1.1. Anotasi. Hukum teori relativitas dan mekanika kuantum, yang menurutnya pergerakan dan interaksi partikel elementer materi terjadi, telah menentukan sebelumnya pembentukan dan penampilan pola dari rentang fenomena terluas yang dipelajari oleh berbagai ilmu alam. Hukum-hukum ini mendasari teknologi tinggi modern dan sangat menentukan keadaan dan perkembangan peradaban kita. Oleh karena itu, pengenalan dasar-dasar fisika dasar diperlukan tidak hanya untuk siswa, tetapi juga untuk anak sekolah. Kepemilikan aktif pengetahuan dasar tentang struktur dunia diperlukan bagi seseorang yang memasuki kehidupan untuk menemukan tempatnya di dunia ini dan berhasil melanjutkan pendidikannya.
1.2. Apa kesulitan utama dari laporan ini. Hal ini ditujukan baik untuk spesialis di bidang fisika partikel dasar dan khalayak yang lebih luas: fisikawan yang tidak berurusan dengan partikel dasar, matematikawan, kimiawan, ahli biologi, ilmuwan energi, ekonom, filsuf, ahli bahasa, ... tepat, saya harus menggunakan istilah dan rumus fisika dasar. Agar dapat dipahami, saya harus terus-menerus menjelaskan istilah dan rumus ini. Jika fisika partikel dasar bukan keahlian Anda, baca dulu hanya bagian yang judulnya tidak ditandai dengan tanda bintang. Kemudian coba baca bagian dengan satu tanda bintang *, dua **, dan terakhir tiga ***. Saya berhasil berbicara tentang sebagian besar bagian tanpa tanda bintang selama laporan, tetapi tidak ada waktu untuk sisanya.
1.3. Fisika partikel elementer. Fisika partikel adalah dasar dari semua ilmu alam. Ini mempelajari partikel terkecil dari materi dan pola dasar gerakan dan interaksi mereka. Pada akhirnya, keteraturan inilah yang menentukan perilaku semua benda di Bumi dan di langit. Fisika partikel berhubungan dengan konsep dasar seperti ruang dan waktu; urusan; energi, momentum dan massa; putaran. (Sebagian besar pembaca memiliki gagasan tentang ruang dan waktu, mereka mungkin pernah mendengar tentang hubungan antara massa dan energi dan tidak tahu apa hubungannya momentum dengan itu, dan mereka hampir tidak dapat menebak tentang peran terpenting putaran dalam fisika. Mereka dapat 'bahkan tidak setuju di antara mereka sendiri tentang apa yang disebut materi namun ahli.) Fisika partikel diciptakan pada abad ke-20. Penciptaannya terkait erat dengan penciptaan dua teori terbesar dalam sejarah umat manusia: teori relativitas dan mekanika kuantum. Konstanta kunci dari teori-teori ini adalah kecepatan cahaya c dan konstanta Planck h.
1.4. Teori relativitas. Teori relativitas khusus, yang muncul pada awal abad ke-20, menyelesaikan sintesis sejumlah ilmu yang mempelajari fenomena klasik seperti listrik, magnet, dan optik, menciptakan mekanika dengan kecepatan benda yang sebanding dengan kecepatan cahaya. (Mekanika non-relativistik klasik Newton berurusan dengan kecepatan v<<c.) Kemudian, pada tahun 1915, teori relativitas umum diciptakan, yang dirancang untuk menggambarkan interaksi gravitasi, dengan mempertimbangkan keterbatasan kecepatan cahaya. c.
1.5. Mekanika kuantum. Mekanika kuantum, dibuat pada 1920-an, menjelaskan struktur dan sifat atom berdasarkan sifat partikel gelombang ganda elektron. Dia menjelaskan sejumlah besar fenomena kimia yang terkait dengan interaksi atom dan molekul. Dan diizinkan untuk menggambarkan proses emisi dan penyerapan cahaya oleh mereka. Pahami informasi yang diberikan cahaya Matahari dan bintang kepada kita.
1.6. teori medan kuantum. Penyatuan teori relativitas dan mekanika kuantum mengarah pada penciptaan teori medan kuantum, yang memungkinkan untuk menggambarkan sifat materi yang paling penting dengan tingkat akurasi yang tinggi. Teori medan kuantum, tentu saja, terlalu rumit untuk dijelaskan kepada anak sekolah. Tetapi di pertengahan abad ke-20, bahasa visual diagram Feynman muncul di dalamnya, yang secara radikal menyederhanakan pemahaman banyak aspek teori medan kuantum. Salah satu tujuan utama dari pembicaraan ini adalah untuk menunjukkan bagaimana rentang terluas dari fenomena dapat dipahami secara sederhana dengan bantuan diagram Feynman. Pada saat yang sama, saya akan membahas lebih detail tentang isu-isu yang jauh dari diketahui oleh semua ahli dalam teori medan kuantum (misalnya, tentang hubungan antara gravitasi klasik dan kuantum), dan saya hanya akan sedikit menguraikan masalah yang dibahas secara luas di populer. literatur ilmiah.
1.7. Identitas partikel elementer. Partikel dasar disebut partikel materi terkecil yang tidak dapat dibagi, dari mana seluruh dunia dibangun. Properti paling menakjubkan yang membedakan partikel-partikel ini dari partikel non-elemen biasa, misalnya, butiran pasir atau manik-manik, adalah bahwa semua partikel dasar dari jenis yang sama, misalnya, semua elektron di Semesta mutlak (!) Sama - identik. Dan sebagai akibatnya, keadaan terikat paling sederhana mereka identik satu sama lain - atom dan molekul paling sederhana.
1.8. Enam partikel dasar. Untuk memahami proses utama yang terjadi di Bumi dan di Matahari, cukup untuk memahami, sebagai perkiraan pertama, proses di mana enam partikel berpartisipasi: elektron e, proton p, neutron n dan elektron neutrino e , serta foton dan graviton g̃. Empat partikel pertama memiliki spin 1/2, foton memiliki spin 1, dan graviton memiliki 2. (Partikel dengan spin bilangan bulat disebut boson, partikel dengan spin setengah bilangan bulat disebut fermion. Lebih lanjut tentang spin akan dibahas nanti.) Proton dan neutron biasanya disebut nukleon karena inti atom dibangun dari mereka, dan nukleus dalam bahasa Inggris adalah nukleus. Elektron dan neutrino disebut lepton. Mereka tidak memiliki kekuatan nuklir yang kuat.
Karena interaksi graviton yang sangat lemah, tidak mungkin untuk mengamati graviton individu, tetapi melalui partikel-partikel inilah gravitasi dilakukan di alam. Sama seperti interaksi elektromagnetik yang dilakukan melalui foton.
1.9. Antipartikel. Elektron, proton, dan neutron memiliki apa yang disebut antipartikel: positron, antiproton, dan antineutron. Mereka tidak termasuk dalam komposisi materi biasa, karena ketika mereka bertemu dengan partikel yang sesuai, mereka masuk ke dalam reaksi pemusnahan timbal balik dengan mereka - pemusnahan. Dengan demikian, elektron dan positron memusnahkan menjadi dua atau tiga foton. Foton dan graviton adalah partikel yang benar-benar netral: mereka bertepatan dengan antipartikelnya. Apakah neutrino adalah partikel yang benar-benar netral masih belum diketahui.
1.10. Nukleon dan quark. Pada pertengahan abad ke-20, menjadi jelas bahwa nukleon itu sendiri terdiri dari partikel yang lebih elementer - quark dari dua jenis, yang menunjukkan kamu dan d: p = uud, n = ddu. Interaksi antar quark dilakukan oleh gluon. Antinukleon terdiri dari antiquark.
1.11. Tiga generasi fermion. Sebaik kamu, d, e, ve dua kelompok lain (atau, seperti yang mereka katakan, generasi) quark dan lepton ditemukan dan dipelajari: c, s, , dan t, b, , . Partikel-partikel ini tidak termasuk dalam komposisi materi biasa, karena mereka tidak stabil dan cepat meluruh menjadi partikel yang lebih ringan dari generasi pertama. Tetapi mereka memainkan peran penting pada saat-saat pertama keberadaan alam semesta.
Untuk pemahaman yang lebih lengkap dan mendalam tentang alam, diperlukan lebih banyak partikel dengan sifat yang lebih tidak biasa. Tapi, mungkin, di masa depan, semua keragaman ini akan direduksi menjadi beberapa entitas sederhana dan indah.
1.12. Hadron. Keluarga besar partikel yang terdiri dari quark dan/atau antiquark dan gluon disebut hadron. Semua hadron, kecuali nukleon, tidak stabil dan karenanya tidak masuk ke dalam komposisi materi biasa.
Seringkali, hadron juga disebut sebagai partikel elementer, karena mereka tidak dapat dibagi menjadi quark dan gluon bebas. (Saya juga, merujuk proton dan neutron ke enam partikel elementer pertama.) Jika semua hadron dianggap elementer, maka jumlah partikel elementer akan diukur dalam ratusan.
1.13. Model Standar dan empat jenis interaksi. Seperti yang akan dijelaskan di bawah, partikel elementer yang tercantum di atas memungkinkan, dalam kerangka apa yang disebut "Model Standar partikel elementer", untuk menggambarkan semua proses yang diketahui sejauh ini yang terjadi di alam sebagai akibat gravitasi, elektromagnetik , interaksi lemah dan kuat. Tetapi untuk memahami bagaimana dua yang pertama bekerja, empat partikel sudah cukup: foton, graviton, elektron, dan proton. Selain itu, fakta bahwa proton terdiri dari kamu- dan d-quark dan gluon, ternyata tidak signifikan. Tentu saja, tanpa interaksi yang lemah dan kuat, tidak mungkin untuk memahami bagaimana inti atom disusun, atau bagaimana Matahari kita bekerja. Tetapi bagaimana kulit atom disusun, yang menentukan semua sifat kimia unsur, bagaimana listrik bekerja dan bagaimana galaksi diatur, orang dapat mengerti.
1.14. Di luar yang diketahui. Kita sudah tahu hari ini bahwa partikel dan interaksi Model Standar tidak menghabiskan harta karun alam.
Telah ditetapkan bahwa atom dan ion biasa hanya menyusun kurang dari 20% dari semua materi di Semesta, dan lebih dari 80% adalah apa yang disebut materi gelap, yang sifatnya masih belum diketahui. Pendapat paling umum adalah bahwa materi gelap terdiri dari superpartikel. Ada kemungkinan bahwa itu terdiri dari partikel cermin.
Yang lebih mengejutkan lagi adalah kenyataan bahwa semua materi, baik yang terlihat (terang) maupun yang gelap, hanya membawa seperempat dari seluruh energi alam semesta. Tiga perempat milik apa yang disebut energi gelap.
1.15. partikel dasar "e untuk gelar" adalah fundamental. Ketika guru saya Isaak Yakovlevich Pomeranchuk ingin menekankan pentingnya sebuah pertanyaan, dia mengatakan bahwa pertanyaan e penting dalam derajat. Tentu saja, sebagian besar ilmu alam, dan bukan hanya fisika partikel elementer, bersifat fundamental. Fisika benda terkondensasi, misalnya, tunduk pada hukum dasar yang dapat digunakan tanpa harus mencari tahu bagaimana hukum tersebut mengikuti hukum fisika partikel. Tapi hukum relativitas dan mekanika kuantum " e sampai tingkat fundamental" dalam arti bahwa tidak ada hukum yang kurang umum yang dapat bertentangan dengannya.
1.16. Hukum dasar. Semua proses di alam terjadi sebagai akibat dari interaksi lokal dan pergerakan (distribusi) partikel elementer. Hukum dasar yang mengatur gerakan dan interaksi ini sangat tidak biasa dan sangat sederhana. Mereka didasarkan pada konsep simetri dan prinsip bahwa segala sesuatu yang tidak bertentangan dengan simetri dapat dan harus terjadi. Di bawah ini, dengan menggunakan bahasa diagram Feynman, kita akan menelusuri bagaimana hal ini diwujudkan dalam interaksi partikel gravitasi, elektromagnetik, lemah dan kuat.
2. Partikel dan kehidupan
2.1. Tentang peradaban dan budaya. Anggota asing dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia Valentin Telegdi (1922–2006) menjelaskan: “Jika WC (wadah air) adalah peradaban, maka kemampuan untuk menggunakannya adalah budaya.”
Peneliti ITEP A. A. Abrikosov Jr. menulis kepada saya baru-baru ini: “Salah satu tujuan laporan Anda adalah untuk meyakinkan audiens yang tinggi tentang perlunya mengajar fisika modern secara lebih luas. Jika demikian, maka mungkin akan bermanfaat untuk memberikan beberapa contoh sehari-hari. maksud saya berikut ini:
Kita hidup di dunia yang tidak terpikirkan bahkan pada tingkat sehari-hari tanpa mekanika kuantum (QM) dan teori relativitas (RT). Ponsel, komputer, semua elektronik modern, belum lagi lampu LED, laser semikonduktor (termasuk pointer), layar LCD pada dasarnya adalah perangkat kuantum. Tidak mungkin menjelaskan cara kerjanya tanpa konsep dasar QM. Dan bagaimana Anda menjelaskannya tanpa menyebutkan tunneling?
Contoh kedua, mungkin saya tahu dari Anda. Navigator satelit dipasang di setiap mobil ke-10. Keakuratan sinkronisasi jam di jaringan satelit tidak kurang dari 10 8 (ini sesuai dengan kesalahan urutan meter dalam pelokalan objek di permukaan bumi). Keakuratan seperti itu memerlukan mempertimbangkan koreksi TO pada jam pada satelit yang bergerak. Mereka mengatakan bahwa para insinyur tidak dapat mempercayainya, sehingga perangkat pertama memiliki program ganda: dengan dan tanpa koreksi. Ternyata, program pertama bekerja lebih baik. Berikut ini adalah uji teori relativitas di tingkat rumah tangga.
Tentu saja, berbicara di telepon, mengendarai mobil, dan mengetik tombol komputer dapat dilakukan tanpa ilmu pengetahuan yang tinggi. Tetapi tidak mungkin bahwa akademisi harus mendesak untuk tidak belajar geografi, karena "ada taksi."
Dan kemudian mereka berbicara dengan anak sekolah, dan kemudian kepada siswa selama lima tahun tentang poin materi dan relativitas Galilea, dan tiba-tiba, tanpa alasan yang jelas, mereka mengatakan bahwa ini "tidak sepenuhnya benar."
Sulit untuk berubah dari dunia visual Newtonian ke dunia kuantum, bahkan di Institut Fisika. Milikmu, AAA."
2.2. Tentang fisika dan pendidikan dasar. Sayangnya, sistem pendidikan modern telah tertinggal di belakang fisika fundamental modern selama satu abad penuh. Dan mayoritas orang (termasuk mayoritas pekerja ilmiah) tidak tahu tentang gambaran (peta) dunia yang sangat jelas dan sederhana itu, yang diciptakan oleh fisika partikel elementer. Peta ini membuatnya lebih mudah untuk dinavigasi dalam semua ilmu alam. Tujuan laporan saya adalah untuk meyakinkan Anda bahwa beberapa elemen (konsep) fisika partikel dasar, teori relativitas, dan teori kuantum dapat dan harus menjadi dasar untuk mengajar semua mata pelajaran ilmu alam, tidak hanya di tingkat yang lebih tinggi, tetapi juga di tingkat menengah dan atas. bahkan sekolah dasar. Lagi pula, pada dasarnya konsep-konsep baru paling mudah dikuasai justru di masa kanak-kanak. Anak dengan mudah menguasai bahasa, menguasai dengan ponsel. Banyak anak mengembalikan kubus Rubik ke keadaan semula dalam hitungan detik, dan bahkan sehari pun tidak cukup bagi saya.
