1.1. Merknad. Lovene til relativitetsteorien og kvantemekanikken, i henhold til hvilke bevegelsen og samspillet mellom elementære partikler av materie finner sted, forhåndsbestemmer dannelsen og utseendet til mønstre av det bredeste spekteret av fenomener studert av ulike naturvitenskaper. Disse lovene ligger til grunn for moderne høyteknologi og bestemmer i stor grad tilstanden og utviklingen til vår sivilisasjon. Derfor er bekjentskap med det grunnleggende om grunnleggende fysikk nødvendig ikke bare for studenter, men også for skolebarn. Aktiv besittelse av grunnleggende kunnskap om verdens struktur er nødvendig for at en person skal komme inn i livet for å finne sin plass i denne verden og lykkes med å fortsette utdannelsen.
1.2. Hva er hovedvanskeligheten med denne rapporten. Den henvender seg både til spesialister innen elementærpartikkelfysikk og til et mye bredere publikum: fysikere som ikke har å gjøre med elementærpartikler, matematikere, kjemikere, biologer, energiforskere, økonomer, filosofer, lingvister, ... For å være tilstrekkelig nøyaktig, jeg må bruke begrepene og formlene for grunnleggende fysikk. For å bli forstått må jeg hele tiden forklare disse begrepene og formlene. Hvis elementær partikkelfysikk ikke er din spesialitet, les først bare de delene hvis titler ikke er merket med asterisker. Prøv deretter å lese avsnitt med én stjerne *, to ** og til slutt tre ***. Jeg rakk å snakke om de fleste avsnittene uten stjerner under rapporten, men det var ikke tid til resten.
1.3. Fysikk av elementærpartikler. Partikkelfysikk er grunnlaget for all naturvitenskap. Den studerer de minste materiepartiklene og de grunnleggende mønstrene for deres bevegelser og interaksjoner. Til syvende og sist er det disse regelmessighetene som bestemmer oppførselen til alle objekter på jorden og på himmelen. Partikkelfysikk omhandler så grunnleggende begreper som rom og tid; saken; energi, fart og masse; snurre rundt. (De fleste lesere har en idé om rom og tid, de har kanskje hørt om sammenhengen mellom masse og energi og har ingen anelse om hva momentum har med det å gjøre, og de gjetter neppe om spinnets viktigste rolle i fysikk. De kan er ikke engang enige seg imellom om hva de skal kalle materie enda eksperter.) Partikkelfysikk ble skapt på 1900-tallet. Dens skapelse er uløselig knyttet til dannelsen av to av de største teoriene i menneskehetens historie: relativitetsteorien og kvantemekanikken. Nøkkelkonstantene til disse teoriene er lysets hastighet c og Plancks konstant h.
1.4. Relativitetsteorien. Den spesielle relativitetsteorien, som oppsto på begynnelsen av 1900-tallet, fullførte syntesen av en rekke vitenskaper som studerte klassiske fenomener som elektrisitet, magnetisme og optikk, og skapte mekanikk med kroppshastigheter som kan sammenlignes med lysets hastighet. (Newtons klassiske ikke-relativistiske mekanikk handlet om hastigheter v<<c.) Så, i 1915, ble den generelle relativitetsteorien opprettet, som ble utformet for å beskrive gravitasjonsinteraksjoner, tatt i betraktning endeligheten til lyshastigheten c.
1.5. Kvantemekanikk. Kvantemekanikk, opprettet på 1920-tallet, forklarte strukturen og egenskapene til atomer basert på de doble bølge-partikkelegenskapene til elektroner. Hun forklarte et stort spekter av kjemiske fenomener knyttet til samspillet mellom atomer og molekyler. Og lov til å beskrive prosessene med utslipp og absorpsjon av lys av dem. Forstå informasjonen som lyset fra solen og stjernene gir oss.
