Quelles sont les lois fondamentales de la physique ? Physique : concepts de base, formules, lois. Lois fondamentales de la physique qu'une personne devrait connaître Lois fondamentales de la physique classique

1.1. Annotation. Les lois de la théorie de la relativité et de la mécanique quantique, selon lesquelles se produisent le mouvement et l'interaction des particules élémentaires de matière, prédéterminent la formation et l'apparition de modèles du plus large éventail de phénomènes étudiés par diverses sciences naturelles. Ces lois sous-tendent les hautes technologies modernes et déterminent en grande partie l'état et le développement de notre civilisation. Par conséquent, la connaissance des bases de la physique fondamentale est nécessaire non seulement pour les étudiants, mais également pour les écoliers. La possession active de connaissances de base sur la structure du monde est nécessaire pour qu'une personne entre dans la vie afin de trouver sa place dans ce monde et de poursuivre avec succès ses études.

1.2. Quelle est la principale difficulté de ce rapport. Il s'adresse à la fois aux spécialistes du domaine de la physique des particules élémentaires et à un public beaucoup plus large : physiciens qui ne traitent pas des particules élémentaires, mathématiciens, chimistes, biologistes, énergéticiens, économistes, philosophes, linguistes, ... Pour être suffisamment précise, je dois utiliser les termes et les formules de la physique fondamentale. Pour être compris, je dois sans cesse expliquer ces termes et ces formules. Si la physique des particules élémentaires n'est pas votre spécialité, lisez d'abord uniquement les sections dont les titres ne sont pas marqués d'un astérisque. Essayez ensuite de lire les sections avec un astérisque *, deux ** et enfin trois ***. J'ai réussi à parler de la plupart des sections sans astérisques pendant le rapport, mais il n'y avait pas de temps pour le reste.

1.3. Physique des particules élémentaires. La physique des particules est le fondement de toutes les sciences naturelles. Il étudie les plus petites particules de matière et les modèles de base de leurs mouvements et interactions. En définitive, ce sont ces régularités qui déterminent le comportement de tous les objets sur Terre et dans le ciel. La physique des particules traite de concepts aussi fondamentaux que l'espace et le temps ; question; énergie, quantité de mouvement et masse ; tournoyer. (La plupart des lecteurs ont une idée de l'espace et du temps, ils ont peut-être entendu parler du lien entre la masse et l'énergie et n'ont aucune idée de ce que la quantité de mouvement a à voir avec cela, et ils devinent à peine le rôle le plus important du spin en physique. Ils peuvent ne sont même pas d'accord entre eux sur ce qu'il faut appeler la matière encore experts.) La physique des particules a été créée au 20e siècle. Sa création est inextricablement liée à la création de deux des plus grandes théories de l'histoire de l'humanité : la théorie de la relativité et la mécanique quantique. Les constantes clés de ces théories sont la vitesse de la lumière c et la constante de Planck h.

1.4. Théorie de la relativité. La théorie restreinte de la relativité, née au début du XXe siècle, a complété la synthèse d'un certain nombre de sciences qui ont étudié des phénomènes classiques tels que l'électricité, le magnétisme et l'optique, créant une mécanique à des vitesses de corps comparables à la vitesse de la lumière. (La mécanique classique non relativiste de Newton traitait des vitesses v<<c.) Puis, en 1915, la théorie de la relativité générale a été créée, qui a été conçue pour décrire les interactions gravitationnelles, en tenant compte de la finitude de la vitesse de la lumière c.

1.5. Mécanique quantique. La mécanique quantique, créée dans les années 1920, expliquait la structure et les propriétés des atomes en se basant sur les propriétés duales onde-particule des électrons. Elle a expliqué une vaste gamme de phénomènes chimiques associés à l'interaction des atomes et des molécules. Et permis de décrire les processus d'émission et d'absorption de la lumière par eux. Comprendre les informations que nous apporte la lumière du Soleil et des étoiles.

1.6. Théorie quantique des champs. L'unification de la théorie de la relativité et de la mécanique quantique a conduit à la création de la théorie quantique des champs, qui permet de décrire les propriétés les plus importantes de la matière avec un haut degré de précision. La théorie quantique des champs est, bien sûr, trop compliquée pour être expliquée aux écoliers. Mais au milieu du XXe siècle, un langage visuel de diagrammes de Feynman y est apparu, ce qui simplifie radicalement la compréhension de nombreux aspects de la théorie quantique des champs. L'un des principaux objectifs de cet exposé est de montrer comment le plus large éventail de phénomènes peut être compris simplement à l'aide des diagrammes de Feynman. Dans le même temps, je m'attarderai plus en détail sur des questions qui sont loin d'être connues de tous les experts en théorie quantique des champs (par exemple, sur la relation entre la gravité classique et la gravité quantique), et je n'exposerai qu'avec parcimonie les questions largement débattues dans la littérature populaire. littérature scientifique.

1.7. Identité des particules élémentaires. Les particules élémentaires sont appelées les plus petites particules de matière indivisibles, à partir desquelles le monde entier est construit. La propriété la plus étonnante qui distingue ces particules des particules non élémentaires ordinaires, par exemple des grains de sable ou des perles, est que toutes les particules élémentaires du même type, par exemple, tous les électrons de l'Univers sont absolument (!) Les mêmes - identique. Et par conséquent, leurs états liés les plus simples sont identiques les uns aux autres - les atomes et les molécules les plus simples.

1.8. Six particules élémentaires. Pour comprendre les principaux processus se produisant sur la Terre et sur le Soleil, il suffit de comprendre, en première approximation, les processus auxquels participent six particules : électron e, proton p, neutron n et le neutrino électronique ν e , ainsi que le photon γ et le graviton g̃. Les quatre premières particules ont un spin 1/2, le photon un spin 1 et le graviton un spin 2. (Les particules à spin entier sont appelées bosons, les particules à spin demi-entier sont appelées fermions. Le spin sera discuté plus en détail ci-dessous. ) Les protons et les neutrons sont généralement appelés nucléons parce que les noyaux atomiques sont construits à partir d'eux, et le noyau en anglais est le noyau. L'électron et le neutrino sont appelés leptons. Ils n'ont pas de forces nucléaires puissantes.

En raison de la très faible interaction des gravitons, il est impossible d'observer des gravitons individuels, mais c'est à travers ces particules que la gravitation s'effectue dans la nature. Tout comme les interactions électromagnétiques se font au moyen de photons.

1.9. Antiparticules. L'électron, le proton et le neutron ont ce qu'on appelle des antiparticules : positron, antiproton et antineutron. Ils ne sont pas inclus dans la composition de la matière ordinaire, car lorsqu'ils rencontrent les particules correspondantes, ils entrent avec elles dans des réactions d'annihilation mutuelle - l'annihilation. Ainsi, un électron et un positron s'annihilent en deux ou trois photons. Le photon et le graviton sont de véritables particules neutres : ils coïncident avec leurs antiparticules. On ignore encore si le neutrino est une particule vraiment neutre.

1.10. Nucléons et quarks. Au milieu du XXe siècle, il est devenu clair que les nucléons eux-mêmes sont constitués de particules plus élémentaires - des quarks de deux types, qui désignent tu et ré: p = uud, n = ddu. L'interaction entre les quarks est réalisée par les gluons. Les antinucléons sont constitués d'antiquarks.

1.11. Trois générations de fermions. Ainsi que tu, ré, e, v e deux autres groupes (ou, comme on dit, générations) de quarks et de leptons ont été découverts et étudiés : c, s, μ, ν μ et t, b, τ , ν τ . Ces particules ne sont pas incluses dans la composition de la matière ordinaire, car elles sont instables et se désintègrent rapidement en particules plus légères de la première génération. Mais ils ont joué un rôle important dans les premiers instants de l'existence de l'univers.

Pour une compréhension encore plus complète et profonde de la nature, encore plus de particules aux propriétés encore plus inhabituelles sont nécessaires. Mais, peut-être, à l'avenir, toute cette diversité sera-t-elle réduite à quelques entités simples et belles.

1.12. Hadrons. Une grande famille de particules constituées de quarks et/ou d'antiquarks et de gluons est appelée hadrons. Tous les hadrons, à l'exception des nucléons, sont instables et n'entrent donc pas dans la composition de la matière ordinaire.

Souvent, les hadrons sont également appelés particules élémentaires, car ils ne peuvent pas être divisés en quarks et gluons libres. (Moi aussi, en référant le proton et le neutron aux six premières particules élémentaires.) Si tous les hadrons sont considérés comme élémentaires, le nombre de particules élémentaires sera mesuré en centaines.

1.13. Modèle standard et quatre types d'interactions. Comme cela sera expliqué ci-dessous, les particules élémentaires énumérées ci-dessus permettent, dans le cadre du "Modèle standard des particules élémentaires", de décrire tous les processus connus à ce jour qui se produisent dans la nature à la suite d'interactions gravitationnelles, électromagnétiques , interactions faibles et fortes. Mais pour comprendre le fonctionnement des deux premiers, quatre particules suffisent : un photon, un graviton, un électron et un proton. De plus, le fait que le proton est constitué de tu- et ré-quarks et gluons, s'avère insignifiant. Bien sûr, sans interactions faibles et fortes, il est impossible de comprendre ni comment les noyaux atomiques sont disposés, ni comment fonctionne notre Soleil. Mais comment les coquilles atomiques sont disposées, qui déterminent toutes les propriétés chimiques des éléments, comment fonctionne l'électricité et comment les galaxies sont disposées, on peut comprendre.

1.14. Au-delà du connu. On sait déjà aujourd'hui que les particules et les interactions du Modèle Standard n'épuisent pas les trésors de la nature.

Il a été établi que les atomes et les ions ordinaires ne représentent que moins de 20 % de toute la matière de l'Univers, et plus de 80 % est ce qu'on appelle la matière noire, dont la nature est encore inconnue. L'opinion la plus courante est que la matière noire est constituée de superparticules. Il est possible qu'il s'agisse de particules miroirs.

Encore plus frappant est le fait que toute la matière, à la fois visible (lumière) et sombre, ne transporte qu'un quart de l'énergie totale de l'univers. Les trois quarts appartiennent à l'énergie dite noire.

1.15. Particules élémentaires "e dans une certaine mesure" sont fondamentales. Lorsque mon professeur Isaak Yakovlevich Pomeranchuk a voulu souligner l'importance d'une question, il a dit que la question e est importante en degré. Bien sûr, la plupart des sciences naturelles, et pas seulement la physique des particules élémentaires, sont fondamentales. La physique de la matière condensée, par exemple, est soumise à des lois fondamentales qui peuvent être utilisées sans avoir à comprendre comment elles découlent des lois de la physique des particules. Mais les lois de la relativité et de la mécanique quantique" eà un degré fondamental » en ce sens qu'aucune des lois moins générales ne peut les contredire.

1.16. Lois fondamentales. Tous les processus dans la nature se produisent à la suite d'interactions locales et de mouvements (distributions) de particules élémentaires. Les lois fondamentales régissant ces mouvements et interactions sont très inhabituelles et très simples. Ils sont basés sur le concept de symétrie et sur le principe que tout ce qui ne contredit pas la symétrie peut et doit arriver. Ci-dessous, en utilisant le langage des diagrammes de Feynman, nous allons retracer comment cela se réalise dans les interactions gravitationnelles, électromagnétiques, faibles et fortes des particules.

2. Particules et vie

2.1. À propos de la civilisation et de la culture. Membre étranger de l'Académie russe des sciences, Valentin Telegdi (1922-2006) a expliqué : « Si WC (wc) est civilisation, alors la capacité de l'utiliser est culture.

A. A. Abrikosov Jr., chercheur à l'ITEP. m'écrivait récemment : « L'un des objectifs de votre rapport est de convaincre un large public de la nécessité d'enseigner plus largement la physique moderne. Si tel est le cas, il serait peut-être utile de donner quelques exemples quotidiens. Je veux dire ce qui suit :

Nous vivons dans un monde qui est impensable même au niveau quotidien sans la mécanique quantique (QM) et la théorie de la relativité (RT). Les téléphones portables, les ordinateurs, tous les appareils électroniques modernes, sans oublier les lumières LED, les lasers à semi-conducteurs (y compris les pointeurs), les écrans LCD sont essentiellement des appareils quantiques. Il est impossible d'expliquer leur fonctionnement sans les concepts de base de la gestion de la qualité. Et comment les expliquez-vous sans mentionner le tunneling ?

Le deuxième exemple, je le connais peut-être de vous. Des navigateurs par satellite sont installés dans une voiture sur 10. La précision de la synchronisation d'horloge dans le réseau satellitaire n'est pas inférieure à 10 -8 (cela correspond à une erreur de l'ordre du mètre dans la localisation d'un objet à la surface de la Terre). Une telle précision nécessite de prendre en compte les corrections TO de l'horloge d'un satellite en mouvement. On dit que les ingénieurs n'y croyaient pas, alors les premiers appareils avaient un double programme : avec et sans corrections. Il s'est avéré que le premier programme fonctionne mieux. Voici un test de la théorie de la relativité au niveau des ménages.

Bien sûr, parler au téléphone, conduire une voiture et taper des touches d'ordinateur est possible sans haute science. Mais il est peu probable que les académiciens recommandent de ne pas étudier la géographie, car "il y a des taxis".

Et puis ils parlent aux écoliers, puis aux étudiants pendant cinq ans des points matériels et de la relativité galiléenne, et soudain, sans aucune raison, ils disent que ce n'est "pas tout à fait vrai".

Il est difficile de passer du monde visuel newtonien au monde quantique, même à l'Institut de Physicotechnique. Bien à vous, AAA."

2.2. Sur la physique fondamentale et l'éducation. Malheureusement, le système éducatif moderne a pris du retard sur la physique fondamentale moderne d'un siècle entier. Et la majorité des gens (y compris la majorité des travailleurs scientifiques) n'ont aucune idée de cette image (carte) étonnamment claire et simple du monde, qui a été créée par la physique des particules élémentaires. Cette carte facilite grandement la navigation dans toutes les sciences naturelles. Le but de mon rapport est de vous convaincre que certains éléments (concepts) de la physique des particules élémentaires, la théorie de la relativité et la théorie quantique peuvent et doivent devenir la base de l'enseignement de toutes les matières de sciences naturelles, non seulement dans le supérieur, mais aussi dans le secondaire et même l'école primaire. Après tout, les concepts fondamentalement nouveaux sont plus facilement maîtrisés précisément dans l'enfance. L'enfant maîtrise facilement la langue, maîtrise avec un téléphone portable. De nombreux enfants remettent le Rubik's cube dans son état d'origine en quelques secondes, et même une journée ne me suffit pas.

