Millised on füüsika põhiseadused? Füüsika: põhimõisted, valemid, seadused. Füüsika põhiseadused, mida inimene peaks teadma Klassikalise füüsika põhiseadused

1.1. Annotatsioon. Relatiivsusteooria ja kvantmehaanika seadused, mille kohaselt toimub aine elementaarosakeste liikumine ja vastastikmõju, määravad ette kõige laiema hulga erinevate loodusteaduste poolt uuritud nähtuste mustrite kujunemise ja ilmnemise. Need seadused on moodsate kõrgtehnoloogiate aluseks ning määravad suuresti meie tsivilisatsiooni olukorra ja arengu. Seetõttu on põhifüüsika põhitõdedega tutvumine vajalik mitte ainult õpilastele, vaid ka koolilastele. Ellu sisenevale inimesele on vajalik maailma ehituse alusteadmiste aktiivne omamine, et leida oma koht selles maailmas ja edukalt jätkata haridusteed.

1.2. Mis on selle raporti peamine raskus. See on suunatud nii elementaarosakeste füüsika valdkonna spetsialistidele kui ka palju laiemale publikule: füüsikutele, kes ei tegele elementaarosakestega, matemaatikutele, keemikutele, bioloogidele, energeetikateadlastele, majandusteadlastele, filosoofidele, keeleteadlastele, ... Et olla piisavalt täpne, pean kasutama põhifüüsika termineid ja valemeid. Et minust aru saada, pean neid termineid ja valemeid pidevalt selgitama. Kui elementaarosakeste füüsika ei ole teie eriala, lugege esmalt ainult neid jaotisi, mille pealkirjad pole tärnidega tähistatud. Seejärel proovige lugeda jaotisi ühe tärniga *, kaks ** ja lõpuks kolm ***. Enamikust lõikudest jõudsin aruande ajal rääkida tärnideta, kuid ülejäänu jaoks ei olnud aega.

1.3. Elementaarosakeste füüsika. Osakestefüüsika on kõigi loodusteaduste alus. See uurib aine väikseimaid osakesi ning nende liikumise ja vastastikmõju põhimustreid. Lõppkokkuvõttes on need seaduspärasused need, mis määravad kõigi objektide käitumise Maal ja taevas. Osakestefüüsika käsitleb selliseid põhimõisteid nagu ruum ja aeg; mateeria; energia, impulss ja mass; keerutada. (Enamikul lugejatest on ettekujutus ruumist ja ajast, nad on võib-olla kuulnud massi ja energia seostest ning neil pole õrna aimugi, mis on sellega pistmist, ning vaevalt aimavad nad spinni kõige olulisemat rolli füüsikas. Isegi eksperdid ei lepi omavahel kokku, mida mateeriaks nimetada.) Osakeste füüsika loodi 20. sajandil. Selle loomine on lahutamatult seotud inimkonna ajaloo kahe suurima teooria loomisega: relatiivsusteooria ja kvantmehaanika. Nende teooriate põhikonstandid on valguse kiirus c ja Plancki konstant h.

1.4. Relatiivsusteooria. 20. sajandi alguses tekkinud erirelatiivsusteooria viis lõpule rea teaduste sünteesi, mis uurisid selliseid klassikalisi nähtusi nagu elekter, magnetism ja optika, luues mehaanika valguse kiirusega võrreldavatel kehade kiirustel. (Newtoni klassikaline mitterelativistlik mehaanika käsitles kiirusi v<<c.) Seejärel loodi 1915. aastal üldine relatiivsusteooria, mis oli mõeldud gravitatsiooniliste vastastikmõjude kirjeldamiseks, võttes arvesse valguse kiiruse lõplikkust. c.

1.5. Kvantmehaanika. 1920. aastatel loodud kvantmehaanika selgitas aatomite ehitust ja omadusi elektronide kaksiklaine-osakeste omaduste põhjal. Ta selgitas tohutul hulgal keemilisi nähtusi, mis on seotud aatomite ja molekulide vastasmõjuga. Ja võimaldas kirjeldada nende poolt valguse emissiooni ja neeldumise protsesse. Mõistke teavet, mida Päikese ja tähtede valgus meile toob.

1.6. Kvantvälja teooria. Relatiivsusteooria ja kvantmehaanika ühendamine tõi kaasa kvantväljateooria loomise, mis võimaldab ülitäpselt kirjeldada aine tähtsamaid omadusi. Kvantväljateooria on muidugi liiga keeruline, et seda koolilastele selgitada. Kuid 20. sajandi keskel ilmus sellesse Feynmani diagrammide visuaalne keel, mis lihtsustab radikaalselt arusaamist kvantväljateooria paljudest aspektidest. Selle ettekande üks peamisi eesmärke on näidata, kuidas Feynmani diagrammide abil saab lihtsalt aru saada kõige laiemast nähtuste spektrist. Samal ajal peatun põhjalikumalt küsimustel, mis pole kaugeltki kõigile kvantväljateooria asjatundjatele teada (näiteks klassikalise ja kvantgravitatsiooni vahelised suhted), ning toon vaid napilt välja need küsimused, mida laialdaselt käsitletakse. teaduskirjandus.

1.7. Elementaarosakeste identsus. Elementaarosakesi nimetatakse aine kõige väiksemateks jagamatuteks osakesteks, millest on ehitatud kogu maailm. Kõige hämmastavam omadus, mis eristab neid osakesi tavalistest mitteelementaarosakestest, näiteks liivaterad või helmed, on see, et kõik sama tüüpi elementaarosakesed, näiteks kõik elektronid universumis, on absoluutselt (!) ühesugused - identsed. Ja sellest tulenevalt on nende kõige lihtsamad seotud olekud üksteisega identsed – aatomid ja lihtsamad molekulid.

1.8. Kuus elementaarosakest. Maal ja Päikesel toimuvate peamiste protsesside mõistmiseks piisab, kui mõista esmase lähendusena protsesse, milles osalevad kuus osakest: elektron e, prooton lk, neutron n ja elektronneutriino ν e , samuti footon γ ja graviton g̃. Esimesel neljal osakesel on spinn 1/2, footonil 1 ja gravitonil 2. (Täisarvulise spinniga osakesi nimetatakse bosoniteks, pooltäisarvulise spinniga osakesi nimetatakse fermionideks. Spinnist tuleb juttu hiljem.) Prootoneid ja neutroneid nimetatakse tavaliselt nukleoniteks, sest nendest ehitatakse aatomituumad ja tuum on inglise keeles nucleus. Elektroni ja neutriinot nimetatakse leptoniteks. Neil ei ole tugevaid tuumajõude.

Gravitonite väga nõrga vastasmõju tõttu on üksikuid gravitoneid võimatu jälgida, kuid just nende osakeste kaudu toimub gravitatsioon looduses. Nii nagu elektromagnetilised vastasmõjud toimuvad footonite abil.

1.9. Antiosakesed. Elektronil, prootonil ja neutronil on nn antiosakesed: positroon, antiprooton ja antineutron. Tavalise aine koostisesse nad ei kuulu, kuna vastavate osakestega kohtudes astuvad nad nendega vastastikuse hävitamise reaktsioonidesse – annihilatsiooni. Seega annihileeruvad elektron ja positron kaheks või kolmeks footoniks. Footon ja graviton on tõeliselt neutraalsed osakesed: need langevad kokku nende antiosakestega. Kas neutriino on tõeliselt neutraalne osake, pole siiani teada.

1.10. Nukleonid ja kvargid. 20. sajandi keskel sai selgeks, et nukleonid ise koosnevad elementaarsematest osakestest – kahte tüüpi kvarkidest, mis tähistavad u Ja d: lk = uud, n = ddu. Kvarkide vahelise interaktsiooni teostavad gluoonid. Antinukleonid koosnevad antikvarkidest.

1.11. Kolm põlvkonda fermione. Sama hästi kui u, d, e, ve avastati ja uuriti veel kahte kvarkide ja leptonite rühma (või, nagu öeldakse, põlvkondi): c, s, μ, ν μ ja t, b, τ , ν τ . Need osakesed ei sisaldu tavalise aine koostises, kuna need on ebastabiilsed ja lagunevad kiiresti esimese põlvkonna kergemateks osakesteks. Kuid neil oli universumi olemasolu esimestel hetkedel oluline roll.

Looduse veelgi täielikumaks ja sügavamaks mõistmiseks on vaja veelgi rohkem osakesi, millel on veelgi ebatavalisemad omadused. Kuid võib-olla taandatakse tulevikus kogu see mitmekesisus mõneks lihtsaks ja ilusaks üksuseks.

1.12. Hadronid. Suurt osakeste perekonda, mis koosnevad kvarkidest ja/või antikvarkidest ja gluoonidest, nimetatakse hadroniteks. Kõik hadronid, välja arvatud nukleonid, on ebastabiilsed ega sisene seetõttu tavaaine koostisesse.

Sageli nimetatakse hadroneid ka elementaarosakesteks, kuna neid ei saa jagada vabadeks kvarkideks ja gluoonideks. (Nii tegin ka mina, viidates prootonile ja neutronile esimesele kuuele elementaarosakesele.) Kui kõiki hadroneid pidada elementaarseteks, mõõdetakse elementaarosakeste arvu sadades.

1.13. Standardmudel ja neli interaktsiooni tüüpi. Nagu allpool selgitatakse, võimaldavad ülalloetletud elementaarosakesed nn "elementaarosakeste standardmudeli" raames kirjeldada kõiki seni teadaolevaid protsesse, mis toimuvad looduses gravitatsioonilise, elektromagnetilise mõju tulemusena. , nõrk ja tugev interaktsioon. Kuid selleks, et mõista, kuidas kaks esimest neist töötavad, piisab neljast osakesest: footonist, gravitonist, elektronist ja prootonist. Veelgi enam, asjaolu, et prooton koosneb u- Ja d-kvargid ja gluoonid, osutub tähtsusetuks. Loomulikult on ilma nõrga ja tugeva vastastikmõjuta võimatu aru saada ei aatomituumade paigutusest ega meie Päikese toimimisest. Aga kuidas on paigutatud aatomikestad, mis määravad kõik elementide keemilised omadused, kuidas elekter töötab ja kuidas galaktikad on paigutatud, saab aru.

1.14. Üle teadaoleva. Teame juba täna, et standardmudeli osakesed ja vastastikmõjud ei ammenda looduse aardeid.

On kindlaks tehtud, et tavalised aatomid ja ioonid moodustavad vaid alla 20% kogu Universumi ainest ning üle 80% on nn tumeaine, mille olemus on siiani teadmata. Levinuim arvamus on, et tumeaine koosneb superosakestest. Võimalik, et see koosneb peegelosakestest.

Veelgi silmatorkavam on asjaolu, et kogu mateeria, nii nähtav (valgus) kui ka tume, kannab endas vaid veerandit kogu universumi energiast. Kolm neljandikku kuuluvad nn tumedasse energiasse.

1.15. elementaarosakesed"e teatud määral" on põhilised. Kui mu õpetaja Isaak Yakovlevich Pomeranchuk tahtis rõhutada küsimuse tähtsust, ütles ta, et küsimus e on astmeliselt oluline. Loomulikult on enamik loodusteadusi, mitte ainult elementaarosakeste füüsika, fundamentaalsed. Näiteks kondenseeritud aine füüsika allub põhiseadustele, mida saab kasutada ilma, et peaks välja mõtlema, kuidas need osakeste füüsika seadustest tulenevad. Kuid relatiivsusteooria ja kvantmehaanika seadused " e määral fundamentaalne" selles mõttes, et ükski vähem üldine seadus ei saa nendega vastuolus olla.

1.16. Põhiseadused. Kõik looduses toimuvad protsessid toimuvad elementaarosakeste lokaalse vastasmõju ja liikumise (jaotumise) tulemusena. Neid liikumisi ja koostoimeid reguleerivad põhiseadused on väga ebatavalised ja väga lihtsad. Need põhinevad sümmeetria kontseptsioonil ja põhimõttel, et kõik, mis ei ole sümmeetriaga vastuolus, võib ja peaks juhtuma. Allpool, kasutades Feynmani diagrammide keelt, jälgime, kuidas see realiseerub osakeste gravitatsioonilises, elektromagnetilises, nõrgas ja tugevas vastasmõjus.

2. Osakesed ja elu

2.1. Tsivilisatsioonist ja kultuurist. Venemaa Teaduste Akadeemia välisliige Valentin Telegdi (1922–2006) selgitas: "Kui WC (vesiklosett) on tsivilisatsioon, siis selle kasutamise oskus on kultuur."

ITEP teadur A. A. Abrikosov Jr. kirjutas mulle hiljuti: „Teie raporti üks eesmärke on veenda suurt publikut vajaduses õpetada kaasaegset füüsikat laiemalt. Kui jah, siis ehk tasuks tuua paar igapäevast näidet. Pean silmas järgmist:

Me elame maailmas, mis on mõeldamatu isegi igapäevasel tasandil ilma kvantmehaanika (QM) ja relatiivsusteooriata (RT). Mobiiltelefonid, arvutid, kogu kaasaegne elektroonika, rääkimata LED-valgustitest, pooljuhtlaseritest (sh osutitest), LCD-kuvarid on sisuliselt kvantseadmed. Nende toimimist on võimatu seletada ilma QM-i põhikontseptsioonideta. Ja kuidas neid seletada ilma tunneldamist mainimata?

Teist näidet ehk tean teie käest. Satelliitnavigaatorid on paigaldatud igasse 10. autosse. Kella sünkroniseerimise täpsus satelliidivõrgus ei ole väiksem kui 10–8 (see vastab meetri suurusele veale objekti lokaliseerimisel Maa pinnal). Selline täpsus nõuab liikuva satelliidi kella TO paranduste arvestamist. Nad ütlevad, et insenerid ei suutnud seda uskuda, nii et esimestel seadmetel oli topeltprogramm: parandustega ja ilma. Nagu selgus, töötab esimene programm paremini. Siin on relatiivsusteooria test leibkonna tasandil.

Loomulikult on telefoniga rääkimine, autoga sõitmine ja arvutiklahvide trükkimine võimalik ilma kõrgteaduseta. Kuid on ebatõenäoline, et akadeemikud peaksid õhutama geograafiat mitte õppima, sest "seal on taksod".

Ja siis räägivad nad kooliõpilastega ja seejärel õpilastega viis aastat materiaalsetest punktidest ja Galilei relatiivsusest ning järsku ütlevad nad ilma igasuguse põhjuseta, et see "ei ole päris tõsi".

Visuaalsest Newtoni maailmast kvantmaailma on raske üle minna isegi füüsikatehnilises instituudis. Sinu, AAA."

2.2. Põhifüüsikast ja haridusest. Kahjuks on kaasaegne haridussüsteem moodsast fundamentaalfüüsikast terve sajandi võrra maha jäänud. Ja enamikul inimestel (sh enamikul teadlastest) pole aimugi sellest hämmastavalt selgest ja lihtsast pildist (kaardist) maailmast, mille elementaarosakeste füüsika on loonud. See kaart muudab navigeerimise kõigis loodusteadustes palju lihtsamaks. Minu raporti eesmärk on veenda teid, et mõned elementaarosakeste füüsika, relatiivsusteooria ja kvantteooria elemendid (mõisted) võivad ja peaksid saama aluseks kõigi loodusteaduslike ainete õpetamisel mitte ainult kõrg-, vaid ka kesk- ja keskhariduses. isegi põhikool. Põhimõtteliselt uusi mõisteid omandatakse ju kõige kergemini just lapsepõlves. Laps valdab keelt kergesti, valdab mobiiltelefoniga. Paljud lapsed viivad Rubiku kuubiku algsesse olekusse mõne sekundiga tagasi ja minu jaoks ei piisa isegi päevast.