Untuk menghindari kejutan yang tidak menyenangkan di masa depan, perlu untuk meletakkan pandangan dunia yang memadai di taman kanak-kanak. Konstanta c dan h harus menjadi alat pengetahuan bagi anak-anak.
2.3. Tentang matematika. Matematika - ratu dan pelayan semua ilmu - tentu harus berfungsi sebagai alat utama pengetahuan. Ini memberikan konsep dasar seperti kebenaran, keindahan, simetri, keteraturan. konsep nol dan tak terhingga. Matematika mengajarkan Anda untuk berpikir dan berhitung. Fisika dasar tidak terpikirkan tanpa matematika. Pendidikan tidak terpikirkan tanpa matematika. Tentu saja, mungkin terlalu dini untuk mempelajari teori kelompok di sekolah, tetapi Anda perlu mengajari Anda untuk menghargai kebenaran, keindahan, simetri, dan keteraturan (dan beberapa ketidakteraturan pada saat yang bersamaan).
Sangat penting untuk memahami transisi dari bilangan real (riil) (sederhana, rasional, irasional) ke bilangan imajiner dan kompleks. Mungkin, hanya siswa yang ingin bekerja di bidang matematika dan fisika teoretis yang harus mempelajari bilangan hiperkompleks (quaternions dan octonions). Dalam pekerjaan saya, misalnya, saya tidak pernah menggunakan oktonion. Tetapi saya tahu bahwa mereka membuatnya lebih mudah untuk memahami yang paling menjanjikan, menurut banyak fisikawan teoretis, grup simetri luar biasa E 8 .
2.4. Tentang pandangan dunia dan ilmu alam. Gagasan tentang hukum dasar yang mengatur dunia diperlukan dalam semua ilmu alam. Tentu saja, fisika keadaan padat, kimia, biologi, ilmu bumi, dan astronomi memiliki konsep, metode, dan masalah khusus mereka sendiri. Tetapi sangat penting untuk memiliki peta umum dunia dan pemahaman bahwa ada banyak titik kosong yang tidak diketahui di peta ini. Sangat penting untuk memahami bahwa sains bukanlah dogma yang kaku, tetapi proses hidup untuk mendekati kebenaran di banyak titik di peta dunia. Pendekatan kebenaran adalah proses asimtotik.
2.5. Tentang reduksionisme yang benar dan vulgar. Gagasan bahwa struktur yang lebih kompleks di alam terdiri dari struktur yang kurang kompleks dan, pada akhirnya, elemen yang paling sederhana, biasanya disebut reduksionisme. Dalam pengertian ini, apa yang saya coba yakinkan kepada Anda adalah reduksionisme. Tetapi reduksionisme vulgar, yang mengklaim bahwa semua ilmu dapat direduksi menjadi fisika partikel elementer, sama sekali tidak dapat diterima. Pada setiap tingkat kerumitan yang semakin tinggi, polanya sendiri terbentuk dan muncul. Anda tidak perlu tahu fisika partikel untuk menjadi ahli biologi yang baik. Tetapi untuk memahami tempat dan perannya dalam sistem ilmu pengetahuan, untuk memahami peran kunci dari konstanta c dan h diperlukan. Bagaimanapun, sains secara keseluruhan adalah organisme tunggal.
2.6. Tentang humaniora dan ilmu-ilmu sosial. Gagasan umum tentang struktur dunia sangat penting bagi ekonomi, dan bagi sejarah, dan bagi ilmu-ilmu kognitif, seperti ilmu bahasa, dan bagi filsafat. Dan sebaliknya - ilmu-ilmu ini sangat penting untuk fisika paling mendasar, yang terus-menerus menyempurnakan konsep dasarnya. Ini akan terlihat dari pertimbangan teori relativitas, yang sekarang saya tuju. Secara khusus saya akan menyebutkan ilmu-ilmu hukum, yang sangat penting bagi kemakmuran (belum lagi kelangsungan hidup) ilmu-ilmu alam. Saya yakin bahwa hukum sosial tidak boleh bertentangan dengan hukum alam yang mendasar. Hukum manusia tidak boleh bertentangan dengan Hukum Alam Ilahi.
2.7. Mikro-, Makro-, Kosmo-. Dunia biasa kita yang besar, tetapi tidak raksasa, biasanya disebut makrokosmos. Dunia benda-benda langit dapat disebut dunia kosmik, dan dunia partikel atom dan subatomik disebut dunia mikro. (Karena ukuran atom sekitar 10 10 m, dunia mikro berarti objek setidaknya 4 atau bahkan 10 kali lipat lebih kecil dari mikrometer, dan 1–7 kali lipat lebih kecil dari nanometer. Area modis nano terletak di jalan dari mikro ke makro.) Pada abad ke-20, apa yang disebut Model Standar partikel elementer dibangun, yang memungkinkan Anda untuk secara sederhana dan jelas memahami banyak hukum makro dan kosmos berdasarkan hukum mikro .
2.8. model kami. Model dalam fisika teoretis dibangun dengan membuang keadaan yang tidak esensial. Misalnya, dalam fisika atom dan nuklir, interaksi gravitasi partikel dapat diabaikan, dan mereka dapat diabaikan. Model dunia seperti itu cocok dengan teori relativitas khusus. Model ini memiliki atom, molekul, benda padat,... akselerator dan penumbuk, tetapi tidak ada Matahari dan bintang.
Model seperti itu tentu akan salah pada skala yang sangat besar di mana gravitasi sangat penting.
Tentu saja, untuk keberadaan CERN, keberadaan Bumi (dan, akibatnya, gravitasi) diperlukan, tetapi untuk memahami sebagian besar eksperimen yang dilakukan di CERN (kecuali untuk pencarian "lubang hitam" mikroskopis di penabrak). , gravitasi tidak penting.
2.9. Urutan besarnya. Salah satu kesulitan dalam memahami sifat-sifat partikel elementer adalah karena mereka sangat kecil dan jumlahnya banyak. Ada sejumlah besar atom dalam sesendok air (sekitar 10 23). Jumlah bintang di bagian alam semesta yang terlihat tidak jauh lebih sedikit. Jumlah besar tidak perlu ditakuti. Lagi pula, tidak sulit untuk menghadapinya, karena penggandaan angka terutama disebabkan oleh penambahan pesanan mereka: 1 \u003d 10 0, 10 \u003d 10 1, 100 \u003d 10 2. Kalikan 10 dengan 100, kita mendapatkan 10 1+2 = 10 3 = 1000.
2.10. Setetes minyak. Jika setetes minyak dengan volume 1 mililiter dijatuhkan ke permukaan air, maka akan menyebar ke titik pelangi dengan luas sekitar beberapa meter persegi dan ketebalan sekitar seratus nanometer. Ini hanya tiga kali lipat lebih besar dari ukuran atom. Dan ketebalan film gelembung sabun di tempat tertipis adalah urutan ukuran molekul.
2.11. Joule. Baterai AA tipikal memiliki tegangan 1,5 volt (V) dan mengandung 10 4 joule (J) energi listrik. Biarkan saya mengingatkan Anda bahwa 1 J \u003d 1 liontin × 1 V, dan juga 1 J \u003d kg m 2 / s 2 dan bahwa percepatan gravitasi sekitar 10 m / s 2. Jadi 1 joule memungkinkan Anda untuk mengangkat 1 kilogram hingga ketinggian 10 cm, dan 10 4 J akan mengangkat 100 kg hingga 10 meter. Ini adalah berapa banyak energi yang dikonsumsi lift untuk membawa seorang siswa ke lantai sepuluh. Itulah berapa banyak energi yang ada di baterai.
2.12. Elektronvolt. Satuan energi dalam fisika partikel elementer adalah elektron volt (eV): energi 1 eV diperoleh oleh 1 elektron yang melewati beda potensial 1 volt. Karena ada 6,24 × 10 18 elektron dalam satu liontin, maka 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.
Biarkan saya mengingatkan Anda bahwa energi satu proton di CERN Large Hadron Collider harus sama dengan 7 TeV.
3. Tentang teori relativitas
3.1. Sistem referensi. Kami menjelaskan semua percobaan kami dalam satu atau sistem referensi lain. Sistem referensi dapat berupa laboratorium, kereta api, satelit Bumi, pusat galaksi... . Setiap partikel yang terbang, misalnya, dalam akselerator partikel, juga bisa menjadi sistem referensi. Karena semua sistem ini bergerak relatif satu sama lain, tidak semua eksperimen akan terlihat sama di dalamnya. Selain itu, pengaruh gravitasi benda-benda masif terdekat juga berbeda di dalamnya. Pertimbangan atas perbedaan-perbedaan inilah yang merupakan isi utama teori relativitas.
3.2. Kapal Galileo. Galileo merumuskan prinsip relativitas, dengan penuh warna menggambarkan semua jenis eksperimen di kabin kapal layar yang mulus. Jika jendela ditutup, tidak mungkin untuk mengetahui dengan bantuan eksperimen ini seberapa cepat kapal bergerak dan apakah kapal itu diam. Einstein menambahkan eksperimen dengan kecepatan cahaya terbatas ke kabin ini. Jika Anda tidak melihat ke luar jendela, Anda tidak dapat mengetahui kecepatan kapal. Tetapi jika Anda melihat ke pantai, Anda bisa.
3.3. Bintang jauh*. Masuk akal untuk memilih kerangka acuan seperti itu, sehubungan dengan mana orang dapat merumuskan hasil eksperimen mereka, di mana pun mereka berada. Untuk sistem referensi universal seperti itu, sistem di mana bintang-bintang jauh tidak bergerak telah lama diterima. Dan relatif baru-baru ini (setengah abad yang lalu) bahkan quasar yang lebih jauh ditemukan dan ternyata latar belakang gelombang mikro peninggalan harus isotropik dalam sistem ini.
3.4. Mencari kerangka acuan universal*. Intinya, seluruh sejarah astronomi adalah kemajuan menuju kerangka acuan yang semakin universal. Dari antroposentris, di mana manusia berada di tengah, hingga geosentris, di mana Bumi diam di tengah (Ptolemy, 87–165), hingga heliosentris, di mana Matahari diam di pusat (Copernicus, 1473–1543), ke halacentric, di mana pusat Galaksi kita berada, ke nebular, di mana sistem nebula - gugusan galaksi berada, ke latar belakang, di mana latar belakang gelombang mikro kosmik adalah isotropik. Akan tetapi, penting bahwa kecepatan kerangka acuan ini kecil dibandingkan dengan kecepatan cahaya.
3.5. Copernicus, Kepler, Galileo, Newton*. Dalam buku Nicolaus Copernicus "On the rotations of the celestial spheres", yang diterbitkan pada tahun 1543, dikatakan: "Semua gerakan yang diperhatikan oleh Matahari bukanlah karakteristiknya, tetapi milik Bumi dan bola kita, bersama-sama kita berputar mengelilingi Matahari, seperti planet lain; dengan demikian bumi memiliki beberapa gerakan. Gerakan maju dan mundur yang nyata dari planet-planet bukan milik mereka, tetapi milik Bumi. Dengan demikian, gerakan ini saja sudah cukup untuk menjelaskan banyaknya ketidakteraturan yang terlihat di langit.
Copernicus dan Kepler (1571-1630) memberikan deskripsi fenomenologis sederhana dari kinematika gerakan ini. Galileo (1564-1642) dan Newton (1643-1727) menjelaskan dinamika mereka.
3.6. Ruang dan waktu universal*. Koordinat spasial dan waktu yang terkait dengan sistem referensi universal dapat disebut universal atau mutlak selaras dengan teori relativitas. Penting untuk ditekankan bahwa pilihan sistem ini dibuat dan disepakati oleh pengamat lokal. Setiap kerangka acuan yang secara progresif bergerak relatif terhadap kerangka universal adalah inersia: gerak bebas di dalamnya seragam dan bujursangkar.
3.7. "Teori Invarian"*. Perhatikan bahwa baik Albert Einstein (1879–1955) dan Max Planck (1858–1947) (yang memperkenalkan istilah “teori relativitas” pada tahun 1907, menyebutnya sebagai teori yang dikemukakan oleh Einstein pada tahun 1905) percaya bahwa istilah “invarians teori” dapat lebih akurat mencerminkan esensinya. Namun, tampaknya, pada awal abad ke-20, lebih penting untuk menekankan relativitas konsep-konsep seperti waktu dan keserentakan dalam kerangka acuan inersia yang sama daripada memilih salah satu kerangka ini. Lebih penting lagi bahwa dengan jendela bertirai kabin Galileo, mustahil untuk menentukan kecepatan kapal. Tapi sekarang saatnya untuk membuka tirai dan melihat ke pantai. Pada saat yang sama, tentu saja, semua pola yang dibuat dengan tirai tertutup akan tetap tak tergoyahkan.
3.8. Surat untuk Chimmer*. Pada tahun 1921, Einstein, dalam sepucuk surat kepada E. Chimmer, penulis buku "Philosophical Letters", menulis: "Adapun istilah "teori relativitas", saya akui itu tidak berhasil dan mengarah pada kesalahpahaman filosofis." Namun untuk mengubahnya, menurut Einstein, sudah terlambat, khususnya, karena sudah meluas. Surat ini diterbitkan dalam volume ke-12 dari 25 volume Collected Works of Einstein yang diterbitkan di Princeton, diterbitkan pada musim gugur 2009.
3.9. Kecepatan maksimum di alam. Konstanta kunci dari teori relativitas adalah kecepatan cahaya c\u003d 300.000 km / dtk \u003d 3 × 108 m / dtk. (Lebih akurat, c= 299 792 458 m/s. Dan angka ini sekarang mendasari definisi meter.) Kecepatan ini adalah kecepatan maksimum propagasi sinyal apa pun di alam. Ini jauh lebih tinggi daripada kecepatan benda-benda masif yang kita hadapi setiap hari. Nilainya yang luar biasa besarlah yang menghalangi pemahaman tentang isi utama teori relativitas. Partikel yang bergerak dengan kecepatan orde kecepatan cahaya disebut relativistik.
3.10. Energi, momentum dan kecepatan. Gerak bebas partikel dicirikan oleh energi partikel E dan momentumnya p. Menurut teori relativitas, kecepatan partikel v ditentukan oleh rumus
Salah satu alasan utama kebingungan terminologi yang dibahas dalam Sect. 3.14 terletak pada kenyataan bahwa ketika membuat teori relativitas, mereka mencoba mempertahankan hubungan Newtonian antara momentum dan kecepatan p = mv, yang bertentangan dengan teori relativitas.
3.11. Bobot. Massa partikel m ditentukan oleh rumus
Sementara energi dan momentum partikel bergantung pada kerangka acuan, nilai massanya m tidak tergantung pada sistem referensi. Dia adalah seorang invarian. Rumus (1) dan (2) adalah dasar dalam teori relativitas.