Afin d'éviter les mauvaises surprises à l'avenir, il est nécessaire d'établir une vision du monde adéquate à la maternelle. Constantes c et h doivent devenir des outils de connaissance pour les enfants.

2.3. À propos des mathématiques. Les mathématiques - la reine et la servante de toutes les sciences - doivent certainement servir d'outil principal de la connaissance. Il donne des concepts de base tels que la vérité, la beauté, la symétrie, l'ordre. notions de zéro et d'infini. Les mathématiques vous apprennent à penser et à compter. La physique fondamentale est impensable sans les mathématiques. L'éducation est impensable sans les mathématiques. Bien sûr, il est peut-être trop tôt pour étudier la théorie des groupes à l'école, mais il est nécessaire de vous apprendre à apprécier la vérité, la beauté, la symétrie et l'ordre (et un peu de désordre en même temps).

Il est très important de comprendre le passage des nombres réels (réels) (simples, rationnels, irrationnels) aux nombres imaginaires et complexes. Probablement, seuls les étudiants qui veulent travailler dans le domaine des mathématiques et de la physique théorique devraient étudier les nombres hypercomplexes (quaternions et octonions). Dans mon travail, par exemple, je n'ai jamais utilisé d'octonions. Mais je sais qu'ils facilitent la compréhension du plus prometteur, selon de nombreux physiciens théoriciens, le groupe de symétrie exceptionnel E 8 .

2.4. À propos de la vision du monde et des sciences naturelles. L'idée des lois fondamentales qui régissent le monde est nécessaire dans toutes les sciences naturelles. Bien sûr, la physique du solide, la chimie, la biologie, les sciences de la Terre et l'astronomie ont leurs propres concepts, méthodes et problèmes spécifiques. Mais il est très important d'avoir une carte générale du monde et de comprendre qu'il y a de nombreux points vides d'inconnu sur cette carte. Il est très important de comprendre que la science n'est pas un dogme sclérosé, mais un processus vivant d'approche de la vérité en de nombreux points de la carte du monde. L'approximation à la vérité est un processus asymptotique.

2.5. A propos du réductionnisme vrai et vulgaire. L'idée que les structures les plus complexes de la nature sont constituées de structures moins complexes et, finalement, des éléments les plus simples, est communément appelée réductionnisme. En ce sens, ce dont j'essaie de vous convaincre, c'est du réductionnisme. Mais le réductionnisme vulgaire, qui prétend que toutes les sciences peuvent être réduites à la physique des particules élémentaires, est absolument inacceptable. A chaque niveau de complexité de plus en plus élevé, ses propres modèles se forment et émergent. Vous n'avez pas besoin de connaître la physique des particules pour être un bon biologiste. Mais comprendre sa place et son rôle dans le système des sciences, comprendre le rôle clé des constantes c et h nécessaire. Après tout, la science dans son ensemble est un organisme unique.

2.6. Sur les sciences humaines et sociales. Une idée générale de la structure du monde est très importante pour l'économie, et pour l'histoire, et pour les sciences cognitives, telles que les sciences du langage, et pour la philosophie. Et vice versa - ces sciences sont extrêmement importantes pour la physique la plus fondamentale, qui affine constamment ses concepts fondamentaux. On le verra à partir de l'examen de la théorie de la relativité, à laquelle je me tourne maintenant. Je mentionnerai particulièrement les sciences juridiques, qui sont extrêmement importantes pour la prospérité (sans parler de la survie) des sciences naturelles. Je suis convaincu que les lois sociales ne doivent pas contredire les lois fondamentales de la nature. Les lois humaines ne doivent pas contredire les lois divines de la nature.

2.7. Micro-, Macro-, Cosmo-. Notre monde ordinaire de choses vastes, mais pas gigantesques, est généralement appelé le macrocosme. Le monde des objets célestes peut être appelé le monde cosmique, et le monde des particules atomiques et subatomiques est appelé le micromonde. (Puisque la taille des atomes est d'environ 10 −10 m, le micromonde désigne des objets d'au moins 4 voire 10 ordres de grandeur plus petits qu'un micromètre, et de 1 à 7 ordres de grandeur plus petits qu'un nanomètre. Le domaine à la mode du nano est situé sur la route du micro au macro.) Au XXe siècle, le soi-disant modèle standard de particules élémentaires a été construit, ce qui vous permet de comprendre simplement et clairement de nombreuses lois macro et cosmiques sur la base de micro lois.

2.8. Nos modèles. Les modèles de physique théorique sont construits en écartant les circonstances non essentielles. Par exemple, en physique atomique et nucléaire, les interactions gravitationnelles des particules sont négligeables et peuvent être ignorées. Un tel modèle du monde s'inscrit dans la théorie restreinte de la relativité. Ce modèle a des atomes, des molécules, des corps condensés,... des accélérateurs et des collisionneurs, mais pas de Soleil ni d'étoiles.

Un tel modèle serait certainement erroné à de très grandes échelles où la gravité est essentielle.

Bien sûr, pour l'existence du CERN, l'existence de la Terre (et, par conséquent, de la gravité) est nécessaire, mais pour comprendre la grande majorité des expériences menées au CERN (à l'exception des recherches au collisionneur de "trous noirs" microscopiques) , la gravité n'est pas essentielle.

2.9. Ordres de grandeur. Une des difficultés pour comprendre les propriétés des particules élémentaires est due au fait qu'elles sont très petites et qu'elles sont nombreuses. Il y a un grand nombre d'atomes dans une cuillerée d'eau (environ 10 23). Le nombre d'étoiles dans la partie visible de l'Univers n'est pas beaucoup moins. Les gros chiffres ne sont pas à craindre. Après tout, il n'est pas difficile de les gérer, car la multiplication des nombres se résume principalement à l'addition de leurs ordres : 1 \u003d 10 0, 10 \u003d 10 1, 100 \u003d 10 2. Multipliez 10 par 100, nous obtenons 10 1+2 = 10 3 = 1000.

2.10. Une goutte d'huile. Si une goutte d'huile d'un volume de 1 millilitre tombe à la surface de l'eau, elle se répandra en une tache arc-en-ciel d'une superficie d'environ plusieurs mètres carrés et d'une épaisseur d'environ une centaine de nanomètres. Ce n'est que trois ordres de grandeur plus grand que la taille d'un atome. Et l'épaisseur du film de bulles de savon aux endroits les plus fins est de l'ordre de la taille des molécules.

2.11. Joule. Une pile AA typique a une tension de 1,5 volts (V) et contient 10 4 joules (J) d'énergie électrique. Permettez-moi de vous rappeler que 1 J \u003d 1 pendentif × 1 V, et aussi que 1 J \u003d kg m 2 / s 2 et que l'accélération de la gravité est d'environ 10 m / s 2. Ainsi 1 joule permet de soulever 1 kilogramme à une hauteur de 10 cm, et 10 4 J permettront de soulever 100 kg à 10 mètres. C'est la quantité d'énergie qu'un ascenseur consomme pour emmener un étudiant au dixième étage. C'est la quantité d'énergie contenue dans la batterie.

2.12. Electronvolts. L'unité d'énergie en physique des particules élémentaires est l'électron-volt (eV) : l'énergie de 1 eV est acquise par 1 électron traversant une différence de potentiel de 1 volt. Puisqu'il y a 6,24 × 10 18 électrons dans un pendentif, alors 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.

Permettez-moi de vous rappeler que l'énergie d'un proton dans le Grand collisionneur de hadrons du CERN devrait être égale à 7 TeV.

3. À propos de la théorie de la relativité

3.1. Systèmes de référence. Nous décrivons toutes nos expériences dans l'un ou l'autre système de référence. Le système de référence peut être un laboratoire, un train, un satellite de la Terre, le centre d'une galaxie... . Toute particule volant, par exemple dans un accélérateur de particules, peut aussi être un système de référence. Étant donné que tous ces systèmes se déplacent les uns par rapport aux autres, toutes les expériences ne se ressembleront pas. De plus, l'influence gravitationnelle des corps massifs les plus proches est également différente en eux. C'est la prise en compte de ces différences qui constitue le contenu principal de la théorie de la relativité.

3.2. Navire de Galilée. Galileo a formulé le principe de la relativité, décrivant de manière colorée toutes sortes d'expériences dans la cabine d'un navire à voile fluide. Si les fenêtres sont couvertes de rideaux, il est impossible de savoir à l'aide de ces expériences à quelle vitesse le navire se déplace et s'il est immobile. Einstein a ajouté des expériences avec la vitesse finie de la lumière à cette cabine. Si vous ne regardez pas par la fenêtre, vous ne pouvez pas connaître la vitesse du navire. Mais si vous regardez le rivage, vous le pouvez.

3.3. Etoiles lointaines*. Il est raisonnable d'isoler un tel cadre de référence, par rapport auquel les gens pourraient formuler les résultats de leurs expérimentations, où qu'ils se trouvent. Pour un tel système de référence universel, un système dans lequel les étoiles distantes sont immobiles est depuis longtemps accepté. Et relativement récemment (il y a un demi-siècle), des quasars encore plus éloignés ont été découverts et il s'est avéré que le fond de micro-ondes relique devrait être isotrope dans ce système.

3.4. A la recherche d'un référentiel universel*. Au fond, toute l'histoire de l'astronomie est une avancée vers un référentiel de plus en plus universel. De l'anthropocentrique, où l'homme est au centre, au géocentrique, où la Terre est au repos au centre (Ptolémée, 87-165), à l'héliocentrique, où le Soleil est au repos au centre (Copernic, 1473-1543), à halocentrique, où repose le centre de notre Galaxie, à nébulaire, où repose le système de nébuleuses - amas de galaxies, à l'arrière-plan, où le fond diffus cosmologique est isotrope. Il est cependant essentiel que les vitesses de ces référentiels soient petites devant la vitesse de la lumière.

3.5. Copernic, Kepler, Galilée, Newton*. Dans le livre de Nicolas Copernic "Sur les rotations des sphères célestes", publié en 1543, il est dit : "Tous les mouvements remarqués par le Soleil ne lui sont pas caractéristiques, mais appartiennent à la Terre et à notre sphère, avec laquelle nous tournent autour du Soleil, comme n'importe quelle autre planète; ainsi la terre a plusieurs mouvements. Les mouvements apparents d'avant en arrière des planètes ne leur appartiennent pas, mais à la Terre. Ainsi, ce mouvement suffit à lui seul à expliquer le grand nombre d'irrégularités visibles dans le ciel.

Copernic et Kepler (1571-1630) ont donné une description phénoménologique simple de la cinématique de ces mouvements. Galilée (1564-1642) et Newton (1643-1727) ont expliqué leur dynamique.

3.6. Espace et temps universels*. Les coordonnées spatiales et temporelles liées au référentiel universel peuvent être qualifiées d'universelles ou d'absolues en parfaite harmonie avec la théorie de la relativité. Il est seulement important de souligner que le choix de ce système est fait et approuvé par les observateurs locaux. Tout référentiel qui se déplace progressivement par rapport au référentiel universel est inertiel : le mouvement libre y est uniforme et rectiligne.

3.7. "Théorie de l'invariance"*. Notez qu'Albert Einstein (1879-1955) et Max Planck (1858-1947) (qui a introduit le terme "théorie de la relativité" en 1907, l'appelant la théorie proposée par Einstein en 1905) pensaient que le terme "invariance théorique" pouvait refléter plus fidèlement son essence. Mais, apparemment, au début du XXe siècle, il était plus important de souligner la relativité de concepts tels que le temps et la simultanéité dans des référentiels inertiels égaux que de distinguer l'un de ces référentiels. Il était plus important qu'avec les fenêtres à rideaux de la cabine de Galilée, il était impossible de déterminer la vitesse du navire. Mais maintenant, il est temps d'écarter les rideaux et de regarder le rivage. En même temps, bien sûr, tous les schémas établis avec les rideaux fermés resteront inébranlables.

3.8. Lettre à Chimer*. En 1921, Einstein, dans une lettre à E. Chimer, l'auteur du livre "Lettres philosophiques", écrit: "Quant au terme "théorie de la relativité", j'avoue qu'il échoue et conduit à des malentendus philosophiques." Mais pour le changer, selon Einstein, il est déjà trop tard, notamment parce qu'il est répandu. Cette lettre a été publiée dans le 12e volume des 25 volumes Collected Works of Einstein publiés à Princeton, publiés à l'automne 2009.

3.9. Vitesse maximale dans la nature. La constante clé de la théorie de la relativité est la vitesse de la lumière c\u003d 300 000 km/s \u003d 3 × 10 8 m/s. (Plus précisément, c= 299 792 458 m/s. Et ce nombre sous-tend maintenant la définition d'un mètre.) Cette vitesse est la vitesse maximale de propagation de tout signal dans la nature. Elle est supérieure de plusieurs ordres de grandeur à la vitesse des objets massifs avec lesquels nous traitons chaque jour. C'est sa valeur inhabituellement élevée qui entrave la compréhension du contenu principal de la théorie de la relativité. Les particules se déplaçant à des vitesses de l'ordre de la vitesse de la lumière sont dites relativistes.

3.10. Énergie, élan et vitesse. Le mouvement libre d'une particule est caractérisé par l'énergie de la particule E et son élan p. Selon la théorie de la relativité, la vitesse d'une particule v est déterminé par la formule

L'une des principales raisons de la confusion terminologique évoquée dans la Sect. 3.14 réside dans le fait que lors de la création de la théorie de la relativité, ils ont essayé de préserver la relation newtonienne entre la quantité de mouvement et la vitesse p = mv, ce qui contredit la théorie de la relativité.

3.11. Masse. Masse des particules m est déterminé par la formule

Alors que l'énergie et la quantité de mouvement d'une particule dépendent du référentiel, la valeur de sa masse m ne dépend pas du système de référence. Elle est une invariante. Les formules (1) et (2) sont fondamentales dans la théorie de la relativité.