Et vältida edaspidi ebameeldivaid üllatusi, on vaja lasteaias paika panna adekvaatne maailmavaade. Konstandid c Ja h peaks saama lastele teadmiste vahenditeks.

2.3. Matemaatikast. Matemaatika - kõigi teaduste kuninganna ja teenija - peab kindlasti olema teadmiste peamine tööriist. See annab sellised põhimõisted nagu tõde, ilu, sümmeetria, kord. nulli ja lõpmatuse mõisted. Matemaatika õpetab mõtlema ja arvutama. Fundamentaalfüüsika on mõeldamatu ilma matemaatikata. Haridus on mõeldamatu ilma matemaatikata. Muidugi võib koolis rühmateooriat õppida veel vara, kuid vaja on õpetada hindama tõde, ilu, sümmeetriat ja korda (ja samas ka mingit häiret).

Väga oluline on mõista üleminekut reaalsetelt (reaalsetelt) numbritelt (lihtsad, ratsionaalsed, irratsionaalsed) kujuteldavatele ja keerukatele. Tõenäoliselt peaksid hüperkompleksarvusid (kvaternione ja oktonione) õppima vaid need õpilased, kes soovivad töötada matemaatika ja teoreetilise füüsika valdkonnas. Oma töös pole ma näiteks kunagi kasutanud oktoone. Kuid ma tean, et need muudavad paljude teoreetiliste füüsikute arvates kõige lootustandvama erandliku sümmeetriarühma E 8 mõistmise lihtsamaks.

2.4. Maailmavaatest ja loodusteadustest. Maailma juhtivate põhiseaduste idee on vajalik kõigis loodusteadustes. Muidugi on tahkisfüüsikal, keemial, bioloogial, maateadustel ja astronoomial oma spetsiifilised mõisted, meetodid ja probleemid. Kuid väga oluline on omada maailma üldist kaarti ja arusaamist, et sellel kaardil on palju tühja kohta tundmatust. Väga oluline on mõista, et teadus ei ole luustunud dogma, vaid elav protsess tõele lähenemisel paljudes maailmakaardi punktides. Tõele lähenemine on asümptootiline protsess.

2.5. Tõelisest ja labasest reduktsionismist. Ideed, et looduse keerulisemad struktuurid koosnevad vähem keerukatest struktuuridest ja lõpuks ka kõige lihtsamatest elementidest, nimetatakse tavaliselt reduktsionismiks. Selles mõttes püüan ma teid veenda reduktsionism. Kuid vulgaarne reduktsionism, mis väidab, et kõiki teadusi saab taandada elementaarosakeste füüsikaks, on absoluutselt vastuvõetamatu. Igal kõrgemal ja kõrgemal keerukusastmel kujunevad ja tekivad oma mustrid. Selleks, et olla hea bioloog, ei pea te teadma osakeste füüsikat. Aga mõista selle kohta ja rolli teaduste süsteemis, mõista konstantide võtmerolli c Ja h vajalik. Teadus tervikuna on ju ühtne organism.

2.6. Humanitaar- ja sotsiaalteaduste kohta.Üldine ettekujutus maailma struktuurist on väga oluline nii majanduse, ajaloo kui ka kognitiivteaduste jaoks, nagu keeleteadused, ja filosoofia jaoks. Ja vastupidi – need teadused on ülimalt olulised kõige fundamentaalsema füüsika jaoks, mis pidevalt täiustab oma põhimõisteid. Seda näitab relatiivsusteooria käsitlemine, mille juurde ma nüüd pöördun. Eraldi nimetan õigusteadusi, mis on loodusteaduste õitsenguks (rääkimata säilimisest) ülimalt olulised. Olen veendunud, et sotsiaalsed seadused ei tohiks olla vastuolus põhiliste loodusseadustega. Inimlikud seadused ei tohiks olla vastuolus jumalike loodusseadustega.

2.7. Mikro-, makro-, kosmo-. Meie tavalist suurte, kuid mitte hiiglaslike asjade maailma nimetatakse tavaliselt makrokosmoseks. Taevaobjektide maailma võib nimetada kosmiliseks maailmaks ning aatomi- ja subatomaarsete osakeste maailma nimetatakse mikromaailmaks. (Kuna aatomite suurused on suurusjärgus 10–10 m, siis mikromaailma all mõeldakse objekte, mis on vähemalt 4 või isegi 10 suurusjärku väiksemad kui mikromeeter ja 1–7 suurusjärku väiksemad kui nanomeeter. Nano mood ala asub mööda teed mikrost makroni.) 20. sajandil ehitati nn elementaarosakeste standardmudel, mis võimaldab lihtsalt ja selgelt mõista paljusid mikroseadustel põhinevaid makro- ja kosmilisi seaduspärasusi.

2.8. Meie mudelid. Teoreetilise füüsika mudelid ehitatakse kõrvale ebaolulistest asjaoludest. Näiteks aatomi- ja tuumafüüsikas on osakeste gravitatsiooniline vastastikmõju tühine ja neid võib ignoreerida. Selline maailmamudel sobib erirelatiivsusteooriasse. Sellel mudelil on aatomeid, molekule, kondenseerunud kehasid,... kiirendeid ja põrkeid, aga päikest ja tähti pole.

Selline mudel oleks kindlasti vale väga suurtes mastaapides, kus gravitatsioon on hädavajalik.

Muidugi on CERN-i olemasoluks vajalik Maa (ja järelikult ka gravitatsiooni) olemasolu, kuid valdava enamuse CERNis läbiviidud katsete mõistmiseks (välja arvatud mikroskoopiliste "mustade aukude" otsimine põrkajast) , gravitatsioon pole oluline.

2.9. Suurusjärgud.Üks raskusi elementaarosakeste omaduste mõistmisel on tingitud sellest, et need on väga väikesed ja neid on palju. Ühes lusikatäies vees on tohutult palju aatomeid (umbes 10 23). Tähtede arv Universumi nähtavas osas pole palju väiksem. Suuri numbreid ei tasu karta. Lõppude lõpuks pole nendega raske toime tulla, kuna arvude korrutamine taandub peamiselt nende järjestuste liitmisele: 1 \u003d 10 0, 10 \u003d 10 1, 100 \u003d 10 2. Korrutage 10 100-ga, saame 10 1+2 = 10 3 = 1000.

2.10. Tilk õli. Kui veepinnale tilgutatakse tilk õli mahuga 1 milliliiter, siis levib see vikerkaarelaiku, mille pindala on umbes mitu ruutmeetrit ja paksus umbes sada nanomeetrit. See on aatomi suurusest vaid kolm suurusjärku suurem. Ja seebimullide kile paksus kõige õhemates kohtades on molekulide suuruse suurusjärgus.

2.11. Džaulides. Tüüpilise AA aku pinge on 1,5 volti (V) ja see sisaldab 10 4 džauli (J) elektrienergiat. Tuletan teile meelde, et 1 J \u003d 1 ripats × 1 V ja ka 1 J \u003d kg m 2 / s 2 ja gravitatsioonikiirendus on umbes 10 m / s 2. Seega võimaldab 1 džaul tõsta 1 kilogrammi 10 cm kõrgusele ja 10 4 J tõstab 100 kg 10 meetrini. Just nii palju energiat kulutab lift õpilase kümnendale korrusele viimiseks. Nii palju on akus energiat.

2.12. elektronvoldid. Energiaühikuks elementaarosakeste füüsikas on elektronvolt (eV): 1 eV energia saab 1 elektroni läbides 1 volti potentsiaalide erinevust. Kuna ühes ripatsis on 6,24 × 10 18 elektroni, siis 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.

Tuletan meelde, et ühe prootoni energia CERNi suures hadronipõrgutis peaks olema võrdne 7 TeV-ga.

3. Relatiivsusteooriast

3.1. Võrdlussüsteemid. Kirjeldame kõiki oma katseid ühes või teises võrdlussüsteemis. Võrdlussüsteemiks võib olla labor, rong, Maa satelliit, galaktika kese... . Igasugune lendav osake, näiteks osakeste kiirendis, võib olla ka võrdlussüsteem. Kuna kõik need süsteemid liiguvad üksteise suhtes, ei näe kõik katsed nendes ühesugused. Lisaks on neis erinev ka lähimate massiivsete kehade gravitatsiooniline mõju. Just nende erinevuste käsitlemine on relatiivsusteooria põhisisu.

3.2. Galileo laev. Galileo sõnastas relatiivsuspõhimõtte, kirjeldades värvikalt kõikvõimalikke eksperimente sujuvalt sõitva laeva kajutis. Kui aknad on kardinatega kinni keeratud, ei ole nende katsete abil võimalik välja selgitada, kui kiiresti laev liigub ja kas see seisab. Einstein lisas sellesse salongi katsed valguse piiratud kiirusega. Kui aknast välja ei vaata, ei saa ka laeva kiirust teada. Aga kui kaldale vaadata, siis saab.

3.3. Kauged tähed*. Mõistlik on välja tuua selline tugiraamistik, mille suhtes inimesed saaksid sõnastada oma katsete tulemused, olenemata nende asukohast. Sellise universaalse võrdlussüsteemi jaoks on pikka aega aktsepteeritud süsteem, milles kauged tähed on liikumatud. Ja suhteliselt hiljuti (pool sajandit tagasi) avastati veelgi kaugemad kvasarid ja selgus, et reliikvia mikrolaine taust peaks selles süsteemis olema isotroopne.

3.4. Universaalse tugiraamistiku otsingul*. Sisuliselt on kogu astronoomia ajalugu edasiminek üha universaalsema tugiraamistiku poole. Alates antropotsentrilisest, kus keskmes on inimene, kuni geotsentriliseni, kus Maa puhkab keskmes (Ptolemaios, 87–165), kuni heliotsentriliseni, kus Päike puhkab keskmes (Kopernik, 1473–1543), halatsentriliseks, kus toetub meie Galaktika kese, udukujuliseks, kus toetub udukogude süsteem - galaktikate parved, taustale, kus kosmilise mikrolaine foon on isotroopne. Siiski on oluline, et nende tugiraamide kiirused oleksid valguse kiirusega võrreldes väikesed.

3.5. Kopernik, Kepler, Galileo, Newton*. 1543. aastal ilmunud Nicolaus Copernicuse raamatus “Taevasfääride pöörlemisest” öeldakse: “Kõik liikumised, mida Päike märkab, ei ole talle iseloomulikud, vaid kuuluvad Maale ja meie sfäärile, millega koos me tiirlevad ümber Päikese, nagu iga teine ​​planeet; seega on maakeral mitu liikumist. Planeetide näiv edasi- ja tagasiliikumine ei kuulu neile, vaid Maale. Seega piisab sellest liigutusest üksi, et selgitada taevas nähtavat suurt hulka ebakorrapärasusi.

Kopernik ja Kepler (1571–1630) andsid nende liikumiste kinemaatika lihtsa fenomenoloogilise kirjelduse. Galileo (1564–1642) ja Newton (1643–1727) selgitasid nende dünaamikat.

3.6. Universaalne ruum ja aeg*. Universaalse võrdlussüsteemiga seotud ruumilisi koordinaate ja aega võib relatiivsusteooriaga täielikus kooskõlas nimetada universaalseks või absoluutseks. Oluline on vaid rõhutada, et selle süsteemi valiku teevad ja lepivad kokku kohalikud vaatlejad. Iga tugiraam, mis liigub järk-järgult universaalse raami suhtes, on inertsiaalne: vaba liikumine selles on ühtlane ja sirgjooneline.

3.7. "Invariantsuse teooria"*. Pange tähele, et nii Albert Einstein (1879–1955) kui ka Max Planck (1858–1947) (kes võttis 1907. aastal kasutusele mõiste "relatiivsusteooria", nimetades seda 1905. aastal Einsteini esitatud teooriaks) uskusid, et mõiste "teooria muutumatus" võib peegeldavad täpsemalt selle olemust. Kuid ilmselt oli 20. sajandi alguses olulisem rõhutada selliste mõistete nagu aeg ja samaaegsus suhtelisust võrdsetes inertsiaalsetes raamistikes, kui ühe neist raamidest välja tuua. Olulisem oli see, et Galileo kajuti kardinatega akendega ei olnud võimalik laeva kiirust määrata. Nüüd on aga aeg kardinad lahti tõmmata ja kaldale vaadata. Samas jäävad muidugi kõik kinniseotud kardinatega paika pandud mustrid kõigutamatuks.

3.8. Kiri Chimmerile*. 1921. aastal kirjutas Einstein kirjas E. Chimmerile, raamatu "Philosophical Letters" autorile: "Mis puudutab mõistet "relatiivsusteooria", siis tunnistan, et see on ebaõnnestunud ja viib filosoofiliste arusaamatusteni." Kuid selle muutmiseks on Einsteini sõnul juba hilja, eriti kuna see on laialt levinud. See kiri avaldati Princetonis avaldatud 25-köitelise Einsteini kogutud teoste 12. köites, mis avaldati 2009. aasta sügisel.

3.9. Maksimaalne kiirus looduses. Relatiivsusteooria põhikonstant on valguse kiirus c\u003d 300 000 km/s \u003d 3 × 10 8 m/s. (Täpsemalt, c= 299 792 458 m/s. Ja see arv on nüüd arvesti määratluse aluseks.) See kiirus on kõigi signaalide maksimaalne levimiskiirus looduses. See on mitu suurusjärku suurem kui massiivsete objektide kiirus, millega me iga päev tegeleme. Just selle ebatavaliselt suur väärtus takistab relatiivsusteooria põhisisu mõistmist. Osakesi, mis liiguvad kiirusega valguse kiiruse suurusjärgus, nimetatakse relativistiks.

3.10. Energia, hoog ja kiirus. Osakese vaba liikumist iseloomustab osakese energia E ja tema hoog lk. Relatiivsusteooria järgi osakese kiirus v määratakse valemiga

Sektis käsitletud terminoloogilise segaduse üks peamisi põhjusi. 3.14 seisneb selles, et relatiivsusteooriat luues püüdsid nad säilitada Newtoni suhet impulsi ja kiiruse vahel. lk = mv, mis on vastuolus relatiivsusteooriaga.

3.11. Kaal. Osakeste mass m määratakse valemiga

Kui osakese energia ja impulss sõltuvad võrdlusraamistikust, siis selle massi suurusest m ei sõltu võrdlussüsteemist. Ta on muutumatu. Valemid (1) ja (2) on relatiivsusteoorias põhilised.

Kummalisel kombel ilmus esimene relatiivsusteooria monograafia, milles esines valem (2), alles 1941. See oli L. Landau (1908–1968) ja E. Lifshitzi (1915–1985) „Välja teooriad“ . Ma ei leidnud seda ühestki Einsteini teosest. Seda pole W. Pauli (1900–1958) tähelepanuväärses 1921. aastal ilmunud raamatus "Theory of Relativity". Kuid seda valemit sisaldav relativistlik lainevõrrand oli P. Diraci raamatus "Principles of Quantum Mechanics". avaldatud 1930. aastal ( 1902–1984) ja veelgi varem O. Kleini (1894–1977) ja W. Focki (1898–1974) 1926. aasta artiklites.