1.6. Kvantefeltteori. Sammenslåingen av relativitetsteorien og kvantemekanikken førte til opprettelsen av kvantefeltteorien, som gjør det mulig å beskrive de viktigste egenskapene til materie med høy grad av nøyaktighet. Kvantefeltteori er selvfølgelig for komplisert til å forklare for skoleelever. Men på midten av 1900-tallet dukket det opp et visuelt språk med Feynman-diagrammer, som radikalt forenkler forståelsen av mange aspekter ved kvantefeltteori. Et av hovedmålene med denne foredraget er å vise hvordan det bredeste spekteret av fenomener enkelt kan forstås ved hjelp av Feynman-diagrammer. Samtidig vil jeg dvele mer detaljert ved problemstillinger som er langt fra kjent for alle eksperter innen kvantefeltteori (for eksempel om forholdet mellom klassisk og kvantetyngdekraft), og jeg vil bare sparsomt skissere problemstillinger som er mye diskutert i populære vitenskapelig litteratur.
1.7. Identitet til elementærpartikler. Elementærpartikler kalles de minste udelelige partikler av materie, som hele verden er bygget av. Den mest fantastiske egenskapen som skiller disse partiklene fra vanlige ikke-elementære partikler, for eksempel sandkorn eller perler, er at alle elementærpartikler av samme type, for eksempel alle elektroner i universet er absolutt (!) De samme - identisk. Og som en konsekvens er deres enkleste bundne tilstander identiske med hverandre - atomer og de enkleste molekylene.
1.8. Seks elementærpartikler. For å forstå hovedprosessene som skjer på jorden og på solen, er det nok å forstå, som en første tilnærming, prosessene der seks partikler deltar: elektron e, proton s nøytron n og elektronnøytrino ν e , samt foton γ og graviton g̃. De fire første partiklene har spinn 1/2, fotonet har spinn 1, og gravitonet har 2. (Partikler med heltallsspinn kalles bosoner, partikler med halvheltallsspinn kalles fermioner. Mer om spinn vil bli diskutert senere.) Protoner og nøytroner kalles vanligvis nukleoner fordi atomkjerner er bygget av dem, og kjernen på engelsk er kjernen. Elektronet og nøytrinoet kalles leptoner. De har ikke sterke atomkrefter.
På grunn av den svært svake vekselvirkningen mellom gravitoner er det umulig å observere individuelle gravitoner, men det er gjennom disse partiklene gravitasjonen utføres i naturen. Akkurat som elektromagnetiske interaksjoner utføres ved hjelp av fotoner.
1.9. Antipartikler. Elektronet, protonet og nøytronet har såkalte antipartikler: positron, antiproton og antinøytron. De er ikke inkludert i sammensetningen av vanlig materie, siden når de møtes med de tilsvarende partiklene, inngår de reaksjoner av gjensidig utslettelse med dem - utslettelse. Dermed tilintetgjør et elektron og et positron til to eller tre fotoner. Fotonet og gravitonet er virkelig nøytrale partikler: de faller sammen med antipartiklene deres. Hvorvidt nøytrinoen er en virkelig nøytral partikkel er fortsatt ukjent.
1.10. Nukleoner og kvarker. På midten av 1900-tallet ble det klart at nukleonene i seg selv består av mer elementærpartikler - kvarker av to typer, som betegner u Og d: s = uud, n = ddu. Samspillet mellom kvarker utføres av gluoner. Antinukleoner består av antikvarker.
1.11. Tre generasjoner fermioner. I tillegg til u, d, e, v e to andre grupper (eller, som de sier, generasjoner) av kvarker og leptoner ble oppdaget og studert: c, s, μ, ν μ og t, b, τ , ν τ . Disse partiklene er ikke inkludert i sammensetningen av vanlig materie, siden de er ustabile og raskt forfaller til lettere partikler av den første generasjonen. Men de spilte en viktig rolle i de første øyeblikkene av universets eksistens.
For en enda mer fullstendig og dyp forståelse av naturen, trengs det enda flere partikler med enda mer uvanlige egenskaper. Men kanskje i fremtiden vil alt dette mangfoldet bli redusert til noen få enkle og vakre enheter.
1.12. Hadroner. En stor familie av partikler som består av kvarker og/eller antikvarker og gluoner kalles hadroner. Alle hadroner, med unntak av nukleoner, er ustabile og går derfor ikke inn i sammensetningen av vanlig materie.