Anehnya, monografi pertama tentang teori relativitas, di mana rumus (2) muncul, diterbitkan hanya pada tahun 1941. Itu adalah "Teori Lapangan" oleh L. Landau (1908–1968) dan E. Lifshitz (1915–1985) . Saya tidak menemukannya di salah satu karya Einstein. Hal ini tidak ada dalam buku yang luar biasa "The Theory of Relativity" oleh W. Pauli (1900–1958), yang diterbitkan pada tahun 1921. Tetapi persamaan gelombang relativistik yang mengandung rumus ini ada dalam buku "Principles of Quantum Mechanics" oleh P. Dirac, diterbitkan pada tahun 1930 (1902–1984), dan bahkan sebelumnya dalam artikel tahun 1926 oleh O. Klein (1894–1977) dan W. Fock (1898–1974).
3.12. Foton tak bermassa. Jika massa partikel adalah nol, yaitu partikel tidak bermassa, maka dari rumus (1) dan (2) dapat disimpulkan bahwa dalam setiap kerangka acuan kecepatannya sama dengan c. Karena massa partikel cahaya - foton - sangat kecil sehingga tidak dapat dideteksi, secara umum diterima bahwa itu sama dengan nol dan c adalah kecepatan cahaya.
3.13. Energi perdamaian. Jika massa partikel tidak nol, maka pertimbangkan kerangka acuan di mana partikel bebas diam dan di dekatnya v = 0, p= 0. Kerangka acuan seperti itu disebut kerangka diam partikel, dan energi partikel dalam kerangka ini disebut energi diam dan dilambangkan E0. Dari rumus (2) berikut bahwa
Rumus ini mengungkapkan hubungan antara energi diam dari partikel masif dan massanya, yang ditemukan oleh Einstein pada tahun 1905.
3.14. "Formula paling terkenal." Sayangnya, sangat sering rumus Einstein ditulis dalam bentuk "rumus paling terkenal" E=mc2”, menghilangkan indeks nol dari energi diam, yang menyebabkan banyak kesalahpahaman dan kebingungan. Lagi pula, "rumus terkenal" ini mengidentifikasi energi dan massa, yang bertentangan dengan teori relativitas secara umum dan rumus (2) pada khususnya. Dari sini muncul kesalahpahaman yang tersebar luas bahwa massa suatu benda, menurut teori relativitas, diduga tumbuh dengan peningkatan kecepatannya. Dalam beberapa tahun terakhir, Akademi Pendidikan Rusia telah berbuat banyak untuk menghilangkan kesalahpahaman ini.
3.15. Satuan kecepatan*. Dalam teori relativitas, yang berhubungan dengan kecepatan yang sebanding dengan kecepatan cahaya, adalah wajar untuk memilih c sebagai satuan kecepatan. Pilihan ini menyederhanakan semua rumus, karena c/c= 1, dan kita harus memasukkannya c= 1. Dalam hal ini, kecepatan menjadi besaran tak berdimensi, jarak berdimensi waktu, dan massa berdimensi energi.
Dalam fisika partikel dasar, massa partikel biasanya diukur dalam elektronvolt - eV dan turunannya (lihat Bagian 2.14). Massa elektron sekitar 0,5 MeV, massa proton sekitar 1 GeV, massa quark terberat sekitar 170 GeV, dan massa neutrino sekitar pecahan eV.
3.16. Jarak astronomis*. Dalam astronomi, jarak diukur dalam tahun cahaya. Ukuran bagian alam semesta yang terlihat adalah sekitar 14 miliar tahun cahaya. Angka ini bahkan lebih mengesankan jika dibandingkan dengan waktu 10 24 detik yang dibutuhkan cahaya untuk menempuh jarak dalam urutan ukuran proton. Dan dalam semua rentang kolosal ini, teori relativitas bekerja.
3.17. Dunia Minkowski. Pada tahun 1908, beberapa bulan sebelum kematiannya yang terlalu dini, Hermann Minkowski (1864-1909) secara nubuat mengatakan: “Pandangan tentang ruang dan waktu yang ingin saya kembangkan sebelum Anda muncul secara fisik eksperimental. Ini adalah kekuatan mereka. Tren mereka radikal. Mulai sekarang, ruang dengan sendirinya dan waktu dengan sendirinya harus berubah menjadi fiksi, dan hanya beberapa jenis kombinasi keduanya yang harus tetap mempertahankan independensinya.
Satu abad kemudian, kita tahu bahwa waktu dan ruang tidak menjadi fiksi, tetapi ide Minkowski memungkinkan untuk menggambarkan gerakan dan interaksi partikel materi dengan cara yang sangat sederhana.
3.18. dunia 4D*. Dalam satuan di mana c= 1, gagasan tentang dunia Minkowski terlihat sangat indah, yang menggabungkan waktu dan ruang tiga dimensi menjadi satu dunia empat dimensi. Energi dan momentum kemudian digabungkan menjadi satu vektor empat dimensi, dan massa, sesuai dengan persamaan (2), berfungsi sebagai panjang pseudo-Euclidean dari vektor 4-energi-momentum ini. p = E, p:
Lintasan empat dimensi di dunia Minkowski disebut garis dunia, dan titik individu disebut titik dunia.
3.19. Ketergantungan clock rate pada kecepatannya**. Banyak pengamatan menunjukkan bahwa jam berjalan paling cepat ketika mereka diam sehubungan dengan kerangka inersia. Gerakan terbatas dalam kerangka acuan inersia memperlambat kemajuan mereka. Semakin cepat mereka bergerak di ruang angkasa, semakin lambat mereka bergerak dalam waktu. Deselerasi adalah mutlak dalam kerangka acuan universal (lihat Bagian 3.1–3.8). Ukurannya adalah rasio e/m, yang sering dilambangkan dengan huruf .
3.20. Muon dalam akselerator ring dan dalam keadaan diam**. Adanya deselerasi ini dapat dilihat dengan jelas dengan membandingkan masa hidup muon yang diam dan muon yang berputar dalam akselerator cincin. Fakta bahwa dalam akselerator, muon tidak bergerak sepenuhnya dengan bebas, tetapi memiliki percepatan sentripetal 2 R, di mana ω adalah frekuensi radial revolusi, dan R adalah jari-jari orbit, hanya memberikan koreksi yang dapat diabaikan, karena E/ω 2 R = ER>> 1. Pergerakan sepanjang lingkaran, dan bukan sepanjang garis lurus, sangat penting untuk perbandingan langsung muon yang berputar dengan muon yang diam. Tetapi sejauh menyangkut laju penuaan muon yang bergerak, busur lingkaran dengan jari-jari yang cukup besar tidak dapat dibedakan dari garis lurus. Tingkat ini ditentukan oleh rasio e/m. (Saya tekankan bahwa menurut teori relativitas khusus, kerangka acuan di mana muon yang berputar diam bukanlah inersia.)
3.21. busur dan akord**. Dari sudut pandang seorang pengamat yang diam dalam kerangka acuan inersia, busur lingkaran dengan jari-jari yang cukup besar dan tali busurnya praktis tidak dapat dibedakan: gerakan sepanjang busur hampir inersia. Dari sudut pandang pengamat yang diam relatif terhadap muon yang terbang dalam lingkaran, gerakannya pada dasarnya non-inersia. Bagaimanapun, kecepatannya berubah dalam setengah putaran. (Bagi pengamat yang bergerak, bintang-bintang yang jauh sama sekali tidak diam. Baginya, seluruh Alam Semesta adalah asimetris: bintang-bintang di depan berwarna biru dan di belakang berwarna merah. Sedangkan bagi kita semuanya sama - keemasan, karena kecepatan matahari sistem rendah.) Dan non-kelembaman pengamat ini memanifestasikan dirinya dalam konstelasi di depan dan di belakang berubah saat muon bergerak di akselerator cincin. Kita tidak dapat menganggap pengamat yang diam dan yang bergerak itu setara, karena yang pertama tidak mengalami percepatan apa pun, dan yang kedua, untuk kembali ke titik pertemuan, harus mengalaminya.
3.22. Relativitas umum**. Fisikawan teoretis, yang terbiasa dengan bahasa Teori Relativitas Umum (GR), bersikeras bahwa semua kerangka acuan adalah sama. Tidak hanya inersia, tetapi juga dipercepat. Ruang-waktu itu sendiri melengkung. Dalam hal ini, interaksi gravitasi berhenti menjadi interaksi fisik yang sama dengan elektromagnetik, lemah dan kuat, dan menjadi manifestasi luar biasa dari ruang melengkung. Alhasil, seluruh fisika bagi mereka seolah terbelah menjadi dua bagian. Jika kita berangkat dari fakta bahwa percepatan selalu disebabkan oleh interaksi, bahwa itu tidak relatif, tetapi mutlak, maka fisika menjadi satu dan sederhana.
3.23. "Lenkom". Penggunaan kata "relativitas" dan "relativisme" dalam kaitannya dengan kecepatan cahaya mengingatkan pada nama teater "Lenkom" atau surat kabar "Moskovsky Komsomolets", hanya secara genealogis terhubung dengan Komsomol. Ini adalah paradoks bahasa. Kecepatan cahaya dalam ruang hampa tidaklah relatif. Dia mutlak. Hanya fisikawan yang membutuhkan bantuan ahli bahasa.
4. Tentang teori kuantum
4.1. konstanta Planck. Jika dalam teori relativitas konstanta kuncinya adalah kecepatan cahaya c, maka konstanta kunci dalam mekanika kuantum adalah h= 6,63 10 34 J s, ditemukan oleh Max Planck pada tahun 1900. Arti fisik dari konstanta ini akan menjadi jelas dari presentasi berikut. Untuk sebagian besar, apa yang disebut konstanta Planck tereduksi muncul dalam rumus mekanika kuantum:
ħ = j/2π= 1,05 10 34 J × c= 6,58 10 22 MeV s.
Dalam banyak fenomena, peran penting dimainkan oleh kuantitas c= 1,97 10 11 MeV cm.
4.2. Putaran elektron. Mari kita mulai dengan perbandingan naif yang terkenal antara atom dengan sistem planet. Planet-planet berputar mengelilingi Matahari dan mengelilingi porosnya sendiri. Demikian pula, elektron berputar di sekitar nukleus dan di sekitar sumbunya sendiri. Rotasi elektron dalam orbit ditandai dengan momentum sudut orbital L(Hal ini sering dan tidak cukup tepat disebut momentum sudut orbital). Rotasi elektron di sekitar sumbunya sendiri dicirikan oleh momentum sudutnya sendiri - spin S. Ternyata semua elektron di dunia memiliki spin yang sama dengan (1/2) ħ . Sebagai perbandingan, kami mencatat bahwa "putaran" Bumi adalah 6 10 33 m 2 kg / s = 6 10 67 ħ .
4.3. atom hidrogen. Faktanya, atom bukanlah sistem planet, dan elektron bukanlah partikel biasa yang bergerak dalam orbit. Sebuah elektron, seperti semua partikel elementer lainnya, bukanlah partikel sama sekali dalam arti kata sehari-hari, yang menyiratkan bahwa partikel harus bergerak sepanjang lintasan tertentu. Dalam atom paling sederhana - atom hidrogen, jika dalam keadaan dasar, yaitu, tidak tereksitasi, elektron lebih menyerupai awan bola dengan radius orde 0,5 10 10 m. Saat atom tereksitasi, elektron melewati ke negara yang lebih tinggi dan lebih tinggi, yang semakin besar.
4.4. Bilangan kuantum elektron Tanpa memperhitungkan spin, gerakan elektron dalam atom dicirikan oleh dua bilangan kuantum: bilangan kuantum utama n dan bilangan kuantum orbital aku, lebih-lebih lagi n ≥ aku. Jika sebuah aku= 0, maka elektron adalah awan simetris bola. Semakin besar n, semakin besar ukuran awan ini. Lebih aku, semakin mirip gerakan elektron dengan gerakan partikel klasik dalam orbitnya. Energi ikat elektron yang terletak pada atom hidrogen pada kulit dengan bilangan kuantum n, adalah sama dengan
di mana α =e 2/c 1/137, e adalah muatan elektron.
4.5. Atom multi-elektron. Spin memainkan peran kunci dalam mengisi kulit elektron atom multielektron. Faktanya adalah bahwa dua elektron dengan arah rotasi yang sama (arah putaran yang sama) tidak dapat berada pada kulit yang sama dengan nilai yang diberikan. n dan aku. Ini dilarang oleh apa yang disebut prinsip Pauli (1900–1958). Pada dasarnya, prinsip Pauli menentukan periode Tabel Periodik Unsur Mendeleev (1834–1907).
4.6. Boson dan fermion. Semua partikel elementer memiliki spin. Jadi, putaran foton adalah 1 dalam satuan ħ , putaran graviton adalah 2. Partikel dengan putaran bilangan bulat dalam satuan ħ disebut boson. Partikel dengan putaran setengah bilangan bulat disebut fermion. Boson adalah kolektivis: "mereka semua cenderung tinggal di ruangan yang sama", berada dalam keadaan kuantum yang sama. Laser didasarkan pada properti foton ini: semua foton dalam sinar laser memiliki momentum yang persis sama. Fermion adalah individualis: "masing-masing membutuhkan apartemen terpisah." Sifat elektron ini menentukan pola pengisian kulit elektron atom.
4.7. "Centaurus kuantum". Partikel dasar seperti centaurus kuantum: setengah partikel - setengah gelombang. Karena sifat gelombangnya, centaurus kuantum, tidak seperti partikel klasik, dapat melewati dua celah sekaligus, menghasilkan pola interferensi pada layar di belakangnya. Semua upaya untuk menempatkan centaurus kuantum di tempat tidur Procrustean dari konsep fisika klasik telah terbukti sia-sia.
4.8. Hubungan ketidakpastian. Konstan ħ menentukan fitur tidak hanya rotasi, tetapi juga gerak translasi partikel elementer. Ketidakpastian posisi dan momentum partikel harus memenuhi apa yang disebut hubungan ketidakpastian Heisenberg (1901–1976), seperti
Hubungan serupa ada untuk energi dan waktu:
4.9. Mekanika kuantum. Baik kuantisasi spin dan hubungan ketidakpastian adalah manifestasi khusus dari hukum umum mekanika kuantum, yang dibuat pada tahun 1920-an. Menurut mekanika kuantum, setiap partikel elementer, misalnya elektron, adalah partikel elementer dan gelombang elementer (partikel tunggal). Selain itu, tidak seperti gelombang biasa, yang merupakan gerakan periodik dari sejumlah besar partikel, gelombang elementer adalah jenis gerakan partikel individual yang sebelumnya tidak diketahui. Panjang gelombang dasar dari sebuah partikel dengan momentum p sama dengan = h/|p|, dan frekuensi dasar ν sesuai dengan energi E, adalah sama dengan = E/h.
4.10. teori medan kuantum. Jadi, pada awalnya kami dipaksa untuk mengakui bahwa partikel dapat ringan dan bahkan tidak bermassa, dan kecepatannya tidak dapat melebihi c. Kemudian kami dipaksa untuk mengakui bahwa partikel bukanlah partikel sama sekali, tetapi hibrida partikel dan gelombang yang khas, yang perilakunya digabungkan oleh kuantum. h. Penyatuan teori relativitas dan mekanika kuantum dilakukan oleh Dirac (1902-1984) pada tahun 1930 dan berujung pada terciptanya sebuah teori yang disebut teori medan kuantum. Teori inilah yang menjelaskan sifat-sifat dasar materi.