3.12. Massivaba footon. Kui osakese mass on null, st osake on massita, siis valemitest (1) ja (2) järeldub, et mis tahes võrdlusraamistikus on selle kiirus võrdne c. Kuna valgusosakese – footoni – mass on nii väike, et seda ei ole võimalik tuvastada, on üldiselt aktsepteeritud, et see on võrdne nulliga ja et c on valguse kiirus.

3.13. Rahuenergia. Kui osakese mass on nullist erinev, siis kaaluge võrdlusraamistikku, milles vaba osake on puhkeasendis ja selle lähedal v = 0, lk= 0. Sellist võrdlusraamistikku nimetatakse osakese puhkeraamiks ja selles kaadris oleva osakese energiat nimetatakse puhkeenergiaks ja tähistatakse E0. Valemist (2) järeldub, et

See valem väljendab massiivse osakese puhkeenergia ja selle massi vahelist seost, mille avastas Einstein 1905. aastal.

3.14. "Kõige kuulsam valem." Kahjuks on väga sageli Einsteini valem kirjutatud kujul "kõige kuulsam valem E = mc2”, jättes välja puhkeenergia nullindeksi, mis toob kaasa arvukalt arusaamatusi ja segadust. See "kuulus valem" identifitseerib ju energia ja massi, mis on vastuolus relatiivsusteooriaga üldiselt ja valemiga (2) eriti. Sellest tuleneb laialt levinud eksiarvamus, et keha mass kasvab relatiivsusteooria järgi väidetavalt koos selle kiiruse suurenemisega. Viimastel aastatel on Venemaa Haridusakadeemia selle väärarusaama ümberlükkamiseks palju ära teinud.

3.15. Kiiruse ühik*. Relatiivsusteoorias, mis käsitleb valguse kiirusega võrreldavaid kiirusi, on loomulik valida c kiiruse ühikuna. See valik lihtsustab kõiki valemeid, kuna c/c= 1 ja me peaksime need sisse panema c= 1. Sel juhul muutub kiirus mõõtmeteta suuruseks, kaugusel on ajamõõde ja massil energia mõõde.

Elementaarosakeste füüsikas mõõdetakse osakeste massi tavaliselt elektronvoltides – eV ja nende tuletised (vt punkt 2.14). Elektroni mass on umbes 0,5 MeV, prootoni mass on umbes 1 GeV, raskeima kvargi mass on umbes 170 GeV ja neutriino mass on umbes eV murdosa.

3.16. Astronoomilised kaugused*. Astronoomias mõõdetakse vahemaid valgusaastates. Universumi nähtava osa suurus on umbes 14 miljardit valgusaastat. See arv on veelgi muljetavaldavam, kui võrrelda ajaga 10–24 sekundit, mis kulub valguse läbimiseks prootoni suurusele vastava vahemaa läbimiseks. Ja kogu selles kolossaalses vahemikus töötab relatiivsusteooria.

3.17. Minkowski maailm. Aastal 1908, paar kuud enne oma enneaegset surma, ütles Hermann Minkowski (1864–1909) prohvetlikult: „Vaatused ruumi ja aja kohta, mida kavatsen enne teid välja töötada, tekkisid eksperimentaalsel füüsilisel alusel. See on nende tugevus. Nende suundumus on radikaalne. Edaspidi peab ruum iseenesest ja aeg iseenesest muutuma väljamõeldisteks ning ainult nende mõlema mingi kombinatsioon peab säilitama iseseisvuse.

Sajand hiljem teame, et aeg ja ruum pole muutunud väljamõeldisteks, kuid Minkowski idee võimaldas kirjeldada aineosakeste liikumist ja vastasmõju väga lihtsalt.

3.18. 4D maailm*. Ühikutes, milles c= 1, näeb eriti ilus välja Minkowski maailma idee, mis ühendab aja ja kolmemõõtmelise ruumi üheks neljamõõtmeliseks maailmaks. Seejärel ühendatakse energia ja impulss üheks neljamõõtmeliseks vektoriks ja mass vastavalt võrrandile (2) toimib selle 4-energialise impulsi vektori pseudoeukleidilise pikkusena. lk = E, lk:

Neljamõõtmelist trajektoori Minkowski maailmas nimetatakse maailmajooneks ja üksikuid punkte maailmapunktideks.

3.19. Kella sageduse sõltuvus nende kiirusest**. Paljud tähelepanekud näitavad, et kellad töötavad kõige kiiremini, kui nad on inertsiaalkaadri suhtes puhkeasendis. Lõplik liikumine inertsiaalses tugisüsteemis aeglustab nende kulgu. Mida kiiremini nad ruumis liiguvad, seda aeglasemalt nad ajas liiguvad. Aeglustus on universaalses tugiraamistikus absoluutne (vt jaotised 3.1–3.8). Selle mõõt on suhe e/m, mida sageli tähistatakse tähega γ.

3.20. Muuonid ringkiirendis ja puhkeasendis**. Selle aeglustuse olemasolu saab kõige selgemalt näha, kui võrrelda puhkeolekus müüoni ja ringkiirendis pöörleva müüoni eluiga. Asjaolu, et kiirendis ei liigu müüon täiesti vabalt, vaid sellel on tsentripetaalne kiirendus ω 2 R, kus ω on pöörde radiaalne sagedus ja R on orbiidi raadius, annab vaid tühise paranduse, kuna E/ω 2 R = ER>> 1. Liikumine mööda ringjoont, mitte mööda sirgjoont, on pöörleva müüoni ja puhkeolekus oleva müüoni vahetuks võrdlemiseks hädavajalik. Mis aga puudutab liikuva müüoni vananemiskiirust, siis piisavalt suure raadiusega ringikujulist kaaret ei saa sirgest eristada. See määr määratakse suhte järgi e/m. (Rõhutan, et erirelatiivsusteooria järgi ei ole tugiraam, milles pöörlev müüon paigal on, inertsiaalne.)

3.21. Kaar ja akord**. Inertsiaalses tugisüsteemis puhkeolekus vaatleja seisukohalt on piisavalt suure raadiusega ringi kaar ja selle kõõl praktiliselt eristamatud: liikumine piki kaare on peaaegu inertsiaalne. Puhkeseisundis oleva vaatleja seisukohalt ringis lendava müüoni suhtes on selle liikumine sisuliselt mitteinertsiaalne. Selle kiirus muudab ju poole pöördega märki. (Liikuva vaatleja jaoks ei ole kauged tähed sugugi paigal. Kogu Universum on tema jaoks asümmeetriline: tähed ees on sinised ja taga punased. Kui meie jaoks on nad kõik ühesugused - kuldsed, sest Päikese kiirus on süsteem on madal.) Ja selle vaatleja mitteinertsus avaldub selles, et ees- ja tagakujud muutuvad müoni liikumisel ringkiirendis. Puhkavaid ja liikuvaid vaatlejaid ei saa pidada samaväärseteks, sest esimene ei koge kiirendust ja teine, et kohtumispunkti naasta, peab seda kogema.

3.22. üldrelatiivsusteooria**. Teoreetilised füüsikud, kes on harjunud üldise relatiivsusteooria (GR) keelega, nõuavad, et kõik võrdlusraamid oleksid võrdsed. Mitte ainult inertsiaalne, vaid ka kiirendatud. See aegruum ise on kõver. Sel juhul lakkab gravitatsiooniline interaktsioon olemast samasugune füüsiline vastastikmõju nagu elektromagnetiline, nõrk ja tugev ning muutub kõvera ruumi erakordseks ilminguks. Selle tulemusena näib kogu füüsika nende jaoks justkui kaheks osaks jagatud. Kui lähtuda sellest, et kiirendus on alati tingitud vastastikmõjust, et see pole suhteline, vaid absoluutne, siis muutub füüsika ühtseks ja lihtsaks.

3.23. "Lenkom". Sõnade "relatiivsus" ja "relativism" kasutamine seoses valguse kiirusega tuletab meelde teatri nime "Lenkom" või ajalehte "Moskovski Komsomolets", mis on ainult genealoogiliselt seotud komsomoliga. Need on keeleparadoksid. Valguse kiirus vaakumis ei ole suhteline. Ta on absoluutne. Lihtsalt füüsikud vajavad keeleteadlaste abi.

4. Kvantteooriast

4.1. Plancki konstant. Kui relatiivsusteoorias on võtmekonstandiks valguse kiirus c, siis on kvantmehaanika võtmekonstant h= 6,63 10 −34 J s, mille avastas Max Planck aastal 1900. Selle konstandi füüsikaline tähendus selgub järgmisest esitlusest. Enamasti esineb nn redutseeritud Plancki konstant kvantmehaanika valemites:

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

Paljude nähtuste puhul mängib olulist rolli kvantiteet ħc= 1,97 10 −11 MeV cm.

4.2. Elektroni spinn. Alustame aatomi üldtuntud naiivsest võrdlusest planeedisüsteemiga. Planeedid tiirlevad ümber Päikese ja ümber oma telje. Samamoodi tiirlevad elektronid ümber tuuma ja ümber oma telje. Elektroni pöörlemist orbiidil iseloomustab orbiidi nurkimment L(seda nimetatakse sageli ja mitte päris õigesti orbiidi nurkimpulssiks). Elektroni pöörlemist ümber oma telje iseloomustab tema enda nurkimment – ​​spin S. Selgus, et kõigi maailma elektronide spinn on (1/2) ħ . Võrdluseks märgime, et Maa "pööre" on 6 10 33 m 2 kg / s = 6 10 67 ħ .

4.3. Vesiniku aatom. Tegelikult ei ole aatom planeetide süsteem ja elektron ei ole tavaline osake, mis liigub orbiidil. Elektron, nagu kõik teised elementaarosakesed, ei ole üldse osake selle sõna igapäevases tähenduses, mis tähendab, et osake peab liikuma teatud trajektoori pidi. Lihtsaimas aatomis – vesinikuaatomis, kui ta on põhiolekus ehk ergastamata, siis elektron meenutab pigem kerakujulist pilve, mille raadius on suurusjärgus 0,5 10 −10 m.Kui aatom on ergastatud, siis elektron läheb järjest kõrgematesse olekutesse, mis muutuvad järjest suuremaks.

4.4. Elektronide kvantarvud. Ilma spinni arvesse võtmata iseloomustab elektroni liikumist aatomis kaks kvantarvu: põhikvantarv. n ja orbiidi kvantarv l, enamgi veel n ≥ l. Kui l= 0, siis elektron on sfääriliselt sümmeetriline pilv. Mida suurem n, seda suurem on selle pilve suurus. Rohkem l, seda enam sarnaneb elektroni liikumine klassikalise osakese liikumisega orbiidil. Kvantarvuga kesta vesinikuaatomis paikneva elektroni sidumisenergia n, on võrdne

kus α =e 2/ħc≈ 1/137, a e on elektroni laeng.

4.5. Mitmeelektronilised aatomid. Spin mängib võtmerolli mitmeelektroniliste aatomite elektronkestade täitmisel. Fakt on see, et kaks elektroni, millel on sama pöörlemissuund (sama spinnide suund), ei saa antud väärtustega samal kestal olla n Ja l. Seda keelab nn Pauli printsiip (1900–1958). Põhimõtteliselt määrab Pauli printsiip Mendelejevi elementide perioodilisuse tabeli (1834–1907) perioodid.

4.6. Bosonid ja fermioonid. Kõigil elementaarosakestel on spinn. Seega on footoni spin 1 ühikutes ħ , gravitoni spin on 2. Osakesed täisarvulise spinniga ühikutes ħ nimetatakse bosoniteks. Pooltäisarvulise spinniga osakesi nimetatakse fermionideks. Bosonid on kollektivistid: "nad kipuvad kõik elama samas ruumis", olema samas kvantseisundis. Laser põhineb sellel footonite omadusel: kõigil laserkiire footonitel on täpselt sama impulss. Fermionid on individualistid: "igaüks neist vajab eraldi korterit." See elektronide omadus määrab ära aatomite elektronkestade täitmise mustrid.

4.7. "Kvantkentaurid". Elementaarosakesed on nagu kvantkentaurid: poolosakesed – poollained. Kvantkentaurid suudavad oma laineomaduste tõttu erinevalt klassikalistest osakestest läbida korraga kaks pilu, mille tulemusena tekib nende taga ekraanil interferentsmuster. Kõik katsed asetada kvantkentaurid klassikalise füüsika kontseptsioonide Prokruste sängi on osutunud viljatuks.

4.8. Määramatuse suhted. Püsiv ħ määrab elementaarosakeste mitte ainult pöörleva, vaid ka translatsioonilise liikumise tunnused. Osakese asendi ja impulsi määramatused peavad rahuldama nn Heisenbergi määramatuse seoseid (1901–1976), nagu nt.

Sarnane seos on energia ja aja osas:

4.9. Kvantmehaanika. Nii spin-kvantimine kui ka määramatuse suhted on 1920. aastatel loodud kvantmehaanika üldiste seaduste erilised ilmingud. Kvantmehaanika järgi on iga elementaarosake, näiteks elektron, nii elementaarosake kui ka elementaar- (üheosakeseline) laine. Pealegi, erinevalt tavalisest lainest, mis kujutab endast kolossaalse arvu osakeste perioodilist liikumist, on elementaarlaine üksiku osakese uus, senitundmatu liikumisliik. Impulsiga osakese elementaarne lainepikkus λ lk on võrdne λ = h/|lk| ja algsagedus ν vastab energiale E, on võrdne ν = E/h.

4.10. Kvantvälja teooria. Niisiis olime algul sunnitud tunnistama, et osakesed võivad olla suvaliselt kerged ja isegi massita ning et nende kiirus ei tohi ületada c. Siis olime sunnitud tõdema, et osakesed pole üldsegi osakesed, vaid omapärased osakeste ja lainete hübriidid, mille käitumist ühendab kvant h. Relatiivsusteooria ja kvantmehaanika ühendamise viis läbi Dirac (1902–1984) 1930. aastal ja see viis teooria loomiseni, mida nimetati kvantväljateooriaks. Just see teooria kirjeldab aine põhiomadusi.

4.11. Ühikud, milles c, ħ = 1. Järgnevalt kasutame reeglina selliseid ühikuid, milles kiiruse ühikuks on võetud c, ja nurkmomendi ühiku kohta (tegevus) - ħ . Nendes ühikutes on kõik valemid oluliselt lihtsustatud. Eelkõige on neis energia, massi ja sageduse mõõtmed samad. Neid ühikuid aktsepteeritakse suure energiaga füüsikas, kuna kvant- ja relativistlikud nähtused on selles olulised. Nendel juhtudel, kui on vaja rõhutada konkreetse nähtuse kvantolemust, kirjutame selgesõnaliselt välja ħ . Teeme sama ka c.