Ofte blir hadroner også referert til som elementærpartikler, siden de ikke kan deles inn i frie kvarker og gluoner. (Det gjorde jeg også, og refererte protonet og nøytronet til de første seks elementærpartiklene.) Hvis alle hadroner regnes som elementære, vil antallet elementærpartikler bli målt i hundrevis.
1.13. Standardmodell og fire typer interaksjoner. Som det vil bli forklart nedenfor, gjør elementærpartiklene listet ovenfor det mulig, innenfor rammen av den såkalte "Standard Model of elementary particles", å beskrive alle de prosessene som er kjent så langt som forekommer i naturen som følge av gravitasjons-, elektromagnetisk , svake og sterke interaksjoner. Men for å forstå hvordan de to første av dem fungerer, er fire partikler nok: et foton, et graviton, et elektron og et proton. Dessuten det faktum at protonet består av u- Og d-kvarker og gluoner, viser seg å være ubetydelige. Selvfølgelig, uten svake og sterke interaksjoner, er det umulig å forstå verken hvordan atomkjerner er ordnet, eller hvordan solen vår fungerer. Men hvordan atomskjell er ordnet, som bestemmer alle grunnstoffenes kjemiske egenskaper, hvordan elektrisitet fungerer og hvordan galakser er ordnet, kan man forstå.
1.14. Utover det kjente. Vi vet allerede i dag at partiklene og interaksjonene til Standardmodellen ikke utmatter naturens skatter.
Det har blitt fastslått at vanlige atomer og ioner utgjør bare mindre enn 20 % av all materie i universet, og mer enn 80 % er den såkalte mørke materien, hvis natur fortsatt er ukjent. Den vanligste oppfatningen er at mørk materie består av superpartikler. Det er mulig at den består av speilpartikler.
Enda mer slående er det faktum at all materie, både synlig (lys) og mørk, bærer bare en fjerdedel av hele universets energi. Tre fjerdedeler tilhører den såkalte mørke energien.
1.15. Elementærpartikler"e til en viss grad" er grunnleggende. Da læreren min Isaak Yakovlevich Pomeranchuk ønsket å understreke viktigheten av et spørsmål, sa han at spørsmålet e er viktig i grad. Selvfølgelig er det meste av naturvitenskapene, og ikke bare elementær partikkelfysikk, grunnleggende. Fysikk for kondensert stoff er for eksempel underlagt grunnleggende lover som kan brukes uten å måtte finne ut hvordan de følger av partikkelfysikkens lover. Men lovene om relativitet og kvantemekanikk " e til en viss grad grunnleggende" i den forstand at ingen av de mindre generelle lovene kan motsi dem.
1.16. Grunnleggende lover. Alle prosesser i naturen skjer som et resultat av lokale interaksjoner og bevegelser (fordelinger) av elementærpartikler. De grunnleggende lovene som styrer disse bevegelsene og interaksjonene er svært uvanlige og veldig enkle. De er basert på symmetribegrepet og prinsippet om at alt som ikke motsier symmetri kan og bør skje. Nedenfor vil vi, ved å bruke språket til Feynman-diagrammer, spore hvordan dette realiseres i partiklers gravitasjonsmessige, elektromagnetiske, svake og sterke interaksjoner.
2. Partikler og liv
2.1. Om sivilisasjon og kultur. Utenlandsk medlem av det russiske vitenskapsakademiet Valentin Telegdi (1922–2006) forklarte: "Hvis WC (vannklosett) er sivilisasjon, så er muligheten til å bruke det kultur."
ITEP-forsker A. A. Abrikosov Jr. skrev til meg nylig: «Et av målene med rapporten din er å overbevise et høyt publikum om behovet for å undervise i moderne fysikk bredere. I så fall kan det kanskje være verdt å gi noen hverdagslige eksempler. Jeg mener følgende:
Vi lever i en verden som er utenkelig selv på hverdagsnivå uten kvantemekanikk (QM) og relativitetsteorien (RT). Mobiltelefoner, datamaskiner, all moderne elektronikk, for ikke å nevne LED-lys, halvlederlasere (inkludert pekere), LCD-skjermer er i hovedsak kvanteenheter. Det er umulig å forklare hvordan de fungerer uten de grunnleggende begrepene QM. Og hvordan forklarer du dem uten å nevne tunnelering?
