesetih godina prošlog stoljeća otkriveni su procesi slabe interakcije između neutrina, elektrona i nukleona, zbog takozvanih neutralnih struja. Osamdesetih godina prošlog vijeka eksperimentalno je utvrđeno da se interakcije naelektrisanih struja odvijaju kroz razmjenu W-bozoni, a interakcija neutralnih struja - razmjenom Z-bozoni.

8.4. Kršenje P- i CP-paritet*. U drugoj polovini 1950-ih otkriveno je kršenje pariteta P i paritet naplate C u slabim interakcijama. Godine 1964. otkriveni su slabi raspadi koji narušavaju očuvanje CP-simetrije. Trenutno je mehanizam kršenja CP-simetrije se proučavaju u raspadima mezona koji sadrže b-kvarkovi.

8.5. Neutrinske oscilacije*. U posljednje dvije decenije, pažnja fizičara bila je prikovana mjerenjima koja su obavljena na podzemnim detektorima kilotona u Kamioki (Japan) i Sudburyju (Kanada). Ova mjerenja su pokazala da između tri vrste neutrina ν e , ν μ , ν τ međusobne tranzicije (oscilacije) nastaju u vakuumu. Priroda ovih oscilacija se razjašnjava.

8.6. elektroslaba interakcija.Šezdesetih godina prošlog veka formulisana je teorija prema kojoj su elektromagnetna i slaba interakcija različite manifestacije jedne elektroslabe interakcije. Ako postoji stroga elektroslaba simetrija, onda mase W- i Z-bozoni bi bili jednaki nuli kao masa fotona.

8.7. Kršenje elektroslabe simetrije. Unutar Standardnog modela, Higsov bozon narušava elektroslabu simetriju i na taj način objašnjava zašto je foton bez mase, a slabi bozoni masivni. Takođe daje mase leptonima, kvarkovima i sebi.

8.8. Šta trebate znati o Higgsovima. Jedan od glavnih zadataka Velikog hadronskog sudarača LHC je otkriće Higsovog bozona (koji se jednostavno naziva Higgs i označava h ili H) i naknadno uspostavljanje njegove imovine. Prije svega, mjerenje njegovih interakcija sa W- i Z-bozone, sa fotonima, kao i njegove samointerakcije, odnosno proučavanje vrhova koji sadrže tri i četiri Higgsa: h 3 i h 4 , i njegove interakcije sa leptonima i kvarkovima, posebno sa gornjim kvarkom. Unutar standardnog modela postoje jasna predviđanja za sve ove interakcije. Njihova eksperimentalna verifikacija je od velikog interesa sa stanovišta potrage za "novom fizikom" izvan Standardnog modela.

8.9. Šta ako nema Higgsa? Ako se, s druge strane, pokaže da Higgs ne postoji u masenom intervalu reda nekoliko stotina GeV, onda će to značiti da pri energijama iznad TeV postoji nova, apsolutno neistražena regija u kojoj se interakcije W- i Z-bozoni postaju neperturbativno jaki, tj. ne mogu se opisati teorijom perturbacije. Istraživanja u ovoj oblasti donijet će mnoga iznenađenja.

8.10. Leptonski sudarači budućnosti. Za izvođenje cijelog ovog istraživačkog programa, pored LHC-a, možda će biti potrebno izgraditi leptonske sudarače:

ILC (International Linear Collider) sa energijom sudara od 0,5 TeV,

ili CLIC (Compact Linear Collider) sa energijom sudara od 1 TeV,

ili MC (Muon Collider) sa energijom sudara od 3 TeV.

8.11. Linearni elektron-pozitronski sudarači. ILC - International Linear Collider, u kojem se elektroni sudaraju sa pozitronima, kao i fotoni sa fotonima. Odluka o njegovoj izgradnji može se donijeti tek nakon što postane jasno da li Higgs postoji i kolika je njegova masa. Jedno od predloženih gradilišta ILC nalazi se u blizini Dubne. CLIC - Kompaktni linearni kolajder elektrona i pozitrona. Projekat se razvija u CERN-u.

8.12. Mionski sudarač. MS - Mionski sudarač prvi je osmislio G. I. Budker (1918–1977). 1999. godine u San Francisku je održana Peta međunarodna konferencija "Fizički potencijal i razvoj mionskih sudarača i fabrika neutrina". MS projekat se trenutno razvija u Nacionalnoj laboratoriji Fermi i mogao bi biti implementiran za 20 godina.

9. Jaka interakcija

9.1. Gluoni i kvarkovi. Jaka sila drži nukleone (protone i neutrone) unutar jezgra. Zasniva se na interakciji gluona sa kvarkovima i interakciji gluona sa gluonima. Upravo samodejstvo gluona dovodi do toga da, uprkos činjenici da je masa gluona nula, kao što su mase fotona i gravitona jednake nuli, razmena gluona ne dovodi do gluona. interakcija velikog dometa, slična fotonskim i gravitonskim. Štaviše, to dovodi do odsustva slobodnih gluona i kvarkova. To je zbog činjenice da je zbroj razmjena jednog gluona zamijenjen gluonskom cijevi ili niti. Interakcija nukleona u jezgru je slična van der Waalsovim silama između neutralnih atoma.

9.2. Zatvorenost i asimptotska sloboda. Fenomen zatvaranja gluona i kvarkova iz hadrona naziva se konfiniranje. Druga strana dinamike koja vodi ka zatvaranju je da na vrlo malim udaljenostima duboko unutar hadrona, interakcija između gluona i kvarkova postepeno opada. Čini se da kvarkovi postaju slobodni na malim udaljenostima. Ovaj fenomen se naziva terminom asimptotske slobode.

9.3. Kvarkove boje. Fenomen zatvorenosti je posljedica činjenice da svaki od šest kvarkova postoji, takoreći, u obliku tri varijante "boje". Kvarkovi su obično "obojeni" u žute, plave i crvene boje. Antikvarkovi su obojeni dodatnim bojama: ljubičasta, narandžasta, zelena. Sve ove boje označavaju neobične naboje kvarkova - "multidimenzionalne analoge" električnog naboja odgovornog za snažne interakcije. Naravno, nema veze, osim metaforičke, između boja kvarkova i običnih optičkih boja.