Curieusement, la première monographie sur la théorie de la relativité, dans laquelle figurait la formule (2), n'a été publiée qu'en 1941. Il s'agissait de "Field Theories" de L. Landau (1908-1968) et E. Lifshitz (1915-1985) . Je ne l'ai trouvé dans aucune des œuvres d'Einstein. Ce n'est pas dans le livre remarquable "The Theory of Relativity" de W. Pauli (1900-1958), publié en 1921. Mais l'équation d'onde relativiste contenant cette formule se trouvait dans le livre "Principles of Quantum Mechanics" de P. Dirac, publié en 1930 (1902-1984), et même plus tôt dans les articles de 1926 par O. Klein (1894-1977) et W. Fock (1898-1974).

3.12. Photon sans masse. Si la masse de la particule est nulle, c'est-à-dire que la particule est sans masse, alors des formules (1) et (2) il s'ensuit que dans n'importe quel référentiel sa vitesse est égale à c. Comme la masse d'une particule de lumière - un photon - est si petite qu'elle ne peut pas être détectée, il est généralement admis qu'elle est égale à zéro et que c est la vitesse de la lumière.

3.13. Énergie de paix. Si la masse de la particule est non nulle, alors considérons un référentiel dans lequel la particule libre est au repos et proche de celle-ci v = 0, p= 0. Un tel cadre de référence est appelé cadre de repos de la particule, et l'énergie de la particule dans ce cadre est appelée énergie de repos et notée E0. De la formule (2) il résulte que

Cette formule exprime la relation entre l'énergie au repos d'une particule massive et sa masse, découverte par Einstein en 1905.

3.14. "La formule la plus célèbre." Malheureusement, très souvent la formule d'Einstein est écrite sous la forme de "la formule la plus célèbre E=mc2, en omettant l'indice zéro de l'énergie au repos, ce qui conduit à de nombreux malentendus et confusions. Après tout, cette "fameuse formule" identifie énergie et masse, ce qui contredit la théorie de la relativité en général et la formule (2) en particulier. Il en découle une idée fausse très répandue selon laquelle la masse d'un corps, selon la théorie de la relativité, croît prétendument avec une augmentation de sa vitesse. Ces dernières années, l'Académie russe de l'éducation a beaucoup fait pour dissiper cette idée fausse.

3.15. Unité de vitesse*. Dans la théorie de la relativité, qui traite des vitesses comparables à la vitesse de la lumière, il est naturel de choisir c comme unité de vitesse. Ce choix simplifie toutes les formules, puisque c/c= 1, et nous devrions y mettre c= 1. Dans ce cas, la vitesse devient une quantité sans dimension, la distance a la dimension du temps et la masse a la dimension de l'énergie.

En physique des particules élémentaires, les masses des particules sont généralement mesurées en électronvolts - eV et leurs dérivés (voir la section 2.14). La masse d'un électron est d'environ 0,5 MeV, la masse d'un proton est d'environ 1 GeV, la masse du quark le plus lourd est d'environ 170 GeV et la masse d'un neutrino est d'environ des fractions d'eV.

3.16. Distances astronomiques*. En astronomie, les distances sont mesurées en années-lumière. La taille de la partie visible de l'univers est d'environ 14 milliards d'années-lumière. Ce nombre est encore plus impressionnant lorsqu'on le compare au temps de 10 −24 s qu'il faut à la lumière pour parcourir une distance de l'ordre de la taille d'un proton. Et dans toute cette gamme colossale, la théorie de la relativité fonctionne.

3.17. Le monde de Minkowski. En 1908, quelques mois avant sa mort prématurée, Hermann Minkowski (1864-1909) disait prophétiquement : « Les vues sur l'espace et le temps que j'ai l'intention de développer devant vous sont nées sur une base physique expérimentale. C'est leur force. Leur tendance est radicale. Désormais, l'espace pour lui-même et le temps pour lui-même doivent devenir des fictions, et seule une sorte de combinaison des deux doit encore conserver son indépendance.

Un siècle plus tard, on sait que le temps et l'espace ne sont pas devenus des fictions, mais l'idée de Minkowski a permis de décrire très simplement les mouvements et les interactions des particules de matière.

3.18. monde 4D*. Dans les unités dans lesquelles c= 1, l'idée du monde Minkowski est particulièrement belle, qui combine le temps et l'espace tridimensionnel en un seul monde quadridimensionnel. L'énergie et l'impulsion sont ensuite combinées en un seul vecteur à quatre dimensions, et la masse, conformément à l'équation (2), sert de longueur pseudo-euclidienne de ce vecteur d'impulsion à 4 énergies. p = E, p:

Une trajectoire à quatre dimensions dans le monde de Minkowski est appelée une ligne du monde, et les points individuels sont appelés des points du monde.

3.19. La dépendance de la fréquence d'horloge à leur vitesse**. De nombreuses observations indiquent que les horloges tournent plus vite lorsqu'elles sont au repos par rapport au référentiel inertiel. Le mouvement fini dans le référentiel inertiel ralentit leur progression. Plus ils se déplacent rapidement dans l'espace, plus ils ralentissent dans le temps. La décélération est absolue dans le référentiel universel (voir Sections 3.1 à 3.8). Sa mesure est le rapport e/m, qui est souvent désigné par la lettre γ.

3.20. Muons dans un accélérateur en anneau et au repos**. L'existence de cette décélération apparaît plus clairement en comparant les durées de vie d'un muon au repos et d'un muon en rotation dans un accélérateur en anneau. Le fait que dans l'accélérateur le muon ne se déplace pas complètement librement, mais a une accélération centripète ω 2 R, où ω est la fréquence radiale de révolution, et R est le rayon de l'orbite, ne donne qu'une correction négligeable, puisque E/ω 2 R = ER>> 1. Le mouvement en cercle, et non en ligne droite, est absolument essentiel pour une comparaison directe d'un muon en rotation avec un muon au repos. Mais en ce qui concerne la vitesse de vieillissement d'un muon en mouvement, un arc de cercle de rayon suffisamment grand est indiscernable d'une ligne droite. Ce taux est déterminé par le rapport e/m. (J'insiste sur le fait que selon la théorie restreinte de la relativité, le cadre de référence dans lequel le muon en rotation est au repos n'est pas inertiel.)

3.21. Arc et accord**. Du point de vue d'un observateur au repos dans un référentiel inertiel, l'arc de cercle de rayon suffisamment grand et sa corde sont pratiquement indiscernables : le mouvement le long de l'arc est quasi inertiel. Du point de vue d'un observateur au repos par rapport à un muon volant en cercle, son mouvement est essentiellement non inertiel. Après tout, sa vitesse change de signe en un demi-tour. (Pour un observateur en mouvement, les étoiles lointaines ne sont en aucun cas stationnaires. L'univers entier est asymétrique pour lui : les étoiles devant sont bleues et derrière sont rouges. Alors que pour nous, elles sont toutes identiques - dorées, car la vitesse du soleil système est faible.) Et la non-inertialité de cet observateur se manifeste en ce que les constellations devant et derrière changent lorsque le muon se déplace dans l'accélérateur en anneau. On ne peut considérer comme équivalents les observateurs au repos et en mouvement, puisque le premier ne subit aucune accélération, et que le second, pour revenir au point de rencontre, doit en subir.

3.22. relativité générale**. Les physiciens théoriciens, habitués au langage de la théorie générale de la relativité (RG), insistent sur le fait que tous les référentiels sont égaux. Non seulement inertiel, mais aussi accéléré. Cet espace-temps lui-même est courbe. Dans ce cas, l'interaction gravitationnelle cesse d'être la même interaction physique que l'interaction électromagnétique, faible et forte, et devient une manifestation exceptionnelle de l'espace courbe. En conséquence, toute la physique pour eux apparaît comme divisée en deux parties. Si l'on part du fait que l'accélération est toujours due à l'interaction, qu'elle n'est pas relative, mais absolue, alors la physique devient unifiée et simple.

3.23. "Lenkom". L'utilisation des mots "relativité" et "relativisme" en relation avec la vitesse de la lumière rappelle le nom du théâtre "Lenkom" ou du journal "Moskovsky Komsomolets", uniquement lié généalogiquement au Komsomol. Ce sont des paradoxes linguistiques. La vitesse de la lumière dans le vide n'est pas relative. Elle est absolue. Seuls les physiciens ont besoin de l'aide de linguistes.

4. À propos de la théorie quantique

4.1. constante de Planck. Si dans la théorie de la relativité la constante clé est la vitesse de la lumière c, alors la constante clé en mécanique quantique est h= 6,63 10 −34 J s, découverte par Max Planck en 1900. La signification physique de cette constante ressortira de la présentation suivante. Pour la plupart, la soi-disant constante de Planck réduite apparaît dans les formules de la mécanique quantique :

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

Dans de nombreux phénomènes, un rôle important est joué par la quantité ħc= 1,97 10 −11 MeVcm.

4.2. Spin d'un électron. Commençons par la comparaison naïve bien connue de l'atome avec le système planétaire. Les planètes tournent autour du Soleil et autour de leur propre axe. De même, les électrons tournent autour du noyau et autour de leur propre axe. La rotation d'un électron en orbite est caractérisée par le moment cinétique orbital L(on l'appelle souvent et pas tout à fait correctement le moment cinétique orbital). La rotation d'un électron autour de son propre axe est caractérisée par son propre moment cinétique - spin S. Il s'est avéré que tous les électrons du monde ont un spin égal à (1/2) ħ . A titre de comparaison, on note que le « spin » de la Terre est de 6 10 33 m 2 kg/s = 6 10 67 ħ .

4.3. Atome d'hydrogène. En fait, un atome n'est pas un système planétaire, et un électron n'est pas une particule ordinaire se déplaçant sur une orbite. Un électron, comme toutes les autres particules élémentaires, n'est pas du tout une particule au sens courant du terme, ce qui implique que la particule doit se déplacer le long d'une certaine trajectoire. Dans l'atome le plus simple - l'atome d'hydrogène, s'il est dans son état fondamental, c'est-à-dire non excité, l'électron ressemble plutôt à un nuage sphérique avec un rayon de l'ordre de 0,5 10 −10 m. Lorsque l'atome est excité, l'électron passe dans des états de plus en plus élevés, qui deviennent de plus en plus grands.

4.4. Nombres quantiques d'électrons. Sans tenir compte du spin, le mouvement d'un électron dans un atome est caractérisé par deux nombres quantiques : le nombre quantique principal n et nombre quantique orbital je, en outre n ≥ je. Si un je= 0, alors l'électron est un nuage à symétrie sphérique. Plus n est grand, plus la taille de ce nuage est grande. Le plus je, plus le mouvement d'un électron est similaire au mouvement d'une particule classique en orbite. L'énergie de liaison d'un électron situé dans un atome d'hydrogène sur une coquille avec un nombre quantique n, est égal à

où α =e 2/ħc≈ 1/137, un e est la charge d'un électron.

4.5. Atomes multi-électrons. Le spin joue un rôle clé dans le remplissage des couches d'électrons des atomes multiélectrons. Le fait est que deux électrons avec le même sens de leur propre rotation (le même sens des spins) ne peuvent pas être sur la même coquille avec les valeurs données n et je. Ceci est interdit par le soi-disant principe de Pauli (1900-1958). Essentiellement, le principe de Pauli détermine les périodes du tableau périodique des éléments de Mendeleïev (1834-1907).

4.6. Bosons et fermions. Toutes les particules élémentaires ont un spin. Ainsi, le spin d'un photon est de 1 en unités ħ , le spin du graviton est 2. Particules de spin entier en unités ħ sont appelés bosons. Les particules de spin demi-entier sont appelées fermions. Les bosons sont collectivistes : « ils ont tendance à vivre tous dans la même pièce », à être dans le même état quantique. Un laser est basé sur cette propriété des photons : tous les photons dans un faisceau laser ont exactement la même quantité de mouvement. Les fermions sont des individualistes : "chacun d'eux a besoin d'un appartement séparé". Cette propriété des électrons détermine les modèles de remplissage des coquilles d'électrons des atomes.

4.7. "Centaures quantiques". Les particules élémentaires sont comme des centaures quantiques : demi-particules - demi-ondes. En raison de leurs propriétés ondulatoires, les centaures quantiques, contrairement aux particules classiques, peuvent traverser deux fentes à la fois, ce qui entraîne un motif d'interférence sur l'écran derrière eux. Toutes les tentatives pour placer les centaures quantiques dans le lit de Procuste des concepts de la physique classique se sont révélées infructueuses.

4.8. Relations d'incertitude. Constante ħ détermine les caractéristiques non seulement du mouvement de rotation, mais aussi du mouvement de translation des particules élémentaires. Les incertitudes de position et d'impulsion de la particule doivent satisfaire les relations d'incertitude dites de Heisenberg (1901–1976), telles que

Une relation similaire existe pour l'énergie et le temps :

4.9. Mécanique quantique. La quantification de spin et les relations d'incertitude sont des manifestations particulières des lois générales de la mécanique quantique, créées dans les années 1920. Selon la mécanique quantique, toute particule élémentaire, par exemple un électron, est à la fois une particule élémentaire et une onde élémentaire (à particule unique). De plus, contrairement à une onde ordinaire, qui est un mouvement périodique d'un nombre colossal de particules, une onde élémentaire est un nouveau type de mouvement, jusque-là inconnu, d'une particule individuelle. Longueur d'onde élémentaire λ d'une particule avec impulsion p est égal à λ = h/|p|, et la fréquence élémentaire ν correspondant à l'énergie E, est égal à v = E/h.

4.10. Théorie quantique des champs. Ainsi, au début, nous avons été forcés d'admettre que les particules peuvent être arbitrairement légères et même sans masse, et que leurs vitesses ne peuvent pas dépasser c. Ensuite, nous avons été forcés d'admettre que les particules ne sont pas du tout des particules, mais des hybrides particuliers de particules et d'ondes, dont le comportement est combiné par un quantum h. L'unification de la théorie de la relativité et de la mécanique quantique a été réalisée par Dirac (1902-1984) en 1930 et a conduit à la création d'une théorie appelée théorie quantique des champs. C'est cette théorie qui décrit les propriétés fondamentales de la matière.