Det andre eksemplet kjenner jeg kanskje fra deg. Satellittnavigatorer er installert i hver 10. bil. Nøyaktigheten av klokkesynkronisering i satellittnettverket er ikke mindre enn 10 −8 (dette tilsvarer en feil i størrelsesorden en meter i lokaliseringen av et objekt på jordens overflate). Slik nøyaktighet krever at man tar hensyn til TO-korreksjoner til klokken på en satellitt i bevegelse. De sier at ingeniørene ikke kunne tro det, så de første enhetene hadde et dobbelt program: med og uten korreksjoner. Som det viste seg, fungerer det første programmet bedre. Her er en test av relativitetsteorien på husholdningsnivå.
Selvfølgelig er det mulig å snakke i telefon, kjøre bil og skrive datanøkler uten høy vitenskap. Men det er usannsynlig at akademikere bør oppfordre til å ikke studere geografi, fordi «det er drosjer».
Og så snakker de med skolebarn, og deretter med studenter i fem år om materielle poeng og galileisk relativitet, og plutselig, uten noen åpenbar grunn, sier de at dette er «ikke helt sant».
Det er vanskelig å endre fra den visuelle Newtonske verdenen til den kvanteverden, selv ved Fysioteknisk Institutt. Hilsen, AAA."
2.2. Om grunnleggende fysikk og utdanning. Dessverre har det moderne utdanningssystemet ligget bak moderne grunnleggende fysikk med et helt århundre. Og de fleste mennesker (inkludert flertallet av vitenskapsmenn) har ingen anelse om det utrolig klare og enkle bildet (kartet) av verden som elementær partikkelfysikk har skapt. Dette kartet gjør det mye lettere å navigere i alle naturfag. Hensikten med rapporten min er å overbevise deg om at noen elementer (begreper) i elementærpartikkelfysikk, relativitetsteorien og kvanteteorien kan og bør bli grunnlaget for undervisning i alle naturvitenskapelige fag, ikke bare i høyere, men også i sekundær- og selv barneskolen. Tross alt mestres grunnleggende nye konsepter lettest nettopp i barndommen. Barnet mestrer lett språket, mestrer med mobiltelefon. Mange barn returnerer Rubiks-kuben til sin opprinnelige tilstand i løpet av sekunder, og til og med en dag er ikke nok for meg.
For å unngå ubehagelige overraskelser i fremtiden, er det nødvendig å legge et tilstrekkelig verdensbilde i barnehagen. Konstanter c Og h skal bli kunnskapsverktøy for barn.
2.3. Om matematikk. Matematikk - dronningen og tjeneren til alle vitenskaper - må absolutt tjene som kunnskapens viktigste verktøy. Det gir slike grunnleggende begreper som sannhet, skjønnhet, symmetri, orden. begreper om null og uendelig. Matematikk lærer deg å tenke og regne. Grunnleggende fysikk er utenkelig uten matematikk. Utdanning er utenkelig uten matematikk. Selvfølgelig kan det være for tidlig å studere gruppeteori på skolen, men det er nødvendig å lære deg å sette pris på sannhet, skjønnhet, symmetri og orden (og litt uorden på samme tid).
Det er veldig viktig å forstå overgangen fra reelle (reelle) tall (enkle, rasjonelle, irrasjonelle) til imaginære og komplekse. Sannsynligvis bør bare de studentene som ønsker å jobbe innen matematikk og teoretisk fysikk studere hyperkomplekse tall (kvarternioner og oktonioner). I arbeidet mitt har jeg for eksempel aldri brukt oktonioner. Men jeg vet at de gjør det lettere å forstå den mest lovende, ifølge mange teoretiske fysikere, eksepsjonell symmetrigruppe E 8 .
2.4. Om verdensbilde og naturvitenskap. Ideen om de grunnleggende lovene som styrer verden er nødvendig i all naturvitenskap. Selvfølgelig har faststofffysikk, kjemi, biologi, geovitenskap og astronomi sine egne spesifikke konsepter, metoder og problemer. Men det er veldig viktig å ha et generelt kart over verden og en forståelse av at det er mange tomme flekker av det ukjente på dette kartet. Det er veldig viktig å forstå at vitenskap ikke er et forbenet dogme, men en levende prosess for å nærme seg sannheten på mange punkter på verdenskartet. Tilnærming til sannheten er en asymptotisk prosess.