9.4. Gluonske boje. Porodica obojenih gluona još je brojnija: ima ih osam, od kojih su dvije identične svojim antičesticama, a preostalih šest nisu. Interakcije naboja u boji su opisane kvantnom hromodinamikom i određuju svojstva protona, neutrona, svih atomskih jezgara i svojstva svih hadrona. Činjenica da gluoni nose naboje u boji dovodi do fenomena zatvaranja gluon-kvarkova, što znači da obojeni gluoni i kvarkovi ne mogu pobjeći od hadrona. Nuklearne sile između bezbojnih (bijelih) hadrona su slabi odjeci moćnih interakcija boja unutar hadrona. Ovo je slično malenkosti molekularnih veza u odnosu na intraatomske.

9.5. Mase adrona. Mase adrona uopšte i nukleona posebno su posledica samodejstva gluona. Dakle, masa sve vidljive materije, koja čini 4-5% energije Univerzuma, nastaje upravo zbog samodejstva gluona.

10. Standardni model i dalje

10.1. 18 čestica Standardnog modela. Sve poznate fundamentalne čestice prirodno spadaju u tri grupe:

6 leptona(okretanje 1/2):
3 neutrina: ν e , ν μ , ν τ ;
3 napunjena leptona: e, μ , τ ;
6 kvarkova(okretanje 1/2):
u,c, t,
d, s, b;
6 bozona:
g̃ - graviton (spin 2),
γ , W, Z, g- gluoni (spin 1),
h- Higgs (spin 0).

10.2. Izvan standardnog modela. 96% energije Univerzuma je izvan Standardnog modela i čeka da bude otkriveno i proučavano. Postoji nekoliko osnovnih pretpostavki o tome kako bi nova fizika mogla izgledati (pogledajte odjeljke 10.3–10.6 ispod).

10.3. Odličan sindikat. Ogroman broj radova, uglavnom teorijskih, posvećen je ujedinjenju jakih i elektroslabih interakcija. Većina njih pretpostavlja da se javlja pri energijama reda 10 16 GeV. Takav spoj bi trebao dovesti do raspada protona.

10.4. supersimetrične čestice. Prema ideji supersimetrije, prvo rođenoj u FIAN-u, svaka "naša" čestica ima superpartnera čiji se spin razlikuje za 1/2: 6 skvarkova i 6 sliptona sa spinom 0, higgsino, fotino, vino i zino sa spinom 1/ 2, gravitino co spin 3/2. Mase ovih superpartnera moraju biti znatno veće od mase naših čestica. Inače bi se odavno otvorili. Neki od superpartnera bi mogli biti otkriveni kada Veliki hadronski sudarač proradi.

10.5. Superstrings. Hipoteza supersimetrije razvijena je hipotezom o postojanju superstruna koje žive na vrlo malim udaljenostima od reda od 10 −33 cm i odgovarajućim energijama od 10 19 GeV. Mnogi teorijski fizičari se nadaju da će se na osnovu koncepata superstruna moći konstruirati jedinstvena teorija svih interakcija koja ne sadrži slobodne parametre.

10.6. zrcalne čestice. Prema ideji zrcalne materije, koja se prvi put rodila u ITEP-u, svaka naša čestica ima ogledalo blizanca, a postoji i zrcalni svijet koji je vrlo slabo povezan s našim svijetom.

10.7. Crna materija. Samo 4-5% sve energije u svemiru postoji kao masa obične materije. Oko 20% energije svemira sadržano je u takozvanoj tamnoj materiji, za koju se smatra da se sastoji od superčestica, ili zrcalnih čestica, ili nekih drugih nepoznatih čestica. Ako su čestice tamne materije mnogo teže od običnih čestica i ako se, sudarajući se u svemiru, unište u obične fotone, tada se ovi visokoenergetski fotoni mogu registrirati posebnim detektorima u svemiru i na Zemlji. Razjašnjenje prirode tamne materije jedan je od glavnih zadataka fizike.

10.8. Tamna energija. Ali velika većina energije Univerzuma (oko 75%) je zbog takozvane tamne energije. Ona se "sipa" kroz vakuum i razbija jata galaksija. Njegova priroda još nije jasna.

11. Elementarne čestice u Rusiji i svijetu

11.1. Ukaz predsjednika Ruske Federacije. Dana 30. septembra 2009. godine izdat je Ukaz predsjednika Ruske Federacije „O dodatnim mjerama za realizaciju pilot projekta za osnivanje Nacionalnog istraživačkog centra „Kurčatov institut““. Uredbom je predviđeno učešće u projektu sledećih organizacija: Instituta za nuklearnu fiziku Sankt Peterburga, Instituta za fiziku visokih energija i Instituta za teorijsku i eksperimentalnu fiziku. Uredbom je predviđeno i "uključivanje navedene institucije, kao najznačajnije institucije nauke, u resornu strukturu rashoda federalnog budžeta kao glavnog upravitelja budžetskim sredstvima". Ova Uredba može doprinijeti vraćanju fizike elementarnih čestica u red prioritetnih oblasti razvoja nauke u našoj zemlji.

11.2. Saslušanja u Kongresu SAD 1. Dana 1. oktobra 2009. godine održana su saslušanja u Podkomitetu za energetiku i životnu sredinu Komiteta za nauku i tehnologiju Predstavničkog doma američkog Kongresa na temu „Istraživanje prirode materije, energije, prostora i vremena“. Sredstva Ministarstva energetike za 2009. za ovaj program iznose 795,7 miliona dolara. Profesorka Univerziteta Harvard Lisa Randall iznijela je poglede na materiju, energiju i porijeklo svemira u smislu buduće teorije struna. Direktor Nacionalne laboratorije Fermi (Batavija) Pierre Oddone govorio je o stanju fizike čestica u SAD-u, a posebno o skorom završetku izgradnje Tevatrona i početku zajedničkog rada FNAL-a i podzemne laboratorije DUSEL na proučavanju svojstva neutrina i rijetkih procesa. Naglasio je važnost učešća američkih fizičara u projektima fizike visokih energija u Evropi (LHC), Japanu (JPARC), Kini (PERC) i međunarodnom svemirskom projektu (GLAST, nedavno nazvan po Fermiju).