4.11. Unités dans lesquelles c, ħ = 1. Dans ce qui suit, en règle générale, nous utiliserons de telles unités dans lesquelles l'unité de vitesse est considérée comme étant c, et par unité de moment cinétique (action) - ħ . Dans ces unités, toutes les formules sont grandement simplifiées. En eux, en particulier, les dimensions de l'énergie, de la masse et de la fréquence sont les mêmes. Ces unités sont acceptées en physique des hautes énergies, puisque les phénomènes quantiques et relativistes y sont essentiels. Dans les cas où il est nécessaire de souligner la nature quantique d'un phénomène particulier, nous écrirons explicitement ħ . Nous ferons de même avec c.

4.12. Einstein et la mécanique quantique*. Einstein, en un certain sens, ayant donné naissance à la mécanique quantique, ne s'y est pas réconcilié. Et jusqu'à la fin de sa vie, il a essayé de construire une "théorie unifiée de tout" sur la base de la théorie classique des champs, ignorant ħ . Einstein croyait au déterminisme classique et à l'inadmissibilité du hasard. Il a répété à propos de Dieu : « Il ne joue pas aux dés. Et il ne pouvait pas accepter le fait que le moment de désintégration d'une particule individuelle ne peut pas être prédit en principe, bien que la durée de vie moyenne de l'un ou l'autre type de particule soit prédite dans le cadre de la mécanique quantique avec une précision sans précédent. Malheureusement, ses dépendances ont déterminé les opinions de tant de gens.

5. Diagrammes de Feynman

5.1. Le schéma le plus simple. Les interactions de particules sont facilement visualisées à l'aide de diagrammes proposés par Richard Feynman (1918-1988) en 1949. 1 montre le diagramme de Feynman le plus simple décrivant l'interaction d'un électron et d'un proton en échangeant un photon.

Les flèches sur la figure indiquent la direction de l'écoulement du temps pour chaque particule.

5.2. particules réelles. Chaque processus correspond à un ou plusieurs diagrammes de Feynman. Les lignes extérieures du diagramme correspondent aux particules entrantes (avant interaction) et sortantes (après interaction) qui sont libres. Leurs 4 impulsions p satisfont l'équation

On les appelle particules réelles et on dit qu'elles se trouvent à la surface de la masse.

5.3. particules virtuelles. Les lignes intérieures des diagrammes correspondent à des particules dans un état virtuel. Pour eux

On les appelle particules virtuelles et on dit qu'elles sont hors coque. La propagation d'une particule virtuelle est décrite par une grandeur mathématique appelée propagateur.

Cette terminologie commune peut conduire le novice à l'idée que les particules virtuelles sont moins matérielles que les particules réelles. En réalité, elles sont également matérielles, mais nous percevons les particules réelles comme de la matière et des radiations, et les particules virtuelles - principalement comme des champs de force, bien que cette distinction soit largement arbitraire. Il est important qu'une même particule, par exemple un photon ou un électron, puisse être réelle dans certaines conditions et virtuelle dans d'autres.

5.4. Sommets. Les sommets du diagramme décrivent des actes locaux d'interactions élémentaires entre particules. A chaque sommet, la 4-impulsion est conservée. Il est facile de voir que si trois lignes de particules stables se rencontrent à un sommet, alors au moins l'une d'entre elles doit être virtuelle, c'est-à-dire doit être à l'extérieur de la coquille de masse : « Bolivar ne peut pas en démolir trois ». (Par exemple, un électron libre ne peut pas émettre un photon libre et rester un électron libre.)

Deux particules réelles interagissent à distance, échangeant une ou plusieurs particules virtuelles.

5.5. Diffusion. Si l'on dit que les particules réelles se déplacent, on dit que les particules virtuelles se propagent. Le terme "propagation" met l'accent sur le fait qu'une particule virtuelle peut avoir de nombreuses trajectoires, et il se peut qu'aucune d'entre elles ne soit classique, comme un photon virtuel d'énergie nulle et d'impulsion non nulle, qui décrit l'interaction coulombienne statique.

5.6. Antiparticules. Une propriété remarquable des diagrammes de Feynman est qu'ils décrivent à la fois les particules et les antiparticules correspondantes de manière unifiée. Dans ce cas, l'antiparticule ressemble à une particule qui recule dans le temps. Sur la fig. La figure 2 montre un diagramme montrant la production d'un proton et d'un antiproton lors de l'annihilation d'un électron et d'un positron.

L'inversion du temps s'applique également aux fermions et aux bosons. Elle rend inutile l'interprétation des positrons comme des états vides dans une mer d'électrons à énergie négative, à laquelle Dirac recourut quand, en 1930, il introduisit le concept d'antiparticule.

5.7. Diagrammes de Schwinger et Feynman. Schwinger (1918-1994), qui n'avait aucun problème avec les difficultés de calcul, n'aimait pas les diagrammes de Feynman et écrivait à leur sujet avec une certaine condescendance : "Comme une puce informatique ces dernières années, le diagramme de Feynman a apporté le calcul aux masses." Malheureusement, contrairement à la puce, les diagrammes de Feynman n'ont pas atteint les masses les plus larges.

5.8. Diagrammes de Feynman et Feynman. Pour des raisons inconnues, les diagrammes de Feynman ne se sont même pas rendus aux célèbres conférences de Feynman sur la physique. Je suis convaincu qu'il faut les apporter aux lycéens en leur expliquant les notions de base de la physique des particules élémentaires. C'est la vision la plus simple du microcosme et du monde dans son ensemble. Si un élève connaît le concept d'énergie potentielle (par exemple, la loi de Newton ou la loi de Coulomb), alors les diagrammes de Feynman lui permettent d'obtenir une expression de cette énergie potentielle.

5.9. Particules virtuelles et champs de force physiques. Les diagrammes de Feynman sont le langage le plus simple de la théorie quantique des champs. (Au moins dans les cas où l'interaction n'est pas très forte et où l'on peut utiliser la théorie des perturbations.) Dans la plupart des livres sur la théorie quantique des champs, les particules sont traitées comme des excitations de champ quantique, ce qui nécessite une familiarité avec le second formalisme de quantification. Dans le langage des diagrammes de Feynman, les champs sont remplacés par des particules virtuelles.

Les particules élémentaires ont à la fois des propriétés corpusculaires et ondulatoires. De plus, dans un état réel, ce sont des particules de matière et, dans un état virtuel, elles sont également porteuses de forces entre des objets matériels. Après l'introduction des particules virtuelles, le concept de force devient inutile, et avec le concept de champ, s'il n'était pas connu auparavant, peut-être faudrait-il se familiariser après que le concept de particule virtuelle ait été maîtrisé.

5.10. Interactions élémentaires*. Les actes élémentaires d'émission et d'absorption de particules virtuelles (sommets) sont caractérisés par des constantes d'interaction telles que la charge électrique e dans le cas d'un photon, des charges faibles e/sin θ W dans le cas du boson W et e/sin θ W cos θ W dans le cas du boson Z (où θW- Angle de Weinberg), charge de couleur g dans le cas des gluons, et la quantité √G dans le cas d'un graviton, où g est la constante de Newton. (Voir ch. 6–10.) L'interaction électromagnétique est discutée ci-dessous au ch. 7. Interaction faible - au ch. 8. Fort - au ch. neuf.

Et nous commencerons au chapitre suivant. 6 avec interaction gravitationnelle.

6. Interaction gravitationnelle

6.1. Gravitons. Je commencerai par des particules qui n'ont pas encore été découvertes et qui ne le seront probablement pas dans un avenir prévisible. Ce sont des particules du champ gravitationnel - les gravitons. Non seulement les gravitons, mais aussi les ondes gravitationnelles n'ont pas encore été découverts (et c'est alors que les ondes électromagnétiques imprègnent littéralement nos vies). Ceci est dû au fait qu'aux basses énergies l'interaction gravitationnelle est très faible. Comme nous le verrons, la théorie des gravitons permet de comprendre toutes les propriétés connues de l'interaction gravitationnelle.

6.2. Échange de gravitons. Dans le langage des diagrammes de Feynman, l'interaction gravitationnelle de deux corps s'effectue par l'échange de gravitons virtuels entre les particules élémentaires qui composent ces corps. Sur la fig. Le graviton 3 est émis par une particule à 4 impulsions p 1 et est absorbé par une autre particule à 4 impulsions p 2 . Du fait de la conservation de la 4-impulsion, q=p 1 − p′ 1 =p′ 2 −p 2 , où q est la 4-impulsion du graviton.

La distribution d'un graviton virtuel (il correspond, comme toute particule virtuelle, à un propagateur) est matérialisée sur la figure par un ressort.

6.3. Atome d'hydrogène dans le champ gravitationnel de la Terre. Sur la fig. La figure 4 montre la somme des diagrammes dans lesquels un atome d'hydrogène avec une impulsion 4 p 1 échange des gravitons avec tous les atomes de la Terre avec une impulsion 4 totale p 2 . Et dans ce cas q = p 1 − p′ 1 = p′ 2 − p 2 , où q est la 4-impulsion totale des gravitons virtuels.

6.4. Sur la masse d'un atome.À l'avenir, lors de l'examen de l'interaction gravitationnelle, nous négligerons la masse d'un électron par rapport à la masse d'un proton, ainsi que la différence entre les masses d'un proton et d'un neutron et l'énergie de liaison des nucléons dans les noyaux atomiques. Ainsi, la masse d'un atome est à peu près la somme des masses des nucléons dans le noyau atomique.

6.5. Gagner*. Le nombre de nucléons de la Terre N E ≈ 3,6 10 51 est égal au produit du nombre de nucléons dans un gramme de matière terrestre, soit le nombre d'Avogadro N A ≈ 6 10 23 , par la masse de la Terre en grammes ≈ 6 10 27 . Par conséquent, le schéma de la Fig. 4 est la somme des 3,6·10 51 diagrammes de la fig. 3, qui est marqué par l'épaississement des lignes de la Terre et des gravitons virtuels de la Fig. 4. De plus, le "ressort graviton", contrairement au propagateur d'un graviton, est réalisé sur la fig. 4 gris. Il semble contenir 3,6·10 51 gravitons.

6.6. La pomme de Newton dans le champ gravitationnel de la Terre. Sur la fig. 5, tous les atomes de la pomme, qui ont un total de 4 impulsions p 1 , interagissent avec tous les atomes de la Terre, qui ont un total de 4 impulsions p 2 .

6.7. Nombre de graphiques*. Rappelons qu'un gramme de matière ordinaire contient N A = 6·10 23 nucléons. Le nombre de nucléons dans une pomme de 100 grammes est N a = 100N A = 6 10 25 . La masse de la Terre est de 6 10 27 g, et par conséquent, le nombre de nucléons de la Terre N E = 3,6 10 51 . Bien sûr, l'épaississement des lignes de la Fig. 5 ne correspond en aucun cas au grand nombre de nucléons pomme N a , de nucléons terrestres N E et au nombre beaucoup plus grand, tout simplement fantastique, de diagrammes de Feynman N d = N a N E = 2,2·10 77 . Après tout, chaque nucléon de la pomme interagit avec chaque nucléon de la Terre. Pour souligner le nombre colossal de schémas, le ressort de la fig. 5 est rendu sombre.

Bien que l'interaction d'un graviton avec une seule particule élémentaire soit très faible, la somme des diagrammes de tous les nucléons de la Terre crée une attraction importante que nous ressentons. La gravité universelle attire la Lune vers la Terre, les deux vers le Soleil, toutes les étoiles de notre Galaxie et toutes les galaxies les unes vers les autres.

6.8. Amplitude de Feynman et sa transformée de Fourier***.

Le diagramme de Feynman de l'interaction gravitationnelle de deux corps lents de masses m 1 et m 2 correspond à l'amplitude de Feynman

où g- la constante de Newton, une q- 3-impulsion portée par des gravitons virtuels. (valeur 1/q2, où q- 4-momentum, appelé propagateur de gravitons. Dans le cas des corps lents, l'énergie n'est pratiquement pas transférée, et donc q2 = −q 2 .)

Pour passer de l'espace des impulsions à l'espace des configurations (coordonnées), il faut prendre la transformée de Fourier d'amplitude A( q)

Valeur A( r) donne l'énergie potentielle de l'interaction gravitationnelle des particules non relativistes et détermine le mouvement d'une particule relativiste dans un champ gravitationnel statique.

6.9. Le potentiel de Newton*. L'énergie potentielle de deux corps de masses m 1 et m 2 est

où g- la constante de Newton, une r- distance entre les corps.

Cette énergie est contenue dans le "ressort" de gravitons virtuels de la Fig. 5. Interaction dont le potentiel se désintègre en 1/ r, est appelé longue portée. En utilisant la transformée de Fourier, on peut voir que la gravité est à longue portée, car le graviton est sans masse.

6.10. Potentiel de type potentiel Yukawa**. En effet, si le graviton avait une masse non nulle m, alors l'amplitude de Feynman pour leur échange aurait la forme

et il correspondrait à un potentiel comme le potentiel Yukawa avec un rayon d'action r ≈ 1/m:

6.11. À propos de l'énergie potentielle**. Dans la mécanique non relativiste de Newton, l'énergie cinétique d'une particule dépend de sa vitesse (impulsion), tandis que l'énergie potentielle ne dépend que de ses coordonnées, c'est-à-dire de sa position dans l'espace. En mécanique relativiste, une telle exigence ne peut être maintenue, car l'interaction même des particules dépend souvent de leurs vitesses (impulsions) et, par conséquent, de l'énergie cinétique. Cependant, pour des champs gravitationnels ordinaires plutôt faibles, la variation de l'énergie cinétique de la particule est faible par rapport à son énergie totale, et cette variation peut donc être négligée. L'énergie totale d'une particule non relativiste dans un champ gravitationnel faible peut s'écrire ε = E parent + E 0 + tu.

6.12. Universalité de la gravité. Contrairement à toutes les autres interactions, la gravité a une remarquable propriété d'universalité. L'interaction d'un graviton avec n'importe quelle particule ne dépend pas des propriétés de cette particule, mais dépend uniquement de la quantité d'énergie que possède la particule. Si cette particule est lente, alors son énergie de repos E 0 = mc 2, contenue dans sa masse, dépasse de loin son énergie cinétique. Et donc son interaction gravitationnelle est proportionnelle à sa masse. Mais pour une particule suffisamment rapide, son énergie cinétique est bien supérieure à sa masse. Dans ce cas, son interaction gravitationnelle ne dépend pratiquement pas de la masse et est proportionnelle à son énergie cinétique.