4.11. Unit di mana c, ħ = 1. Berikut ini, sebagai aturan, kita akan menggunakan satuan seperti di mana satuan kecepatan diambil menjadi c, dan per satuan momentum sudut (aksi) - ħ . Dalam unit ini, semua formula sangat disederhanakan. Di dalamnya, khususnya, dimensi energi, massa, dan frekuensi adalah sama. Satuan ini diterima dalam fisika energi tinggi, karena fenomena kuantum dan relativistik sangat penting di dalamnya. Dalam kasus-kasus ketika perlu untuk menekankan sifat kuantum dari fenomena tertentu, kami akan secara eksplisit menulis ħ . Kami akan melakukan hal yang sama dengan c.
4.12. Einstein dan mekanika kuantum*. Einstein, dalam arti tertentu, setelah melahirkan mekanika kuantum, tidak mendamaikan dirinya dengannya. Dan sampai akhir hayatnya ia mencoba membangun “unified theory of everything” atas dasar teori medan klasik, mengabaikan ħ . Einstein percaya pada determinisme klasik dan tidak dapat diterimanya keacakan. Dia mengulangi tentang Tuhan: "Dia tidak bermain dadu." Dan dia tidak dapat menerima fakta bahwa momen peluruhan partikel individu tidak dapat diprediksi secara prinsip, meskipun masa hidup rata-rata satu atau beberapa jenis partikel diprediksi dalam kerangka mekanika kuantum dengan akurasi yang belum pernah terjadi sebelumnya. Sayangnya, kecanduannya menentukan pandangan begitu banyak orang.
5. Diagram Feynman
5.1. Diagram paling sederhana. Interaksi partikel mudah dilihat menggunakan diagram yang diusulkan oleh Richard Feynman (1918–1988) pada tahun 1949. Gambar 1 menunjukkan diagram Feynman paling sederhana yang menggambarkan interaksi elektron dan proton dengan bertukar foton.
Panah pada gambar menunjukkan arah aliran waktu untuk setiap partikel.
5.2. partikel nyata. Setiap proses sesuai dengan satu atau lebih diagram Feynman. Garis luar pada diagram sesuai dengan partikel masuk (sebelum interaksi) dan partikel keluar (setelah interaksi) yang bebas. 4-momenta p mereka memenuhi persamaan
Mereka disebut partikel nyata dan dikatakan berada di permukaan massa.
5.3. partikel maya. Garis bagian dalam diagram sesuai dengan partikel dalam keadaan virtual. Untuk mereka
Mereka disebut partikel virtual dan dikatakan off-shell. Perambatan partikel maya digambarkan dengan besaran matematis yang disebut penyebar.
Terminologi umum ini dapat mengarahkan pemula pada gagasan bahwa partikel virtual lebih sedikit material daripada partikel nyata. Pada kenyataannya, mereka sama-sama material, tetapi kita menganggap partikel nyata sebagai materi dan radiasi, dan partikel virtual - terutama sebagai medan gaya, meskipun perbedaan ini sebagian besar bersifat arbitrer. Adalah penting bahwa partikel yang sama, misalnya, foton atau elektron, dapat nyata dalam kondisi tertentu dan maya dalam kondisi lain.
5.4. Sudut. Titik-titik dari diagram menggambarkan tindakan lokal dari interaksi elementer antara partikel. Di setiap titik, 4-momentum dilestarikan. Sangat mudah untuk melihat bahwa jika tiga garis partikel stabil bertemu di satu titik, maka setidaknya salah satu dari mereka harus virtual, yaitu, harus berada di luar kulit massa: "Bolivar tidak dapat menghancurkan tiga." (Misalnya, elektron bebas tidak dapat memancarkan foton bebas dan tetap menjadi elektron bebas.)
Dua partikel nyata berinteraksi pada jarak tertentu, bertukar satu atau lebih partikel maya.
5.5. menyebar. Jika partikel nyata dikatakan bergerak, maka partikel virtual dikatakan merambat. Istilah "propagasi" menekankan fakta bahwa partikel virtual dapat memiliki banyak lintasan, dan mungkin tidak satupun dari mereka yang klasik, seperti foton virtual dengan energi nol dan momentum bukan nol, yang menggambarkan interaksi Coulomb statis.
5.6. Antipartikel. Sebuah properti yang luar biasa dari diagram Feynman adalah bahwa mereka menggambarkan kedua partikel dan antipartikel yang sesuai dengan cara yang terpadu. Dalam hal ini, antipartikel terlihat seperti partikel yang bergerak mundur dalam waktu. pada gambar. Gambar 2 menunjukkan diagram yang menunjukkan produksi proton dan antiproton selama pemusnahan elektron dan positron.
Pembalikan waktu berlaku sama untuk fermion dan boson. Itu membuat interpretasi positron tidak perlu sebagai keadaan kosong di lautan elektron dengan energi negatif, yang digunakan Dirac ketika ia memperkenalkan konsep antipartikel pada tahun 1930.
5.7. Diagram Schwinger dan Feynman. Schwinger (1918-1994), yang tidak memiliki masalah dengan kesulitan komputasi, tidak menyukai diagram Feynman dan menulis dengan agak merendahkan tentang mereka: "Seperti chip komputer dalam beberapa tahun terakhir, diagram Feynman membawa komputasi ke massa." Sayangnya, tidak seperti chip, diagram Feynman tidak mencapai massa terluas.
5.8. diagram Feynman dan Feynman. Untuk alasan yang tidak diketahui, diagram Feynman bahkan tidak sampai ke Feynman Lectures on Physics yang terkenal. Saya yakin bahwa mereka perlu dibawa ke siswa sekolah menengah, menjelaskan kepada mereka ide-ide dasar fisika partikel dasar. Ini adalah pandangan paling sederhana dari mikrokosmos dan dunia secara keseluruhan. Jika seorang siswa mengetahui konsep energi potensial (misalnya, hukum Newton, atau hukum Coulomb), maka diagram Feynman memungkinkan dia untuk memperoleh ekspresi untuk energi potensial ini.
5.9. Partikel virtual dan medan gaya fisik. Diagram Feynman adalah bahasa paling sederhana dari teori medan kuantum. (Setidaknya dalam kasus-kasus di mana interaksinya tidak terlalu kuat dan seseorang dapat menggunakan teori gangguan.) Dalam kebanyakan buku tentang teori medan kuantum, partikel diperlakukan sebagai eksitasi medan kuantum, yang memerlukan keakraban dengan formalisme kuantisasi kedua. Dalam bahasa diagram Feynman, medan digantikan oleh partikel virtual.
Partikel dasar memiliki sifat sel dan gelombang. Selain itu, dalam keadaan nyata mereka adalah partikel materi, dan dalam keadaan virtual mereka juga pembawa gaya antara benda-benda material. Setelah pengenalan partikel virtual, konsep gaya menjadi tidak perlu, dan dengan konsep medan, jika sebelumnya tidak diketahui, mungkin, seseorang harus berkenalan setelah konsep partikel virtual dikuasai.
5.10. Interaksi Dasar*. Tindakan dasar emisi dan penyerapan partikel virtual (simpul) dicirikan oleh konstanta interaksi seperti muatan listrik e dalam kasus foton, muatan lemah e/sin W dalam kasus boson W dan e/sin W cos W dalam kasus Z-boson (di mana W- Sudut Weinberg), muatan warna g dalam kasus gluon, dan kuantitas G dalam kasus graviton, di mana G adalah konstanta Newton. (Lihat bab 6-10.) Interaksi elektromagnetik dibahas di bawah dalam bab. 7. Interaksi yang lemah - di Bab. 8. Kuat - dalam Bab. sembilan.
Dan kita akan mulai di bab berikutnya. 6 dengan interaksi gravitasi.
6. Interaksi gravitasi
6.1. Graviton. Saya akan mulai dengan partikel yang belum ditemukan dan mungkin tidak akan ditemukan di masa mendatang. Ini adalah partikel medan gravitasi - graviton. Tidak hanya graviton, tetapi juga gelombang gravitasi belum ditemukan (dan ini sementara gelombang elektromagnetik benar-benar merasuki kehidupan kita). Hal ini disebabkan fakta bahwa pada energi rendah interaksi gravitasi sangat lemah. Seperti yang akan kita lihat, teori graviton memungkinkan untuk memahami semua sifat interaksi gravitasi yang diketahui.
6.2. Pertukaran graviton. Dalam bahasa diagram Feynman, interaksi gravitasi dua benda dilakukan dengan pertukaran graviton maya antara partikel elementer yang menyusun benda tersebut. pada gambar. 3 graviton dipancarkan oleh partikel dengan 4-momentum p 1 dan diserap oleh partikel lain dengan 4-momentum p 2 . Karena kekekalan 4-momentum, q=p 1 p′ 1 =p′ 2 p 2 , di mana q adalah 4-momentum graviton.
Distribusi graviton maya (seperti partikel maya lainnya, berhubungan dengan propagator) ditunjukkan pada gambar oleh pegas.
6.3. Atom hidrogen dalam medan gravitasi bumi. pada gambar. Gambar 4 menunjukkan jumlah diagram di mana atom hidrogen dengan 4-momentum p 1 bertukar graviton dengan semua atom bumi dengan total 4-momentum p 2 . Dan dalam hal ini q = p 1 p′ 1 = p′ 2 p 2 , di mana q adalah total 4-momentum graviton maya.
6.4. Pada massa atom. Di masa depan, ketika mempertimbangkan interaksi gravitasi, kita akan mengabaikan massa elektron dibandingkan dengan massa proton, serta perbedaan massa proton dan neutron dan energi ikat nukleon dalam inti atom. Jadi massa atom kira-kira jumlah massa nukleon dalam inti atom.
6.5. Memperoleh*. Jumlah nukleon Bumi N E 3.6 10 51 sama dengan produk jumlah nukleon dalam satu gram materi terestrial, yaitu bilangan Avogadro N A 6 10 23 , dengan massa Bumi dalam gram 6 10 27 . Oleh karena itu, diagram pada Gambar. 4 adalah jumlah dari 3.6·10 51 diagram dari gambar. 3, yang ditandai dengan penebalan garis-garis bumi dan graviton maya pada Gambar. 4. Selain itu, "pegas graviton", berbeda dengan propagator satu graviton, dibuat pada gambar. 4 abu-abu. Tampaknya mengandung 3,6·10 51 graviton.
6.6. Apel Newton di medan gravitasi bumi. pada gambar. 5, semua atom apel, yang memiliki total 4-momentum p 1 , berinteraksi dengan semua atom Bumi, yang memiliki total 4-momentum p 2 .
6.7. Jumlah grafik*. Biarkan saya mengingatkan Anda bahwa satu gram materi biasa mengandung N A = 6·10 23 nukleon. Banyaknya nukleon dalam 100 gram apel adalah N a = 100N A = 6 10 25 . Massa Bumi adalah 6 10 27 g, dan akibatnya, jumlah nukleon Bumi NE = 3,6 10 51 . Tentu saja, penebalan garis pada Gambar. 5 sama sekali tidak sesuai dengan jumlah besar nukleon apel N a , nukleon Bumi N E dan jumlah diagram Feynman yang jauh lebih besar dan fantastis N d = N a N E = 2.2·10 77 . Bagaimanapun, setiap nukleon apel berinteraksi dengan setiap nukleon Bumi. Untuk menekankan jumlah diagram yang sangat besar, pegas pada gambar. 5 dibuat gelap.
Meskipun interaksi graviton dengan partikel elementer tunggal sangat kecil, jumlah diagram untuk semua nukleon Bumi menciptakan daya tarik signifikan yang kita rasakan. Gravitasi universal menarik Bulan ke Bumi, keduanya ke Matahari, semua bintang di Galaksi kita, dan semua galaksi satu sama lain.
6.8. Amplitudo Feynman dan Transformasi Fouriernya***.
Diagram Feynman dari interaksi gravitasi dua benda lambat dengan massa m 1 dan m 2 sesuai dengan amplitudo Feynman
di mana G- Konstanta Newton, a q- 3-momentum yang dibawa oleh graviton maya. (nilai 1/q2, di mana q- 4-momentum, disebut propagator graviton. Dalam kasus benda lambat, energi praktis tidak ditransfer, dan oleh karena itu q2 = −q 2 .)
Untuk berpindah dari ruang momentum ke ruang konfigurasi (koordinat), kita harus mengambil Transformasi Fourier dari amplitudo A( q)
Nilai A( r) memberikan energi potensial interaksi gravitasi partikel non-relativistik dan menentukan gerakan partikel relativistik dalam medan gravitasi statis.
6.9. potensial Newton*. Energi potensial dua benda bermassa m 1 dan m 2 adalah
di mana G- Konstanta Newton, a r- jarak antara tubuh.
Energi ini terkandung dalam "pegas" graviton virtual pada Gambar. 5. Interaksi yang potensialnya meluruh sebagai 1/ r, disebut jarak jauh. Dengan menggunakan Transformasi Fourier, kita dapat melihat bahwa gravitasi adalah jarak jauh, karena graviton tidak bermassa.
6.10. Potensi tipe potensial Yukawa**. Memang, jika graviton memiliki massa bukan nol m, maka amplitudo Feynman untuk pertukaran mereka akan memiliki bentuk
dan itu akan sesuai dengan potensi seperti potensi Yukawa dengan radius aksi r ≈ 1/m:
6.11. Tentang energi potensial**. Dalam mekanika nonrelativistik Newton, energi kinetik partikel bergantung pada kecepatannya (momentum), sedangkan energi potensial hanya bergantung pada koordinatnya, yaitu pada posisinya di ruang angkasa. Dalam mekanika relativistik, persyaratan seperti itu tidak dapat dipertahankan, karena interaksi partikel sering kali bergantung pada kecepatan (momentum) dan, akibatnya, pada energi kinetik. Namun, untuk medan gravitasi biasa yang agak lemah, perubahan energi kinetik partikel kecil dibandingkan dengan energi totalnya, dan oleh karena itu perubahan ini dapat diabaikan. Energi total partikel nonrelativistik dalam medan gravitasi lemah dapat ditulis sebagai = E kerabat + E 0 + kamu.
6.12. Universalitas gravitasi. Tidak seperti semua interaksi lainnya, gravitasi memiliki sifat universalitas yang luar biasa. Interaksi graviton dengan partikel apa pun tidak bergantung pada sifat partikel ini, tetapi hanya bergantung pada jumlah energi yang dimiliki partikel tersebut. Jika partikel ini lambat, maka energi diamnya E 0 = mc 2, terkandung dalam massanya, jauh melebihi energi kinetiknya. Dan karena itu interaksi gravitasinya sebanding dengan massanya. Tetapi untuk partikel yang cukup cepat, energi kinetiknya jauh lebih besar daripada massanya. Dalam hal ini, interaksi gravitasinya praktis tidak bergantung pada massa dan sebanding dengan energi kinetiknya.
6.13. Putaran gravitasi dan universalitas gravitasi**. Lebih tepatnya, emisi graviton sebanding bukan dengan energi sederhana, tetapi dengan tensor momentum energi partikel. Dan ini, pada gilirannya, disebabkan oleh fakta bahwa putaran graviton sama dengan dua. Biarkan 4-momentum partikel sebelum emisi graviton menjadi p 1 , dan setelah emisi p 2. Maka momentum graviton adalah q = p 1 − p 2. Jika kita memperkenalkan notasi p = p 1 + p 2 , maka simpul emisi graviton akan terlihat seperti
di mana h adalah fungsi gelombang graviton.