2.5. Om sann og vulgær reduksjonisme. Ideen om at de mer komplekse strukturene i naturen består av mindre komplekse strukturer og til syvende og sist av de enkleste elementene, kalles ofte reduksjonisme. I denne forstand, det jeg prøver å overbevise deg om er reduksjonisme. Men vulgær reduksjonisme, som hevder at alle vitenskaper kan reduseres til elementær partikkelfysikk, er absolutt uakseptabelt. På hvert høyere og høyere nivå av kompleksitet dannes og dukker dets egne mønstre opp. Du trenger ikke kunne partikkelfysikk for å være en god biolog. Men for å forstå dens plass og rolle i vitenskapens system, for å forstå nøkkelrollen til konstantene c Og h nødvendig. Tross alt er vitenskapen som helhet en enkelt organisme.
2.6. Om humaniora og samfunnsvitenskap. En generell idé om verdens struktur er veldig viktig for økonomi, og for historie, og for kognitive vitenskaper, som språkvitenskapene, og for filosofi. Og omvendt - disse vitenskapene er ekstremt viktige for den mest grunnleggende fysikken, som stadig foredler sine grunnleggende konsepter. Dette vil fremgå av betraktningen av relativitetsteorien, som jeg nå vender meg til. Jeg vil spesielt nevne rettsvitenskapene, som er ekstremt viktige for naturvitenskapens velstand (for ikke å snakke om overlevelse). Jeg er overbevist om at sosiale lover ikke bør være i strid med de grunnleggende naturlovene. Menneskelige lover bør ikke motsi de guddommelige naturlovene.
2.7. Mikro-, Makro-, Cosmo-. Vår vanlige verden av store, men ikke gigantiske ting kalles vanligvis makrokosmos. Verden av himmellegemer kan kalles den kosmiske verden, og verden av atom- og subatomære partikler kalles mikroverden. (Siden størrelsen på atomer er i størrelsesorden 10 −10 m, betyr mikroverden objekter som er minst 4 eller til og med 10 størrelsesordener mindre enn en mikrometer, og 1–7 størrelsesordener mindre enn en nanometer. Nano-moten området ligger langs veien fra mikro til makro.) På 1900-tallet ble den såkalte Standardmodellen for elementærpartikler bygget, som lar deg enkelt og tydelig forstå mange makro- og kosmiske lover basert på mikrolover.
2.8. Våre modeller. Modeller i teoretisk fysikk bygges ved å forkaste ikke-essensielle omstendigheter. For eksempel, i atom- og kjernefysikk, er gravitasjonsinteraksjonene til partikler ubetydelige, og de kan ignoreres. En slik modell av verden passer inn i den spesielle relativitetsteorien. Denne modellen har atomer, molekyler, kondenserte legemer, ... akseleratorer og kollidere, men ingen sol og stjerner.
En slik modell vil absolutt være feil i svært store skalaer der tyngdekraften er avgjørende.
Selvfølgelig, for eksistensen av CERN, er eksistensen av jorden (og følgelig tyngdekraften) nødvendig, men for å forstå det store flertallet av eksperimenter utført ved CERN (bortsett fra søk ved kollideren etter mikroskopiske "svarte hull") , tyngdekraften er ikke avgjørende.
2.9. Størrelsesordener. En av vanskelighetene med å forstå egenskapene til elementærpartikler skyldes det faktum at de er veldig små og det er mange av dem. Det er et stort antall atomer i en skje med vann (ca. 10 23). Antall stjerner i den synlige delen av universet er ikke mye mindre. Store tall er ikke å frykte. Tross alt er det ikke vanskelig å håndtere dem, siden multiplikasjonen av tall kommer hovedsakelig ned på tillegg av ordrene deres: 1 \u003d 10 0, 10 \u003d 10 1, 100 \u003d 10 2. Multipliser 10 med 100, vi får 10 1+2 = 10 3 = 1000.