4.12. Einstein ja kvantmehaanika*. Einstein, teatud mõttes kvantmehaanika sünnitanud, ei leppinud sellega. Ja kuni oma elu lõpuni püüdis ta klassikalise väljateooria põhjal üles ehitada "ühtse teooria kõigest", ignoreerides ħ . Einstein uskus klassikalise determinismi ja juhuslikkuse lubamatusse. Ta kordas Jumala kohta: "Ta ei mängi täringuid." Ja ta ei suutnud leppida sellega, et üksiku osakese lagunemismomenti ei saa põhimõtteliselt ennustada, kuigi ühe või teise osakese tüübi keskmist eluiga ennustatakse kvantmehaanika raames enneolematu täpsusega. Kahjuks määrasid tema sõltuvused nii mõnegi inimese vaated.

5. Feynmani diagrammid

5.1. Lihtsaim diagramm. Osakeste interaktsiooni saab mugavalt vaadata diagrammide abil, mille Richard Feynman (1918–1988) pakkus välja 1949. aastal. 1 näitab lihtsaimat Feynmani diagrammi, mis kirjeldab elektroni ja prootoni vastastikmõju footoni vahetamise teel.

Joonisel olevad nooled näitavad iga osakese aja voolu suunda.

5.2. tõelised osakesed. Iga protsess vastab ühele või mitmele Feynmani diagrammile. Diagrammi välimised jooned vastavad sissetulevatele (enne interaktsiooni) ja väljaminevatele (pärast interaktsiooni) osakestele, mis on vabad. Nende 4-momendi p rahuldab võrrandit

Neid nimetatakse pärisosakesteks ja väidetavalt asuvad need massi pinnal.

5.3. virtuaalsed osakesed. Diagrammide sisemised jooned vastavad virtuaalses olekus olevatele osakestele. Neile

Neid nimetatakse virtuaalseteks osakesteks ja väidetavalt on need välised. Virtuaalse osakese levikut kirjeldab matemaatiline suurus, mida nimetatakse propagaatoriks.

See levinud terminoloogia võib viia algaja mõttele, et virtuaalsed osakesed on vähem materiaalsed kui reaalsed osakesed. Tegelikkuses on nad võrdselt materiaalsed, kuid me tajume reaalseid osakesi aine ja kiirgusena ning virtuaalseid - peamiselt jõuväljadena, kuigi see eristamine on suuresti meelevaldne. On oluline, et sama osake, näiteks footon või elektron, võib teatud tingimustel olla reaalne ja teistes virtuaalne.

5.4. Tipud. Diagrammi tipud kirjeldavad osakeste vahelise elementaarse interaktsiooni lokaalseid toiminguid. Igas tipus säilib 4-impulss. On lihtne mõista, et kui ühes tipus kohtuvad kolm stabiilsete osakeste rida, siis vähemalt üks neist peab olema virtuaalne, s.t olema väljaspool massikest: "Bolivar ei saa kolme lammutada." (Näiteks vaba elektron ei saa kiirata vaba footonit ja jääb siiski vabaks elektroniks.)

Kaks reaalset osakest suhtlevad vahemaa tagant, vahetades ühte või mitut virtuaalset osakest.

5.5. Laotamine. Kui öeldakse, et reaalsed osakesed liiguvad, siis virtuaalsed osakesed levivad. Mõiste "levik" rõhutab tõsiasja, et virtuaalsel osakesel võib olla palju trajektoore ja võib juhtuda, et ükski neist pole klassikaline, nagu nullenergia ja nullist erineva impulsiga virtuaalne footon, mis kirjeldab staatilist Coulombi interaktsiooni.

5.6. Antiosakesed. Feynmani diagrammide tähelepanuväärne omadus on see, et need kirjeldavad ühtselt nii osakesi kui ka vastavaid antiosakesi. Sel juhul näeb antiosake välja nagu osake, mis liigub ajas tagasi. Joonisel fig. Joonisel 2 on diagramm, mis näitab prootoni ja antiprootoni teket elektroni ja positroni annihilatsiooni ajal.

Aja ümberpööramine kehtib võrdselt fermionide ja bosonite kohta. See muudab tarbetuks tõlgendada positroneid tühjade olekutena negatiivse energiaga elektronide meres, mida Dirac kasutas, kui ta 1930. aastal antiosakese mõiste kasutusele võttis.

5.7. Schwingeri ja Feynmani diagrammid. Schwinger (1918–1994), kellel polnud probleeme arvutusraskustega, ei meeldinud Feynmani diagrammid ja ta kirjutas nende kohta mõnevõrra alandavalt: "Nagu arvutikiip viimastel aastatel, tõi Feynmani diagramm arvutusi massidesse." Kahjuks erinevalt kiibist ei jõudnud Feynmani diagrammid kõige laiematesse massidesse.

5.8. Feynmani ja Feynmani diagrammid. Teadmata põhjustel ei jõudnud Feynmani diagrammid isegi kuulsatesse Feynmani füüsikaloengutesse. Olen veendunud, et need tuleb gümnaasiumiõpilasteni tuua, selgitades neile elementaarosakeste füüsika põhiideed. See on kõige lihtsam vaade mikrokosmosele ja maailmale tervikuna. Kui õpilane teab potentsiaalse energia mõistet (näiteks Newtoni seadust või Coulombi seadust), siis Feynmani diagrammid võimaldavad tal saada selle potentsiaalse energia avaldise.

5.9. Virtuaalsed osakesed ja füüsilised jõuväljad. Feynmani diagrammid on kvantväljateooria lihtsaim keel. (Vähemalt juhtudel, kus interaktsioon ei ole väga tugev ja võib kasutada häirete teooriat.) Enamikus kvantväljateooria raamatutes käsitletakse osakesi väljade kvantergastustena, mis eeldab teise kvantimise formalismi tundmist. Feynmani diagrammide keeles on väljad asendatud virtuaalsete osakestega.

Elementaarosakestel on nii korpuskulaarsed kui ka lainelised omadused. Pealegi on nad reaalses olekus aineosakesed ja virtuaalses olekus ka jõudude kandjad materiaalsete objektide vahel. Pärast virtuaalosakeste kasutuselevõttu muutub jõu mõiste tarbetuks ja välja mõistega, kui seda varem ei tuntud, tuleks ehk tutvuda pärast virtuaalosakese mõiste valdamist.

5.10. Elementaarsed interaktsioonid*. Virtuaalsete osakeste (tippude) emissiooni ja neeldumise elementaarakte iseloomustavad sellised interaktsioonikonstandid nagu elektrilaeng e footoni puhul, nõrgad laengud e/sin θ W W-bosoni puhul ja e/sin θ W cos θ W Z-bosoni puhul (kus θ W- Weinbergi nurk), värvilaeng g gluoonide puhul ja kogus √G gravitoni puhul kus G on Newtoni konstant. (Vt ptk. 6–10.) Elektromagnetilist vastasmõju käsitletakse allpool peatükis. 7. Nõrk interaktsioon - Ch. 8. Tugev - Ch. üheksa.

Ja alustame järgmisest peatükist. 6 gravitatsioonilise vastasmõjuga.

6. Gravitatsiooniline interaktsioon

6.1. Gravitonid. Alustan osakestest, mida pole veel avastatud ja mida ilmselt ka lähitulevikus ei avastata. Need on gravitatsioonivälja osakesed – gravitonid. Mitte ainult gravitoneid, vaid ka gravitatsioonilaineid pole veel avastatud (ja seda siis, kui elektromagnetlained sõna otseses mõttes läbistavad meie elu). See on tingitud asjaolust, et madalate energiate korral on gravitatsiooniline vastastikmõju väga nõrk. Nagu näeme, võimaldab gravitoniteooria mõista kõiki gravitatsioonilise interaktsiooni teadaolevaid omadusi.

6.2. Gravitoonide vahetus. Feynmani diagrammide keeles toimub kahe keha gravitatsiooniline vastastikmõju virtuaalsete gravitonide vahetuse teel neid kehasid moodustavate elementaarosakeste vahel. Joonisel fig. 3 gravitoni kiirgab osake 4-impulsilise impulsiga p 1 ja neeldub teine ​​osake, mille impulss on p 2 . 4-impulsi säilimise tõttu on q=p 1 − p′ 1 =p′ 2 −p 2, kus q on gravitoni 4-impulss.

Virtuaalse gravitoni (nagu iga virtuaalne osake vastab levitajale) jaotus on joonisel näidatud vedruga.

6.3. Vesinikuaatom Maa gravitatsiooniväljas. Joonisel fig. Joonisel 4 on kujutatud diagrammide summa, millel vesinikuaatom 4-impulsilise impulsiga p 1 vahetab gravitoneid kõigi Maa aatomitega kogusummaga 4 impulsi p 2 . Ja sel juhul q = p 1 − p′ 1 = p′ 2 − p 2, kus q on virtuaalsete gravitonide koguimpulss.

6.4. Aatomi massi kohta. Edaspidi jätame gravitatsioonilise vastastikmõju käsitlemisel tähelepanuta elektroni massi võrreldes prootoni massiga, samuti prootoni ja neutroni masside erinevuse ning nukleonide sidumisenergia aatomituumades. Seega on aatomi mass ligikaudu aatomi tuumas olevate nukleonide masside summa.

6.5. Kasu*. Maa nukleonide arv NE ≈ 3,6 10 51 võrdub nukleonide arvu korrutisega maismaaaine ühes grammis, st Avogadro arv NA ≈ 6 10 23, Maa massiga grammides ≈ 6 10 27 . Seetõttu on joonisel fig. 4 on joonise fig. 3,6·10 51 diagrammide summa. 3, mida tähistab Maa joonte ja virtuaalsete gravitonide paksenemine joonisel fig. 4. Lisaks on "gravitoni vedru", erinevalt ühe gravitoni levitajast, valmistatud joonisel fig. 4 hall. Tundub, et see sisaldab 3,6 · 10 51 gravitoni.

6.6. Newtoni õun Maa gravitatsiooniväljas. Joonisel fig. 5, kõik õuna aatomid, millel on kokku 4-impulss p 1, interakteeruvad kõigi Maa aatomitega, millel on kokku 4-impulss p 2 .

6.7. Diagrammide arv*. Tuletan meelde, et üks gramm tavalist ainet sisaldab N A = 6·10 23 nukleoni. Nukleonide arv 100 grammis õunas on N a = 100N A = 6 10 25 . Maa mass on 6 10 27 g ja sellest tulenevalt ka Maa nukleonide arv N E = 3,6 10 51 . Loomulikult on joonte paksenemine joonisel fig. 5 ei vasta kuidagi tohutule hulgale õunanukleonidele N a , Maa nukleonidele N E ja palju suuremale, lihtsalt fantastilisele hulgale Feynmani diagrammidele N d = N a N E = 2,2·10 77 . Lõppude lõpuks suhtleb õuna iga nukleon Maa iga nukleoniga. Diagrammide kolossaalse arvu rõhutamiseks on vedru joonisel fig. 5 on tehtud tumedaks.

Kuigi gravitoni vastastikmõju ühe elementaarosakesega on väga väike, loob kõigi Maa nukleonide diagrammide summa märkimisväärse külgetõmbe, mida me tunneme. Universaalne gravitatsioon tõmbab Kuu Maale, mõlemad Päikese poole, kõik tähed meie galaktikas ja kõik galaktikad üksteise poole.

6.8. Feynmani amplituud ja selle Fourier' teisendus***.

Feynmani diagramm kahe aeglase keha massiga m 1 ja m 2 gravitatsioonilise vastasmõju kohta vastab Feynmani amplituudile

kus G- Newtoni konstant, a q- 3-impulss, mida kannavad virtuaalsed gravitonid. (väärtus 1/q2, kus q- 4-impulss, mida nimetatakse gravitoni levitajaks. Aeglaste kehade puhul energiat praktiliselt üle ei kanta ja seega q2 = −q 2 .)

Et liikuda impulsiruumist konfiguratsiooni (koordinaatide) ruumi, tuleb võtta Fourier' teisendus amplituudist A( q)

Väärtus A( r) annab mitterelativistlike osakeste gravitatsioonilise vastasmõju potentsiaalse energia ja määrab relativistliku osakese liikumise staatilises gravitatsiooniväljas.

6.9. Newtoni potentsiaal*. Kahe keha massiga m 1 ja m 2 potentsiaalne energia on

kus G- Newtoni konstant, a r- kehadevaheline kaugus.

See energia sisaldub virtuaalsete gravitonide "kevades" joonisel fig. 5. Koostoime, mille potentsiaal väheneb kui 1/ r, nimetatakse kaugmaaks. Fourier' teisenduse abil on näha, et gravitatsioon on pikamaa, kuna graviton on massitu.

6.10. Yukawa potentsiaali tüüpi potentsiaal**. Tõepoolest, kui gravitoni mass oleks nullist erinev m, siis oleks nende vahetuse Feynmani amplituudil vorm

ja see vastaks tegevusraadiusega potentsiaalile nagu Yukawa potentsiaal r ≈ 1/m:

6.11. Potentsiaalsest energiast**. Newtoni mitterelativistlikus mehaanikas sõltub osakese kineetiline energia selle kiirusest (impulss), potentsiaalne energia aga ainult tema koordinaatidest, st asukohast ruumis. Relativistlikus mehaanikas ei saa sellist nõuet täita, kuna osakeste vastastikmõju sõltub sageli nende kiirustest (immentidest) ja järelikult ka kineetilisest energiast. Tavaliste, üsna nõrkade gravitatsiooniväljade puhul on aga osakese kineetilise energia muutus tema koguenergiaga võrreldes väike ja seetõttu võib selle muutuse tähelepanuta jätta. Mitterelativistliku osakese koguenergia nõrgas gravitatsiooniväljas saab kirjutada kui ε = E sugulane + E 0 + U.

6.12. Gravitatsiooni universaalsus. Erinevalt kõigist teistest vastastikmõjudest on gravitatsioonil märkimisväärne universaalsuse omadus. Gravitoni interaktsioon ühegi osakesega ei sõltu selle osakese omadustest, vaid sõltub ainult osakese energia hulgast. Kui see osake on aeglane, siis tema puhkeenergia E 0 = mc 2, mis sisaldub selle massis, ületab tunduvalt selle kineetilise energia. Ja seetõttu on selle gravitatsiooniline vastastikmõju võrdeline selle massiga. Kuid piisavalt kiire osakese puhul on selle kineetiline energia palju suurem kui mass. Sel juhul ei sõltu selle gravitatsiooniline interaktsioon praktiliselt massist ja on võrdeline selle kineetilise energiaga.

6.13. Gravitoni spin ja gravitatsiooni universaalsus**. Täpsemalt öeldes on gravitoni emissioon võrdeline mitte lihtenergiaga, vaid osakese energia-impulsi tensoriga. Ja see on omakorda tingitud asjaolust, et gravitoni spin on võrdne kahega. Olgu osakese 4-impulss enne gravitoni emissiooni lk 1 ja järelheide lk 2. Siis on gravitoni impulss q = lk 1 − lk 2. Kui tutvustame tähistust lk = lk 1 + lk 2, siis näeb gravitoni emissiooni tipp välja selline

kus h αβ on gravitonlaine funktsioon.

6.14. Gravitoni interaktsioon footoniga**. Seda on eriti selgelt näha footoni näitel, mille mass on võrdne nulliga. Eksperimentaalselt on tõestatud, et kui footon lendab hoone alumiselt korruselt ülemisele korrusele, siis Maa gravitatsiooni mõjul tema hoog väheneb. Samuti on tõestatud, et kauge tähe valgusvihk kaldub Päikese gravitatsioonijõu tõttu kõrvale.