6.13. Le spin graviton et l'universalité de la gravité**. Plus précisément, l'émission d'un graviton n'est pas proportionnelle à l'énergie simple, mais au tenseur énergie-impulsion de la particule. Et cela, à son tour, est dû au fait que le spin du graviton est égal à deux. Soit la 4-impulsion de la particule avant l'émission du graviton soit p 1 , et post-émission p 2. Alors la quantité de mouvement du graviton est q = p 1 − p 2. Si on introduit la notation p = p 1 + p 2 , alors le sommet d'émission de graviton ressemblera à

où h αβ est la fonction d'onde graviton.

6.14. Interaction d'un graviton avec un photon**. Cela se voit particulièrement clairement dans l'exemple d'un photon, dont la masse est égale à zéro. Il a été prouvé expérimentalement que lorsqu'un photon vole de l'étage inférieur d'un bâtiment vers l'étage supérieur, son élan diminue sous l'influence de la gravité terrestre. Il a également été prouvé qu'un faisceau de lumière provenant d'une étoile lointaine est dévié par l'attraction gravitationnelle du Soleil.

6.15. Interaction d'un photon avec la Terre**. Sur la fig. 6 montre l'échange de gravitons entre la Terre et un photon. Ce chiffre représente conditionnellement la somme des chiffres des échanges gravitoniques d'un photon avec tous les nucléons de la Terre. Sur celui-ci, le sommet de la Terre est obtenu à partir du nucléon un en multipliant par le nombre de nucléons de la Terre N E avec le remplacement correspondant du 4-momentum du nucléon par le 4-momentum de la Terre (voir Fig. 3).

6.16. Interaction d'un graviton avec un graviton***. Puisque les gravitons transportent de l'énergie, ils doivent eux-mêmes émettre et absorber des gravitons. Nous n'avons pas vu de gravitons réels individuels et nous ne les verrons jamais. Néanmoins, l'interaction entre gravitons virtuels conduit aux effets observés : à première vue, la contribution de trois gravitons virtuels à l'interaction gravitationnelle de deux nucléons est trop faible pour être détectée (voir Fig. 7).

6.17. La précession séculaire de Mercure**. Cependant, cette contribution se manifeste dans la précession du périhélie de l'orbite de Mercure. La précession séculaire de Mercure est décrite par la somme des diagrammes de graviton à une boucle de l'attraction de Mercure vers le Soleil (Fig. 8).

6.18. Gain pour Mercure**. Le rapport des masses de Mercure et de la Terre est de 0,055. Donc le nombre de nucléons dans Mercure NM = 0,055 N E= 2 10 50 . masse du soleil MME= 2 10 33 g. Donc le nombre de nucléons dans le Soleil N S = N A M S= 1,2 10 57 . Et le nombre de diagrammes décrivant l'interaction gravitationnelle des nucléons de Mercure et du Soleil, NdM= 2,4 10 107 .

Si l'énergie potentielle d'attraction de Mercure vers le Soleil est tu = GM S M M/r, puis après avoir pris en compte la correction discutée pour l'interaction des gravitons virtuels entre eux, il est multiplié par le coefficient 1 - 3 GM S/r. On voit que la correction d'énergie potentielle est −3 G 2 M S 2 M M /r 2.

6.19. Orbite de Mercure**. Rayon de l'orbite de Mercure un= 58 10 6 kilomètres. La période orbitale est de 88 jours terrestres. Excentricité orbitale e= 0,21. En raison de la correction en discussion, en un tour, le demi-grand axe de l'orbite tourne d'un angle de 6π GM S/un(1 − e 2), soit environ un dixième de seconde d'arc, et tourne de 43 "" en 100 années terrestres.

6.20. Décalage gravitationnel de Lamb**. Quiconque a étudié l'électrodynamique quantique verra immédiatement que le diagramme de la Fig. 7 est similaire à un diagramme triangulaire décrivant le décalage de fréquence (énergie) du niveau 2 S 1/2 par rapport au niveau 2 P 1/2 dans l'atome d'hydrogène (où le triangle est constitué d'un photon et de deux lignes d'électrons). Ce décalage a été mesuré en 1947 par Lamb et Riserford et trouvé à 1060 MHz (1,06 GHz).

Cette mesure a déclenché une réaction en chaîne de travaux théoriques et expérimentaux qui ont conduit à la création de l'électrodynamique quantique et des diagrammes de Feynman. La fréquence de précession de Mercure est inférieure de 25 ordres de grandeur.

6.21. Effet classique ou quantique ?**. Il est bien connu que le déplacement de Lamb de l'énergie de niveau est un effet purement quantique, tandis que la précession de Mercure est un effet purement classique. Comment peuvent-ils être décrits par des diagrammes de Feynman similaires ?

Pour répondre à cette question, rappelons la relation E = ħω et prendre en compte que la transformée de Fourier lors de la transition de l'impulsion à l'espace de configuration dans Sec. 6.8 contient e jeQR / ħ . De plus, il faut tenir compte du fait que dans le triangle électromagnétique à décalage de Lamb, il n'y a qu'une seule ligne d'une particule sans masse (photon), et les deux autres sont des propagateurs d'électrons. Par conséquent, les distances caractéristiques dans celui-ci sont déterminées par la masse de l'électron (la longueur d'onde Compton de l'électron). Et dans le triangle de précession de Mercure, il y a deux propagateurs d'une particule sans masse (graviton). Cette circonstance, due au pic à trois gravitons, conduit au fait que le triangle gravitationnel apporte une contribution à des distances incomparablement plus grandes que le triangle électromagnétique. Cette comparaison montre la puissance de la théorie quantique des champs dans la méthode des diagrammes de Feynman, qui facilitent la compréhension et le calcul d'un large éventail de phénomènes, tant quantiques que classiques.

7. Interaction électromagnétique

7.1. interaction électrique. L'interaction électrique des particules est réalisée par l'échange de photons virtuels, comme dans la Fig. dix-neuf.

Les photons, comme les gravitons, sont également des particules sans masse. Ainsi, l'interaction électrique est également à longue portée :

Pourquoi n'est-elle pas aussi universelle que la gravité ?

7.2. charges positives et négatives. D'abord parce qu'il y a des charges électriques de deux signes. Et deuxièmement, parce qu'il existe des particules neutres qui n'ont aucune charge électrique (neutron, neutrino, photon...). Les particules avec des charges de signes opposés, comme un électron et un proton, sont attirées l'une vers l'autre. Les particules de même charge se repoussent. En conséquence, les atomes et les corps qui les composent sont fondamentalement électriquement neutres.

7.3. particules neutres. Le neutron contient tu-quark avec charge +2 e/3 et deux ré-quark chargé − e/3. La charge totale du neutron est donc nulle. (Rappelons qu'un proton contient deux tu-quark et un ré-quark.) Les vraies particules élémentaires qui n'ont pas de charge électrique sont un photon, un graviton, un neutrino, Z-boson et boson de Higgs.

7.4. Potentiel coulombien.Énergie potentielle d'attraction d'un électron et d'un proton situés à distance r l'un de l'autre, est

7.5. Interaction magnétique. L'interaction magnétique n'est pas aussi longue que l'interaction électrique. Il tombe comme 1/ r 3 . Cela dépend non seulement de la distance entre les deux aimants, mais aussi de leur orientation mutuelle. Un exemple bien connu est l'interaction d'une aiguille de boussole avec le champ du dipôle magnétique terrestre. Énergie potentielle d'interaction de deux dipôles magnétiques μ 1 et μ 2 égaux

où n = r/r.

7.6. Interaction électromagnétique. La plus grande réalisation du XIXe siècle a été la découverte que les forces électriques et magnétiques sont deux manifestations différentes de la même force électromagnétique. En 1821, M. Faraday (1791-1867) a étudié l'interaction d'un aimant et d'un conducteur avec le courant. Une décennie plus tard, il établit les lois de l'induction électromagnétique dans l'interaction de deux conducteurs. Dans les années suivantes, il introduit le concept de champ électromagnétique et exprime l'idée de la nature électromagnétique de la lumière. Dans les années 1870, J. Maxwell (1831-1879) réalise que l'interaction électromagnétique est responsable d'une large classe de phénomènes optiques : l'émission, la transformation et l'absorption de la lumière, et écrit des équations décrivant le champ électromagnétique. Bientôt, G. Hertz (1857–1894) découvrit les ondes radio et V. Roentgen (1845–1923) découvrit les rayons X. Toute notre civilisation est basée sur des manifestations d'interactions électromagnétiques.

7.7. Unification de la théorie de la relativité et de la mécanique quantique. L'étape la plus importante du développement de la physique est 1928, date à laquelle paraît un article de P. Dirac (1902-1984), dans lequel il propose une équation quantique et relativiste de l'électron. Cette équation contenait le moment magnétique de l'électron et indiquait l'existence d'une antiparticule de l'électron - le positon, découverte quelques années plus tard. Après cela, la mécanique quantique et la théorie de la relativité ont fusionné avec la théorie quantique des champs.

Le fait que les interactions électromagnétiques soient causées par l'émission et l'absorption de photons virtuels n'est devenu complètement clair qu'au milieu du XXe siècle avec l'avènement des diagrammes de Feynman, c'est-à-dire après que le concept de particule virtuelle a été clairement formé.

8. Faible interaction

8.1. Interactions nucléaires. Au début du 20ème siècle, l'atome et son noyau ont été découverts et α -, β - et γ rayons émis par les noyaux radioactifs. Comme il est apparu, γ Les rayons sont des photons de très haute énergie. β les rayons sont des électrons de haute énergie α les rayons sont des noyaux d'hélium. Cela a conduit à la découverte de deux nouveaux types d'interactions - fortes et faibles. Contrairement aux interactions gravitationnelles et électromagnétiques, les interactions fortes et faibles sont à courte portée.

Plus tard, on a découvert qu'ils étaient responsables de la conversion de l'hydrogène en hélium dans notre Soleil et d'autres étoiles.

8.2. Courants chargés*. La force faible est responsable de la transformation d'un neutron en proton avec émission d'un électron et d'un antineutrino électronique. Une large classe de processus d'interaction faible est basée sur la transformation de quarks d'un type en quarks d'un autre type avec émission (ou absorption) de O-bosons : tu, c, t ↔ ré, s, b. De même pour l'émission et l'absorption O-bosons, il y a des transitions entre les leptons chargés et les neutrinos correspondants :

e ↔ ν e , μ ↔ ν μ , τ ↔ ν τ . Transitions de type dˉu ↔ O et eˉν e ↔ O. Dans toutes ces transitions impliquant O-les bosons impliquent ce qu'on appelle des courants chargés, qui modifient de un les charges des leptons et des quarks. L'interaction faible des courants chargés est de courte portée, elle est décrite par le potentiel de Yukawa e -mWr /r, de sorte que son rayon effectif est r ≈ 1/mW.

8.3. Courants neutres*. Dans les années 1970, des processus d'interaction faible entre neutrinos, électrons et nucléons ont été découverts, dus aux courants dits neutres. Dans les années 1980, il a été établi expérimentalement que les interactions de courants chargés se produisent par l'échange O-bosons, et l'interaction des courants neutres - en échangeant Z-bosons.

8.4. Violation P- et CP-parité*. Dans la seconde moitié des années 1950, une violation de la parité a été découverte P et parité de charge C dans les interactions faibles. En 1964, des désintégrations faibles ont été découvertes qui violent la conservation CP-symétries. À l'heure actuelle, le mécanisme de violation CP-les symétries sont étudiées dans les désintégrations des mésons contenant b-quarks.

8.5. Oscillations de neutrinos*. Au cours des deux dernières décennies, l'attention des physiciens a été rivée aux mesures effectuées sur des détecteurs souterrains de kilotonnes à Kamioka (Japon) et à Sudbury (Canada). Ces mesures ont montré qu'entre les trois types de neutrinos ν e , ν μ , ν τ des transitions mutuelles (oscillations) se produisent dans le vide. La nature de ces oscillations est en cours de clarification.

8.6. interaction électrofaible. Dans les années 1960, une théorie a été formulée selon laquelle les interactions électromagnétique et faible sont des manifestations différentes d'une même interaction électrofaible. S'il existait une symétrie électrofaible stricte, alors les masses O- et Z-les bosons seraient égaux à zéro comme la masse d'un photon.

8.7. Violation de la symétrie électrofaible. Dans le modèle standard, le boson de Higgs brise la symétrie électrofaible et explique ainsi pourquoi le photon est sans masse et les bosons faibles sont massifs. Il donne également des masses aux leptons, aux quarks et à lui-même.

8.8. Ce que vous devez savoir sur le Higgs. L'une des tâches principales du Large Hadron Collider LHC est la découverte du boson de Higgs (appelé simplement Higgs et noté h ou alors H) et l'établissement ultérieur de ses propriétés. Tout d'abord, la mesure de ses interactions avec O- et Z-bosons, avec les photons, ainsi que ses auto-interactions, c'est-à-dire l'étude des sommets contenant trois et quatre Higgs : h 3 et h 4 , et ses interactions avec les leptons et les quarks, notamment avec le quark top. Dans le modèle standard, il existe des prédictions claires pour toutes ces interactions. Leur vérification expérimentale est d'un grand intérêt du point de vue de la recherche d'une « nouvelle physique » au-delà du Modèle Standard.

8.9. Et s'il n'y a pas de Higgs ? Si, d'autre part, il s'avère que le Higgs n'existe pas dans l'intervalle de masse de l'ordre de plusieurs centaines de GeV, cela signifiera qu'aux énergies supérieures au TeV, il existe une nouvelle région absolument inexplorée où les interactions O- et Z-les bosons deviennent forts de manière non perturbative, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent pas être décrits par la théorie des perturbations. La recherche dans ce domaine apportera de nombreuses surprises.