6.14. Interaksi graviton dengan foton**. Ini terutama terlihat jelas dalam contoh foton, yang massanya sama dengan nol. Telah dibuktikan secara eksperimental bahwa ketika sebuah foton terbang dari lantai bawah sebuah bangunan ke lantai atas, momentumnya berkurang di bawah pengaruh gravitasi bumi. Juga telah dibuktikan bahwa seberkas cahaya dari bintang yang jauh dibelokkan oleh tarikan gravitasi Matahari.
6.15. Interaksi foton dengan Bumi**. pada gambar. Gambar 6 menunjukkan pertukaran graviton antara Bumi dan foton. Angka ini secara kondisional mewakili jumlah angka pertukaran graviton foton dengan semua nukleon Bumi. Di atasnya, simpul bumi diperoleh dari nukleon satu dengan mengalikan dengan jumlah nukleon di Bumi NE dengan penggantian yang sesuai dari 4-momentum nukleon dengan 4-momentum Bumi (lihat Gambar. 3).
6.16. Interaksi graviton dengan graviton***. Karena graviton membawa energi, mereka sendiri harus memancarkan dan menyerap graviton. Kami belum pernah melihat graviton nyata individu dan tidak akan pernah melihatnya. Namun demikian, interaksi antara graviton maya mengarah pada efek yang diamati Sepintas, kontribusi tiga graviton maya terhadap interaksi gravitasi dua nukleon terlalu kecil untuk dideteksi (lihat Gambar 7).
6.17. Presesi sekuler Merkurius**. Namun, kontribusi ini memanifestasikan dirinya dalam presesi perihelion orbit Merkurius. Presesi sekuler Merkurius digambarkan dengan penjumlahan diagram graviton satu putaran dari tarikan Merkurius ke Matahari (Gbr. 8).
6.18. Keuntungan untuk Merkurius**. Perbandingan massa Merkurius dan Bumi adalah 0,055. Jadi jumlah nukleon di Merkurius NM = 0,055 N E= 2 10 50 . massa matahari NONA= 2 10 33 g. Jadi jumlah nukleon di Matahari N S = N A M S= 1,2 10 57 . Dan jumlah diagram yang menggambarkan interaksi gravitasi nukleon Merkurius dan Matahari, NdM= 2,4 10 107 .
Jika energi potensial tarik Merkurius ke Matahari adalah kamu = GM S M M/r, kemudian setelah memperhitungkan koreksi yang dibahas untuk interaksi graviton maya satu sama lain, dikalikan dengan koefisien 1 3 GM S/r. Kita melihat bahwa koreksi energi potensial adalah 3 G 2 M S 2 M M /r 2.
6.19. Orbit Merkurius**. Jari-jari orbit Merkurius sebuah= 58 10 6 km. Periode orbitnya adalah 88 hari Bumi. eksentrisitas orbital e= 0,21. Karena koreksi yang sedang dibahas, dalam satu putaran, sumbu semi-mayor orbit berputar melalui sudut 6π GM S/sebuah(1 − e 2), yaitu, sekitar sepersepuluh detik busur, dan berotasi sebesar 43 "" dalam 100 tahun Bumi.
6.20. Pergeseran Domba Gravitasi**. Siapapun yang telah mempelajari elektrodinamika kuantum akan segera melihat bahwa diagram pada Gambar. 7 mirip dengan diagram segitiga yang menggambarkan pergeseran frekuensi (energi) level 2 S 1/2 relatif terhadap level 2 P 1/2 dalam atom hidrogen (di mana segitiga terdiri dari satu foton dan dua garis elektron). Pergeseran ini diukur pada tahun 1947 oleh Lamb and Riserford dan ditemukan 1060 MHz (1,06 GHz).
Pengukuran ini memulai reaksi berantai dari pekerjaan teoretis dan eksperimental yang mengarah pada penciptaan elektrodinamika kuantum dan diagram Feynman. Frekuensi presesi Merkurius adalah 25 kali lipat lebih kecil.
6.21. Efek klasik atau kuantum?**. Telah diketahui dengan baik bahwa pergeseran Lamb dari tingkat energi adalah efek kuantum murni, sedangkan presesi Merkurius adalah efek klasik murni. Bagaimana mereka dapat dijelaskan dengan diagram Feynman yang serupa?
Untuk menjawab pertanyaan ini, kita perlu mengingat hubungannya E = ħω dan memperhitungkan bahwa transformasi Fourier selama transisi dari momentum ke ruang konfigurasi di Sec. 6.8 berisi e sayaqr / ħ . Selain itu, harus diperhitungkan bahwa dalam segitiga elektromagnetik pergeseran Lamb hanya ada satu garis partikel tak bermassa (foton), dan dua lainnya adalah penyebar elektron. Oleh karena itu, jarak karakteristik di dalamnya ditentukan oleh massa elektron (panjang gelombang Compton elektron). Dan dalam segitiga presesi Merkurius ada dua penyebar partikel tak bermassa (graviton). Keadaan ini, karena puncak tiga-graviton, mengarah pada fakta bahwa segitiga gravitasi memberikan kontribusi pada jarak yang jauh lebih besar daripada jarak elektromagnetik. Perbandingan ini menunjukkan kekuatan teori medan kuantum dalam metode diagram Feynman, yang memudahkan untuk memahami dan menghitung berbagai fenomena, baik kuantum maupun klasik.
7. Interaksi elektromagnetik
7.1. interaksi listrik. Interaksi listrik partikel dilakukan oleh pertukaran foton virtual, seperti pada Gambar. sembilan belas.
Foton, seperti graviton, juga merupakan partikel tak bermassa. Jadi interaksi listrik juga jarak jauh:
Mengapa tidak seuniversal gravitasi?
7.2. muatan positif dan negatif. Pertama, karena ada muatan listrik dua tanda. Dan kedua, karena ada partikel netral yang tidak bermuatan listrik sama sekali (neutron, neutrino, foton...). Partikel dengan muatan yang berlawanan tanda, seperti elektron dan proton, saling tarik menarik. Partikel dengan muatan yang sama saling tolak menolak. Akibatnya, atom dan benda yang tersusun darinya pada dasarnya netral secara listrik.
7.3. partikel netral. Neutron mengandung kamu-quark dengan muatan +2 e/3 dan dua d-quark dengan muatan e/3. Jadi muatan total neutron adalah nol. (Ingat bahwa proton mengandung dua kamu-quark dan satu d-quark.) Partikel elementer yang tidak bermuatan listrik adalah foton, graviton, neutrino, Z-boson dan Higgs boson.
7.4. potensial Coulomb. Energi potensial tarik-menarik elektron dan proton yang terletak pada jarak r dari satu sama lain, adalah
7.5. Interaksi magnetik. Interaksi magnetik tidak sejauh yang listrik. Itu jatuh seperti 1/ r 3 . Itu tidak hanya tergantung pada jarak antara dua magnet, tetapi juga pada orientasi timbal balik mereka. Contoh yang terkenal adalah interaksi jarum kompas dengan medan dipol magnet bumi. Energi potensial interaksi dua dipol magnet μ 1 dan μ 2 sama dengan
di mana n = r/r.
7.6. Interaksi elektromagnetik. Pencapaian terbesar abad ke-19 adalah penemuan bahwa gaya listrik dan magnet adalah dua manifestasi berbeda dari gaya elektromagnetik yang sama. Pada tahun 1821, M. Faraday (1791-1867) mempelajari interaksi magnet dan konduktor dengan arus. Satu dekade kemudian, ia menetapkan hukum induksi elektromagnetik dalam interaksi dua konduktor. Pada tahun-tahun berikutnya, ia memperkenalkan konsep medan elektromagnetik dan mengungkapkan gagasan tentang sifat elektromagnetik cahaya. Pada tahun 1870-an, J. Maxwell (1831-1879) menyadari bahwa interaksi elektromagnetik bertanggung jawab untuk kelas yang luas dari fenomena optik: emisi, transformasi dan penyerapan cahaya, dan menulis persamaan yang menggambarkan medan elektromagnetik. Segera G. Hertz (1857–1894) menemukan gelombang radio, dan V. Roentgen (1845–1923) menemukan sinar-X. Seluruh peradaban kita didasarkan pada manifestasi interaksi elektromagnetik.
7.7. Penyatuan teori relativitas dan mekanika kuantum. Tahap paling penting dalam perkembangan fisika adalah tahun 1928, ketika sebuah artikel oleh P. Dirac (1902–1984) muncul, di mana ia mengusulkan persamaan kuantum dan relativistik untuk elektron. Persamaan ini berisi momen magnetik elektron dan menunjukkan keberadaan antipartikel elektron - positron, ditemukan beberapa tahun kemudian. Setelah itu, mekanika kuantum dan teori relativitas digabung menjadi teori medan kuantum.
Fakta bahwa interaksi elektromagnetik disebabkan oleh emisi dan penyerapan foton maya menjadi sangat jelas hanya pada pertengahan abad ke-20 dengan munculnya diagram Feynman, yaitu setelah konsep partikel maya terbentuk dengan jelas.
8. Interaksi yang lemah
8.1. Interaksi nuklir. Pada awal abad ke-20, atom dan nukleusnya ditemukan dan α -, β - dan γ sinar yang dipancarkan oleh inti radioaktif. Ternyata, γ Sinar adalah foton berenergi sangat tinggi. β sinar adalah elektron berenergi tinggi α sinar adalah inti helium. Ini mengarah pada penemuan dua jenis interaksi baru - kuat dan lemah. Tidak seperti interaksi gravitasi dan elektromagnetik, interaksi kuat dan lemah adalah jarak pendek.
Kemudian ditemukan bahwa mereka bertanggung jawab atas konversi hidrogen menjadi helium di Matahari kita dan bintang-bintang lainnya.
8.2. Arus bermuatan*. Gaya lemah bertanggung jawab atas transformasi neutron menjadi proton dengan emisi elektron dan antineutrino elektron. Kelas besar dari proses interaksi lemah didasarkan pada transformasi quark dari satu jenis menjadi quark jenis lain dengan emisi (atau penyerapan) virtual W-boson: kamu, c, t ↔ d, s, b. Demikian pula untuk emisi dan penyerapan W-boson, ada transisi antara lepton bermuatan dan neutrino yang sesuai:
e ↔ ν e , μ ↔ ν μ , τ . Transisi dari jenis du ↔ W dan eˉν e W. Dalam semua transisi ini yang melibatkan W-boson melibatkan apa yang disebut arus bermuatan, yang mengubah muatan lepton dan quark menjadi satu. Interaksi lemah arus bermuatan adalah jarak pendek, ini dijelaskan oleh potensi Yukawa e -mWr /r, sehingga jari-jari efektifnya adalah r ≈ 1/m W.
8.3. Arus netral*. Pada 1970-an, proses interaksi lemah antara neutrino, elektron dan nukleon ditemukan, karena apa yang disebut arus netral. Pada 1980-an, secara eksperimental ditetapkan bahwa interaksi arus bermuatan terjadi melalui pertukaran W-boson, dan interaksi arus netral - dengan bertukar Z-boson.
8.4. Pelanggaran P- dan CP-keseimbangan*. Pada paruh kedua tahun 1950-an, pelanggaran paritas ditemukan P dan paritas muatan C dalam interaksi yang lemah. Pada tahun 1964, peluruhan lemah ditemukan yang melanggar konservasi CP-simetri. Saat ini, mekanisme pelanggaran CP-simetri dipelajari dalam peluruhan meson yang mengandung b-quark.
8.5. Osilasi neutrino*. Selama dua dekade terakhir, perhatian fisikawan telah terpaku pada pengukuran yang dilakukan pada detektor kiloton bawah tanah di Kamioka (Jepang) dan Sudbury (Kanada). Pengukuran ini menunjukkan bahwa antara tiga jenis neutrino e , , transisi timbal balik (osilasi) terjadi dalam ruang hampa. Sifat osilasi ini sedang diklarifikasi.
8.6. interaksi elektrolemah. Pada 1960-an, sebuah teori dirumuskan yang menyatakan bahwa interaksi elektromagnetik dan interaksi lemah adalah manifestasi yang berbeda dari interaksi elektrolemah tunggal. Jika ada simetri elektrolemah yang ketat, maka massa W- dan Z-boson akan sama dengan nol seperti massa foton.
8.7. Pelanggaran simetri elektrolemah. Dalam Model Standar, boson Higgs mematahkan simetri elektrolemah dan dengan demikian menjelaskan mengapa foton tidak bermassa dan boson lemah bersifat masif. Ia juga memberikan massa pada lepton, quark, dan dirinya sendiri.
8.8. Apa yang perlu Anda ketahui tentang Higgs. Salah satu tugas utama Large Hadron Collider LHC adalah penemuan boson Higgs (yang hanya disebut Higgs dan dilambangkan h atau H) dan pembentukan selanjutnya dari propertinya. Pertama-tama, pengukuran interaksinya dengan W- dan Z-boson, dengan foton, serta interaksinya sendiri, yaitu, studi tentang simpul yang mengandung tiga dan empat Higgs: h 3 dan h 4 , dan interaksinya dengan lepton dan quark, terutama dengan quark atas. Dalam Model Standar, ada prediksi yang jelas untuk semua interaksi ini. Verifikasi eksperimental mereka sangat menarik dari sudut pandang pencarian "fisika baru" di luar Model Standar.
8.9. Bagaimana jika tidak ada Higgs? Jika ternyata Higgs tidak ada dalam interval massa orde beberapa ratus GeV, maka ini berarti bahwa pada energi di atas TeV ada wilayah baru yang sama sekali belum dijelajahi di mana interaksi W- dan Z-boson menjadi kuat tanpa gangguan, yaitu, mereka tidak dapat dijelaskan dengan teori gangguan. Penelitian di bidang ini akan membawa banyak kejutan.
8.10. Tabrakan Lepton masa depan. Untuk melaksanakan seluruh program penelitian ini, selain LHC, mungkin perlu membangun lepton Collider:
ILC (International Linear Collider) dengan energi tumbukan 0,5 TeV,
atau CLIC (Compact Linear Collider) dengan energi tumbukan 1 TeV,
atau MC (Muon Collider) dengan energi tumbukan 3 TeV.
8.11. Penumbuk elektron-positron linier. ILC - International Linear Collider, di mana elektron bertabrakan dengan positron, serta foton dengan foton. Keputusan untuk membangunnya hanya dapat dibuat setelah menjadi jelas apakah Higgs itu ada dan berapa massanya. Salah satu lokasi konstruksi ILC yang diusulkan adalah di sekitar Dubna. CLIC - Elektron Linier Kompak dan Positron Collider. Proyek ini sedang dikembangkan di CERN.
8.12. Penumbuk Muon. MS - Muon Collider pertama kali digagas oleh G. I. Budker (1918–1977). Pada tahun 1999, Konferensi Internasional Kelima "Potensi fisik dan pengembangan pabrik penumbuk muon dan neutrino" diadakan di San Francisco. Saat ini, proyek MS sedang dikembangkan di Laboratorium Nasional Fermi dan dapat diimplementasikan dalam 20 tahun.
9. Interaksi yang kuat
9.1. Gluon dan quark. Gaya kuat menahan nukleon (proton dan neutron) di dalam inti. Ini didasarkan pada interaksi gluon dengan quark dan interaksi gluon dengan gluon. Ini adalah aksi-diri gluon yang mengarah pada fakta bahwa, terlepas dari kenyataan bahwa massa gluon adalah nol, seperti halnya massa foton dan graviton sama dengan nol, pertukaran gluon tidak mengarah ke gluon. interaksi jarak jauh, mirip dengan foton dan graviton. Selain itu, ini menyebabkan tidak adanya gluon dan quark bebas. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa jumlah pertukaran satu gluon digantikan oleh tabung atau benang gluon. Interaksi nukleon dalam inti mirip dengan gaya van der Waals antara atom netral.