6.15. Footoni interaktsioon Maaga**. Joonisel fig. 6 näitab gravitonite vahetust Maa ja footoni vahel. See joonis kujutab tinglikult footoni ja Maa kõigi nukleonide gravitonivahetuste arvude summat. Sellel saadakse Maa tipp nukleonist üks, korrutades nukleonide arvuga Maal N E, kusjuures nukleoni 4-impulss asendatakse vastavalt Maa 4-impulsiga (vt joonis 3).

6.16. Gravitoni koostoime gravitoniga***. Kuna gravitonid kannavad energiat, peavad nad ise gravitoneid kiirgama ja neelama. Me ei ole näinud üksikuid tõelisi gravitoneid ega näe neid kunagi. Sellegipoolest toob virtuaalsete gravitonide vaheline interaktsioon kaasa vaadeldavad efektid.Esmapilgul on kolme virtuaalse gravitoni panus kahe nukleoni gravitatsioonilisse vastasmõjusse liiga väike, et seda tuvastada (vt joonis 7).

6.17. Merkuuri ilmalik pretsessioon**. See panus avaldub aga Merkuuri orbiidi periheeli pretsessioonis. Merkuuri ilmalikku pretsessiooni kirjeldatakse Merkuuri Päikese külgetõmbejõu üheahelaliste gravitondiagrammide summaga (joonis 8).

6.18. Kasu Mercuryle**. Merkuuri ja Maa masside suhe on 0,055. Seega nukleonide arv Merkuuris NM = 0,055 N E= 2 10 50 . päikese mass PRL= 2 10 33 g Seega nukleonide arv Päikesel N S = N A M S= 1,2 10 57 . Ja diagrammide arv, mis kirjeldavad Merkuuri ja Päikese nukleonide gravitatsioonilist vastasmõju, NdM= 2,4 10 107.

Kui Merkuuri potentsiaalne tõmbeenergia Päikese poole on U = GM S M M/r, siis pärast virtuaalsete gravitonide vastastikmõju käsitletud paranduste arvessevõtmist korrutatakse see koefitsiendiga 1–3 GM S/r. Näeme, et potentsiaalne energia korrektsioon on −3 G 2 M S 2 M M /r 2.

6.19. Merkuuri orbiit**. Merkuuri orbiidi raadius a= 58 10 6 km. Orbitaalperiood on 88 Maa päeva. Orbiidi ekstsentrilisus e= 0,21. Arutluse all oleva korrektsiooni tõttu pöörleb orbiidi poolpeatelg ühe pöördega läbi nurga 6π GM S/a(1 − e 2), st umbes kümnendik kaaresekundist ja pöörleb 100 maa-aasta jooksul 43 "" võrra.

6.20. Gravitatsiooniline lambi nihe**. Igaüks, kes on kvantelektrodünaamikat uurinud, näeb kohe, et joonisel fig. 7 on sarnane kolmnurkdiagrammiga, mis kirjeldab 2. taseme sageduse (energia) nihet S 1/2 võrreldes 2. tasemega P 1/2 vesinikuaatomis (kus kolmnurk koosneb ühest footonist ja kahest elektronjoonest). Seda nihet mõõtsid 1947. aastal Lamb ja Riserford ja see leiti olevat 1060 MHz (1,06 GHz).

See mõõtmine käivitas teoreetilise ja eksperimentaalse töö ahelreaktsiooni, mis viis kvantelektrodünaamika ja Feynmani diagrammide loomiseni. Merkuuri pretsessioonisagedus on 25 suurusjärku väiksem.

6.21. Klassikaline või kvantefekt?**. On hästi teada, et Lamb'i tasemeenergia nihe on puhtalt kvantefekt, Merkuuri pretsessioon aga puhtalt klassikaline efekt. Kuidas saab neid kirjeldada sarnaste Feynmani diagrammidega?

Sellele küsimusele vastamiseks peame meeles pidama seost E = ħω ja arvestage, et Fourier' teisendus üleminekul impulsist konfiguratsiooniruumile Sec. 6.8 sisaldab e iqr / ħ . Lisaks tuleb arvestada, et lambi nihke elektromagnetilises kolmnurgas on ainult üks massivaba osakese (footoni) joon ja ülejäänud kaks on elektronide levitajad. Seetõttu on iseloomulikud kaugused selles määratud elektroni massiga (elektroni Comptoni lainepikkus). Ja Merkuuri pretsessioonikolmnurgas on kaks massita osakese (gravitoni) levitajat. See asjaolu põhjustab kolme gravitoni piigi tõttu tõsiasja, et gravitatsioonikolmnurk annab oma panuse võrreldamatult suurematel vahemaadel kui elektromagnetiline. See võrdlus näitab kvantväljateooria võimsust Feynmani diagrammide meetodil, mis hõlbustab paljude nähtuste, nii kvant- kui ka klassikaliste, mõistmist ja arvutamist.

7. Elektromagnetiline vastastikmõju

7.1. elektriline interaktsioon. Osakeste elektriline interaktsioon toimub virtuaalsete footonite vahetamise teel, nagu joonisel fig. 19.

Footonid, nagu gravitonid, on samuti massita osakesed. Seega on elektriline interaktsioon ka pikamaa:

Miks see pole nii universaalne kui gravitatsioon?

7.2. positiivsed ja negatiivsed laengud. Esiteks sellepärast, et on olemas kahe märgi elektrilaengud. Ja teiseks sellepärast, et on neutraalseid osakesi, millel puudub üldse elektrilaeng (neutron, neutriino, footon...). Vastandmärgiliste laengutega osakesed, nagu elektron ja prooton, tõmbuvad üksteise poole. Sama laenguga osakesed tõrjuvad üksteist. Selle tulemusena on aatomid ja neist koosnevad kehad põhimõtteliselt elektriliselt neutraalsed.

7.3. neutraalsed osakesed. Neutron sisaldab u-kvark laenguga +2 e/3 ja kaks d-laenguga kvark − e/3. Seega on neutroni kogulaeng null. (Pidage meeles, et prooton sisaldab kahte u-kvark ja üks d-kvark.) Tõeliselt elementaarosakesed, millel puudub elektrilaeng, on footon, graviton, neutriino, Z-boson ja Higgsi boson.

7.4. Coulombi potentsiaal. Kaugus asuva elektroni ja prootoni potentsiaalne tõmbeenergia rüksteisest, on

7.5. Magnetiline interaktsioon. Magnetiline interaktsioon ei ole nii pikamaa kui elektriline. See kukub maha nagu 1/ r 3 . See ei sõltu mitte ainult kahe magneti vahelisest kaugusest, vaid ka nende vastastikusest orientatsioonist. Tuntud näide on kompassi nõela koosmõju Maa magnetdipooli väljaga. Kahe magnetdipooli vastasmõju potentsiaalne energia μ 1 ja μ 2 võrdub

kus n = r/r.

7.6. Elektromagnetiline interaktsioon. 19. sajandi suurim saavutus oli avastus, et elektri- ja magnetjõud on ühe ja sama elektromagnetilise jõu kaks erinevat ilmingut. 1821. aastal uuris M. Faraday (1791–1867) magneti ja juhi vastasmõju vooluga. Kümmekond aastat hiljem kehtestas ta elektromagnetilise induktsiooni seadused kahe juhi vastastikmõjus. Järgnevatel aastatel tutvustas ta elektromagnetvälja kontseptsiooni ja väljendas ideed valguse elektromagnetilisest olemusest. 1870. aastatel mõistis J. Maxwell (1831-1879), et elektromagnetiline interaktsioon vastutab paljude optiliste nähtuste klassi: valguse emissiooni, teisenemise ja neeldumise eest, ning kirjutas võrrandid, mis kirjeldavad elektromagnetvälja. Peagi avastas G. Hertz (1857–1894) raadiolained ja V. Roentgen (1845–1923) röntgenikiired. Kogu meie tsivilisatsioon põhineb elektromagnetiliste vastasmõjude ilmingutel.

7.7. Relatiivsusteooria ja kvantmehaanika ühendamine. Füüsika arengu olulisim etapp oli 1928. aasta, mil ilmus P. Diraci (1902–1984) artikkel, milles ta pakkus välja elektroni kvant- ja relativistliku võrrandi. See võrrand sisaldas elektroni magnetmomenti ja näitas paar aastat hiljem avastatud elektroni antiosakese – positroni – olemasolu. Pärast seda ühinesid kvantmehaanika ja relatiivsusteooria kvantväljateooriaks.

See, et elektromagnetilisi interaktsioone põhjustab virtuaalsete footonite emissioon ja neeldumine, sai täielikult selgeks alles 20. sajandi keskel koos Feynmani diagrammide tulekuga, s.o pärast virtuaalosakese mõiste selget kujunemist.

8. Nõrk suhtlemine

8.1. Tuuma vastasmõju. 20. sajandi alguses avastati aatom ja selle tuum ning α -, β - Ja γ radioaktiivsete tuumade poolt kiiratavad kiired. Nagu selgus, γ Kiired on väga kõrge energiaga footonid. β kiired on suure energiaga elektronid α kiired on heeliumi tuumad. See viis kahe uut tüüpi interaktsiooni avastamiseni – tugeva ja nõrga. Erinevalt gravitatsioonilisest ja elektromagnetilisest vastastikmõjust on tugev ja nõrk vastastikmõju lühiajaline.

Hiljem leiti, et nad vastutavad vesiniku muutmise eest heeliumiks meie Päikesel ja teistel tähtedel.

8.2. Laetud voolud*. Nõrk jõud vastutab neutroni muundumise eest prootoniks elektroni ja elektroni antineutriino emissiooniga. Suur hulk nõrka interaktsiooniprotsesse põhineb ühte tüüpi kvarkide muutumisel teist tüüpi kvarkideks virtuaalse emissiooni (või neeldumise) abil. W- bosonid: u, c, t ↔ d, s, b. Samamoodi emissiooni ja neeldumise kohta W-bosonid, toimuvad üleminekud laetud leptonite ja vastavate neutriinode vahel:

e ↔ ν e , μ ↔ ν μ , τ ↔ ν τ . Tüübi üleminekud dˉu ↔ W ja eˉν e ↔ W. Kõigis neis üleminekutes, mis hõlmavad W-bosonid hõlmavad nn laetud voolusid, mis muudavad leptonite ja kvarkide laenguid ühe võrra. Laetud voolude nõrk vastastikmõju on lühimaa, seda kirjeldab Yukawa potentsiaal e -mWr /r, nii et selle efektiivne raadius on r ≈ 1/mW.

8.3. Neutraalsed voolud*. 1970. aastatel avastati neutriinode, elektronide ja nukleonide vahelise nõrga interaktsiooni protsessid, mille põhjuseks olid nn neutraalsed voolud. 1980. aastatel tehti eksperimentaalselt kindlaks, et laetud voolude vastastikmõjud toimuvad vahetuse kaudu W-bosonid ja neutraalsete voolude vastastikmõju - vahetades Z- bosonid.

8.4. Rikkumine P- Ja CP-pariteet*. 1950. aastate teisel poolel avastati pariteedi rikkumine P ja laengu pariteeti C nõrkade interaktsioonide korral. 1964. aastal avastati nõrgad lagunemised, mis rikuvad kaitset CP- sümmeetriad. Praegu on rikkumise mehhanism CP-sümmeetriat uuritakse sisaldavate mesonite lagunemisel b-kvargid.

8.5. Neutriino võnkumised*. Viimase kahe aastakümne jooksul on füüsikute tähelepanu köitnud Kamioka (Jaapan) ja Sudbury (Kanada) maa-aluste kilotonnidetektorite mõõtmised. Need mõõtmised näitasid, et kolme tüüpi neutriinode vahel ν e , ν μ , ν τ vastastikused üleminekud (võnkumised) tekivad vaakumis. Nende võnkumiste olemus on selgitamisel.

8.6. elektrinõrk interaktsioon. 1960. aastatel formuleeriti teooria, mille kohaselt elektromagnetiline ja nõrk vastastikmõju on üheainsa elektronõrga interaktsiooni erinevad ilmingud. Kui oleks range elektronõrk sümmeetria, siis massid W- Ja Z-bosonid oleksid võrdsed nulliga nagu footoni mass.

8.7. Elektroonõrga sümmeetria rikkumine. Standardmudeli raames rikub Higgsi boson elektronõrga sümmeetria ja selgitab seega, miks footon on massitu ja nõrgad bosonid massiivsed. Samuti annab see massi leptonitele, kvarkidele ja iseendale.

8.8. Mida peate Higgsi kohta teadma. Large Hadron Collider LHC üks peamisi ülesandeid on Higgsi bosoni (mida nimetatakse lihtsalt Higgsiks ja tähistatakse h või H) ja sellele järgnenud kinnistute asutamine. Esiteks selle interaktsioonide mõõtmine W- Ja Z-bosonid, footonitega, samuti nende vastastikmõjud ise, st kolme ja nelja Higgi: h 3 ja h 4 sisaldavate tippude uurimine ning nende vastasmõju leptonite ja kvarkidega, eriti tippkvargiga. Standardmudelis on kõigi nende interaktsioonide jaoks selged prognoosid. Nende eksperimentaalne kontrollimine pakub suurt huvi standardmudelist kaugemale jääva "uue füüsika" otsimise seisukohast.

8.9. Mis siis, kui Higgsit pole? Kui teisest küljest selgub, et Higgsi ei eksisteeri massivahemikus, mis on suurusjärgus mitusada GeV, siis tähendab see seda, et energiatel, mis on üle TeV, tekib uus, absoluutselt uurimata piirkond, kus interaktsioonid. W- Ja Z-bosonid muutuvad mitteperturbatiivselt tugevateks, st neid ei saa häiritusteooriaga kirjeldada. Selle valdkonna uuringud toovad palju üllatusi.

8.10. Tuleviku Leptoni põrkajad. Kogu selle uurimisprogrammi läbiviimiseks võib lisaks LHC-le olla vaja ehitada leptonipõrkeid:

ILC (International Linear Collider) kokkupõrkeenergiaga 0,5 TeV,

või CLIC (Compact Linear Collider), mille kokkupõrkeenergia on 1 TeV,

või MC (Muon Collider), mille kokkupõrkeenergia on 3 TeV.

8.11. Lineaarsed elektron-positron põrkajad. ILC – International Linear Collider, milles elektronid põrkuvad positronitega, samuti footonid footonitega. Otsuse selle ehitamiseks saab teha alles pärast seda, kui selgub, kas Higgs on olemas ja milline on selle mass. Üks kavandatavatest ILC ehitusobjektidest asub Dubna läheduses. CLIC – kompaktne lineaarne elektronide ja positronite põrgataja. Projekti arendatakse CERNis.

8.12. Muoni põrkur. MS – Muon Collider loodi esmakordselt G. I. Budkeri poolt (1918–1977). 1999. aastal toimus San Franciscos viies rahvusvaheline konverents "Müüonpõrgujate ja neutriinotehaste füüsikaline potentsiaal ja areng". Praegu arendatakse MS projekti Fermi riiklikus laboris ja seda saab ellu viia 20 aasta pärast.