11.3. Saslušanja u Kongresu SAD 2. Direktor Nacionalne laboratorije Jefferson Hugh Montgomery govorio je o doprinosu ove laboratorije nuklearnoj fizici, akceleratorskim tehnologijama i obrazovnim programima. Dennis Kovar, direktor Odjela za fiziku visokih energija u Odjelu za energetiku, govorio je o tri glavna područja fizike visokih energija:

1) studije akceleratora pri maksimalnim energijama,

2) studije akceleratora pri maksimalnim intenzitetima,

3) zemaljsko i satelitsko istraživanje svemira u cilju rasvjetljavanja prirode tamne materije i tamne energije,

i tri glavna pravca u nuklearnoj fizici:

1) proučavanje jakih interakcija kvarkova i gluona,

2) proučavanje kako su atomska jezgra nastala od protona i neutrona,

3) proučavanje slabih interakcija koje uključuju neutrine.

12. O fundamentalnoj nauci

12.1. Šta je fundamentalna nauka. Iz gornjeg teksta jasno je da ja, kao i većina naučnih radnika, onaj dio nauke koji uspostavlja najfundamentalnije zakone prirode nazivam fundamentalnom naukom. Ovi zakoni leže u temelju piramide nauke ili njenih pojedinačnih spratova. Oni određuju dugoročni razvoj civilizacije. Postoje, međutim, ljudi koji fundamentalnom naukom nazivaju one delove nauke koji imaju najveći direktan uticaj na trenutna dostignuća u razvoju civilizacije. Meni se lično čini da se ove sekcije i pravci bolje nazivaju primijenjenom naukom.

12.2. Koreni i plodovi. Ako se fundamentalna nauka može uporediti sa korenjem drveta, onda se primenjena nauka može uporediti sa njegovim plodovima. Velika tehnološka otkrića kao što su mobilni telefoni ili optičke komunikacije su plodovi nauke.

12.3. A. I. Herzen o nauci. Godine 1845. Aleksandar Ivanovič Hercen (1812–1870) objavio je u časopisu Otečestvennye zapisi izuzetna pisma o proučavanju prirode. Na kraju prvog pisma je napisao: „Nauka se čini teškom, ne zato što je zaista teška, već zato što inače nećete dostići njenu jednostavnost, kao probijanje kroz mrak onih gotovih koncepata koji vas sprečavaju da vidite direktno. Neka znaju oni koji istupe da je čitav arsenal zarđalih i bezvrijednih alata koji smo naslijedili od skolastike bezvrijedan, da je potrebno žrtvovati stavove formulisane van nauke, da, ne odbacujući sve pola laži, kojim se, radi jasnoće, oblače poluistine ne može se ući u nauku, ne može se doći do cele istine.

12.4. O smanjenju školskih programa. Savremeni programi fizike u školi mogu uključivati ​​aktivno savladavanje elemenata teorije elementarnih čestica, teorije relativnosti i kvantne mehanike, ako smanjimo one dijelove u njima koji su uglavnom deskriptivne prirode i povećamo "erudiciju" djeteta, umjesto razumijevanja svijeta okolo i sposobnosti da se živi i stvara.

12.5. Zaključak. Bilo bi u redu da Prezidijum Ruske akademije nauka ukaže na važnost ranog upoznavanja mladih sa pogledom na svet zasnovan na dostignućima teorije relativnosti i kvantne mehanike, te da instrukcije Komisijama Prezidijuma Ruske akademije nauka o udžbenicima (predsjedavajući - potpredsjednik V.V. Kozlov) i o obrazovanju (predsjedavajući - potpredsjednik -predsjednik V. A. Sadovnichiy) da pripremi prijedloge za unapređenje nastave savremene fundamentalne fizike u srednjim i višim školama.

Opis

Da bi se odnos mogao nazvati fizičkim zakonom, on mora zadovoljiti sljedeće zahtjeve:

• empirijska potvrda. Fizički zakon se smatra istinitim ako je potvrđen ponovljenim eksperimentima.
• Svestranost. Zakon mora biti pravičan za veliki broj objekata. Idealno - za sve objekte u svemiru.
• Održivost. Fizički zakoni se ne mijenjaju s vremenom, iako se mogu prepoznati kao aproksimacije preciznijim zakonima.

Fizički zakoni se obično izražavaju kao kratka verbalna izjava ili kompaktna matematička formula:

Primjeri

Glavni članak: Spisak fizičkih zakona

Neki od najpoznatijih fizičkih zakona su:

Zakoni-principi

Neki fizički zakoni su univerzalni po prirodi i definicije su u svojoj suštini. Takvi zakoni se često nazivaju principima. To uključuje, na primjer, drugi Newtonov zakon (definicija sile), zakon održanja energije (definicija energije), princip najmanjeg djelovanja (definicija djelovanja) itd.

Zakoni-posljedice simetrija

Dio fizičkih zakona su jednostavne posljedice određenih simetrija koje postoje u sistemu. Dakle, zakoni održanja prema Noetherovoj teoremi su posljedice simetrije prostora i vremena. A Paulijev princip, na primjer, posljedica je identičnosti elektrona (antisimetrija njihove valne funkcije u odnosu na permutaciju čestica).

Usklađivanje zakona

Svi fizikalni zakoni su posljedica empirijskih zapažanja i istiniti su sa istom točnošću s kojom su istinita eksperimentalna opažanja. Ovo ograničenje nam ne dozvoljava da tvrdimo da je bilo koji od zakona apsolutan. Poznato je da neki od zakona očigledno nisu apsolutno tačni, već su aproksimacije onim tačnijim. Dakle, Newtonovi zakoni vrijede samo za dovoljno masivna tijela koja se kreću brzinama mnogo manjim od brzine svjetlosti. Precizniji su zakoni kvantne mehanike i specijalne relativnosti. Međutim, oni su, zauzvrat, aproksimacije preciznijih jednačina kvantne teorije polja.

vidi takođe

Bilješke

Wikimedia fondacija. 2010 .