8.10. Les collisionneurs de leptons du futur. Pour mener à bien l'ensemble de ce programme de recherche, en plus du LHC, il peut être nécessaire de construire des collisionneurs de leptons :

ILC (International Linear Collider) avec une énergie de collision de 0,5 TeV,

ou CLIC (Compact Linear Collider) avec une énergie de collision de 1 TeV,

ou MC (Muon Collider) avec une énergie de collision de 3 TeV.

8.11. Collisionneurs linéaires électron-positon. ILC - International Linear Collider, dans lequel les électrons entrent en collision avec les positrons, ainsi que les photons avec les photons. La décision de le construire ne peut être prise qu'une fois qu'il est devenu clair si le Higgs existe et quelle est sa masse. L'un des sites de construction proposés par l'ILC se trouve à proximité de Dubna. CLIC - Collisionneur linéaire compact d'électrons et de positons. Le projet est en cours de développement au CERN.

8.12. Collisionneur de muons. MS - Le collisionneur de muons a été conçu pour la première fois par G. I. Budker (1918–1977). En 1999, la cinquième conférence internationale "Potentiel physique et développement des collisionneurs de muons et des usines de neutrinos" s'est tenue à San Francisco. À l'heure actuelle, le projet MS est en cours de développement au Laboratoire national de Fermi et peut être mis en œuvre dans 20 ans.

9. Forte interaction

9.1. Gluons et quarks. La force forte maintient les nucléons (protons et neutrons) à l'intérieur du noyau. Il est basé sur l'interaction des gluons avec les quarks et l'interaction des gluons avec les gluons. C'est l'action propre des gluons qui conduit au fait que, malgré le fait que la masse du gluon est nulle, tout comme les masses du photon et du graviton sont égales à zéro, l'échange de gluons ne conduit pas au gluon interaction à longue portée, similaire à celle des photons et des gravitons. De plus, cela conduit à l'absence de gluons et de quarks libres. Cela est dû au fait que la somme des échanges d'un gluon est remplacée par un tube ou un fil de gluon. L'interaction des nucléons dans le noyau est similaire aux forces de van der Waals entre les atomes neutres.

9.2. Confinement et liberté asymptotique. Le phénomène de confinement des gluons et des quarks des hadrons est appelé confinement. Le revers de la médaille de la dynamique menant au confinement est qu'à de très petites distances profondément à l'intérieur des hadrons, l'interaction entre les gluons et les quarks diminue progressivement. Les quarks semblent devenir libres à de petites distances. Ce phénomène est appelé le terme de liberté asymptotique.

9.3. Couleurs de quark. Le phénomène de confinement est une conséquence du fait que chacun des six quarks existe, pour ainsi dire, sous la forme de trois variétés "de couleur". Les quarks sont généralement "colorés" en jaune, bleu et rouge. Les antiquarks sont peints dans des couleurs supplémentaires: violet, orange, vert. Toutes ces couleurs dénotent les charges particulières des quarks - "analogues multidimensionnels" de la charge électrique responsable des interactions fortes. Bien sûr, il n'y a aucun lien, sauf métaphorique, entre les couleurs des quarks et les couleurs optiques ordinaires.

9.4. Couleurs gluantes. La famille des gluons colorés est encore plus nombreuse : il en existe huit, dont deux sont identiques à leurs antiparticules, et les six autres ne le sont pas. Les interactions des charges de couleur sont décrites par la chromodynamique quantique et déterminent les propriétés du proton, du neutron, de tous les noyaux atomiques et les propriétés de tous les hadrons. Le fait que les gluons portent des charges de couleur conduit au phénomène de confinement gluon-quark, ce qui signifie que les gluons et les quarks colorés ne peuvent pas s'échapper des hadrons. Les forces nucléaires entre les hadrons incolores (blancs) sont de faibles échos des puissantes interactions de couleur au sein des hadrons. Ceci est similaire à la petitesse des liaisons moléculaires par rapport aux liaisons intraatomiques.

9.5. Des masses de hadrons. Les masses des hadrons en général et des nucléons en particulier sont dues à l'action propre des gluons. Ainsi, la masse de toute la matière visible, qui représente 4 à 5% de l'énergie de l'Univers, est due précisément à l'action propre des gluons.

10. Modèle standard et au-delà

10.1. 18 particules du modèle standard. Toutes les particules fondamentales connues se répartissent naturellement en trois groupes :

6 leptons(tour 1/2):
3 neutrinos : ν e , ν μ , ν τ ;
3 leptons chargés : e, μ , τ ;
6 quarks(tour 1/2):
tu,c, t,
ré, s, b;
6 bosons:
g̃ - graviton (spin 2),
γ , O, Z, g- les gluons (spin 1),
h- higgs (tour 0).

10.2. Au-delà du modèle standard. 96% de l'énergie de l'Univers est en dehors du Modèle Standard et attend d'être découverte et étudiée. Il existe plusieurs hypothèses de base sur ce à quoi pourrait ressembler la nouvelle physique (voir les sections 10.3 à 10.6 ci-dessous).

10.3. Grande union. Un grand nombre de travaux, principalement théoriques, ont été consacrés à l'unification des interactions fortes et électrofaibles. La plupart d'entre eux supposent qu'il se produit à des énergies de l'ordre de 10 16 GeV. Une telle union devrait conduire à la désintégration du proton.

10.4. particules supersymétriques. Selon l'idée de supersymétrie, première née chez FIAN, chaque "notre" particule a un superpartenaire dont le spin diffère de 1/2 : 6 squarks et 6 sliptons de spin 0, higgsino, photino, wine et zino de spin 1/ 2, gravitino co spin 3/2. Les masses de ces superpartenaires doivent être sensiblement plus grandes que celles de nos particules. Sinon, ils auraient ouvert depuis longtemps. Certains des superpartenaires pourraient être découverts lorsque le Large Hadron Collider deviendra opérationnel.

10.5. Supercordes. L'hypothèse de supersymétrie est développée par l'hypothèse de l'existence de supercordes vivant à de très petites distances de l'ordre de 10 −33 cm et d'énergies correspondantes de 10 19 GeV. De nombreux physiciens théoriciens espèrent que c'est sur la base des idées sur les supercordes qu'il sera possible de construire une théorie unifiée de toutes les interactions ne contenant pas de paramètres libres.

10.6. particules miroirs. Selon l'idée de matière miroir, née à l'ITEP, chacune de nos particules possède un jumeau miroir, et il existe un monde miroir qui n'est que très vaguement connecté à notre monde.

10.7. Matière noire. Seulement 4 à 5% de toute l'énergie de l'univers existe sous forme de masse de matière ordinaire. Environ 20% de l'énergie de l'univers est contenue dans la soi-disant matière noire, qui est censée être constituée de superparticules, ou de particules miroirs, ou d'autres particules inconnues. Si les particules de matière noire sont beaucoup plus lourdes que les particules ordinaires et si, entrant en collision les unes avec les autres dans l'espace, elles s'annihilent en photons ordinaires, alors ces photons de haute énergie peuvent être enregistrés par des détecteurs spéciaux dans l'espace et sur Terre. L'élucidation de la nature de la matière noire est l'une des principales tâches de la physique.

10.8. Énergie noire. Mais la grande majorité de l'énergie de l'Univers (environ 75%) est due à l'énergie dite noire. Il est « déversé » dans le vide et écarte les amas de galaxies. Sa nature n'est pas encore claire.

11. Particules élémentaires en Russie et dans le monde

11.1. Décret du président de la Fédération de Russie. Le 30 septembre 2009, le décret du président de la Fédération de Russie « sur les mesures supplémentaires pour la mise en œuvre du projet pilote de création du Centre national de recherche « Institut Kurchatov » » a été publié. Le décret prévoit la participation des organisations suivantes au projet: l'Institut de physique nucléaire de Saint-Pétersbourg, l'Institut de physique des hautes énergies et l'Institut de physique théorique et expérimentale. Le décret prévoit également "l'inclusion de l'institution spécifiée, en tant qu'institution scientifique la plus importante, dans la structure départementale des dépenses du budget fédéral en tant que principal gestionnaire des fonds budgétaires". Ce décret peut contribuer au retour de la physique des particules élémentaires au nombre des domaines prioritaires pour le développement de la science dans notre pays.

11.2. Audiences au Congrès américain 1. Le 1er octobre 2009, des auditions ont eu lieu au sein de la sous-commission de l'énergie et de l'environnement de la commission de la science et de la technologie de la Chambre des représentants des États-Unis sur le thème "Recherche sur la nature de la matière, de l'énergie, de l'espace et du temps". Le crédit 2009 du ministère de l'Énergie pour ce programme est de 795,7 millions de dollars. Lisa Randall, professeur à l'Université de Harvard, a exposé ses vues sur la matière, l'énergie et l'origine de l'univers en termes de future théorie des cordes. Le directeur du Fermi National Laboratory (Batavia) Pierre Oddone a évoqué l'état de la physique des particules aux USA, et en particulier, l'achèvement prochain du Tevatron et le début des travaux conjoints du FNAL et du laboratoire souterrain DUSEL pour étudier la propriétés des neutrinos et des processus rares. Il a souligné l'importance de la participation de physiciens américains aux projets de physique des hautes énergies en Europe (LHC), au Japon (JPARC), en Chine (PERC) et au projet spatial international (GLAST, récemment nommé d'après Fermi).

11.3. Audiences au Congrès américain 2. Le directeur du Jefferson National Laboratory, Hugh Montgomery, a parlé de la contribution de ce laboratoire à la physique nucléaire, aux technologies des accélérateurs et aux programmes éducatifs. Dennis Kovar, directeur de la Division de la physique des hautes énergies du Département de l'énergie, a évoqué les trois principaux domaines de la physique des hautes énergies :

1) études d'accélérateurs aux énergies maximales,

2) études d'accélérateurs aux intensités maximales,

3) l'exploration spatiale au sol et par satellite afin d'élucider la nature de la matière noire et de l'énergie noire,

et trois directions principales en physique nucléaire :

1) étude des interactions fortes des quarks et des gluons,

2) l'étude de la formation des noyaux atomiques à partir de protons et de neutrons,

3) étude des interactions faibles impliquant des neutrinos.

12. À propos des sciences fondamentales

12.1. Qu'est-ce que la science fondamentale. Il ressort clairement du texte ci-dessus que, comme la plupart des travailleurs scientifiques, j'appelle cette partie de la science qui établit les lois les plus fondamentales de la nature comme science fondamentale. Ces lois sont à la base de la pyramide de la science ou de ses étages individuels. Ils déterminent le développement à long terme de la civilisation. Il y a cependant des gens qui appellent science fondamentale les sections de la science qui ont le plus grand impact direct sur les réalisations momentanées du développement de la civilisation. Il me semble personnellement que ces sections et directions s'appellent mieux science appliquée.

12.2. Racines et fruits. Si la science fondamentale peut être comparée aux racines d'un arbre, alors la science appliquée peut être comparée à ses fruits. Les avancées technologiques majeures telles que les téléphones portables ou les communications par fibre optique sont les fruits de la science.

12.3. A. I. Herzen sur la science. En 1845, Alexandre Ivanovitch Herzen (1812-1870) publie dans la revue Otechestvennye Zapiski les remarquables Lettres sur l'étude de la nature. À la fin de la première lettre, il écrivait : « La science semble difficile, non parce qu'elle est vraiment difficile, mais parce qu'autrement tu n'atteindras pas sa simplicité, comme percer l'obscurité de ces concepts tout faits qui t'empêchent de voir. directement. Que ceux qui s'avancent sachent que tout l'arsenal d'outils rouillés et sans valeur que nous avons hérité de la scolastique est sans valeur, qu'il faut sacrifier les vues formulées en dehors de la science, que, sans écarter tout à moitié mensonges, dont, pour plus de clarté, ils se vêtissent demi-vérités on ne peut entrer dans la science, on ne peut atteindre toute la vérité.

12.4. Sur la réduction des programmes scolaires. Les programmes de physique moderne à l'école pourraient bien inclure une maîtrise active d'éléments de la théorie des particules élémentaires, de la théorie de la relativité et de la mécanique quantique, si nous réduisons les sections qui sont principalement de nature descriptive et augmentons «l'érudition» de l'enfant, plutôt que de comprendre le monde qui l'entoure et de pouvoir vivre et créer.

12.5. Conclusion. Il serait bon que le Présidium de l'Académie des sciences de Russie note l'importance d'une familiarisation précoce des jeunes avec une vision du monde basée sur les réalisations de la théorie de la relativité et de la mécanique quantique, et instruise les commissions du Présidium de l'Académie russe des sciences sur les manuels (président - vice-président V.V. Kozlov) et sur l'éducation (président - vice-président -président V. A. Sadovnichiy) pour préparer des propositions visant à améliorer l'enseignement de la physique fondamentale moderne dans les écoles secondaires et supérieures.

La description

Pour qu'une relation soit qualifiée de loi physique, elle doit satisfaire aux conditions suivantes :

• confirmation empirique. Une loi physique est considérée comme vraie si elle est confirmée par des expériences répétées.
• Polyvalence. La loi doit être juste pour un grand nombre d'objets. Idéalement - pour tous les objets de l'Univers.
• Durabilité. Les lois physiques ne changent pas avec le temps, bien qu'elles puissent être reconnues comme des approximations de lois plus précises.

Les lois physiques sont généralement exprimées sous la forme d'un bref énoncé verbal ou d'une formule mathématique compacte :

Exemples

Article principal : Liste des lois physiques

Certaines des lois physiques les plus connues sont :

Lois-principes

Certaines lois physiques sont de nature universelle et sont des définitions dans leur essence. Ces lois sont souvent appelées principes. Il s'agit par exemple de la deuxième loi de Newton (définition de la force), de la loi de conservation de l'énergie (définition de l'énergie), du principe de moindre action (définition de l'action), etc.

Lois-conséquences des symétries

Une partie des lois physiques sont de simples conséquences de certaines symétries qui existent dans le système. Ainsi, les lois de conservation selon le théorème de Noether sont des conséquences de la symétrie de l'espace et du temps. Et le principe de Pauli, par exemple, est une conséquence de l'identité des électrons (l'antisymétrie de leur fonction d'onde par rapport à la permutation des particules).