9. Tugev suhtlus

9.1. Gluoonid ja kvargid. Tugev jõud hoiab nukleonid (prootonid ja neutronid) tuuma sees. See põhineb gluoonide vastasmõjul kvarkidega ja gluoonide vastasmõjul gluoonidega. Just gluoonide isetegevus viib selleni, et vaatamata sellele, et gluooni mass on null, nii nagu footoni ja gravitoni massid on võrdsed nulliga, ei too gluoonide vahetus kaasa gluooni. pikamaa interaktsioon, mis sarnaneb footoni ja gravitoni vastasmõjuga. Lisaks põhjustab see vabade gluoonide ja kvarkide puudumist. See on tingitud asjaolust, et ühe gluooni vahetuste summa asendatakse gluoontoru või niidiga. Nukleonide vastastikmõju tuumas on sarnane van der Waalsi jõududega neutraalsete aatomite vahel.

9.2. Vangistus ja asümptootiline vabadus. Gluoonide ja kvarkide piiramise nähtust hadronitest nimetatakse kinnistamiseks. Kinnijäämiseni viiva dünaamika tagakülg on see, et väga väikestel vahemaadel sügaval hadronite sees langeb gluoonide ja kvarkide vaheline interaktsioon järk-järgult ära. Tundub, et kvargid saavad väikeste vahemaade tagant vabaks. Seda nähtust nimetatakse asümptootiliseks vabaduseks.

9.3. Kvarkvärvid. Vangistuse nähtus on tingitud asjaolust, et kõik kuus kvarki eksisteerivad justkui kolme "värvilise" sordi kujul. Kvargid on tavaliselt "värvitud" kollase, sinise ja punase värviga. Antikvarkid on värvitud lisavärvides: lilla, oranž, roheline. Kõik need värvid tähistavad kvarkide omapäraseid laenguid - tugevate vastastikmõjude eest vastutava elektrilaengu "mitmemõõtmelisi analooge". Muidugi pole kvarkide värvide ja tavaliste optiliste värvide vahel mingit seost, välja arvatud metafooriline.

9.4. Gluooni värvid. Värviliste gluoonide perekond on veelgi arvukam: neid on kaheksa, millest kaks on identsed nende antiosakestega ja ülejäänud kuus mitte. Värvilaengute vastastikmõju kirjeldab kvantkromodünaamika ja see määrab prootoni, neutroni, kõigi aatomituumade ja kõigi hadronite omadused. Asjaolu, et gluoonid kannavad värvilaenguid, viib gluoon-kvargi kinniseotuse nähtuseni, mis tähendab, et värvilised gluoonid ja kvargid ei pääse hadronitest välja. Värvitute (valgete) hadronite vahelised tuumajõud on hadronite võimsate värvide vastasmõju nõrk kaja. See sarnaneb molekulaarsete sidemete väiksusega võrreldes aatomisiseste sidemetega.

9.5. Hadronite massid. Hadronite massid üldiselt ja eriti nukleonid on tingitud gluooni isetegevusest. Seega on kogu nähtava aine mass, mis moodustab 4–5% Universumi energiast, tingitud just gluoonide isetegevusest.

10. Standardmudel ja rohkem

10.1. 18 standardmudeli osakest. Kõik teadaolevad põhiosakesed jagunevad loomulikult kolme rühma:

6 leptonit(keerutamine 1/2):
3 neutriinot: ν e , ν μ , ν τ ;
3 laetud leptonit: e, μ , τ ;
6 kvarki(keerutamine 1/2):
u,c, t,
d, s, b;
6 bosonit:
g̃ - graviton (spin 2),
γ , W, Z, g- gluoonid (spin 1),
h- higgs (spin 0).

10.2. Väljaspool standardmudelit. 96% Universumi energiast on väljaspool standardmudelit ja ootab avastamist ja uurimist. Selle kohta, milline uus füüsika võib välja näha, on mitu põhieeldust (vt allpool jaotisi 10.3–10.6).

10.3. Suurepärane liit. Tugeva ja elektrinõrga interaktsiooni ühendamisele on pühendatud tohutu hulk, enamasti teoreetilisi töid. Enamik neist eeldab, et see toimub energiate suurusjärgus 10 16 GeV. Selline liit peaks viima prootoni lagunemiseni.

10.4. supersümmeetrilised osakesed. Vastavalt supersümmeetria ideele, mis sündis FIANis, on igal “meie” osakesel superpartner, kelle spinn erineb 1/2 võrra: 6 skvarki ja 6 sliptonit spinniga 0, higgsino, foto, vein ja zino spinniga 1/ 2, gravitino co spin 3/2. Nende superpartnerite massid peavad olema oluliselt suuremad kui meie osakeste massid. Muidu oleks need ammu avatud. Mõned superpartnerid võidakse avastada, kui suur hadronite põrkur hakkab tööle.

10.5. Superstringid. Supersümmeetria hüpoteesi arendab hüpotees superstringide olemasolust, mis elavad väga väikestel vahemaadel suurusjärgus 10–33 cm ja vastavate energiatega 10 19 GeV. Paljud teoreetilised füüsikud loodavad, et just superstringide kontseptsioonide põhjal on võimalik konstrueerida kõigi interaktsioonide ühtne teooria, mis ei sisalda vabu parameetreid.

10.6. peegelosakesed. Vastavalt ITEPis esmakordselt sündinud peegelaine ideele on igal meie osakesel peegelkaksik ja on olemas peegelmaailm, mis on meie maailmaga vaid väga lõdvalt seotud.

10.7. Tume aine. Vaid 4–5% kogu universumi energiast eksisteerib tavalise aine massina. Umbes 20% universumi energiast sisaldub nn tumeaines, mis arvatakse koosnevat superosakestest ehk peegelosakestest või mõnest muust tundmatutest osakestest. Kui tumeaine osakesed on tavaosakestest palju raskemad ja kui nad kosmoses üksteisega kokku põrkudes annihileeruvad tavalisteks footoniteks, siis saab neid suure energiaga footoneid registreerida spetsiaalsete detektoritega nii kosmoses kui ka Maal. Tumeaine olemuse väljaselgitamine on füüsika üks peamisi ülesandeid.

10.8. Tume energia. Kuid valdav osa Universumi energiast (umbes 75%) on tingitud nn tumedast energiast. See "valatakse" läbi vaakumi ja lükkab galaktikate parved lahku. Selle olemus pole veel selge.

11. Elementaarosakesed Venemaal ja maailmas

11.1. Vene Föderatsiooni presidendi dekreet. 30. septembril 2009 anti välja Vene Föderatsiooni presidendi dekreet “Täiendavate meetmete kohta riikliku uurimiskeskuse “Kurtšatovi Instituut” asutamise pilootprojekti elluviimiseks”. Määrus näeb ette järgmiste organisatsioonide osalemise projektis: Peterburi Tuumafüüsika Instituut, Kõrgenergia Füüsika Instituut ning Teoreetilise ja Eksperimentaalfüüsika Instituut. Dekreet näeb ette ka "määratletud asutuse kui kõige olulisema teadusasutuse kaasamise föderaaleelarve kulude osakondade struktuuri kui eelarvevahendite peamise haldaja". See dekreet võib aidata kaasa elementaarosakeste füüsika taastamisele meie riigi teaduse arendamise prioriteetsete valdkondade hulka.

11.2. Kuulamised USA Kongressis 1. 1. oktoobril 2009 toimusid USA Esindajatekoja teaduse ja tehnoloogia komitee energeetika ja keskkonna alamkomisjonis kuulamised teemal "Materja, energia, ruumi ja aja olemuse uurimine". Energeetikaministeeriumi 2009. aasta assigneering selle programmi jaoks on 795,7 miljonit dollarit. Harvardi ülikooli professor Lisa Randall tõi välja vaated mateeriale, energiale ja universumi tekkele tulevase stringiteooria seisukohalt. Fermi riikliku labori (Batavia) direktor Pierre Oddone rääkis osakestefüüsika olukorrast USA-s ja eelkõige Tevatroni peatsest valmimisest ning FNALi ja DUSELi maa-aluse labori ühistöö algusest. neutriinode omadused ja haruldased protsessid. Ta rõhutas Ameerika füüsikute osalemise tähtsust kõrge energiaga füüsikaprojektides Euroopas (LHC), Jaapanis (JPARC), Hiinas (PERC) ja rahvusvahelises kosmoseprojektis (GLAST, hiljuti Fermi nimeline).

11.3. Kuulamised USA Kongressis 2. Jeffersoni riikliku labori direktor Hugh Montgomery rääkis selle labori panusest tuumafüüsikasse, kiirenditehnoloogiatesse ja haridusprogrammidesse. Energeetikaministeeriumi kõrgenergiafüüsika osakonna direktor Dennis Kovar rääkis kõrgenergiafüüsika kolmest põhivaldkonnast:

1) kiirendi uuringud maksimaalsetel energiatel,

2) kiirendiuuringud maksimaalse intensiivsusega,

3) maapealne ja satelliidi kosmoseuuring tumeaine ja tumeenergia olemuse väljaselgitamiseks;

ja tuumafüüsika kolm põhisuunda:

1) kvarkide ja gluoonide tugevate vastastikmõjude uurimine,

2) prootonitest ja neutronitest aatomituumade moodustumise uurimine,

3) neutriinodega seotud nõrkade vastastikmõjude uurimine.

12. Fundamentaalteadusest

12.1. Mis on fundamentaalteadus.Ülaltoodud tekstist selgub, et mina, nagu enamik teadustöötajaid, nimetan fundamentaalteaduseks seda teaduse osa, mis kehtestab kõige fundamentaalsemad loodusseadused. Need seadused on teaduse püramiidi või selle üksikute korruste aluseks. Need määravad tsivilisatsiooni pikaajalise arengu. Siiski on inimesi, kes nimetavad fundamentaalteaduseks neid teadusharusid, millel on suurim otsene mõju hetkesaavutustele tsivilisatsiooni arengus. Mulle isiklikult tundub, et neid lõike ja suundi nimetatakse pigem rakendusteaduseks.

12.2. Juured ja puuviljad. Kui fundamentaalteadust saab võrrelda puu juurtega, siis rakendusteadust võib võrrelda selle viljadega. Suured tehnoloogilised läbimurded, nagu mobiiltelefonid või fiiberoptika, on teaduse vili.

12.3. A. I. Herzen teadusest. 1845. aastal avaldas Aleksandr Ivanovitš Herzen (1812–1870) ajakirjas Otechestvennye Zapiski tähelepanuväärsed kirjad looduse uurimisest. Esimese kirja lõpus kirjutas ta: "Teadus tundub raske, mitte sellepärast, et see tõesti on raske, vaid sellepärast, et muidu ei jõua te selle lihtsuseni, murdes läbi nende valmiskontseptsioonide pimedusest, mis ei lase teil näha otse. Teadke need, kes ette astuvad, et kogu skolastikast päritud roostes ja väärtusetute tööriistade arsenal on väärtusetu, et on vaja ohverdada väljaspool teadust sõnastatud vaated, et kõike kõrvale heitmata. pool valetab, millega nad selguse huvides riietuvad pooltõdesid ei saa siseneda teadusesse, ei saa jõuda kogu tõeni.

12.4. Kooliprogrammide vähendamisest. Kaasaegsed füüsikaprogrammid koolis võivad hõlmata ka elementaarosakeste teooria, relatiivsusteooria ja kvantmehaanika elementide aktiivset valdamist, kui vähendame nendes neid jaotisi, mis on oma olemuselt peamiselt kirjeldavad ja suurendavad lapse "erudeeritust", selle asemel, et mõista ümbritsevat maailma ning võime elada ja luua.

12.5. Järeldus.Õige oleks, kui Venemaa Teaduste Akadeemia Presiidium märgiks noortele varakult relatiivsusteooria ja kvantmehaanika saavutustele tugineva maailmavaate tutvustamise tähtsust ning juhendaks Vene Akadeemia Presiidiumi komisjone. Õpikute (esimees – asepresident V. V. Kozlov) ja hariduse (esimees – asepresident – ​​president V. A. Sadovnichiy) teaduste teadusnõukogu, et koostada ettepanekud kaasaegse põhifüüsika õpetamise parandamiseks kesk- ja kõrgkoolides.

Kirjeldus

Selleks, et suhet saaks nimetada füüsiliseks seaduseks, peab see vastama järgmistele nõuetele:

• empiiriline kinnitus. Füüsikalist seadust peetakse tõeseks, kui seda kinnitavad korduvad katsed.
• Mitmekülgsus. Seadus peab olema õiglane suure hulga objektide suhtes. Ideaalis – kõikidele universumi objektidele.
• Jätkusuutlikkus. Füüsikalised seadused ei muutu ajas, kuigi neid võib tunnistada täpsemate seaduste lähendusteks.

Füüsikalisi seadusi väljendatakse tavaliselt lühikese verbaalse avalduse või kompaktse matemaatilise valemina:

Näited

Põhiartikkel: Füüsikaliste seaduste loetelu

Mõned kõige kuulsamad füüsikaseadused on:

Seadused-põhimõtted

Mõned füüsikaseadused on oma olemuselt universaalsed ja oma olemuselt määratlused. Selliseid seadusi nimetatakse sageli põhimõteteks. Nende hulka kuuluvad näiteks Newtoni teine ​​seadus (jõu definitsioon), energia jäävuse seadus (energia definitsioon), vähima tegevuse põhimõte (tegevuse definitsioon) jne.

Seadused-sümmeetriate tagajärjed

Osa füüsikaseadustest on teatud süsteemis eksisteerivate sümmeetriate lihtsad tagajärjed. Niisiis on Noetheri teoreemi järgi säilivusseadused ruumi ja aja sümmeetria tagajärjed. Ja näiteks Pauli printsiip on elektronide identiteedi tagajärg (nende lainefunktsiooni antisümmeetria osakeste permutatsiooni suhtes).

Seaduste ühtlustamine

Kõik füüsikalised seadused tulenevad empiirilistest vaatlustest ja on tõesed sama täpsusega kui eksperimentaalsed vaatlused. See piirang ei luba väita, et ükski seadustest on absoluutne. On teada, et mõned seadused ei ole ilmselgelt absoluutselt täpsed, vaid on lähendused täpsematele. Niisiis, Newtoni seadused kehtivad ainult piisavalt massiivsete kehade puhul, mis liiguvad valguse kiirusest palju väiksema kiirusega. Täpsemad on kvantmehaanika ja erirelatiivsusteooria seadused. Need on aga omakorda kvantväljateooria täpsemate võrrandite lähendid.

Vaata ka

Märkmed

Wikimedia sihtasutus. 2010 .