Pogledajte šta je "Pravo (fizika)" u drugim rječnicima:

FIZIKA. 1. Predmet i struktura fizike F. nauka koja proučava najjednostavnije i istovremeno najviše. opšta svojstva i zakoni kretanja objekata materijalnog sveta koji nas okružuje. Kao rezultat ove općenitosti, ne postoje prirodni fenomeni koji nemaju fizičke. svojstva... Physical Encyclopedia

Nauka koja proučava najjednostavnije i ujedno najopštije obrasce prirodnih pojava, principe i strukturu materije i zakone njenog kretanja. Koncepti F. i njegovih zakona leže u osnovi svih prirodnih nauka. F. pripada egzaktnim naukama i proučavanim količinama... Physical Encyclopedia

Zakon pravolinijskog širenja svjetlosti: u prozirnoj homogenoj sredini svjetlost se širi pravolinijski. U vezi sa zakonom pravolinijskog širenja svjetlosti pojavio se koncept svjetlosnog snopa, koji ima geometrijsko značenje kao ... ... Wikipedia

FIZIKA- FIZIKA, nauka koja proučava, zajedno sa hemijom, opšte zakone transformacije energije i materije. Obe nauke su zasnovane na dva osnovna zakona prirodnih nauka - zakon održanja mase (zakon Lomonosova, Lavoisier) i zakon održanja energije (R. Mayer, Jaul... ... Velika medicinska enciklopedija

Boyleov Mariotteov zakon je jedan od osnovnih zakona o plinu. Zakon je nazvan po irskom fizičaru, hemičaru i filozofu Robertu Boyleu (1627. 1691.), koji ga je otkrio 1662. godine, a također u čast francuskog fizičara Edmea Mariottea (1620. 1684.) koji je otkrio ... ... Wikipedia

Statistička fizika Termodinamika Teorija molekularne kinetike Statistika ... Wikipedia

Zakon neopadajuće entropije: "U izolovanom sistemu, entropija se ne smanjuje." Ako je u nekom trenutku zatvoreni sistem u neravnotežnom makroskopskom stanju, onda je u narednim trenucima najvjerovatnija posljedica ... ... Wikipedia

Zakon obrnute veze između obima i sadržaja pojma je zakon formalne logike o odnosu između promjena obima i sadržaja pojma. Ako je prvi koncept širi od drugog po obimu, onda je sadržajno siromašniji; ako ... ... Wikipedia

- (a. fizika eksplozije; n. Physik der Explosion; f. physique de l explosion; i. fisica de explosion, fisica de estallido, fisica de detonacion) je nauka koja proučava fenomen eksplozije i mehanizam njenog djelovanja u mediju. Mehanički kvar…… Geološka enciklopedija

- (fizika tečnog stanja materije) grana fizike u kojoj se proučavaju mehanička i fizička svojstva tečnosti. Statistička teorija tečnosti je grana statističke fizike. Najvažniji rezultat je izvođenje jednačina ... ... Wikipedia

Nijedna sfera ljudske aktivnosti ne može bez egzaktnih nauka. I koliko god da su ljudski odnosi složeni, oni se takođe svode na ove zakone. nudi prisjetiti se zakona fizike s kojima se čovjek susreće i doživljava svaki dan svog života.

Najjednostavniji, ali najvažniji zakon je Zakon održanja i transformacije energije.

Energija svakog zatvorenog sistema ostaje konstantna za sve procese koji se odvijaju u sistemu. A mi smo u tako zatvorenom sistemu i jesmo. One. koliko dajemo, toliko dobijamo. Ako želimo nešto da dobijemo, moramo dati isti iznos prije toga. I ništa drugo!

I mi, naravno, želimo da dobijemo veliku platu, ali ne idemo na posao. Ponekad se stvori iluzija da „budale imaju sreće“ i mnogima sreća padne na glavu. Pročitajte bilo koju bajku. Heroji stalno moraju da savladavaju ogromne poteškoće! Zatim plivajte u hladnoj vodi, pa u kipućoj vodi.

Muškarci privlače pažnju žena udvaranjem. Žene se pak brinu o tim muškarcima i djeci. itd. Dakle, ako želite nešto da dobijete, potrudite se da prvo date.

Sila akcije jednaka je sili reakcije.

Ovaj zakon fizike odražava prethodni, u principu. Ako je osoba počinila negativan čin - svjesna ili ne - i tada dobila odgovor, tj. opozicija. Ponekad su uzrok i posljedica razdvojeni u vremenu i ne možete odmah shvatiti odakle vjetar duva. Moramo, što je najvažnije, zapamtiti da se ništa jednostavno ne događa.

Zakon poluge.

Arhimed je uzviknuo: Dajte mi uporište i pomeriću Zemlju!". Bilo koja težina se može nositi ako odaberete pravu polugu. Uvijek treba procijeniti koliko dugo će poluga biti potrebna da bi se postigao ovaj ili onaj cilj i izvući zaključak za sebe, postaviti prioritete: treba li uložiti toliko truda da kreirate pravu polugu i pomjerite ovu težinu, ili je lakše je ostaviti na miru i baviti se drugim aktivnostima.

Pravilo gimleta.

Pravilo je da označava smjer magnetskog polja. Ovo pravilo odgovara na vječno pitanje: ko je kriv? I ističe da smo mi sami krivi za sve što nam se dešava. Koliko god to bilo uvredljivo, koliko god bilo teško, ma koliko, na prvi pogled, bilo nepravedno, uvijek moramo biti svjesni da smo mi sami od samog početka bili uzrok.

zakon noktiju.

Kada neko želi da zakuca ekser, on ne kuca negde blizu eksera, on kuca tačno po glavi eksera. Ali sami ekseri se ne penju u zidove. Uvijek morate odabrati pravi čekić kako ne biste slomili nokat maljem. A prilikom bodovanja, morate izračunati udarac tako da se šešir ne savija. Neka bude jednostavno, vodite računa jedni o drugima. Naučite razmišljati o komšiji.