2.10. En dråpe olje. Hvis en dråpe olje med et volum på 1 milliliter slippes ned på vannoverflaten, vil den spre seg til en regnbueflekk med et areal på rundt flere kvadratmeter og en tykkelse på rundt hundre nanometer. Dette er bare tre størrelsesordener større enn størrelsen på et atom. Og tykkelsen på såpeboblefilmen på de tynneste stedene er i størrelsesorden molekylene.
2.11. Joule. Et typisk AA-batteri har en spenning på 1,5 volt (V) og inneholder 10 4 joule (J) elektrisk energi. La meg minne deg på at 1 J \u003d 1 anheng × 1 V, og også at 1 J \u003d kg m 2 / s 2 og at tyngdeakselerasjonen er omtrent 10 m / s 2. Så 1 joule lar deg løfte 1 kilo til en høyde på 10 cm, og 10 4 J vil løfte 100 kg til 10 meter. Dette er hvor mye energi en heis bruker for å ta en student til tiende etasje. Det er hvor mye energi det er i batteriet.
2.12. Elektronvolt. Enheten for energi i elementær partikkelfysikk er elektronvolt (eV): energien til 1 eV erverves av 1 elektron som går gjennom en potensialforskjell på 1 volt. Siden det er 6,24 × 10 18 elektroner i en anheng, så er 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.
La meg minne deg på at energien til ett proton i CERN Large Hadron Collider bør være lik 7 TeV.
3. Om relativitetsteorien
3.1. Referansesystemer. Vi beskriver alle våre eksperimenter i et eller annet referansesystem. Referansesystemet kan være et laboratorium, et tog, en satellitt på jorden, sentrum av en galakse... . Enhver partikkel som flyr, for eksempel i en partikkelakselerator, kan også være et referansesystem. Siden alle disse systemene beveger seg i forhold til hverandre, vil ikke alle eksperimenter se like ut i dem. I tillegg er gravitasjonspåvirkningen til de nærmeste massive kroppene også forskjellig i dem. Det er hensynet til disse forskjellene som utgjør hovedinnholdet i relativitetsteorien.
3.2. Skipet Galileo. Galileo formulerte relativitetsprinsippet, og beskrev fargerikt alle slags eksperimenter i kabinen til et jevnt seilende skip. Hvis vinduene er forhenget, er det umulig å finne ut ved hjelp av disse eksperimentene hvor raskt skipet beveger seg og om det står stille. Einstein la til eksperimenter med den begrensede lyshastigheten til denne hytta. Hvis du ikke ser ut av vinduet, kan du ikke vite farten til skipet. Men hvis du ser på kysten, kan du.
3.3. Fjerne stjerner*. Det er rimelig å trekke frem en slik referanseramme, som folk kan formulere resultatene av sine eksperimenter i forhold til, uavhengig av hvor de befinner seg. For et slikt universelt referansesystem har et system der fjerne stjerner er ubevegelige lenge vært akseptert. Og relativt nylig (for et halvt århundre siden) ble enda fjernere kvasarer oppdaget, og det viste seg at mikrobølgebakgrunnen for relikvien skulle være isotrop i dette systemet.
3.4. På jakt etter en universell referanseramme*. I hovedsak er hele astronomiens historie et fremskritt mot en stadig mer universell referanseramme. Fra antroposentrisk, hvor mennesket er i sentrum, til geosentrisk, hvor jorden er i ro i sentrum (Ptolemaios, 87–165), til heliosentrisk, hvor solen er i ro i sentrum (Copernicus, 1473–1543), til halasentrisk, hvor sentrum av galaksen vår hviler, til nebular, hvor systemet av stjernetåker - klynger av galakser hviler, til bakgrunnen, hvor den kosmiske mikrobølgebakgrunnen er isotropisk. Det er imidlertid viktig at hastighetene til disse referanserammene er små sammenlignet med lysets hastighet.
3.5. Copernicus, Kepler, Galileo, Newton*. I boken til Nicolaus Copernicus "Om himmelsfærenes rotasjoner", utgitt i 1543, står det: "Alle bevegelsene som er lagt merke til av solen er ikke karakteristiske for den, men tilhører jorden og vår sfære, sammen med hvilke vi dreie rundt solen, som enhver annen planet; dermed har jorden flere bevegelser. De tilsynelatende forover- og bakoverbevegelsene til planetene tilhører ikke dem, men til Jorden. Dermed er denne bevegelsen alene tilstrekkelig til å forklare det store antallet uregelmessigheter som er synlige på himmelen.