Vaadake, mis on "õigus (füüsika)" teistes sõnaraamatutes:

FÜÜSIKA. 1. Füüsika aine ja struktuur F. kõige lihtsama ja samas ka kõige rohkem uuriv teadus. meid ümbritseva materiaalse maailma objektide üldised omadused ja liikumisseadused. Selle üldsõnalisuse tulemusena pole loodusnähtusi, millel poleks füüsilist. omadused... Füüsiline entsüklopeedia

Teadus, mis uurib loodusnähtuste lihtsamaid ja samas ka üldisemaid mustreid, aine põhimõtteid ja ehitust ning selle liikumisseadusi. F. mõisted ja selle seadused on kogu loodusteaduse aluseks. F. kuulub täppisteaduste hulka ja uurib koguseid ... Füüsiline entsüklopeedia

Valguse sirgjoonelise levimise seadus: läbipaistvas homogeenses keskkonnas levib valgus sirgjooneliselt. Seoses valguse sirgjoonelise levimise seadusega tekkis valguskiire mõiste, millel on geomeetriline tähendus kui ... ... Wikipedia

FÜÜSIKA- FÜÜSIKA, teadus, mis uurib koos keemiaga energia ja aine muundumise üldseadusi. Mõlemad teadused põhinevad kahel loodusteaduse põhiseadusel - massi jäävuse seadusel (Lomonossovi, Lavoisieri seadus) ja energia jäävuse seadusel (R. Mayer, Jaul ... ... Suur meditsiiniline entsüklopeedia

Boyle'i Mariotte'i seadus on üks põhilisi gaasiseadusi. Seadus on oma nime saanud iiri füüsiku, keemiku ja filosoofi Robert Boyle'i (1627 1691) järgi, kes selle 1662. aastal avastas, ning ühtlasi ka prantsuse füüsiku Edme Mariotte'i (1620 1684) auks, kes avastas ... ... Wikipedia

Statistiline füüsika Termodünaamika Molekulaarkineetiline teooria Statistika ... Wikipedia

Mittekahaneva entroopia seadus: "Isoleeritud süsteemis entroopia ei vähene." Kui suletud süsteem on mingil ajahetkel mittetasakaalulises makroskoopilises olekus, siis järgnevatel ajahetkedel on kõige tõenäolisem tagajärg ... ... Wikipedia

Mõiste ulatuse ja sisu vahelise pöördsuhte seadus on formaalse loogika seadus mõiste ulatuse ja sisu muutuste vahelistest suhetest. Kui esimene mõiste on ulatuselt laiem kui teine, siis on see sisult vaesem; kui ... ... Vikipeedia

- (a. plahvatuse füüsika; n. Physik der Explosion; f. physique de l explosion; ja. fisica de explosion, fisica de estallido, fisica de detonacion) on teadus, mis uurib plahvatuse nähtust ja selle toimemehhanismi meediumis. Mehaaniline rike…… Geoloogiline entsüklopeedia

- (aine vedela oleku füüsika) füüsika haru, milles uuritakse vedelike mehaanilisi ja füüsikalisi omadusi. Statistiline vedelike teooria on statistilise füüsika haru. Kõige olulisem tulemus on võrrandite tuletamine ... ... Wikipedia

Ükski inimtegevuse valdkond ei saa hakkama ilma täppisteadusteta. Ja ükskõik kui keerulised on inimsuhted, taanduvad need ka nendele seadustele. pakub meenutada füüsikaseadusi, millega inimene iga päev oma elus kokku puutub ja kogeb.

Lihtsaim, kuid kõige olulisem seadus on Energia jäävuse ja muundamise seadus.

Iga suletud süsteemi energia jääb konstantseks kõigi süsteemis toimuvate protsesside jaoks. Ja me oleme sellises suletud süsteemis ja oleme. Need. kui palju anname, nii palju saame. Kui tahame midagi saada, peame enne seda sama palju andma. Ja ei midagi muud!

Ja me muidugi tahame saada suurt palka, aga mitte tööl käia. Mõnikord luuakse illusioon, et “lollidel veab” ja õnn kukub paljudele pähe. Lugege ükskõik millist muinasjuttu. Kangelased peavad pidevalt ületama tohutuid raskusi! Seejärel uju külmas vees, seejärel keevas vees.

Mehed tõmbavad naiste tähelepanu kurameerimisega. Naised omakorda hoolitsevad nende meeste ja laste eest. Jne. Seega, kui tahad midagi saada, siis võta vaevaks kõigepealt anda.

Toimejõud on võrdne reaktsioonijõuga.

See füüsikaseadus peegeldab põhimõtteliselt eelmist. Kui inimene on sooritanud negatiivse teo – teadlikult või mitte – ja seejärel saanud vastuse, s.o. opositsioon. Mõnikord on põhjus ja tagajärg ajas eraldatud ning te ei saa kohe aru, kust tuul puhub. Peame, mis kõige tähtsam, meeles pidama, et midagi lihtsalt ei juhtu.

Kangi seadus.

Archimedes hüüdis: Andke mulle tugipunkt ja ma liigutan Maad!". Õige kangi valimisel saab kanda mis tahes raskust. Alati tuleks hinnata, kui kaua kangi selle või teise eesmärgi saavutamiseks vaja läheb ja teha enda jaoks järeldus, seada prioriteedid: kas õige kangi loomiseks ja selle raskuse liigutamiseks on vaja nii palju vaeva näha või lihtsam see rahule jätta ja muid tegevusi teha.

Kinnitusreegel.

Reegel on see, et see näitab magnetvälja suunda. See reegel vastab igavesele küsimusele: kes on süüdi? Ja juhib tähelepanu sellele, et kõiges, mis meiega juhtub, oleme ise süüdi. Ükskõik kui solvav see ka poleks, kui raske see ka poleks, kui esmapilgul ebaõiglane ka poleks, tuleb alati teadvustada, et algusest peale olime me ise selle põhjustajaks.

küünte seadus.

Kui inimene tahab naela sisse lüüa, siis ta ei koputa kuskile naela lähedale, ta koputab täpselt naelapea peale. Kuid küüned ise ei roni seintesse. Alati tuleb valida õige haamer, et mitte haamriga naela murda. Ja punktide andmisel peate arvutama löögi, et müts ei painduks. Olge lihtsad, hoolitsege üksteise eest. Õppige mõtlema oma naabrile.

Ja lõpuks entroopia seadus.

Entroopia on süsteemi häire mõõt. Teisisõnu, mida rohkem on süsteemis kaost, seda suurem on entroopia. Täpsem sõnastus: süsteemides toimuvates spontaansetes protsessides entroopia alati suureneb. Reeglina on kõik spontaansed protsessid pöördumatud. Need toovad kaasa reaalseid muutusi süsteemis ja ilma energiat kulutamata on võimatu seda algsesse olekusse naasta. Samal ajal on võimatu täpselt (100%) korrata selle algset olekut.

Et paremini mõista, millisest korrast ja korratusest me räägime, paneme paika katse. Valage mustad ja valged graanulid klaaspurki. Paneme kõigepealt mustad, siis valged. Pelletid paigutatakse kahte kihti: alt must, pealt valge - kõik on korras. Seejärel raputage purki mitu korda. Graanulid segunevad ühtlaselt. Ja olenemata sellest, kui palju me seda purki siis loksutame, ei suuda me tõenäoliselt saavutada seda, et graanulid oleksid jälle kahes kihis. Siin see on, entroopia tegevuses!

Seisund, mil graanulid paigutati kahte kihti, loetakse järjestatuks. Seisund, mil graanulid on ühtlaselt segunenud, loetakse korratuks. Tellitud olekusse naasmiseks on vaja peaaegu imet! Või korduv vaevarikas töö pelletitega. Ja pangas kaose tekitamiseks pole vaja peaaegu mingit pingutust.

Auto ratas. Kui see on täis pumbatud, on selles vaba energia ülejääk. Ratas saab liikuda, mis tähendab, et see töötab. See on järjekord. Mis siis, kui ratta läbi torkate? Rõhk selles langeb, vaba energia "lahkub" keskkonda (hajub) ja selline ratas ei saa enam töötada. See on kaos. Süsteemi taastamiseks algsesse olekusse, s.o. et asjad korda seada, on vaja palju tööd teha: kaamerat liimida, ratast monteerida, üles pumbata jne, misjärel see jälle vajalik asi, millest võib kasu olla.

Soojus kandub kuumalt kehalt külmale, mitte vastupidi. Pöördprotsess on teoreetiliselt võimalik, kuid praktiliselt keegi ei võta seda ette, kuna selleks on vaja tohutuid jõupingutusi, spetsiaalseid paigaldusi ja seadmeid.

Ka ühiskonnas. Inimesed vananevad. Majad lagunevad. Kivid vajuvad merre. Galaktikad on hajutatud. Igasugune meid ümbritsev reaalsus kipub spontaanselt korralagedusse minema.

Sageli räägitakse aga korratusest kui vabadusest: Ei, me ei taha korda! Andke meile selline vabadus, et igaüks saaks teha, mida tahab!» Aga kui igaüks teeb, mida tahab, pole see vabadus – see on kaos. Meie ajal kiidavad paljud korralagedust, propageerivad anarhiat – ühesõnaga kõike, mis hävitab ja lahutab. Kuid vabadus ei ole kaoses, vabadus on täpselt korras.

Oma elu korraldades loob inimene vaba energia reservi, mida ta seejärel kasutab oma plaanide elluviimiseks: töö, õppimine, puhkus, loovus, sport jne. Teisisõnu, see vastandub entroopiale. Muidu, kuidas oleksime saanud viimase 250 aasta jooksul koguda nii palju materiaalseid väärtusi?!

Entroopia on korratuse mõõt, energia pöördumatu hajumise mõõt. Mida rohkem entroopiat, seda rohkem korralagedust. Maja, kus keegi ei ela, laguneb. Raud roostetab aja jooksul, auto vananeb. Suhted, millest keegi ei hooli, lagunevad. Nii ka kõige muuga meie elus, absoluutselt kõigega!

Looduse loomulik seisund ei ole tasakaal, vaid entroopia suurenemine. See seadus töötab ühe inimese elus vääramatult. Ta ei pea oma entroopia suurendamiseks midagi tegema, see juhtub spontaanselt, vastavalt loodusseadusele. Entroopia (häire) vähendamiseks peate tegema palju pingutusi. See on omamoodi laks rumalalt positiivsetele inimestele (lamava kivi all ja vesi ei voola), mida on päris palju!

Edu säilitamine nõuab pidevat pingutust. Kui me ei arene, siis me degradeerume. Ja selleks, et hoida seda, mis meil varem oli, peame täna tegema rohkem kui eile. Asjad saab korras hoida ja isegi parandada: kui maja värv on pleekinud, saab selle üle värvida ja veelgi ilusamaks kui varem.

Inimesed peaksid püüdma "rahustada" suvalist destruktiivset käitumist, mis tänapäeva maailmas valitseb kõikjal, püüdma vähendada kaose seisundit, mille oleme hajutanud grandioossete piirideni. Ja see on füüsiline seadus, mitte ainult lobisemine depressioonist ja negatiivsest mõtlemisest. Kõik kas areneb või laguneb.

Elus organism sünnib, areneb ja sureb ning keegi pole kunagi täheldanud, et pärast surma ta elavneb, muutub nooremaks ja naaseb seemnesse või emakasse. Kui nad ütlevad, et minevik ei naase kunagi, siis loomulikult mõeldakse ennekõike neid elulisi nähtusi. Organismide areng määrab aja noole positiivse suuna ja üleminek süsteemi ühest olekust teise toimub eranditult kõigi protsesside puhul alati samas suunas.

Palderjan Chupin

Info allikas: Tchaikovsky.News

Kommentaarid (3)

Kaasaegse ühiskonna jõukus kasvab ja kasvab üha suuremal määral eelkõige universaalse tööjõu kaudu. Tööstuskapital oli esimene ajalooline sotsiaalse tootmise vorm, mil hakati intensiivselt ekspluateerima universaalset tööjõudu. Ja kõigepealt see, mille ta sai tasuta. Teadus, nagu Marx märkis, ei maksa kapitalile midagi. Tõepoolest, mitte ükski kapitalist ei maksnud oma ideede praktilise kasutamise eest tasu ei Archimedesele, Cardanole, Galileole ega Huygensile ega Newtonile. Kuid just tööstuslik kapital hakkab massiliselt ekspluateerima mehaanilist tehnoloogiat ja seega ka sellesse kätketud üldist tööjõudu. Marx K, Engels F. Soch., 25. kd, 1. osa, lk. 116.

FÜÜSIKA PÕHISEADUSED

[ Mehaanika | Termodünaamika | Elekter | Optika | Aatomifüüsika]

SÄILJUMISE JA MUUNDUMISE SEADUSED - üldine loodusseadus: mis tahes suletud süsteemi energia kõigi süsteemis toimuvate protsesside jaoks jääb konstantseks (säilivaks). Energiat saab muundada ainult ühest vormist teise ja jaotada ümber süsteemi osade vahel. Avatud süsteemi jaoks võrdub selle energia suurenemine (vähenemine) sellega interakteeruvate kehade ja füüsiliste väljade energia vähenemisega (kasvuga).

1. MEHAANIKA

ARCHIMEDESE SEADUS – hüdro- ja aerostaatika seadus: vedelikku või gaasi sukeldatud kehale avaldatakse vertikaalselt ülespoole suunatud üleslükkejõud, mis on arvuliselt võrdne keha poolt väljatõrjutud vedeliku või gaasi massiga ja rakendatakse keha keskele. sukeldatud kehaosa raskusjõud. FA= gV, kus r on vedeliku või gaasi tihedus, V on vee all oleva kehaosa ruumala. Vastasel juhul võib selle sõnastada järgmiselt: vedelikku või gaasi sukeldatud keha kaotab oma kaalust sama palju kui tema poolt väljatõrjutud vedelik (või gaas) kaalub. Siis P= mg - FA Muu gr. teadlane Archimedes aastal 212. eKr. See on ujumiskehade teooria aluseks.

UNIVERSAALNE GRAVITATSIOONI SEADUS – Newtoni gravitatsiooniseadus: kõik kehad tõmbuvad üksteise poole jõuga, mis on otseselt võrdeline nende kehade masside korrutisega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga: , kus M ja m on massid interakteeruvatest kehadest on R nende kehade vaheline kaugus, G on gravitatsioonikonstant (SI-s G=6,67,10-11 N.m2/kg2.

GALILEO relatiivsusprintsiip, mehaaniline relatiivsusprintsiip - klassikalise mehaanika printsiip: mis tahes inertsiaalses tugiraamistikus kulgevad kõik mehaanilised nähtused samadel tingimustel ühtemoodi. kolmap relatiivsusteooria põhimõte.

HOOKI SEADUS - seadus, mille kohaselt elastsed deformatsioonid on otseselt võrdelised neid põhjustavate välismõjudega.

MOMENTUMI JÄLJUMISE SEADUS - mehaanika seadus: mis tahes suletud süsteemi impulss kõigis süsteemis toimuvates protsessides jääb konstantseks (konserveeruvaks) ja seda saab süsteemi osade vahel ümber jaotada ainult nende vastasmõju tulemusena.

NEWTONI SEADUSED – Newtoni klassikalise mehaanika aluseks olevad kolm seadust. 1. seadus (inertsiseadus): materiaalne punkt on sirgjoonelise ja ühtlase liikumise või puhkeseisundis, kui sellele ei mõju teised kehad või kui nende kehade tegevust kompenseeritakse. 2. seadus (dünaamika põhiseadus): keha poolt vastuvõetav kiirendus on võrdeline kõigi kehale mõjuvate jõudude resultandiga ja pöördvõrdeline keha massiga (). 3. seadus: kaks materiaalset punkti interakteeruvad üksteisega sama laadi jõududega, mis on võrdse suurusega ja vastassuunalised piki neid punkte ühendavat sirgjoont ().