I konačno, zakon entropije.

Entropija je mjera poremećaja sistema. Drugim riječima, što je više haosa u sistemu, to je veća entropija. Preciznija formulacija: u spontanim procesima koji se odvijaju u sistemima, entropija se uvijek povećava. Po pravilu, svi spontani procesi su ireverzibilni. One dovode do stvarnih promjena u sistemu i nemoguće ga je vratiti u prvobitno stanje bez trošenja energije. Istovremeno, nemoguće je tačno (100%) ponoviti njegovo početno stanje.

Da bismo bolje razumjeli o kakvom redu i neredu je riječ, napravimo eksperiment. Crno-bijele pelete sipajte u staklenu teglu. Hajde da prvo stavimo crne, pa bele. Peleti će biti raspoređeni u dva sloja: crni donji, bijeli na vrhu - sve je u redu. Zatim nekoliko puta protresite teglu. Pelete će se ravnomjerno pomiješati. I koliko god da mi onda mućkamo ovu teglu, teško da ćemo uspeti da postignemo da se pelete ponovo rasporede u dva sloja. Evo ga, entropija u akciji!

Stanje kada su peleti raspoređeni u dva sloja smatra se naređenim. Neuređenim se smatra stanje kada su pelete ravnomjerno pomiješane. Za povratak u uređeno stanje potrebno je gotovo čudo! Ili ponovljeni mukotrpan rad sa peletima. I gotovo da nije potrebno mnogo truda da se napravi haos u banci.

Točak automobila. Kada je napuhan, ima višak slobodne energije. Točak se može pomerati, što znači da radi. Ovo je naredba. Šta ako probušite točak? Pritisak u njemu će pasti, slobodna energija će „otići“ u okolinu (raspršiti se) i takav točak više neće moći da radi. Ovo je haos. Vratiti sistem u prvobitno stanje, tj. da biste stvari doveli u red, potrebno je dosta posla: zalijepiti kameru, montirati točak, napumpati je itd., nakon čega je ovo opet neophodna stvar koja može biti od koristi.

Toplota se sa vrućeg tijela prenosi na hladno, a ne obrnuto. Obrnuti proces je teoretski moguć, ali praktički se niko neće upustiti u to, jer će biti potrebni ogromni napori, posebne instalacije i oprema.

Takođe u društvu. Ljudi stare. Kuće se ruše. Stijene tonu u more. Galaksije su rasute. Svaka stvarnost koja nas okružuje spontano teži neredu.

Međutim, ljudi često govore o neredu kao o slobodi: Ne, ne želimo red! Dajte nam takvu slobodu da svako može da radi šta hoće!» Ali kada svako radi šta hoće, to nije sloboda – ovo je haos. U naše vrijeme mnogi hvale nered, promovišu anarhiju – jednom riječju, sve što uništava i dijeli. Ali sloboda nije u haosu, sloboda je upravo u redu.

Organizirajući svoj život, čovjek stvara rezervu slobodne energije koju potom koristi za realizaciju svojih planova: rad, učenje, rekreacija, kreativnost, sport itd. Drugim riječima, suprotstavlja se entropiji. Inače, kako smo mogli akumulirati toliko materijalnih vrijednosti u proteklih 250 godina?!

Entropija je mjera nereda, mjera nepovratne disipacije energije. Što je više entropije, to je više nereda. Kuća u kojoj niko ne živi propada. Gvožđe vremenom rđa, auto stari. Veze do kojih nikog nije stalo će se raspasti. Kao i sve ostalo u našem životu, apsolutno sve!

Prirodno stanje prirode nije ravnoteža, već povećanje entropije. Ovaj zakon neumoljivo djeluje u životu jedne osobe. On ne treba ništa da radi da poveća svoju entropiju, to se dešava spontano, po zakonu prirode. Da biste smanjili entropiju (poremećaj), potrebno je mnogo truda. Ovo je neka vrsta šamara glupo pozitivnim ljudima (ispod ležećeg kamena i voda ne teče), kojih ima dosta!

Održavanje uspjeha zahtijeva stalan trud. Ako se ne razvijamo, onda degradiramo. A da bismo zadržali ono što smo imali ranije, danas moramo učiniti više nego juče. Stvari se mogu održavati u redu, pa čak i poboljšati: ako je boja na kući izblijedjela, može se prefarbati, pa čak i ljepša nego prije.

Ljudi treba da pokušaju da „smire“ proizvoljno destruktivno ponašanje koje vlada svuda u savremenom svetu, pokušaju da smanje stanje haosa, koji smo raspršili do grandioznih granica. I ovo je fizički zakon, a ne samo brbljanje o depresiji i negativnom razmišljanju. Sve se ili razvija ili degradira.

Živi organizam se rađa, razvija i umire, a niko nikada nije primetio da nakon smrti oživljava, postaje mlađi i vraća se u seme ili matericu. Kada kažu da se prošlost nikada ne vraća, onda, naravno, misle prije svega na ove vitalne pojave. Razvoj organizama postavlja pozitivan smjer strelice vremena, a promjena iz jednog stanja sistema u drugo se uvijek dešava u istom smjeru za sve procese bez izuzetka.

Valerian Chupin

Izvor informacija: Tchaikovsky.News

Komentari (3)

Bogatstvo modernog društva raste, i rasti će u sve većoj mjeri, prvenstveno kroz univerzalni rad. Industrijski kapital je bio prvi istorijski oblik društvene proizvodnje, kada je univerzalni rad počeo da se intenzivno eksploatiše. I prvo, onaj koji je dobio besplatno. Nauka, kao što je Marks primetio, kapitalu ništa ne košta. Zaista, nijedan kapitalista nije platio nagradu ni Arhimedu, ni Kardanu, ni Galileju, ni Hajgensu, ni Njutnu za praktičnu upotrebu njihovih ideja. Ali upravo je industrijski kapital taj koji masovno počinje da eksploatiše mehaničku tehnologiju, a time i opšti rad koji je u njoj oličen. Marx K, Engels F. Soch., tom 25, dio 1, str. 116.