Copernicus og Kepler (1571–1630) ga en enkel fenomenologisk beskrivelse av kinematikken til disse bevegelsene. Galileo (1564–1642) og Newton (1643–1727) forklarte dynamikken deres.
3.6. Universelt rom og tid*. Romlige koordinater og tid relatert til det universelle referansesystemet kan kalles universelle eller absolutte i fullstendig harmoni med relativitetsteorien. Det er bare viktig å understreke at valget av dette systemet er tatt og avtalt av lokale observatører. Enhver referanseramme som gradvis beveger seg i forhold til den universelle rammen er treg: den frie bevegelsen i den er jevn og rettlinjet.
3.7. "Invariansteori"*. Legg merke til at både Albert Einstein (1879–1955) og Max Planck (1858–1947) (som introduserte begrepet "relativitetsteori" i 1907, og kalte det teorien fremsatt av Einstein i 1905) mente at begrepet "teoriinvarians" kunne gjenspeiler essensen mer nøyaktig. Men tilsynelatende var det på begynnelsen av 1900-tallet viktigere å understreke relativiteten til slike begreper som tid og samtidighet i like treghetsreferanserammer enn å skille ut en av disse rammene. Det var viktigere at med gardinvinduene i Galileos lugar var det umulig å bestemme farten til skipet. Men nå er det på tide å skille gardinene og se på fjæra. Samtidig vil selvfølgelig alle mønstrene som er etablert med gardinene lukket forbli urokkelige.
3.8. Brev til Chimmer*. I 1921 skrev Einstein, i et brev til E. Chimmer, forfatteren av boken «Philosophical Letters»: «Når det gjelder begrepet «relativitetsteori», innrømmer jeg at det er mislykket og fører til filosofiske misforståelser. Men å endre det, ifølge Einstein, er det allerede for sent, spesielt fordi det er utbredt. Dette brevet ble publisert i det 12. bindet av 25-binders Collected Works of Einstein publisert i Princeton, utgitt høsten 2009.
3.9. Maksimal hastighet i naturen. Nøkkelkonstanten i relativitetsteorien er lysets hastighet c\u003d 300 000 km/s \u003d 3 × 10 8 m/s. (Mer nøyaktig, c= 299 792 458 m/s. Og dette tallet ligger nå til grunn for definisjonen av en måler.) Denne hastigheten er den maksimale hastigheten for forplantning av signaler i naturen. Det er mange størrelsesordener høyere enn hastigheten til massive gjenstander som vi håndterer hver dag. Det er dens uvanlig store verdi som hindrer forståelsen av hovedinnholdet i relativitetsteorien. Partikler som beveger seg med hastigheter av størrelsesorden lysets hastighet kalles relativistiske.
3.10. Energi, fart og fart. Den frie bevegelsen til en partikkel er preget av energien til partikkelen E og hennes momentum s. I følge relativitetsteorien, hastigheten til en partikkel v bestemmes av formelen
En av hovedårsakene til den terminologiske forvirringen diskutert i Sect. 3.14 ligger i det faktum at når de opprettet relativitetsteorien, prøvde de å bevare det newtonske forholdet mellom momentum og hastighet s = mv, som strider mot relativitetsteorien.
3.11. Vekt. Partikkelmasse m bestemmes av formelen
Mens energien og momentumet til en partikkel avhenger av referanserammen, verdien av dens masse m er ikke avhengig av referansesystemet. Hun er en invariant. Formlene (1) og (2) er grunnleggende i relativitetsteorien.
Merkelig nok ble den første monografien om relativitetsteorien, der formel (2) dukket opp, publisert først i 1941. Det var «Field Theories» av L. Landau (1908–1968) og E. Lifshitz (1915–1985). . Jeg fant det ikke i noen av Einsteins verk. Det er ikke i den bemerkelsesverdige boken "The Theory of Relativity" av W. Pauli (1900–1958), utgitt i 1921. Men den relativistiske bølgeligningen som inneholder denne formelen var i boken "Principles of Quantum Mechanics" av P. Dirac, publisert i 1930 ( 1902–1984), og enda tidligere i artiklene fra 1926 av O. Klein (1894–1977) og W. Fock (1898–1974).