Rapprochement des lois

Toutes les lois physiques sont une conséquence d'observations empiriques et sont vraies avec la même précision avec laquelle les observations expérimentales sont vraies. Cette restriction ne nous permet pas de prétendre que l'une des lois est absolue. On sait que certaines des lois ne sont évidemment pas absolument exactes, mais sont des approximations de lois plus précises. Ainsi, les lois de Newton ne sont valables que pour des corps suffisamment massifs se déplaçant à des vitesses bien inférieures à la vitesse de la lumière. Plus précises sont les lois de la mécanique quantique et de la relativité restreinte. Cependant, elles sont à leur tour des approximations d'équations plus précises de la théorie quantique des champs.

voir également

Remarques

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Voyez ce que "Loi (physique)" est dans d'autres dictionnaires :

LA PHYSIQUE. 1. Le sujet et la structure de la physique F. la science qui étudie le plus simple et en même temps le plus. propriétés générales et lois du mouvement des objets du monde matériel qui nous entoure. Du fait de cette généralité, il n'y a pas de phénomènes naturels qui n'aient de physique. Propriétés... Encyclopédie physique

Une science qui étudie les schémas les plus simples et en même temps les plus généraux des phénomènes naturels, les principes et la structure de la matière et les lois de son mouvement. Les concepts de F. et ses lois sous-tendent toutes les sciences naturelles. F. appartient aux sciences exactes et étudie les quantités... Encyclopédie physique

La loi de propagation rectiligne de la lumière : dans un milieu homogène transparent, la lumière se propage en ligne droite. En relation avec la loi de propagation rectiligne de la lumière, le concept de faisceau lumineux est apparu, qui a une signification géométrique comme ... ... Wikipedia

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La loi de Mariotte de Boyle est l'une des lois fondamentales des gaz. La loi porte le nom du physicien, chimiste et philosophe irlandais Robert Boyle (1627 1691), qui l'a découverte en 1662, et aussi en l'honneur du physicien français Edme Mariotte (1620 1684), qui a découvert ... ... Wikipedia

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Pas une seule sphère de l'activité humaine ne peut se passer des sciences exactes. Et quelle que soit la complexité des relations humaines, elles se résument également à ces lois. propose de rappeler les lois de la physique qu'une personne rencontre et expérimente chaque jour de sa vie.

La loi la plus simple mais la plus importante est La loi de la conservation et de la transformation de l'énergie.

L'énergie de tout système fermé reste constante pour tous les processus se produisant dans le système. Et nous sommes dans un tel système fermé et nous le sommes. Ceux. combien nous donnons, tant nous recevons. Si nous voulons obtenir quelque chose, nous devons donner le même montant avant cela. Et rien d'autre!

Et nous, bien sûr, voulons toucher un gros salaire, mais pas aller travailler. Parfois, une illusion est créée que «les imbéciles ont de la chance» et le bonheur leur tombe sur la tête pour beaucoup. Lisez n'importe quel conte de fées. Les héros doivent constamment surmonter d'énormes difficultés ! Nagez ensuite dans l'eau froide, puis dans l'eau bouillante.

Les hommes attirent l'attention des femmes avec la cour. Les femmes, à leur tour, s'occupent de ces hommes et des enfants. Etc. Donc, si vous voulez obtenir quelque chose, prenez la peine de donner en premier.

La force d'action est égale à la force de réaction.

Cette loi de la physique reflète la précédente, en principe. Si une personne a commis un acte négatif - conscient ou non - et a ensuite reçu une réponse, c'est-à-dire opposition. Parfois, la cause et l'effet sont séparés dans le temps et vous ne pouvez pas comprendre immédiatement d'où vient le vent. Nous devons surtout nous rappeler que rien n'arrive.

La loi du levier.

Archimède s'écria : Donnez-moi un pied et je déplacerai la Terre !". N'importe quel poids peut être transporté si vous choisissez le bon levier. Vous devez toujours estimer combien de temps le levier sera nécessaire pour atteindre tel ou tel objectif et tirer une conclusion pour vous-même, fixer des priorités : avez-vous besoin de tant d'efforts pour créer le bon levier et déplacer ce poids, ou est-ce plus facile de le laisser seul et de faire d'autres activités.

La règle de la vrille.

La règle est qu'il indique la direction du champ magnétique. Cette règle répond à l'éternelle question : à qui la faute ? Et il souligne que nous sommes nous-mêmes responsables de tout ce qui nous arrive. Peu importe à quel point c'est insultant, peu importe à quel point c'est difficile, peu importe à quel point c'est injuste à première vue, nous devons toujours être conscients que nous en étions nous-mêmes la cause dès le début.

loi du clou.

Lorsqu'une personne veut enfoncer un clou, elle ne frappe pas quelque part près du clou, elle frappe exactement sur la tête du clou. Mais les clous eux-mêmes ne grimpent pas dans les murs. Il faut toujours choisir le bon marteau pour ne pas casser le clou avec une masse. Et lors de la notation, vous devez calculer le coup pour que le chapeau ne se plie pas. Restez simple, prenez soin les uns des autres. Apprenez à penser à votre voisin.

Et enfin, la loi de l'entropie.

L'entropie est une mesure du désordre d'un système. En d'autres termes, plus il y a de chaos dans le système, plus l'entropie est grande. Une formulation plus précise : dans les processus spontanés se produisant dans les systèmes, l'entropie augmente toujours. En règle générale, tous les processus spontanés sont irréversibles. Ils entraînent de véritables changements dans le système, et il est impossible de le remettre dans son état d'origine sans dépenser d'énergie. Dans le même temps, il est impossible de répéter exactement (100%) son état initial.

Pour mieux comprendre de quel type d'ordre et de désordre nous parlons, mettons en place une expérience. Verser des pastilles noires et blanches dans un bocal en verre. Mettons d'abord les noirs, puis les blancs. Les pastilles seront disposées en deux couches : noir en bas, blanc en haut - tout est en ordre. Secouez ensuite le bocal plusieurs fois. Les granulés se mélangeront uniformément. Et peu importe à quel point nous secouons ensuite ce pot, il est peu probable que nous puissions parvenir à ce que les granulés soient à nouveau disposés en deux couches. Voilà, l'entropie en action !

L'état dans lequel les pastilles étaient disposées en deux couches est considéré comme ordonné. L'état dans lequel les granulés sont uniformément mélangés est considéré comme désordonné. Il faut presque un miracle pour revenir à un état ordonné ! Ou un travail minutieux répété avec des granulés. Et il ne faut presque aucun effort pour faire des ravages dans une banque.

Roue de voiture. Lorsqu'il est gonflé, il a un excès d'énergie libre. La roue peut bouger, ce qui signifie qu'elle fonctionne. C'est l'ordre. Et si vous creviez une roue ? La pression y chutera, l'énergie libre «partira» dans l'environnement (se dissipera) et une telle roue ne pourra plus fonctionner. C'est le chaos. Pour remettre le système dans son état d'origine, c'est-à-dire pour mettre les choses en ordre, il faut faire beaucoup de travail : coller la caméra, monter la roue, la gonfler, etc., après quoi c'est encore une chose nécessaire qui peut être utile.

La chaleur est transférée d'un corps chaud à un corps froid, et non l'inverse. Le processus inverse est théoriquement possible, mais pratiquement personne n'entreprendra de le faire, car d'énormes efforts, des installations et des équipements spéciaux seront nécessaires.

Aussi dans la société. Les gens vieillissent. Les maisons s'effondrent. Les rochers s'enfoncent dans la mer. Les galaxies sont dispersées. Toute réalité qui nous entoure tend spontanément au désordre.

Cependant, les gens parlent souvent du désordre comme de la liberté : Non, nous ne voulons pas de commande ! Donnez-nous une telle liberté que chacun puisse faire ce qu'il veut !» Mais quand chacun fait ce qu'il veut, ce n'est pas la liberté, c'est le chaos. A notre époque, beaucoup louent le désordre, promeuvent l'anarchie - en un mot, tout ce qui détruit et divise. Mais la liberté n'est pas dans le chaos, la liberté est précisément dans l'ordre.

En organisant sa vie, une personne crée une réserve d'énergie gratuite, qu'elle utilise ensuite pour mettre en œuvre ses projets : travail, études, loisirs, créativité, sports, etc. En d'autres termes, il s'oppose à l'entropie. Sinon, comment aurions-nous pu accumuler autant de valeurs matérielles au cours des 250 dernières années ?!

L'entropie est une mesure du désordre, une mesure de la dissipation irréversible d'énergie. Plus il y a d'entropie, plus il y a de désordre. Une maison où personne ne vit tombe en ruine. Le fer rouille avec le temps, la voiture vieillit. Les relations dont personne ne se soucie vont se briser. Il en va de même pour tout le reste de notre vie, absolument tout !

L'état naturel de la nature n'est pas l'équilibre, mais une augmentation de l'entropie. Cette loi fonctionne inexorablement dans la vie d'une personne. Il n'a rien à faire pour augmenter son entropie, cela se produit spontanément, selon la loi de la nature. Afin de réduire l'entropie (désordre), vous devez faire beaucoup d'efforts. C'est une sorte de gifle aux personnes bêtement positives (sous une pierre couchée et l'eau ne coule pas), dont il y en a pas mal!

Maintenir le succès nécessite un effort constant. Si nous ne nous développons pas, nous nous dégradons. Et pour conserver ce que nous avions avant, nous devons faire plus aujourd'hui qu'hier. Les choses peuvent être maintenues en ordre et même améliorées : si la peinture d'une maison s'est décolorée, elle peut être repeinte, et encore plus belle qu'avant.

Les gens devraient essayer de «pacifier» le comportement destructeur arbitraire qui prévaut partout dans le monde moderne, essayer de réduire l'état de chaos, que nous avons dispersé à des limites grandioses. Et c'est une loi physique, et pas seulement un bavardage sur la dépression et la pensée négative. Tout se développe ou se dégrade.

Un organisme vivant naît, se développe et meurt, et personne n'a jamais observé qu'après la mort, il ressuscite, rajeunit et retourne à la graine ou à l'utérus. Quand ils disent que le passé ne revient jamais, alors, bien sûr, ils veulent dire avant tout ces phénomènes vitaux. Le développement des organismes fixe le sens positif de la flèche du temps, et le passage d'un état du système à un autre se produit toujours dans le même sens pour tous les processus sans exception.

Valériane Chupin

Source d'information : Tchaïkovski.Actualités

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La richesse de la société moderne s'accroît et s'accroîtra de plus en plus, principalement grâce au travail universel. Le capital industriel a été la première forme historique de production sociale, lorsque le travail universel a commencé à être intensivement exploité. Et d'abord, celui qu'il a obtenu gratuitement. La science, comme l'a observé Marx, ne coûte rien au capital. En effet, pas un seul capitaliste n'a payé de récompense à Archimède, ou Cardan, ou Galilée, ou Huygens, ou Newton pour l'utilisation pratique de leurs idées. Mais c'est précisément le capital industriel qui, à grande échelle, commence à exploiter la technologie mécanique, et donc le travail général qui y est incorporé. Marx K, Engels F. Soch., volume 25, partie 1, p. 116.

LOIS FONDAMENTALES DE LA PHYSIQUE

[ Mécanique | Thermodynamique | Électricité | Optique | physique atomique]

ÉNERGIES DE CONSERVATION ET LOI DE TRANSFORMATION - la loi générale de la nature: l'énergie de tout système fermé dans tous les processus se produisant dans le système reste constante (conservée). L'énergie ne peut être convertie que d'une forme à une autre et redistribuée entre les parties du système. Pour un système ouvert, une augmentation (diminution) de son énergie est égale à une diminution (augmentation) de l'énergie des corps et des champs physiques qui interagissent avec lui.

1. MÉCANIQUE

LOI D'ARCHIMÈDE - la loi de l'hydro- et de l'aérostatique : un corps immergé dans un liquide ou un gaz est soumis à une force de flottabilité dirigée verticalement vers le haut, numériquement égale au poids du liquide ou du gaz déplacé par le corps, et appliquée au centre de gravité de la partie immergée du corps. FA= gV, où r est la densité du liquide ou du gaz, V est le volume de la partie immergée du corps. Sinon, on peut la formuler ainsi : un corps plongé dans un liquide ou un gaz perd autant en poids que le liquide (ou le gaz) qu'il déplace pèse. Alors P= mg - FA Autre gr. scientifique Archimède en 212. AVANT JC. C'est la base de la théorie des corps nageurs.

LOI UNIVERSELLE DE LA GRAVITATION - Loi de gravité de Newton : tous les corps sont attirés les uns vers les autres avec une force directement proportionnelle au produit des masses de ces corps et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare : , où M et m sont les masses des corps en interaction, R est la distance entre ces corps, G est la constante gravitationnelle (en SI G=6.67.10-11 N.m2/kg2.

GALILEO PRINCIPE OF RELATIVITY, le principe mécanique de la relativité - le principe de la mécanique classique : dans tout référentiel inertiel, tous les phénomènes mécaniques se déroulent de la même manière dans les mêmes conditions. Mer principe de relativité.

LOI DE HOOK - la loi selon laquelle les déformations élastiques sont directement proportionnelles aux influences extérieures qui les provoquent.

LOI DE CONSERVATION DE LA MOMENTUM - la loi de la mécanique: la quantité de mouvement de tout système fermé dans tous les processus se produisant dans le système reste constante (conservée) et ne peut être redistribuée entre les parties du système qu'à la suite de leur interaction.

LOIS DE NEWTON - trois lois sous-jacentes à la mécanique classique newtonienne. 1ère loi (loi d'inertie) : un point matériel est dans un état de mouvement ou de repos rectiligne et uniforme si aucun autre corps n'agit sur lui ou si l'action de ces corps est compensée. 2ème loi (loi fondamentale de la dynamique) : l'accélération reçue par le corps est directement proportionnelle à la résultante de toutes les forces agissant sur le corps, et inversement proportionnelle à la masse du corps (). 3ème loi : deux points matériels interagissent entre eux par des forces de même nature, égales en grandeur et opposées en sens le long de la droite reliant ces points ().

PRINCIPE DE RELATIVITÉ - l'un des postulats de la théorie de la relativité, affirmant que dans tous les référentiels inertiels, tous les phénomènes physiques (mécaniques, électromagnétiques, etc.) dans les mêmes conditions se déroulent de la même manière. C'est la généralisation par Galilée du principe de relativité à tous les phénomènes physiques (sauf la gravité).