OSNOVNI ZAKONI FIZIKE

[ Mehanika | Termodinamika | Struja | Optika | atomska fizika]

ENERGIJE ZAKON OČUVANJA I TRANSFORMACIJE - opšti zakon prirode: energija svakog zatvorenog sistema za sve procese koji se dešavaju u sistemu ostaje konstantna (očuvana). Energija se može samo pretvoriti iz jednog oblika u drugi i preraspodijeliti između dijelova sistema. Za otvoreni sistem, povećanje (smanjenje) njegove energije jednako je smanjenju (povećanju) energije tijela i fizičkih polja koja s njim djeluju.

1. MEHANIKA

ARHIMEDOV ZAKON - zakon hidro- i aerostatike: tijelo uronjeno u tekućinu ili plin podliježe sili uzgona usmjerenoj okomito prema gore, brojčano jednakoj težini tekućine ili plina koju je tijelo istisnulo, a koja se primjenjuje u središtu gravitacije uronjenog dijela tijela. FA= gV, gde je r gustina tečnosti ili gasa, V je zapremina potopljenog dela tela. Inače, može se formulisati na sljedeći način: tijelo uronjeno u tekućinu ili plin gubi na svojoj težini onoliko koliko teži tekućina (ili plin) koji je istisnut njime. Tada je P= mg - FA Ostalo gr. naučnik Arhimed 212. BC. To je osnova teorije plivačkih tijela.

ZAKON UNIVERZALNE GRAVITACIJE - Newtonov zakon gravitacije: sva tijela se privlače jedno prema drugom silom koja je direktno proporcionalna proizvodu masa ovih tijela i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih: , gdje su M i m mase tijela u interakciji, R je udaljenost između ovih tijela, G je gravitacijska konstanta (u SI G=6,67,10-11 N.m2/kg2.

GALILEOV PRINCIP RELATIVNOSTI, mehanički princip relativnosti - princip klasične mehanike: u bilo kom inercijskom referentnom okviru, sve mehaničke pojave se odvijaju na isti način pod istim uslovima. sri princip relativnosti.

HOOKOV ZAKON - zakon prema kojem su elastične deformacije direktno proporcionalne vanjskim utjecajima koji ih uzrokuju.

ZAKON OČUVANJA MOMENTUMA - zakon mehanike: zamah svakog zatvorenog sistema u svim procesima koji se dešavaju u sistemu ostaje konstantan (očuvan) i može se preraspodijeliti između dijelova sistema samo kao rezultat njihove interakcije.

NJUTNOVI ZAKONI - tri zakona u osnovi Njutnove klasične mehanike. 1. zakon (zakon inercije): materijalna tačka je u stanju pravolinijskog i ravnomjernog kretanja ili mirovanja ako na nju ne djeluju druga tijela ili je djelovanje ovih tijela nadoknađeno. 2. zakon (osnovni zakon dinamike): ubrzanje koje primi tijelo je direktno proporcionalno rezultanti svih sila koje djeluju na tijelo, a obrnuto proporcionalno masi tijela (). 3. zakon: dvije materijalne tačke međusobno djeluju silama iste prirode, jednakih po veličini i suprotnog smjera duž prave linije koja povezuje ove tačke ().

PRINCIP RELATIVNOSTI - jedan od postulata teorije relativnosti, koji kaže da se u bilo kojim inercijskim referentnim okvirima sve fizičke (mehaničke, elektromagnetne, itd.) pojave pod istim uslovima odvijaju na isti način. To je Galilejeva generalizacija principa relativnosti na sve fizičke pojave (osim gravitacije).

2. MOLEKULARNA FIZIKA I TERMODINAMIKA

AVOGADRO ZAKON - jedan od osnovnih zakona idealnih gasova: jednake zapremine različitih gasova na istoj temperaturi i pritisku sadrže isti broj molekula. Otvoren 1811. godine od strane Italijana. fizičar A. Avogadro (1776-1856).

BOYLE-MARIOTTE ZAKON - jedan od zakona idealnog gasa: za datu masu datog gasa na konstantnoj temperaturi proizvod pritiska i zapremine je konstantan. Formula: pV=konst. Opisuje izotermni proces.

DRUGI ZAKON TERMODINAMIJE - jedan od osnovnih zakona termodinamike, prema kojem je nemoguć periodični proces, čiji je jedini rezultat izvođenje rada ekvivalentno količini topline primljene od grijača. Druga formulacija: nemoguć je proces čiji je jedini rezultat prijenos energije u obliku topline sa manje zagrijanog tijela na toplije. V.z.t. izražava tendenciju sistema koji se sastoji od velikog broja haotično pokretnih čestica ka spontanom prijelazu iz manje vjerovatnih stanja u vjerovatnija stanja. Zabranjuje stvaranje perpetualnog motora druge vrste.

GAY-LUSSAC ZAKON - plinski zakon: za datu masu datog plina pri konstantnom pritisku, omjer volumena i apsolutne temperature je konstantna vrijednost, gdje je \u003d 1/273 K-1 temperaturni koeficijent volumnog širenja.

DALTONOV ZAKON - jedan od osnovnih zakona o gasu: pritisak mešavine idealnih gasova koji nisu u hemijskoj interakciji jednak je zbiru parcijalnih pritisaka ovih gasova.

PASCALOV ZAKON - osnovni zakon hidrostatike: pritisak koji stvaraju spoljne sile na površinu tečnosti ili gasa prenosi se podjednako u svim pravcima.

PRVI ZAKON TERMODINAMIJE - jedan od osnovnih zakona termodinamike, a to je zakon održanja energije za termodinamički sistem: količina toplote Q koja se prenosi sistemu troši se na promenu unutrašnje energije sistema U i obavljanje rada A protiv spoljnih sila sistema. Formula: Q=U+A. On je u osnovi rada toplotnih motora.

CHARLES ZAKON - jedan od glavnih zakona o plinu: pritisak date mase idealnog plina pri konstantnoj zapremini direktno je proporcionalan temperaturi: gdje je p0 pritisak na 00C, \u003d 1/273,15 K-1 je temperaturni koeficijent pritiska.