9.2. Kurung dan kebebasan asimtotik. Fenomena kurungan gluon dan quark dari hadron disebut kurungan. Sisi lain dari dinamika yang mengarah ke kurungan adalah bahwa pada jarak yang sangat kecil jauh di dalam hadron, interaksi antara gluon dan quark secara bertahap berkurang. Quark tampaknya menjadi bebas pada jarak kecil. Fenomena ini disebut dengan istilah kebebasan asimtotik.
9.3. warna quark. Fenomena kurungan adalah konsekuensi dari fakta bahwa masing-masing dari enam quark ada, seolah-olah, dalam bentuk tiga varietas "warna". Quark biasanya "berwarna" dengan warna kuning, biru dan merah. Antiquark dicat dengan warna tambahan: ungu, oranye, hijau. Semua warna ini menunjukkan muatan khusus quark - "analog multidimensi" dari muatan listrik yang bertanggung jawab untuk interaksi yang kuat. Tentu saja, tidak ada hubungan, kecuali metafora, antara warna quark dan warna optik biasa.
9.4. Warna gluon. Keluarga gluon berwarna bahkan lebih banyak: ada delapan di antaranya, dua di antaranya identik dengan antipartikelnya, dan enam sisanya tidak. Interaksi muatan warna dijelaskan oleh kromodinamika kuantum dan menentukan sifat-sifat proton, neutron, semua inti atom dan sifat-sifat semua hadron. Fakta bahwa gluon membawa muatan warna mengarah pada fenomena kurungan gluon-quark, yang berarti bahwa gluon dan quark berwarna tidak dapat lepas dari hadron. Gaya nuklir antara hadron yang tidak berwarna (putih) adalah gema samar dari interaksi warna yang kuat di dalam hadron. Ini mirip dengan kecilnya ikatan molekul dibandingkan dengan ikatan intraatomik.
9.5. Massa hadron. Massa hadron pada umumnya dan nukleon pada khususnya disebabkan oleh aksi sendiri gluon. Dengan demikian, massa semua materi yang terlihat, yang membentuk 4-5% dari energi Semesta, justru disebabkan oleh aksi-diri dari gluon.
10. Model standar dan seterusnya
10.1. 18 partikel Model Standar. Semua partikel dasar yang diketahui secara alami terbagi dalam tiga kelompok:
6 lepton(putaran 1/2):
3 neutrino: ν
e , ν
μ , ν
τ ;
3 lepton bermuatan: e, μ
, τ
;
6 quark(putaran 1/2):
kamu,c, t,
d, s, b;
6 boson:
g̃ - graviton (putaran 2),
γ
, W, Z, g- gluon (putaran 1),
h- higgs (putaran 0).
10.2. Di luar Model Standar. 96% energi Semesta berada di luar Model Standar dan menunggu untuk ditemukan dan dipelajari. Ada beberapa asumsi dasar tentang seperti apa fisika baru itu (lihat bagian 10.3–10.6 di bawah).
10.3. Persatuan yang hebat. Sejumlah besar karya, sebagian besar teoretis, telah dikhususkan untuk penyatuan interaksi kuat dan lemah listrik. Kebanyakan dari mereka berasumsi bahwa itu terjadi pada energi orde 10 16 GeV. Penyatuan seperti itu harus mengarah pada peluruhan proton.
10.4. partikel supersimetris. Menurut gagasan supersimetri, pertama kali lahir di FIAN, setiap partikel "kita" memiliki superpartner yang putarannya berbeda 1/2: 6 squark dan 6 slipton dengan putaran 0, higgsino, photino, wine, dan zino dengan putaran 1/ 2, gravitino co berputar 3/2. Massa superpartner ini harus jauh lebih besar daripada partikel kita. Kalau tidak, mereka pasti sudah buka sejak lama. Beberapa superpartner mungkin ditemukan saat Large Hadron Collider mulai beroperasi.
10.5. Superstring. Hipotesis supersimetri dikembangkan oleh hipotesis keberadaan superstring yang hidup pada jarak yang sangat kecil dari orde 10 33 cm dan energi yang sesuai sebesar 10 19 GeV. Banyak fisikawan teoretis berharap bahwa berdasarkan gagasan tentang superstring memungkinkan untuk membangun teori terpadu tentang semua interaksi yang tidak mengandung parameter bebas.
10.6. partikel cermin. Menurut gagasan materi cermin, pertama kali lahir di ITEP, masing-masing partikel kita memiliki kembaran cermin, dan ada dunia cermin yang hanya terhubung sangat longgar dengan dunia kita.
10.7. Materi gelap. Hanya 4-5% dari semua energi di alam semesta yang ada sebagai massa materi biasa. Sekitar 20% energi alam semesta terkandung dalam apa yang disebut materi gelap, yang diperkirakan terdiri dari superpartikel, atau partikel cermin, atau partikel lain yang tidak diketahui. Jika partikel materi gelap jauh lebih berat daripada partikel biasa, dan jika, saling bertabrakan di ruang angkasa, mereka musnah menjadi foton biasa, maka foton berenergi tinggi ini dapat dicatat oleh detektor khusus di luar angkasa dan di Bumi. Penjelasan sifat materi gelap adalah salah satu tugas utama fisika.
10.8. Energi gelap. Tetapi sebagian besar energi Semesta (sekitar 75%) disebabkan oleh apa yang disebut energi gelap. Itu "dicurahkan" melalui ruang hampa dan mendorong kelompok galaksi terpisah. Sifatnya masih belum jelas.
11. Partikel dasar di Rusia dan dunia
11.1. Keputusan Presiden Federasi Rusia. Pada 30 September 2009, Keputusan Presiden Federasi Rusia "Tentang Tindakan Tambahan untuk Implementasi Proyek Percontohan untuk Mendirikan Pusat Penelitian Nasional" Institut Kurchatov "" dikeluarkan. Keputusan tersebut mengatur partisipasi organisasi berikut dalam proyek: Institut Fisika Nuklir St. Petersburg, Institut Fisika Energi Tinggi, dan Institut Fisika Teoritis dan Eksperimental. Dekrit tersebut juga mengatur "penyertaan lembaga tertentu, sebagai lembaga ilmu pengetahuan yang paling signifikan, dalam struktur departemen pengeluaran anggaran federal sebagai manajer utama dana anggaran." Keppres ini dapat memberikan kontribusi bagi kembalinya fisika partikel elementer ke sejumlah bidang prioritas untuk pengembangan ilmu pengetahuan di negara kita.
11.2. Audiensi di Kongres AS 1. Pada tanggal 1 Oktober 2009, dengar pendapat diadakan di Sub-komite Energi dan Lingkungan dari Komite Sains dan Teknologi DPR AS dengan topik "Penelitian tentang sifat materi, energi, ruang dan waktu." Alokasi Departemen Energi tahun 2009 untuk program ini adalah $795,7 juta. Profesor Universitas Harvard, Lisa Randall, menguraikan pandangan tentang materi, energi, dan asal usul alam semesta dalam kaitannya dengan teori string masa depan. Direktur Laboratorium Nasional Fermi (Batavia) Pierre Oddone berbicara tentang keadaan fisika partikel di AS, dan khususnya, tentang penyelesaian Tevatron yang akan datang dan dimulainya kerja bersama FNAL dan laboratorium bawah tanah DUSEL untuk mempelajari sifat neutrino dan proses langka. Dia menekankan pentingnya partisipasi fisikawan Amerika dalam proyek fisika energi tinggi di Eropa (LHC), Jepang (JPARC), Cina (PERC) dan proyek luar angkasa internasional (GLAST, baru-baru ini dinamai Fermi).
11.3. Audiensi di Kongres AS 2. Direktur Laboratorium Nasional Jefferson Hugh Montgomery berbicara tentang kontribusi Laboratorium ini untuk fisika nuklir, teknologi akselerator, dan program pendidikan. Dennis Kovar, Direktur Divisi Fisika Energi Tinggi Departemen Energi, berbicara tentang tiga bidang utama fisika energi tinggi:
1) akselerator mempelajari energi maksimum,
2) studi akselerator pada intensitas maksimum,
3) eksplorasi ruang angkasa berbasis darat dan satelit untuk menjelaskan sifat materi gelap dan energi gelap,
dan tiga arah utama dalam fisika nuklir:
1) studi tentang interaksi kuat quark dan gluon,
2) studi tentang bagaimana inti atom terbentuk dari proton dan neutron,
3) studi interaksi lemah yang melibatkan neutrino.
12. Tentang ilmu dasar
12.1. Apa itu ilmu dasar. Dari teks di atas jelas bahwa saya, seperti kebanyakan ilmuwan, menyebut bagian sains yang menetapkan hukum alam paling mendasar itu sebagai sains fundamental. Hukum-hukum ini terletak di dasar piramida ilmu pengetahuan atau lantai masing-masing. Mereka menentukan perkembangan peradaban jangka panjang. Namun, ada orang yang menyebut sains fundamental sebagai bagian dari sains yang memiliki dampak langsung terbesar pada pencapaian sesaat dalam perkembangan peradaban. Bagi saya pribadi, bagian dan arahan ini lebih baik disebut ilmu terapan.
12.2. Akar dan buah. Jika ilmu dasar dapat dibandingkan dengan akar pohon, maka ilmu terapan dapat dibandingkan dengan buahnya. Terobosan teknologi besar seperti telepon seluler atau komunikasi serat optik adalah buah dari ilmu pengetahuan.
12.3. A. I. Herzen tentang sains. Pada tahun 1845, Alexander Ivanovich Herzen (1812-1870) menerbitkan dalam jurnal Otechestvennye Zapiski Letters on the Study of Nature yang luar biasa. Di akhir surat pertama, ia menulis: “Ilmu pengetahuan tampaknya sulit, bukan karena itu benar-benar sulit, tetapi karena jika tidak, Anda tidak akan mencapai kesederhanaannya, seperti menerobos kegelapan konsep-konsep yang sudah jadi yang menghalangi Anda untuk melihat. secara langsung. Biarkan mereka yang maju tahu bahwa seluruh gudang alat berkarat dan tidak berharga yang kita warisi dari skolastisisme tidak berharga, bahwa perlu mengorbankan pandangan yang dirumuskan di luar sains, bahwa, tanpa membuang semua setengah kebohongan, yang dengannya, untuk kejelasan, mereka berpakaian setengah kebenaran seseorang tidak dapat memasuki ilmu pengetahuan, seseorang tidak dapat mencapai seluruh kebenaran.
12.4. Tentang pengurangan program sekolah. Program fisika modern di sekolah mungkin mencakup penguasaan aktif elemen-elemen teori partikel dasar, teori relativitas dan mekanika kuantum, jika kita mengurangi bagian-bagian di dalamnya yang sebagian besar bersifat deskriptif dan meningkatkan "pengetahuan" anak, daripada memahami dunia sekitar dan kemampuan untuk hidup dan berkreasi.
12.5. Kesimpulan. Adalah tepat bagi Presidium Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia untuk mencatat pentingnya pengenalan awal kaum muda dengan pandangan dunia berdasarkan pencapaian teori relativitas dan mekanika kuantum, dan menginstruksikan Komisi Presidium Akademi Rusia Ilmu Pengetahuan tentang buku teks (ketua - wakil presiden V.V. Kozlov) dan pendidikan (ketua - wakil presiden -Presiden V. A. Sadovnichiy) untuk menyiapkan proposal untuk meningkatkan pengajaran fisika dasar modern di sekolah menengah dan atas.
Keterangan
Agar suatu hubungan disebut hukum fisika, hubungan itu harus memenuhi persyaratan berikut:
- konfirmasi empiris. Hukum fisika dianggap benar jika dikonfirmasi oleh eksperimen berulang.
- Keserbagunaan. Hukum harus adil untuk sejumlah besar objek. Idealnya - untuk semua objek di alam semesta.
- Keberlanjutan. Hukum fisika tidak berubah seiring waktu, meskipun mereka dapat dikenali sebagai perkiraan untuk hukum yang lebih tepat.
Hukum fisika biasanya dinyatakan sebagai pernyataan verbal singkat atau rumus matematika yang ringkas:
Contoh
Artikel utama: Daftar hukum fisika
Beberapa hukum fisika yang paling terkenal adalah:
hukum-prinsip
Beberapa hukum fisika bersifat universal dan merupakan definisi pada intinya. Hukum seperti itu sering disebut prinsip. Ini termasuk, misalnya, hukum kedua Newton (definisi gaya), hukum kekekalan energi (definisi energi), prinsip aksi terkecil (definisi aksi), dll.
Hukum-konsekuensi dari simetri
Bagian dari hukum fisika adalah konsekuensi sederhana dari simetri tertentu yang ada dalam sistem. Jadi, hukum kekekalan menurut teorema Noether adalah konsekuensi dari simetri ruang dan waktu. Dan prinsip Pauli, misalnya, adalah konsekuensi dari identitas elektron (antisimetri fungsi gelombangnya terhadap permutasi partikel).
Pendekatan hukum
Semua hukum fisika adalah konsekuensi dari pengamatan empiris dan benar dengan akurasi yang sama dengan pengamatan eksperimental yang benar. Pembatasan ini tidak memungkinkan kami untuk mengklaim bahwa hukum mana pun adalah mutlak. Diketahui bahwa beberapa hukum jelas tidak sepenuhnya akurat, tetapi merupakan perkiraan untuk yang lebih akurat. Jadi, hukum Newton hanya berlaku untuk benda yang cukup masif yang bergerak dengan kecepatan jauh lebih kecil daripada kecepatan cahaya. Lebih tepatnya adalah hukum mekanika kuantum dan relativitas khusus. Namun, mereka, pada gilirannya, adalah perkiraan persamaan yang lebih akurat dari teori medan kuantum.
Lihat juga
Catatan
Yayasan Wikimedia. 2010 .