2. PHYSIQUE MOLÉCULAIRE ET THERMODYNAMIQUE

LOI D'AVOGADRO - l'une des lois fondamentales des gaz parfaits : des volumes égaux de gaz différents à la même température et à la même pression contiennent le même nombre de molécules. Ouvert en 1811 par les italiens. physicien A. Avogadro (1776-1856).

LOI DE BOYLE-MARIOTTE - une des lois d'un gaz parfait : pour une masse donnée d'un gaz donné à température constante, le produit de la pression et du volume est une constante. Formule : pV=const. Décrit un processus isotherme.

DEUXIÈME LOI DE LA THERMODYNAMIQUE - l'une des lois fondamentales de la thermodynamique, selon laquelle un processus périodique est impossible, dont le seul résultat est l'exécution d'un travail équivalent à la quantité de chaleur reçue du radiateur. Autre formulation : un processus est impossible, dont le seul résultat est le transfert d'énergie sous forme de chaleur d'un corps moins chauffé à un plus chaud. V.z.t. exprime la tendance d'un système composé d'un grand nombre de particules se déplaçant au hasard à passer spontanément d'états moins probables à des états plus probables. Interdit la création d'une machine à mouvement perpétuel du second type.

LOI DE GAY-LUSSAC - loi des gaz : pour une masse donnée d'un gaz donné à pression constante, le rapport volume/température absolue est une valeur constante, où \u003d 1/273 K-1 est le coefficient de température de dilatation volumique.

LOI DE DALTON - l'une des lois de base des gaz : la pression d'un mélange de gaz parfaits sans interaction chimique est égale à la somme des pressions partielles de ces gaz.

LOI DE PASCAL - la loi fondamentale de l'hydrostatique: la pression produite par des forces extérieures à la surface d'un liquide ou d'un gaz est transmise de manière égale dans toutes les directions.

PREMIÈRE LOI DE LA THERMODYNAMIQUE - l'une des lois fondamentales de la thermodynamique, qui est la loi de conservation de l'énergie pour un système thermodynamique: la quantité de chaleur Q communiquée au système est dépensée pour modifier l'énergie interne du système U et effectuer le travail A contre les forces extérieures par le système. Formule : Q=U+A. Il sous-tend le fonctionnement des moteurs thermiques.

LOI DE CHARLES - l'une des principales lois des gaz: la pression d'une masse donnée d'un gaz parfait à volume constant est directement proportionnelle à la température: où p0 est la pression à 00C, \u003d 1/273,15 K-1 est la coefficient de température de la pression.

3. ÉLECTRICITÉ ET MAGNÉTISME

LOI AMPERA - la loi d'interaction de deux conducteurs avec des courants; Les conducteurs parallèles avec des courants dans la même direction s'attirent et les courants dans la direction opposée se repoussent. Az. également appelée la loi qui détermine la force agissant dans un champ magnétique sur un petit segment d'un conducteur porteur de courant. Ouvert en 1820 UN M. Ampère.

LOI DE JOUL-LENTZ - une loi décrivant l'effet thermique d'un courant électrique. D'après D.-L.z. la quantité de chaleur dégagée dans le conducteur lorsqu'un courant continu le traverse est directement proportionnelle au carré de l'intensité du courant, de la résistance du conducteur et du temps de passage.

LOI DE CONSERVATION DE CHARGE - l'une des lois fondamentales de la nature: la somme algébrique des charges électriques de tout système électriquement isolé reste inchangée. Dans un système isolé électriquement Z.s.z. permet l'apparition de nouvelles particules chargées (par exemple, lors de la dissociation électrolytique, de l'ionisation des gaz, de la création de paires particule-antiparticule, etc.), mais la charge électrique totale des particules qui apparaissent doit toujours être égale à zéro.

LOI de Coulomb - la loi de base de l'électrostatique, exprimant la dépendance de la force d'interaction de deux charges ponctuelles fixes sur la distance qui les sépare: deux charges ponctuelles fixes interagissent avec une force directement proportionnelle au produit des amplitudes de ces charges et inversement proportionnelle à le carré de la distance qui les sépare et la permittivité du milieu dans lequel se trouvent les charges. En SI, cela ressemble à : . La valeur est numériquement égale à la force agissant entre deux charges ponctuelles fixes de 1 C chacune, situées dans le vide à une distance de 1 m l'une de l'autre. K.z. est l'une des justifications expérimentales de l'électrodynamique.

RÈGLE DE LA MAIN GAUCHE - une règle qui détermine la direction de la force qui agit sur un conducteur avec du courant dans un champ magnétique (ou une particule chargée en mouvement). Il dit: si la main gauche est positionnée de manière à ce que les doigts tendus indiquent la direction du courant (vitesse de la particule) et que les lignes de force du champ magnétique (lignes d'induction magnétique) pénètrent dans la paume, alors le pouce rétracté indiquera la direction de la force agissant sur le conducteur (particule positive ; dans le cas d'une particule négative, la direction de la force est opposée).

LENTZ RULE (LAW) - une règle qui détermine la direction des courants d'induction qui se produisent lors de l'induction électromagnétique. D'après L.p. le courant inductif a toujours une direction telle que son propre flux magnétique compense les variations du flux magnétique externe à l'origine de ce courant. L.p. - une conséquence de la loi de conservation de l'énergie.

LOI OHMA - une des lois fondamentales du courant électrique : l'intensité d'un courant électrique continu dans une section de circuit est directement proportionnelle à la tension aux extrémités de cette section et inversement proportionnelle à sa résistance. Valable pour les conducteurs métalliques et les électrolytes dont la température est maintenue constante. Dans le cas d'un circuit complet, elle se formule comme suit : l'intensité du courant électrique continu dans le circuit est directement proportionnelle à la force électromotrice de la source de courant et inversement proportionnelle à l'impédance du circuit électrique.

RÈGLE DE LA MAIN DROITE - une règle qui détermine 1) la direction du courant d'induction dans un conducteur se déplaçant dans un champ magnétique: si la paume de la main droite est positionnée de manière à inclure des lignes d'induction magnétique et que le pouce plié est dirigé le long le mouvement

conducteur, puis quatre doigts tendus indiqueront la direction du courant d'induction; 2) la direction des lignes d'induction magnétique d'un conducteur rectiligne avec courant: si le pouce de la main droite est placé dans la direction du courant, alors la direction de saisir le conducteur avec quatre doigts indiquera la direction des lignes d'induction magnétique.

LOIS DE FARADAY - les lois fondamentales de l'électrolyse. Première loi de Faraday : la masse de la substance libérée sur l'électrode lors du passage d'un courant électrique est directement proportionnelle à la quantité d'électricité (charge) qui a traversé l'électrolyte (m=kq=kIt). Le deuxième FZ : le rapport des masses des différentes substances subissant des transformations chimiques sur les électrodes lorsque les mêmes charges électriques traversent l'électrolyte est égal au rapport des équivalents chimiques. Installé en 1833-34 par M. Faraday. La loi généralisée de l'électrolyse a la forme : , où M est la masse molaire (atomique), z est la valence, F est la constante de Faraday. F.p. est égal au produit de la charge électrique élémentaire et de la constante d'Avogadro. F=e.NA. Détermine la charge dont le passage à travers l'électrolyte entraîne la libération de 1 mole d'une substance monovalente sur l'électrode. F = (96484,56 0,27) cellules/mol. Nommé d'après M. Faraday.

LOI D'INDUCTION ÉLECTROMAGNÉTIQUE - une loi décrivant le phénomène d'apparition d'un champ électrique lorsque le champ magnétique change (phénomène d'induction électromagnétique): la force électromotrice d'induction est directement proportionnelle au taux de variation du flux magnétique. Le coefficient de proportionnalité est déterminé par le système d'unités, le signe est la règle de Lenz. La formule en SI est : où Ф est la variation du flux magnétique, et t est l'intervalle de temps pendant lequel cette variation s'est produite. Découvert par M. Faraday.

4. OPTIQUE

PRINCIPE DE HUYGENS - une méthode qui vous permet de déterminer la position du front d'onde à tout moment. Selon g.p. tous les points par lesquels passe le front d'onde à l'instant t sont des sources d'ondes sphériques secondaires, et la position souhaitée du front d'onde à l'instant t t coïncide avec la surface enveloppant toutes les ondes secondaires. Permet d'expliquer les lois de la réflexion et de la réfraction de la lumière.

HUYGENS - FRESNEL - PRINCIPE - une méthode approximative pour résoudre les problèmes de propagation des ondes. G.-F. L'article dit : en tout point à l'extérieur d'une surface fermée arbitraire, couvrant une source ponctuelle de lumière, l'onde lumineuse excitée par cette source peut être représentée comme le résultat de l'interférence des ondes secondaires émises par tous les points de la surface fermée spécifiée. Permet de résoudre les problèmes les plus simples de diffraction de la lumière.

LOI DES RÉFLEXIONS D'ONDE - le faisceau incident, le faisceau réfléchi et la perpendiculaire élevée au point d'incidence du faisceau se trouvent dans le même plan, et l'angle d'incidence est égal à l'angle de réfraction. La loi est valable pour la réflexion miroir.

RÉFRACTION DE LA LUMIÈRE - un changement dans la direction de propagation de la lumière (une onde électromagnétique) lors du passage d'un milieu à un autre, qui diffère du premier indice de réfraction. Pour la réfraction, la loi est satisfaite : le faisceau incident, le faisceau réfracté et la perpendiculaire relevée au point d'incidence du faisceau sont dans le même plan, et pour ces deux milieux, le rapport du sinus de l'angle d'incidence à le sinus de l'angle de réfraction est une valeur constante, appelée indice de réfraction relatif du second milieu par rapport au premier.

LOI DE DISTRIBUTION RECTILIGNE DE LA LUMIÈRE - la loi de l'optique géométrique, qui consiste dans le fait que dans un milieu homogène la lumière se propage en ligne droite. Explique, par exemple, la formation de l'ombre et de la pénombre.

6. PHYSIQUE ATOMIQUE ET NUCLEAIRE.

POSTULATS DE BOHR - les principales hypothèses introduites sans preuve par N.Bohr et sous-jacentes à la THÉORIE DE BOHR : 1) Un système atomique n'est stable que dans des états stationnaires qui correspondent à une séquence discrète de valeurs d'énergie atomique. Chaque changement de cette énergie est associé à une transition complète de l'atome d'un état stationnaire à un autre. 2) L'absorption et l'émission d'énergie par un atome se produisent selon la loi selon laquelle le rayonnement associé à la transition est monochromatique et a une fréquence : h = Ei-Ek, où h est la constante de Planck, et Ei et Ek sont les énergies de l'atome dans les états stationnaires

Selon cette loi, le processus, dont le seul résultat est le transfert d'énergie sous forme de chaleur d'un corps plus froid à un plus chaud, est impossible sans modifications du système lui-même et de l'environnement.
La deuxième loi de la thermodynamique exprime la tendance d'un système constitué d'un grand nombre de particules se déplaçant au hasard à passer spontanément d'états moins probables à des états plus probables. Interdit la création d'une machine à mouvement perpétuel du second type.
Des volumes égaux de gaz parfaits à la même température et à la même pression contiennent le même nombre de molécules.
La loi a été découverte en 1811 par le physicien italien A. Avogadro (1776–1856).
La loi d'interaction de deux courants circulant dans des conducteurs situés à une petite distance l'un de l'autre stipule: les conducteurs parallèles avec des courants dans une direction s'attirent et avec des courants dans la direction opposée, ils se repoussent.
La loi a été découverte en 1820 par A. M. Ampère.
La loi de l'hydro et de l'aérostatique : sur un corps immergé dans un liquide ou un gaz, une force de flottabilité agit verticalement vers le haut, égale au poids du liquide ou du gaz déplacé par le corps, et appliquée au centre de gravité de la partie immergée de le corps. FA = gV, où g est la densité du liquide ou du gaz, V est le volume de la partie immergée du corps.
Sinon, la loi peut se formuler comme suit : un corps immergé dans un liquide ou un gaz perd autant en poids que le liquide (ou le gaz) déplacé par lui pèse. Alors P = mg - FA.
La loi a été découverte par l'ancien scientifique grec Archimède en 212 av. e. C'est la base de la théorie des corps flottants.
Une des lois d'un gaz parfait : à température constante, le produit de la pression du gaz et de son volume est une valeur constante. Formule : pV = const. Décrit un processus isotherme. La loi de la gravitation universelle, ou loi de gravité de Newton : tous les corps sont attirés les uns vers les autres avec une force directement proportionnelle au produit des masses de ces corps et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Selon cette loi, les déformations élastiques d'un corps solide sont directement proportionnelles aux influences extérieures qui les provoquent. Décrit l'effet thermique du courant électrique : la quantité de chaleur dégagée dans le conducteur lorsqu'un courant continu le traverse est directement proportionnelle au carré de l'intensité du courant, de la résistance du conducteur et du temps de passage. Découvert par Joule et Lenz indépendamment au 19ème siècle. La loi fondamentale de l'électrostatique, exprimant la dépendance de la force d'interaction de deux charges ponctuelles fixes à la distance qui les sépare : deux charges ponctuelles fixes interagissent avec une force directement proportionnelle au produit des grandeurs de ces charges et inversement proportionnelle à la carré de la distance qui les sépare et de la permittivité du milieu dans lequel se trouvent les charges. La valeur est numériquement égale à la force agissant entre deux charges ponctuelles fixes de 1 C situées chacune dans le vide à une distance de 1 m l'une de l'autre.
La loi de Coulomb est l'une des justifications expérimentales de l'électrodynamique. Ouvert en 1785
Une des lois fondamentales du courant électrique : l'intensité d'un courant électrique continu dans une section de circuit est directement proportionnelle à la tension aux extrémités de cette section et inversement proportionnelle à sa résistance. Valable pour les conducteurs métalliques et les électrolytes dont la température est maintenue constante. Dans le cas d'un circuit complet, elle se formule comme suit : l'intensité du courant électrique continu dans le circuit est directement proportionnelle à la force électromotrice de la source de courant et inversement proportionnelle à l'impédance du circuit électrique.

Ouvert en 1826 par G. S. Ohm.