RELATIVSUSPÕHIMÕTE - üks relatiivsusteooria postulaate, mis väidab, et mis tahes inertsiaalsetes võrdlusraamides kulgevad kõik füüsikalised (mehaanilised, elektromagnetilised jne) nähtused samadel tingimustel ühtemoodi. See on Galileo üldistus relatiivsusprintsiibist kõigile füüsikalistele nähtustele (välja arvatud gravitatsioon).

2. MOLEKULAARFÜÜSIKA JA TERMODÜNAAMIKA

AVOGADRO SEADUS – üks ideaalgaaside põhiseadusi: võrdses koguses erinevaid gaase samal temperatuuril ja rõhul sisaldab sama arv molekule. Avati 1811. aastal itaallaste poolt. füüsik A. Avogadro (1776-1856).

BOYLE-MARIOTTE SEADUS - üks ideaalse gaasi seadusi: antud gaasi massi korral konstantsel temperatuuril on rõhu ja ruumala korrutis konstant. Valem: pV=konst. Kirjeldab isotermilist protsessi.

TERMODÜNAAMIKA TEINE SEADUS - üks termodünaamika põhiseadusi, mille kohaselt on võimatu perioodiline protsess, mille ainsaks tulemuseks on töö tegemine, mis on võrdne küttekehast saadava soojushulgaga. Teine sõnastus: võimatu on protsess, mille ainsaks tulemuseks on energia ülekandmine soojuse kujul vähem kuumutatud kehalt kuumemale. V.z.t. väljendab suurest hulgast juhuslikult liikuvatest osakestest koosneva süsteemi tendentsi spontaansele üleminekule vähemtõenäolistest olekutest tõenäolisematesse olekutesse. Keelab teist tüüpi igiliikuri loomise.

GAY-LUSSACI SEADUS - gaasiseadus: antud gaasi massi korral konstantsel rõhul on ruumala ja absoluutse temperatuuri suhe konstantne väärtus, kus \u003d 1/273 K-1 on mahupaisumise temperatuuritegur.

DALTONI SEADUS – üks gaasi põhiseadusi: keemiliselt mitteinterakteeruvate ideaalgaaside segu rõhk võrdub nende gaaside osarõhkude summaga.

PASCALI SEADUS – hüdrostaatika põhiseadus: välisjõudude poolt tekitatud rõhk vedeliku või gaasi pinnal kandub kõikides suundades võrdselt.

ESIMENE TERMODÜNAAMIKA SEADUS - üks termodünaamika põhiseadusi, mis on termodünaamilise süsteemi energia jäävuse seadus: süsteemi edastatud soojushulk Q kulub süsteemi U siseenergia muutmisele ja töö A teostamisele. väliste jõudude vastu süsteemi poolt. Valem: Q=U+A. See on soojusmasinate töö aluseks.

CHARLESI SEADUS - üks peamisi gaasiseadusi: ideaalse gaasi antud massi rõhk konstantsel ruumalal on otseselt võrdeline temperatuuriga: kus p0 on rõhk temperatuuril 00C, \u003d 1/273,15 K-1 on temperatuurikoefitsient survest.

3. ELEKTER JA MAGNETISM

AMPERA SEADUS - kahe juhi koosmõju seadus vooludega; samasuunaliste vooludega paralleelsed juhid tõmbavad ligi, vastassuunaliste vooludega aga tõrjuvad. A.z. nimetatakse ka seaduseks, mis määrab voolu juhtiva juhi väikesele segmendile magnetväljas mõjuva jõu. Avatud 1820. aastal OLEN. Amper.

JOUL-LENTZ SEADUS – seadus, mis kirjeldab elektrivoolu soojuslikku mõju. Vastavalt D. - L.z. juhis alalisvoolu läbimisel vabanev soojushulk on otseselt võrdeline voolutugevuse, juhi takistuse ja läbimise ajaga ruuduga.

LAENGU SÄÄSTUSE SEADUS – üks põhilisi loodusseadusi: iga elektriliselt isoleeritud süsteemi elektrilaengute algebraline summa jääb muutumatuks. Elektriliselt isoleeritud süsteemis Z.s.z. võimaldab uute laetud osakeste tekkimist (näiteks elektrolüütilise dissotsiatsiooni, gaaside ioniseerimise, osakeste-antiosakeste paaride tekke jms käigus), kuid tekkivate osakeste summaarne elektrilaeng peab alati olema võrdne nulliga.

Coulombi seadus - elektrostaatika põhiseadus, mis väljendab kahe fikseeritud punktlaengu vastastikuse jõu sõltuvust nendevahelisest kaugusest: kaks fikseeritud punktlaengu interakteeruvad jõuga, mis on otseselt võrdeline nende laengute suuruste korrutisega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ja laengute asukoha keskkonna läbilaskvuse ruut. SI-s näeb see välja selline: . Väärtus on arvuliselt võrdne jõuga, mis mõjub kahe fikseeritud punktlaengu vahel, igaüks 1 C, mis asuvad vaakumis üksteisest 1 m kaugusel. K.z. on üks elektrodünaamika eksperimentaalseid põhjendusi.

VASAKU KÄE Reegel - reegel, mis määrab magnetväljas vooluga juhile (või liikuvale laetud osakesele) mõjuva jõu suuna. See ütleb: kui vasak käsi on asetatud nii, et väljasirutatud sõrmed näitavad voolu suunda (osakese kiirust) ja magnetvälja jõujooned (magnetinduktsiooni jooned) sisenevad peopesale, siis sissetõmmatud pöial. näitab juhile mõjuva jõu suunda (positiivne osake; negatiivse osakese puhul on jõu suund vastupidine).

LENTZ REEGEL (SEADUS) - reegel, mis määrab elektromagnetilise induktsiooni käigus tekkivate induktsioonivoolude suuna. Vastavalt L.p. induktiivne vool on alati sellise suunaga, et tema enda magnetvoog kompenseerib selle voolu tekitanud välise magnetvoo muutused. L.p. - energia jäävuse seaduse tagajärg.

OHMA SEADUS - üks elektrivoolu põhiseadusi: alalisvoolu tugevus vooluringi sektsioonis on otseselt võrdeline pingega selle sektsiooni otstes ja pöördvõrdeline selle takistusega. Kehtib metalljuhtidele ja elektrolüütidele, mille temperatuur hoitakse konstantsena. Tervikliku vooluahela korral on see sõnastatud järgmiselt: vooluahela alalisvoolu tugevus on otseselt võrdeline vooluallika emf-ga ja pöördvõrdeline elektriahela takistusega.

PAREMA KÄE Reegel - reegel, mis määrab 1) induktsioonivoolu suuna magnetväljas liikuvas juhis: kui parema käe peopesa on paigutatud nii, et see hõlmab magnetinduktsiooni jooni ja painutatud pöial on suunatud mööda liikumine

juht, siis näitavad neli väljasirutatud sõrme induktsioonivoolu suunda; 2) sirgjoonelise vooluga juhi magnetinduktsiooni joonte suund: kui parema käe pöial on asetatud voolu suunas, siis juhist nelja sõrmega haaramise suund näitab joonte suunda. magnetilisest induktsioonist.

FARADAY SEADUSED – elektrolüüsi põhiseadused. Faraday esimene seadus: elektrivoolu läbimisel elektroodile vabaneva aine mass on otseselt võrdeline elektrolüüdi läbinud elektri (laengu) hulgaga (m=kq=kIt). Teine FZ: erinevate ainete masside suhe, mis läbivad elektroodidel keemilisi muundumisi, kui samad elektrilaengud läbivad elektrolüüti, on võrdne keemiliste ekvivalentide suhtega. Paigaldatud 1833-34 M. Faraday poolt. Elektrolüüsi üldistatud seadusel on vorm: , kus M on molaarmass (aatommass), z on valents, F on Faraday konstant. F.p. on võrdne elementaarelektrilaengu ja Avogadro konstandi korrutisega. F=e.NA. Määrab laengu, mille läbimine läbi elektrolüüdi viib elektroodile 1 mooli monovalentse aine vabanemiseni. F = (96484,56 0,27) rakku/mol. Nimetatud M. Faraday järgi.

ELEKTROMAGNETILISE INDUKTSIOONI SEADUS - seadus, mis kirjeldab elektrivälja tekkimise nähtust magnetvälja muutumisel (elektromagnetilise induktsiooni nähtus): induktsiooni elektromotoorjõud on otseselt võrdeline magnetvoo muutumise kiirusega. Proportsionaalsuskoefitsient määratakse ühikute süsteemiga, märgiks on Lenzi reegel. SI valem on järgmine: kus Ф on magnetvoo muutus ja t on ajavahemik, mille jooksul see muutus toimus. Avastas M. Faraday.

4. OPTIKA

HUYGENSI PÕHIMÕTE – meetod, mis võimaldab igal ajal määrata lainefrondi asukohta. Vastavalt g.p. kõik punktid, mida lainefront ajahetkel t läbib, on sekundaarsete sfääriliste lainete allikad ja lainefrondi soovitud asukoht ajahetkel t t ühtib kõiki sekundaarlaineid ümbritseva pinnaga. Võimaldab selgitada valguse peegelduse ja murdumise seadusi.

HUYGENS - FRESNEL - PÕHIMÕTE - ligikaudne meetod laine leviku probleemide lahendamiseks. G.-F. Üksus ütleb: mis tahes punktis väljaspool suvalist suletud pinda, mis katab punktvalgusallika, saab selle allika poolt ergastavat valguslainet kujutada määratud suletud pinna kõigi punktide poolt kiiratavate sekundaarlainete interferentsi tulemusena. Võimaldab lahendada kõige lihtsamad valguse difraktsiooniprobleemid.

LINESEADUSE Peegeldumine - langev kiir, peegeldunud kiir ja kiirte langemispunkti tõstetud rist asetsevad samal tasapinnal ning langemisnurk on võrdne murdumisnurgaga. Seadus kehtib peegelpeegelduse kohta.

VALGUSE MURDUMINE - valguse (elektromagnetlaine) levimissuuna muutus üleminekul ühest keskkonnast teise, mis erineb esimesest murdumisnäitajast. Murdumise puhul on seadus täidetud: langev kiir, murdunud kiir ja kiirte langemispunkti tõstetud rist asetsevad samal tasapinnal ning nende kahe keskkonna puhul on langemisnurga siinuse ja langemisnurga siinuse suhe. murdumisnurga siinus on konstantne väärtus, mida nimetatakse teise keskkonna suhteliseks murdumisnäitajaks esimese suhtes.

VALGUSE SIRGLINE JAOTUSE SEADUS – geomeetrilise optika seadus, mis seisneb selles, et homogeenses keskkonnas levib valgus sirgjooneliselt. Selgitab näiteks varju ja poolvarju tekkimist.

6. AATOM- JA TUUMAFÜÜSIKA.

BOHR-I POSTULADID – N.Bohri poolt ilma tõestuseta sisse toodud ja BOHRi TEOORIA aluseks olevad põhieeldused: 1) Aatomisüsteem on stabiilne ainult statsionaarsetes olekutes, mis vastavad aatomienergia väärtuste diskreetsele jadale. Iga selle energia muutus on seotud aatomi täieliku üleminekuga ühest paigalseisundist teise. 2) Energia neeldumine ja emissioon aatomi poolt toimub vastavalt seadusele, mille kohaselt üleminekuga seotud kiirgus on monokromaatiline ja sagedusega: h = Ei-Ek, kus h on Plancki konstant ning Ei ja Ek on aatomi energiad statsionaarses olekus

Selle seaduse kohaselt on protsess, mille ainsaks tulemuseks on energia ülekandmine soojuse kujul külmemalt kehalt kuumemale, võimatu ilma süsteemi enda ja keskkonna muutusteta.
Termodünaamika teine ​​seadus väljendab suurest hulgast juhuslikult liikuvatest osakestest koosneva süsteemi tendentsi spontaansele üleminekule vähemtõenäolistest olekutest tõenäolisematesse olekutesse. Keelab teist tüüpi igiliikuri loomise.
Võrdsed kogused ideaalseid gaase samal temperatuuril ja rõhul sisaldavad sama arvu molekule.
Seaduse avastas 1811. aastal itaalia füüsik A. Avogadro (1776–1856).
Kahe teineteisest väikese vahemaa kaugusel asuvates juhtmetes voolava voolu vastastikmõju seadus ütleb: paralleelsed juhid, mille voolud on ühes suunas, tõmbuvad, vastassuunaliste vooludega aga tõrjuvad.
Seaduse avastas 1820. aastal A. M. Ampere.
Hüdro- ja aerostaatika seadus: vedelikku või gaasi sukeldatud kehale mõjub vertikaalselt ülespoole üleslükkejõud, mis on võrdne keha poolt väljatõrjutud vedeliku või gaasi massiga ja rakendatakse keha sukeldatud osa raskuskeskmesse. keha. FA = gV, kus g on vedeliku või gaasi tihedus, V on vee all oleva kehaosa ruumala.
Vastasel juhul võib seaduse sõnastada nii: vedelikku või gaasi sukeldatud keha kaotab oma kaalust sama palju, kui kaalub tema poolt väljatõrjutud vedelik (või gaas). Siis P = mg - FA.
Seaduse avastas Vana-Kreeka teadlane Archimedes aastal 212 eKr. e. See on ujuvkehade teooria aluseks.
Ideaalse gaasi üks seaduspärasusi: konstantsel temperatuuril on gaasi rõhu ja selle mahu korrutis konstantne väärtus. Valem: pV = konst. Kirjeldab isotermilist protsessi. Universaalse gravitatsiooniseadus ehk Newtoni gravitatsiooniseadus: kõik kehad tõmbuvad üksteise poole jõuga, mis on otseselt võrdeline nende kehade masside korrutisega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga. Selle seaduse kohaselt on tahke keha elastsed deformatsioonid otseselt võrdelised neid põhjustavate välismõjudega. Kirjeldab elektrivoolu soojuslikku mõju: juhis alalisvoolu läbimisel vabanev soojushulk on otseselt võrdeline voolutugevuse, juhi takistuse ja läbimise ajaga. Avastasid Joule ja Lenz iseseisvalt 19. sajandil. Elektrostaatika põhiseadus, mis väljendab kahe fikseeritud punktlaengu vastastikuse jõu sõltuvust nendevahelisest kaugusest: kaks fikseeritud punktlaengut interakteeruvad jõuga, mis on otseselt võrdeline nende laengute suuruste korrutisega ja pöördvõrdeline laenguga. nendevahelise kauguse ja laengute asukoha keskkonna läbilaskvuse ruut. Väärtus on arvuliselt võrdne jõuga, mis mõjub kahe 1 C fikseeritud punktlaengu vahel, mis asuvad vaakumis üksteisest 1 m kaugusel.
Coulombi seadus on üks elektrodünaamika eksperimentaalseid põhjendusi. Avatud 1785. aastal
Üks elektrivoolu põhiseadusi: alalisvoolu tugevus vooluringi sektsioonis on otseselt võrdeline pingega selle sektsiooni otstes ja pöördvõrdeline selle takistusega. Kehtib metalljuhtidele ja elektrolüütidele, mille temperatuur hoitakse konstantsena. Tervikliku vooluahela korral on see sõnastatud järgmiselt: vooluahela alalisvoolu tugevus on otseselt võrdeline vooluallika emf-ga ja pöördvõrdeline elektriahela takistusega.

Avas 1826. aastal G. S. Ohm.