3. ELEKTRIČNA STRUJA I MAGNETIZAM

ZAKON AMPERE - zakon interakcije dva provodnika sa strujama; paralelni provodnici sa strujama u istom smjeru privlače se, a sa strujama u suprotnom smjeru odbijaju. A.z. naziva se i zakon koji određuje silu koja djeluje u magnetskom polju na mali segment provodnika sa strujom. Otvoren 1820 A.-M. Amper.

JOUL-LENTZ ZAKON - zakon koji opisuje toplotni efekat električne struje. Prema D. - L.z. Količina topline koja se oslobađa u vodiču kada jednosmjerna struja prolazi kroz njega direktno je proporcionalna kvadratu jačine struje, otporu provodnika i vremenu prolaska.

ZAKON Očuvanja naelektrisanja - jedan od osnovnih zakona prirode: algebarski zbir električnih naelektrisanja bilo kog električno izolovanog sistema ostaje nepromenjen. U električno izolovanom sistemu Z.s.z. omogućava pojavu novih nabijenih čestica (na primjer, prilikom elektrolitičke disocijacije, jonizacije plinova, stvaranja parova čestica-antičestica, itd.), ali ukupni električni naboj čestica koje se pojavljuju uvijek mora biti jednak nuli.

Coulomb ZAKON - osnovni zakon elektrostatike, koji izražava zavisnost sile interakcije dva naelektrisanja u fiksnoj tački od udaljenosti između njih: dva naelektrisanja u nepokretnoj tački deluju sa silom koja je direktno proporcionalna proizvodu veličina ovih naelektrisanja i obrnuto proporcionalna kvadrat udaljenosti između njih i permitivnost sredine u kojoj se nalaze naelektrisanja. U SI to izgleda ovako: . Vrijednost je numerički jednaka sili koja djeluje između dva fiksna točkasta naboja od po 1 C, smještena u vakuumu na udaljenosti od 1 m jedan od drugog. K.z. je jedna od eksperimentalnih osnova elektrodinamike.

PRAVILO LIJEVE RUKE - pravilo koje određuje smjer sile koja djeluje na provodnik sa strujom u magnetskom polju (ili pokretnu nabijenu česticu). Kaže: ako je lijeva ruka postavljena tako da ispruženi prsti pokazuju smjer struje (brzinu čestice), a linije sile magnetskog polja (linije magnetske indukcije) ulaze u dlan, tada uvučeni palac će ukazati na smjer sile koja djeluje na provodnik (pozitivna čestica; u slučaju negativne čestice, smjer sile je suprotan).

LENTZ PRAVILO (ZAKON) - pravilo koje određuje smjer indukcionih struja koje nastaju prilikom elektromagnetne indukcije. Prema L.p. induktivna struja uvijek ima takav smjer da njen vlastiti magnetni tok kompenzira promjene u vanjskom magnetskom fluksu koji je uzrokovao ovu struju. L.p. - posljedica zakona održanja energije.

OHMA ZAKON - jedan od osnovnih zakona električne struje: jačina jednosmjerne električne struje u dijelu kola je direktno proporcionalna naponu na krajevima ovog dijela i obrnuto proporcionalna njegovom otporu. Vrijedi za metalne provodnike i elektrolite čija se temperatura održava konstantnom. U slučaju kompletnog kola, formuliše se na sledeći način: jačina jednosmerne električne struje u kolu je direktno proporcionalna emf izvora struje i obrnuto proporcionalna impedanciji električnog kola.

PRAVILO DESNE RUKE - pravilo koje određuje 1) smjer indukcijske struje u provodniku koji se kreće u magnetskom polju: ako je dlan desne ruke postavljen tako da uključuje linije magnetske indukcije, a savijeni palac usmjeren duž pokret

provodnik, tada će četiri ispružena prsta pokazati smjer indukcijske struje; 2) smjer linija magnetske indukcije pravolinijskog vodiča sa strujom: ako se palac desne ruke postavi u smjeru struje, tada će smjer hvatanja vodiča sa četiri prsta pokazati smjer linija magnetne indukcije.

FARADAYOVI ZAKONI - osnovni zakoni elektrolize. Prvi Faradejev zakon: masa supstance koja se oslobađa na elektrodi tokom prolaska električne struje direktno je proporcionalna količini električne energije (naelektrisanja) koja je prošla kroz elektrolit (m=kq=kIt). Drugi FZ: omjer masa različitih tvari koje prolaze kroz kemijske transformacije na elektrodama kada isti električni naboji prolaze kroz elektrolit jednak je omjeru kemijskih ekvivalenata. Instalirao M. Faraday 1833-34. Generalizirani zakon elektrolize ima oblik: , gdje je M molarna (atomska) masa, z je valencija, F je Faradejeva konstanta. F.p. jednak je proizvodu elementarnog električnog naboja i Avogadrove konstante. F=e.NA. Određuje naboj, čiji prolazak kroz elektrolit dovodi do oslobađanja 1 mola jednovalentne tvari na elektrodi. F=(96484,56 0,27) ćelija/mol. Ime je dobio po M. Faradayu.

ZAKON ELEKTROMAGNETNE INDUKCIJE - zakon koji opisuje fenomen nastanka električnog polja pri promeni magnetnog polja (fenomen elektromagnetne indukcije): elektromotorna sila indukcije je direktno proporcionalna brzini promene magnetnog fluksa. Koeficijent proporcionalnosti je određen sistemom jedinica, znak je Lenzovo pravilo. Formula u SI je: gdje je F promjena magnetnog fluksa, a t je vremenski interval tokom kojeg se ta promjena dogodila. Otkrio M. Faraday.

4. OPTIKA

HUYGENSOV PRINCIP - metoda koja vam omogućava da u bilo kom trenutku odredite položaj fronta talasa. Prema g.p. sve tačke kroz koje prolazi front talasa u trenutku t su izvori sekundarnih sfernih talasa, a željeni položaj fronta talasa u trenutku t t poklapa se sa površinom koja obavija sve sekundarne talase. Omogućava vam da objasnite zakone refleksije i prelamanja svjetlosti.