Lihat apa itu "Hukum (fisika)" di kamus lain:
FISIKA. 1. Pokok bahasan dan struktur fisika F. ilmu yang mempelajari paling sederhana dan sekaligus paling banyak. sifat umum dan hukum gerak benda-benda dunia material di sekitar kita. Akibat keumuman ini, tidak ada fenomena alam yang tidak bersifat fisik. properti... Ensiklopedia Fisik
Ilmu yang mempelajari pola-pola fenomena alam yang paling sederhana dan sekaligus paling umum, prinsip-prinsip dan struktur materi, serta hukum-hukum geraknya. Konsep F. dan hukumnya mendasari semua ilmu alam. F. termasuk dalam ilmu eksakta dan mempelajari besaran... Ensiklopedia Fisik
Hukum perambatan cahaya bujursangkar: dalam media homogen transparan, cahaya merambat dalam garis lurus. Sehubungan dengan hukum perambatan cahaya bujursangkar, muncul konsep berkas cahaya, yang memiliki arti geometris sebagai ... ... Wikipedia
FISIKA- FISIKA, ilmu yang mempelajari, bersama-sama dengan kimia, hukum-hukum umum transformasi energi dan materi. Kedua ilmu tersebut didasarkan pada dua hukum dasar ilmu alam - hukum kekekalan massa (hukum Lomonosov, Lavoisier) dan hukum kekekalan energi (R. Mayer, Jaul ... ... Ensiklopedia Medis Besar
Hukum Mariotte Boyle adalah salah satu hukum gas dasar. Hukum ini dinamai sesuai nama fisikawan, kimiawan, dan filsuf Irlandia Robert Boyle (1627 1691), yang menemukannya pada 1662, dan juga untuk menghormati fisikawan Prancis Edme Mariotte (1620 1684), yang menemukan ... ... Wikipedia
Fisika statistik Termodinamika teori kinetik molekul Statistik ... Wikipedia
Hukum entropi yang tidak menurun: "Dalam sistem yang terisolasi, entropi tidak berkurang." Jika suatu saat sistem tertutup berada dalam keadaan makroskopik non-ekuilibrium, maka pada titik waktu berikutnya konsekuensi yang paling mungkin ... ... Wikipedia
Hukum hubungan terbalik antara ruang lingkup dan isi suatu konsep adalah hukum logika formal tentang hubungan antara perubahan ruang lingkup dan isi suatu konsep. Jika konsep pertama lebih luas daripada yang kedua dalam cakupan, maka isinya lebih buruk; jika ... ... Wikipedia
- (a. fisika ledakan; n. Fisika der Ledakan; f. fisika de l ledakan; i. fisika ledakan, fisica de estallido, fisica de detonacion) adalah ilmu yang mempelajari fenomena ledakan dan mekanisme aksinya dalam sebuah media. Kerusakan mekanis …… Ensiklopedia Geologi
- (fisika keadaan cair materi) cabang fisika di mana sifat mekanik dan fisik cairan dipelajari. Teori statistik cairan adalah cabang dari fisika statistik. Hasil yang paling penting adalah turunan dari persamaan ... ... Wikipedia
Tidak ada satu bidang aktivitas manusia pun yang dapat melakukannya tanpa ilmu pasti. Dan tidak peduli seberapa kompleks hubungan manusia, mereka juga tunduk pada hukum-hukum ini. menawarkan untuk mengingat hukum fisika yang ditemui dan dialami seseorang setiap hari dalam hidupnya.
Hukum yang paling sederhana tetapi paling penting adalah Hukum kekekalan dan transformasi energi.
Energi dari setiap sistem tertutup tetap konstan untuk semua proses yang terjadi dalam sistem. Dan kita berada dalam sistem tertutup seperti itu. Itu. berapa banyak yang kita berikan, begitu banyak yang kita dapatkan. Jika kita ingin mendapatkan sesuatu, kita harus memberikan jumlah yang sama sebelumnya. Dan tidak ada lagi!
Dan kita tentu ingin mendapatkan gaji yang besar, tetapi tidak pergi bekerja. Terkadang ilusi diciptakan bahwa "orang bodoh beruntung" dan kebahagiaan jatuh ke kepala mereka bagi banyak orang. Baca dongeng apa pun. Pahlawan terus-menerus harus mengatasi kesulitan besar! Kemudian berenang di air dingin, lalu di air mendidih.
Pria menarik perhatian wanita dengan pacaran. Para wanita, pada gilirannya, merawat pria dan anak-anak ini. Dll. Jadi, jika ingin mendapatkan sesuatu, bersusah payah memberi terlebih dahulu.
Gaya aksi sama dengan gaya reaksi.
Hukum fisika ini pada prinsipnya mencerminkan yang sebelumnya. Jika seseorang telah melakukan tindakan negatif - sadar atau tidak - dan kemudian menerima tanggapan, yaitu. berlawanan. Terkadang sebab dan akibat dipisahkan dalam waktu, dan Anda tidak dapat segera memahami dari mana angin bertiup. Kita harus, yang paling penting, ingat bahwa tidak ada yang terjadi begitu saja.
Hukum Tuas.
Archimedes berseru: Beri aku pijakan dan aku akan menggerakkan Bumi!". Berat apa pun dapat dibawa jika Anda memilih tuas yang tepat. Anda harus selalu memperkirakan berapa lama tuas akan dibutuhkan untuk mencapai tujuan ini atau itu dan menarik kesimpulan untuk diri Anda sendiri, menetapkan prioritas: apakah Anda perlu menghabiskan begitu banyak upaya untuk membuat tuas yang tepat dan memindahkan beban ini, atau apakah itu lebih mudah untuk meninggalkannya sendiri dan melakukan aktivitas lain.
Aturan gimlet.
Aturannya adalah yang menunjukkan arah medan magnet. Aturan ini menjawab pertanyaan abadi: siapa yang harus disalahkan? Dan dia menunjukkan bahwa kita sendiri yang harus disalahkan atas semua yang terjadi pada kita. Betapapun menghinanya, betapapun sulitnya, betapapun sekilas tidak adil, kita harus selalu sadar bahwa kita sendirilah penyebabnya sejak awal.
hukum kuku.
Ketika seseorang ingin memalu paku, dia tidak mengetuk di suatu tempat di dekat paku, dia mengetuk tepat di kepala paku. Tetapi paku itu sendiri tidak naik ke dinding. Anda harus selalu memilih palu yang tepat agar tidak mematahkan paku dengan palu godam. Dan saat mencetak gol, Anda perlu menghitung pukulan agar topi tidak menekuk. Tetap sederhana, saling menjaga. Belajarlah untuk memikirkan tetangga Anda.
Dan terakhir, hukum entropi.
Entropi adalah ukuran ketidakteraturan suatu sistem. Dengan kata lain, semakin banyak kekacauan dalam sistem, semakin besar entropi. Formulasi yang lebih tepat: dalam proses spontan yang terjadi dalam sistem, entropi selalu meningkat. Sebagai aturan, semua proses spontan tidak dapat diubah. Mereka menyebabkan perubahan nyata dalam sistem, dan tidak mungkin untuk mengembalikannya ke keadaan semula tanpa mengeluarkan energi. Pada saat yang sama, tidak mungkin untuk mengulangi persis (100%) keadaan awalnya.
Untuk lebih memahami keteraturan dan ketidakteraturan seperti apa yang sedang kita bicarakan, mari kita buat sebuah eksperimen. Tuang pelet hitam dan putih ke dalam stoples kaca. Mari kita masukkan yang hitam dulu, lalu yang putih. Pelet akan disusun dalam dua lapisan: hitam di bagian bawah, putih di atas - semuanya beres. Kemudian kocok toples beberapa kali. Pelet akan tercampur rata. Dan tidak peduli berapa banyak kita mengocok toples ini, kita tidak mungkin dapat mencapai bahwa pelet tersusun lagi dalam dua lapisan. Ini dia, entropi beraksi!
Keadaan ketika pelet disusun dalam dua lapisan dianggap teratur. Keadaan ketika pelet tercampur rata dianggap tidak teratur. Dibutuhkan hampir keajaiban untuk kembali ke keadaan teratur! Atau pekerjaan melelahkan berulang dengan pelet. Dan hampir tidak perlu usaha untuk membuat kekacauan di bank.
Roda mobil. Ketika dipompa, ia memiliki kelebihan energi bebas. Roda bisa bergerak, yang artinya bekerja. Ini adalah perintahnya. Bagaimana jika Anda menusuk roda? Tekanan di dalamnya akan turun, energi bebas akan "meninggalkan" ke lingkungan (menghilang), dan roda seperti itu tidak akan bisa bekerja lagi. Ini adalah kekacauan. Untuk mengembalikan sistem ke keadaan semula, mis. untuk menertibkan, Anda perlu melakukan banyak pekerjaan: merekatkan kamera, memasang roda, memompanya, dll., setelah itu lagi-lagi hal penting yang bisa berguna.
Panas dipindahkan dari benda panas ke benda dingin, dan bukan sebaliknya. Proses sebaliknya secara teoritis dimungkinkan, tetapi secara praktis tidak ada yang akan melakukan ini, karena upaya besar, instalasi dan peralatan khusus akan diperlukan.
Juga di masyarakat. Orang-orang semakin tua. Rumah-rumah runtuh. Batuan tenggelam ke laut. Galaksi-galaksi tersebar. Setiap realitas di sekitar kita secara spontan cenderung kacau.
Namun, orang sering berbicara tentang ketidakteraturan sebagai kebebasan: Tidak, kami tidak ingin memesan! Beri kami kebebasan sedemikian rupa sehingga setiap orang dapat melakukan apa yang mereka inginkan!» Tetapi ketika semua orang melakukan apa yang mereka inginkan, ini bukan kebebasan - ini adalah kekacauan. Di zaman kita, banyak gangguan pujian, mempromosikan anarki - dengan kata lain, segala sesuatu yang menghancurkan dan memecah belah. Tetapi kebebasan tidak dalam kekacauan, kebebasan justru dalam keteraturan.
Mengatur hidupnya, seseorang menciptakan cadangan energi bebas, yang kemudian ia gunakan untuk mengimplementasikan rencananya: bekerja, belajar, rekreasi, kreativitas, olahraga, dll. Dengan kata lain, ia menentang entropi. Kalau tidak, bagaimana kita bisa mengumpulkan begitu banyak nilai material selama 250 tahun terakhir?!
Entropi adalah ukuran ketidakteraturan, ukuran disipasi energi yang tidak dapat diubah. Semakin banyak entropi, semakin banyak ketidakteraturan. Sebuah rumah di mana tidak ada seorang pun yang tinggal menjadi rusak. Besi berkarat seiring waktu, mobil menjadi tua. Hubungan yang tidak dipedulikan oleh siapa pun akan hancur. Begitu juga segala sesuatu yang lain dalam hidup kita, benar-benar segalanya!
Keadaan alami bukanlah keseimbangan, tetapi peningkatan entropi. Hukum ini bekerja tak terelakkan dalam kehidupan satu orang. Dia tidak perlu melakukan apa pun untuk meningkatkan entropinya, ini terjadi secara spontan, menurut hukum alam. Untuk mengurangi entropi (ketidakteraturan), Anda perlu melakukan banyak usaha. Ini adalah semacam tamparan di wajah orang-orang positif yang bodoh (di bawah batu yang tergeletak dan air tidak mengalir), yang jumlahnya cukup banyak!
Mempertahankan kesuksesan membutuhkan usaha terus-menerus. Jika kita tidak berkembang, maka kita akan terdegradasi. Dan untuk mempertahankan apa yang kita miliki sebelumnya, kita harus melakukan lebih banyak hari ini daripada yang kita lakukan kemarin. Hal-hal dapat dijaga dan bahkan ditingkatkan: jika cat di rumah sudah pudar, itu bisa dicat ulang, dan bahkan lebih indah dari sebelumnya.
Orang harus mencoba untuk "menenangkan" perilaku destruktif sewenang-wenang yang berlaku di mana-mana di dunia modern, mencoba untuk mengurangi keadaan kekacauan, yang telah kita bubarkan hingga batas yang muluk-muluk. Dan ini adalah hukum fisik, dan bukan hanya obrolan tentang depresi dan pemikiran negatif. Semuanya berkembang atau menurun.
Sebuah organisme hidup lahir, berkembang dan mati, dan tidak ada yang pernah mengamati bahwa setelah kematian ia hidup kembali, menjadi lebih muda dan kembali ke benih atau rahim. Ketika mereka mengatakan bahwa masa lalu tidak pernah kembali, maka, tentu saja, yang mereka maksudkan, pertama-tama, fenomena vital ini. Perkembangan organisme menetapkan arah positif panah waktu, dan perubahan dari satu keadaan sistem ke keadaan lain selalu terjadi dalam arah yang sama untuk semua proses tanpa kecuali.
Valerian Chupin
Sumber informasi: Tchaikovsky.News
Komentar (3)
Kekayaan masyarakat modern tumbuh, dan akan tumbuh ke tingkat yang lebih besar, terutama melalui kerja universal. Kapital industri adalah bentuk historis pertama dari produksi sosial, ketika tenaga kerja universal mulai dieksploitasi secara intensif. Dan pertama, yang dia dapatkan secara gratis. Sains, seperti yang diamati Marx, tidak membutuhkan biaya apapun untuk modal. Memang, tidak seorang kapitalis pun membayar hadiah kepada Archimedes, atau Cardano, atau Galileo, atau Huygens, atau Newton untuk penggunaan praktis dari ide-ide mereka. Tetapi justru kapital industrilah yang, dalam skala massal, mulai mengeksploitasi teknologi mekanis, dan dengan demikian kerja umum terkandung di dalamnya. Marx K, Engels F. Soch., vol.25, bagian 1, hlm. 116.
HUKUM DASAR FISIKA
[ Mekanika | Termodinamika | Listrik | Optik | Fisika Atom]
ENERGI KONSERVASI DAN TRANSFORMASI HUKUM - hukum umum alam: energi dari setiap sistem tertutup untuk semua proses yang terjadi dalam sistem tetap konstan (konservasi). Energi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lain dan didistribusikan kembali di antara bagian-bagian sistem. Untuk sistem terbuka, peningkatan (penurunan) energinya sama dengan penurunan (peningkatan) energi benda dan medan fisik yang berinteraksi dengannya.
1. MEKANIKA
HUKUM ARCHIMEDES - hukum hidro dan aerostatika: benda yang direndam dalam cairan atau gas dikenai gaya apung yang diarahkan secara vertikal ke atas, secara numerik sama dengan berat cairan atau gas yang dipindahkan oleh benda tersebut, dan diterapkan di pusat gravitasi dari bagian tubuh yang terbenam. FA = gV, di mana r adalah massa jenis cairan atau gas, V adalah volume bagian tubuh yang terendam. Jika tidak, itu dapat dirumuskan sebagai berikut: benda yang direndam dalam cairan atau gas kehilangan beratnya sebanyak cairan (atau gas) yang dipindahkan oleh beratnya. Kemudian P= mg - FA gr lain. ilmuwan Archimedes pada tahun 212. SM. Ini adalah dasar dari teori badan renang.
HUKUM GRAVITASI UNIVERSAL - Hukum gravitasi Newton: semua benda ditarik satu sama lain dengan gaya yang berbanding lurus dengan produk massa benda-benda ini dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara mereka: , di mana M dan m adalah massa dari benda-benda yang berinteraksi, R adalah jarak antara benda-benda ini, G adalah konstanta gravitasi (dalam SI G=6.67.10-11 N.m2/kg2.
PRINSIP RELATIFITAS GALILEO, prinsip mekanika relativitas - prinsip mekanika klasik: dalam kerangka acuan inersia mana pun, semua fenomena mekanis berlangsung dengan cara yang sama di bawah kondisi yang sama. Menikahi prinsip relativitas.
HUKUM HOOK - hukum yang menurutnya deformasi elastis berbanding lurus dengan pengaruh eksternal yang menyebabkannya.
HUKUM KONSERVASI MOMENTUM - hukum mekanika: momentum setiap sistem tertutup dalam semua proses yang terjadi dalam sistem tetap konstan (kekekalan) dan hanya dapat didistribusikan kembali di antara bagian-bagian sistem sebagai hasil interaksinya.
HUKUM NEWTON - tiga hukum yang mendasari mekanika klasik Newton. Hukum 1 (hukum inersia): suatu titik material berada dalam keadaan lurus dan gerak atau diam seragam jika tidak ada benda lain yang bekerja padanya atau tindakan benda-benda ini dikompensasi. Hukum ke-2 (hukum dasar dinamika): percepatan yang diterima benda berbanding lurus dengan resultan semua gaya yang bekerja pada benda, dan berbanding terbalik dengan massa benda (). Hukum ke-3: dua titik material berinteraksi satu sama lain oleh kekuatan yang sifatnya sama, sama besar dan berlawanan arah sepanjang garis lurus yang menghubungkan titik-titik ini ().