HUYGENS - FRESNELOV - PRINCIP - približna metoda za rješavanje problema širenja talasa. G.-F. Stavka kaže: u bilo kojoj tački izvan proizvoljne zatvorene površine, koja pokriva tačkasti izvor svjetlosti, svjetlosni val pobuđen ovim izvorom može se predstaviti kao rezultat interferencije sekundarnih talasa koje emituju sve tačke navedene zatvorene površine. Omogućava rješavanje najjednostavnijih problema difrakcije svjetlosti.

ZAKON ODBIJANJA TALASA - upadni snop, reflektovani snop i okomica podignuta na upadnu tačku snopa leže u istoj ravni, a upadni ugao je jednak uglu prelamanja. Zakon važi za odraz u ogledalu.

PRELAMANJE SVETLOSTI - promena smera prostiranja svetlosti (elektromagnetni talas) tokom prelaska iz jednog medijuma u drugi, koji se razlikuje od prvog indeksa prelamanja. Za refrakciju je ispunjen zakon: upadni snop, prelomljeni snop i okomica podignuta na upadnu tačku snopa leže u istoj ravni, a za ova dva medija odnos sinusa upadnog ugla i Sinus ugla prelamanja je konstantna vrijednost, koja se naziva relativni indeks prelamanja drugog medija u odnosu na prvi.

ZAKON PRAVILNIJNE DISTRIBUCIJE SVETLOSTI - zakon geometrijske optike, koji se sastoji u tome da se u homogenoj sredini svetlost širi pravolinijski. Objašnjava, na primjer, formiranje sjene i polusjene.

6. ATOMSKA I NUKLEARNA FIZIKA.

BOHROVI POSTULATI - glavne pretpostavke koje je bez dokaza uveo N.Bohr i koje su u osnovi BOHROVE TEORIJE: 1) Atomski sistem je stabilan samo u stacionarnim stanjima koja odgovaraju diskretnom nizu vrijednosti atomske energije. Svaka promjena ove energije povezana je s potpunim prijelazom atoma iz jednog stacionarnog stanja u drugo. 2) Apsorpcija i emisija energije od strane atoma odvija se prema zakonu prema kojem je zračenje povezano s prijelazom monokromatsko i ima frekvenciju: h = Ei-Ek, gdje je h Plankova konstanta, a Ei i Ek su energije atoma u stacionarnim stanjima

Prema ovom zakonu, proces čiji je jedini rezultat prenos energije u vidu toplote sa hladnijeg tela na toplije, nemoguć je bez promena u samom sistemu i okolini.
Drugi zakon termodinamike izražava tendenciju sistema koji se sastoji od velikog broja nasumično pokretnih čestica ka spontanom prelasku iz manje vjerovatnih stanja u vjerovatnija. Zabranjuje stvaranje perpetualnog motora druge vrste.
Jednake zapremine idealnih gasova pri istoj temperaturi i pritisku sadrže isti broj molekula.
Zakon je 1811. godine otkrio italijanski fizičar A. Avogadro (1776–1856).
Zakon interakcije dviju struja koje teku u vodičima koji se nalaze na maloj udaljenosti jedan od drugog glasi: paralelni vodiči sa strujama u jednom smjeru privlače se, a sa strujama u suprotnom smjeru odbijaju.
Zakon je 1820. otkrio A. M. Ampere.
Zakon hidro i aerostatike: na tijelo uronjeno u tekućinu ili plin, sila uzgona djeluje okomito prema gore, jednaka težini tekućine ili plina koji je istisnuo tijelo, a primijenjena je na težište uronjenog dijela tijelo. FA = gV, gde je g gustina tečnosti ili gasa, V je zapremina potopljenog dela tela.
Inače, zakon se može formulisati na sljedeći način: tijelo uronjeno u tekućinu ili plin gubi na svojoj težini onoliko koliko teži tekućina (ili plin) koji je istisnuo njime. Tada je P = mg - FA.
Zakon je otkrio starogrčki naučnik Arhimed 212. godine prije Krista. e. To je osnova teorije lebdećih tijela.
Jedan od zakona idealnog gasa: pri konstantnoj temperaturi proizvod pritiska gasa i njegove zapremine je konstantna vrednost. Formula: pV = konst. Opisuje izotermni proces. Zakon univerzalne gravitacije, ili Newtonov zakon gravitacije: sva tijela se privlače jedno prema drugom silom koja je direktno proporcionalna proizvodu masa ovih tijela i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih. Prema ovom zakonu, elastične deformacije čvrstog tijela su direktno proporcionalne vanjskim utjecajima koji ih uzrokuju. Opisuje toplotni efekat električne struje: količina toplote koja se oslobađa u vodiču kada jednosmerna struja prolazi kroz njega direktno je proporcionalna kvadratu jačine struje, otporu provodnika i vremenu prolaska. Otkrili su ga Joule i Lenz nezavisno u 19. veku. Osnovni zakon elektrostatike, koji izražava ovisnost sile interakcije dvaju fiksnih točkastih naboja o udaljenosti između njih: dva fiksna točkasta naboja djeluju u interakciji sa silom koja je direktno proporcionalna proizvodu veličina ovih naboja i obrnuto proporcionalna kvadrata udaljenosti između njih i permitivnosti sredine u kojoj se nalaze naelektrisanja. Vrijednost je numerički jednaka sili koja djeluje između dva fiksna naboja od 1 C svaki koji se nalaze u vakuumu na udaljenosti od 1 m jedan od drugog.
Coulombov zakon je jedna od eksperimentalnih osnova elektrodinamike. Otvoren 1785
Jedan od osnovnih zakona električne struje: jačina jednosmjerne električne struje u dijelu strujnog kola je direktno proporcionalna naponu na krajevima ovog dijela i obrnuto proporcionalna njegovom otporu. Vrijedi za metalne provodnike i elektrolite čija se temperatura održava konstantnom. U slučaju kompletnog kola, formuliše se na sledeći način: jačina jednosmerne električne struje u kolu je direktno proporcionalna emf izvora struje i obrnuto proporcionalna impedanciji električnog kola.

Otvoren 1826. od strane G. S. Ohma.