PRINSIP RELATIFITAS - salah satu postulat teori relativitas, yang menyatakan bahwa dalam kerangka acuan inersia mana pun semua fenomena fisik (mekanik, elektromagnetik, dll.) dalam kondisi yang sama berlangsung dengan cara yang sama. Ini adalah generalisasi Galileo tentang prinsip relativitas terhadap semua fenomena fisik (kecuali gravitasi).
2. FISIKA MOLEKULER DAN TERMODINAMIKA
HUKUM AVOGADRO - salah satu hukum dasar gas ideal: volume yang sama dari gas yang berbeda pada suhu dan tekanan yang sama mengandung jumlah molekul yang sama. Dibuka pada tahun 1811 oleh orang Italia. fisikawan A. Avogadro (1776-1856).
HUKUM BOYLE-MARIOTTE - salah satu hukum gas ideal: untuk massa tertentu dari gas tertentu pada suhu konstan, produk dari tekanan dan volume adalah konstan. Rumus: pV=konst. Menjelaskan proses isotermal.
HUKUM TERMODINAMIKA KEDUA - salah satu hukum dasar termodinamika, yang menurutnya proses periodik tidak mungkin, satu-satunya hasil yang adalah kinerja kerja yang setara dengan jumlah panas yang diterima dari pemanas. Formulasi lain: suatu proses tidak mungkin, satu-satunya hasil adalah transfer energi dalam bentuk panas dari benda yang kurang panas ke benda yang lebih panas. V.z.t. menyatakan kecenderungan sistem yang terdiri dari sejumlah besar partikel yang bergerak secara kacau ke transisi spontan dari keadaan yang lebih kecil kemungkinannya ke keadaan yang lebih mungkin. Melarang pembuatan mesin gerak abadi jenis kedua.
HUKUM GAY-LUSSAC - hukum gas: untuk massa tertentu dari gas tertentu pada tekanan konstan, rasio volume terhadap suhu absolut adalah nilai konstan, di mana \u003d 1/273 K-1 adalah koefisien suhu ekspansi volume.
HUKUM DALTON - salah satu hukum gas dasar: tekanan campuran gas ideal yang tidak berinteraksi secara kimia sama dengan jumlah tekanan parsial gas-gas ini.
HUKUM PASCAL - hukum dasar hidrostatika: tekanan yang dihasilkan oleh gaya eksternal pada permukaan cairan atau gas ditransmisikan secara merata ke segala arah.
HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA - salah satu hukum dasar termodinamika, yang merupakan hukum kekekalan energi untuk sistem termodinamika: jumlah panas Q yang dikomunikasikan ke sistem dihabiskan untuk mengubah energi internal sistem U dan melakukan pekerjaan A melawan kekuatan eksternal oleh sistem. Rumus: Q=U+A. Ini mendasari pengoperasian mesin panas.
HUKUM CHARLES - salah satu hukum gas utama: tekanan gas ideal dengan massa tertentu pada volume konstan berbanding lurus dengan suhu: di mana p0 adalah tekanan pada 00C, \u003d 1/273.15 K-1 adalah koefisien suhu tekanan.
3. LISTRIK DAN MAGNETISME
HUKUM AMPERA - hukum interaksi dua konduktor dengan arus; Konduktor paralel dengan arus yang searah akan tarik-menarik, dan arus yang berlawanan arah akan tolak-menolak. A.z. juga disebut hukum yang menentukan gaya yang bekerja dalam medan magnet pada segmen kecil konduktor pembawa arus. Dibuka pada tahun 1820 SAYA. Amper.
HUKUM JOUL-LENTZ - hukum yang menjelaskan efek termal arus listrik. Menurut D. - L.z. jumlah panas yang dilepaskan dalam konduktor ketika arus searah melewatinya berbanding lurus dengan kuadrat kekuatan arus, resistansi konduktor dan waktu perjalanan.
HUKUM KONSERVASI BIAYA - salah satu hukum dasar alam: jumlah aljabar muatan listrik dari setiap sistem yang diisolasi secara elektrik tetap tidak berubah. Dalam sistem yang terisolasi secara elektrik Z.s.z. memungkinkan munculnya partikel bermuatan baru (misalnya, selama disosiasi elektrolitik, ionisasi gas, pembuatan pasangan partikel-antipartikel, dll.), tetapi muatan listrik total partikel yang muncul harus selalu sama dengan nol.
HUKUM Coulomb - hukum dasar elektrostatika, yang menyatakan ketergantungan gaya interaksi dua muatan titik tetap pada jarak antara mereka: dua muatan titik tetap berinteraksi dengan gaya yang berbanding lurus dengan produk besaran muatan ini dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya dan permitivitas medium tempat muatan berada. Dalam SI sepertinya: . Nilai tersebut secara numerik sama dengan gaya yang bekerja antara dua muatan titik tetap masing-masing 1 C, terletak dalam ruang hampa pada jarak 1 m dari satu sama lain. K.z. adalah salah satu pembuktian eksperimental elektrodinamika.
ATURAN TANGAN KIRI - aturan yang menentukan arah gaya yang bekerja pada konduktor dengan arus dalam medan magnet (atau partikel bermuatan yang bergerak). Dikatakan: jika tangan kiri diposisikan sehingga jari-jari terentang menunjukkan arah arus (kecepatan partikel), dan garis-garis gaya medan magnet (garis induksi magnetik) masuk ke telapak tangan, maka ibu jari ditarik akan menunjukkan arah gaya yang bekerja pada konduktor (partikel positif; dalam kasus partikel negatif, arah gaya berlawanan).
ATURAN LENTZ (HUKUM) - aturan yang menentukan arah arus induksi yang terjadi selama induksi elektromagnetik. Menurut L.p. arus induktif selalu memiliki arah sedemikian rupa sehingga fluks magnetnya sendiri mengkompensasi perubahan fluks magnet luar yang menyebabkan arus ini. Lp - konsekuensi dari hukum kekekalan energi.
HUKUM OHMA - salah satu hukum dasar arus listrik: kekuatan arus listrik searah di bagian rangkaian berbanding lurus dengan tegangan di ujung bagian ini dan berbanding terbalik dengan resistansinya. Berlaku untuk konduktor logam dan elektrolit, yang suhunya dijaga konstan. Dalam kasus rangkaian lengkap, dirumuskan sebagai berikut: kuat arus listrik searah dalam rangkaian berbanding lurus dengan ggl sumber arus dan berbanding terbalik dengan impedansi rangkaian listrik.
ATURAN TANGAN KANAN - aturan yang menentukan 1) arah arus induksi dalam konduktor yang bergerak dalam medan magnet: jika telapak tangan kanan diposisikan sehingga mencakup garis induksi magnetik, dan ibu jari yang ditekuk diarahkan sepanjang pergerakan
konduktor, maka empat jari terentang akan menunjukkan arah arus induksi; 2) arah garis induksi magnet penghantar bujursangkar dengan arus: jika ibu jari tangan kanan diletakkan searah arus, maka arah menggenggam penghantar dengan empat jari akan menunjukkan arah garis dari induksi magnet.
HUKUM FARADAY - hukum dasar elektrolisis. Hukum pertama Faraday: massa zat yang dilepaskan pada elektroda selama aliran arus listrik berbanding lurus dengan jumlah listrik (muatan) yang telah melewati elektrolit (m=kq=kIt). FZ kedua: rasio massa berbagai zat yang mengalami transformasi kimia pada elektroda ketika muatan listrik yang sama melewati elektrolit sama dengan rasio setara kimia. Dipasang pada tahun 1833-34 oleh M. Faraday. Hukum umum elektrolisis memiliki bentuk: , di mana M adalah massa molar (atom), z adalah valensi, F adalah konstanta Faraday. F.p. sama dengan produk dari muatan listrik dasar dan konstanta Avogadro. F=e.NA. Menentukan muatan, yang lintasannya melalui elektrolit mengarah pada pelepasan 1 mol zat monovalen pada elektroda. F=(96484,56 0,27) sel/mol. Dinamakan setelah M. Faraday.
HUKUM INDUKSI ELEKTROMAGNETIK - hukum yang menggambarkan fenomena terjadinya medan listrik ketika medan magnet berubah (fenomena induksi elektromagnetik): gaya gerak listrik induksi berbanding lurus dengan laju perubahan fluks magnet. Koefisien proporsionalitas ditentukan oleh sistem satuan, tandanya adalah aturan Lenz. Rumus dalam SI adalah: di mana adalah perubahan fluks magnet, dan t adalah selang waktu selama perubahan ini terjadi. Ditemukan oleh M. Faraday.
4. OPTIK
PRINSIP HUYGENS - metode yang memungkinkan Anda untuk menentukan posisi muka gelombang setiap saat. Menurut g.p. semua titik yang dilalui muka gelombang pada waktu t merupakan sumber gelombang sferis sekunder, dan posisi muka gelombang yang diinginkan pada waktu t t bertepatan dengan permukaan yang menyelimuti semua gelombang sekunder. Memungkinkan Anda untuk menjelaskan hukum pemantulan dan pembiasan cahaya.
HUYGENS - FRESNEL - PRINSIP - metode perkiraan untuk memecahkan masalah perambatan gelombang. G.-F. Item tersebut mengatakan: pada setiap titik di luar permukaan tertutup yang sewenang-wenang, yang menutupi sumber titik cahaya, gelombang cahaya yang dieksitasi oleh sumber ini dapat direpresentasikan sebagai hasil interferensi gelombang sekunder yang dipancarkan oleh semua titik dari permukaan tertutup yang ditentukan. Memungkinkan Anda memecahkan masalah difraksi cahaya yang paling sederhana.
HUKUM REFLEKSI GELOMBANG - sinar datang, sinar pantul dan tegak lurus dinaikkan ke titik datang balok terletak pada bidang yang sama, dan sudut datang sama dengan sudut bias. Hukum ini berlaku untuk refleksi cermin.
REFRAKSI CAHAYA - perubahan arah rambat cahaya (gelombang elektromagnetik) selama transisi dari satu media ke media lain, yang berbeda dari indeks bias pertama. Untuk pembiasan, hukum terpenuhi: sinar datang, sinar bias dan tegak lurus dinaikkan ke titik datang sinar terletak pada bidang yang sama, dan untuk dua media ini, rasio sinus sudut datang ke sinus sudut bias adalah nilai konstan, yang disebut indeks bias relatif media kedua relatif terhadap yang pertama.
HUKUM DISTRIBUSI CAHAYA BETUL - hukum optik geometris, yang terdiri dari kenyataan bahwa dalam media yang homogen cahaya merambat dalam garis lurus. Menjelaskan, misalnya, pembentukan naungan dan penumbra.
6. FISIKA ATOM DAN NUKLIR.
POSTULAT BOHR - asumsi utama yang diperkenalkan tanpa bukti oleh N.Bohr dan mendasari TEORI BOHR: 1) Sistem atom stabil hanya dalam keadaan stasioner yang sesuai dengan urutan diskrit nilai energi atom. Setiap perubahan energi ini dikaitkan dengan transisi lengkap atom dari satu keadaan diam ke keadaan diam lainnya. 2) Penyerapan dan emisi energi oleh atom terjadi menurut hukum yang menyatakan bahwa radiasi yang terkait dengan transisi adalah monokromatik dan memiliki frekuensi: h = Ei-Ek, di mana h adalah konstanta Planck, dan Ei dan Ek adalah energi atom dalam keadaan diam
Menurut hukum ini, proses, yang satu-satunya hasilnya adalah perpindahan energi dalam bentuk panas dari benda yang lebih dingin ke benda yang lebih panas, tidak mungkin terjadi tanpa perubahan pada sistem itu sendiri dan lingkungan.
Hukum kedua termodinamika menyatakan kecenderungan sistem yang terdiri dari sejumlah besar partikel yang bergerak secara acak ke transisi spontan dari keadaan yang lebih kecil kemungkinannya ke keadaan yang lebih mungkin. Melarang pembuatan mesin gerak abadi jenis kedua.
Gas-gas ideal yang volumenya sama pada suhu dan tekanan yang sama mengandung jumlah molekul yang sama.
Hukum ini ditemukan pada tahun 1811 oleh fisikawan Italia A. Avogadro (1776–1856).
Hukum interaksi dua arus yang mengalir dalam konduktor yang terletak pada jarak kecil dari satu sama lain menyatakan: konduktor paralel dengan arus dalam satu arah menarik, dan dengan arus dalam arah yang berlawanan mereka tolak.
Hukum ini ditemukan pada tahun 1820 oleh A. M. Ampere.
Hukum hidro dan aerostatika: pada benda yang direndam dalam cairan atau gas, gaya apung bekerja vertikal ke atas, sama dengan berat cairan atau gas yang dipindahkan oleh benda, dan diterapkan pada pusat gravitasi dari bagian benda yang terbenam. tubuh. FA = gV, di mana g adalah massa jenis cairan atau gas, V adalah volume bagian tubuh yang terendam.
Jika tidak, hukum dapat dirumuskan sebagai berikut: benda yang direndam dalam cairan atau gas kehilangan beratnya sebanyak berat cairan (atau gas) yang dipindahkan olehnya. Maka P = mg - FA.
Hukum ini ditemukan oleh ilmuwan Yunani kuno Archimedes pada 212 SM. e. Ini adalah dasar dari teori benda terapung.
Salah satu hukum gas ideal: pada suhu konstan, produk dari tekanan gas dan volumenya adalah nilai konstan. Rumus: pV = konstanta. Menjelaskan proses isotermal.
Hukum gravitasi universal, atau hukum gravitasi Newton: semua benda tertarik satu sama lain dengan gaya yang berbanding lurus dengan produk massa benda-benda ini dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara mereka.
Menurut hukum ini, deformasi elastis benda padat berbanding lurus dengan pengaruh eksternal yang menyebabkannya.
Menjelaskan efek termal arus listrik: jumlah panas yang dilepaskan dalam konduktor ketika arus searah melewatinya berbanding lurus dengan kuadrat kekuatan arus, resistansi konduktor dan waktu perjalanan. Ditemukan oleh Joule dan Lenz secara independen pada abad ke-19.
Hukum dasar elektrostatika, yang menyatakan ketergantungan gaya interaksi dua muatan titik tetap pada jarak antara mereka: dua muatan titik tetap berinteraksi dengan gaya yang berbanding lurus dengan produk besaran muatan ini dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya dan permitivitas medium tempat muatan berada. Nilai tersebut secara numerik sama dengan gaya yang bekerja antara dua muatan titik tetap sebesar 1 C yang masing-masing terletak dalam ruang hampa pada jarak 1 m dari satu sama lain.
Hukum Coulomb adalah salah satu pembuktian eksperimental elektrodinamika. Dibuka pada tahun 1785
Salah satu hukum dasar arus listrik: kuat arus listrik searah pada suatu bagian rangkaian berbanding lurus dengan tegangan pada ujung-ujung bagian ini dan berbanding terbalik dengan hambatannya. Berlaku untuk konduktor logam dan elektrolit, yang suhunya dijaga konstan. Dalam kasus rangkaian lengkap, dirumuskan sebagai berikut: kuat arus listrik searah dalam rangkaian berbanding lurus dengan ggl sumber arus dan berbanding terbalik dengan impedansi rangkaian listrik.
Dibuka pada tahun 1826 oleh G. S. Ohm.
Memuat...