3.12. Masseløst foton. Hvis massen til partikkelen er null, dvs. at partikkelen er masseløs, følger det av formlene (1) og (2) at hastigheten i enhver referanseramme er lik c. Siden massen til en lyspartikkel - et foton - er så liten at den ikke kan detekteres, er det generelt akseptert at den er lik null og at c er lysets hastighet.
3.13. Fredsenergi. Hvis massen til partikkelen ikke er null, bør du vurdere en referanseramme der den frie partikkelen er i ro og nær den v = 0, s= 0. En slik referanseramme kalles partikkelens hvileramme, og energien til partikkelen i denne rammen kalles hvileenergien og betegnes E0. Av formel (2) følger det at
Denne formelen uttrykker forholdet mellom hvileenergien til en massiv partikkel og dens masse, oppdaget av Einstein i 1905.
3.14. "Den mest kjente formelen." Dessverre er veldig ofte Einsteins formel skrevet i form av "den mest kjente formelen E=mc2”, utelater nullindeksen til hvileenergien, noe som fører til mange misforståelser og forvirring. Tross alt identifiserer denne "kjente formelen" energi og masse, noe som strider mot relativitetsteorien generelt og formel (2) spesielt. Fra den følger en utbredt misforståelse at massen til en kropp, ifølge relativitetsteorien, angivelig vokser med en økning i hastigheten. De siste årene har det russiske utdanningsakademiet gjort mye for å fjerne denne misforståelsen.
3.15. Enhet for hastighet*. I relativitetsteorien, som omhandler hastigheter som kan sammenlignes med lysets hastighet, er det naturlig å velge c som en hastighetsenhet. Dette valget forenkler alle formler, siden c/c= 1, og vi bør sette inn dem c= 1. I dette tilfellet blir hastigheten en dimensjonsløs størrelse, avstanden har dimensjonen tid, og massen har dimensjonen energi.
I elementær partikkelfysikk måles partikkelmasser vanligvis i elektronvolt - eV og deres derivater (se avsnitt 2.14). Massen til et elektron er omtrent 0,5 MeV, massen til et proton er omtrent 1 GeV, massen til den tyngste kvarken er omtrent 170 GeV, og massen til en nøytrino er omtrent brøkdeler av en eV.
3.16. Astronomiske avstander*. I astronomi måles avstander i lysår. Størrelsen på den synlige delen av universet er omtrent 14 milliarder lysår. Dette tallet er enda mer imponerende sammenlignet med 10–24 s tiden det tar for lys å reise en avstand i størrelsesorden på størrelse med et proton. Og i hele dette kolossale området fungerer relativitetsteorien.
3.17. Minkowskis verden. I 1908, noen måneder før hans alt for tidlige død, sa Hermann Minkowski (1864-1909) profetisk: «De syn på rom og tid som jeg har til hensikt å utvikle før dere oppsto på et eksperimentelt fysisk grunnlag. Dette er deres styrke. Trenden deres er radikal. Fra nå av må rom i seg selv og tid i seg selv bli til fiksjoner, og bare en slags kombinasjon av begge må fortsatt beholde uavhengigheten.
Et århundre senere vet vi at tid og rom ikke har blitt fiksjoner, men Minkowskis idé gjorde det mulig å beskrive bevegelsene og interaksjonene til materiepartikler på en veldig enkel måte.
3.18. 4D verden*. I enheter der c= 1, ideen om Minkowski-verdenen ser spesielt vakker ut, som kombinerer tid og tredimensjonalt rom til en enkelt firedimensjonal verden. Energi og momentum blir deretter kombinert til en enkelt firedimensjonal vektor, og massen, i samsvar med ligning (2), fungerer som den pseudo-euklidiske lengden til denne vektoren med fire energimomentum s = E, s:
En firedimensjonal bane i Minkowskis verden kalles en verdenslinje, og individuelle punkter kalles verdenspunkter.
3.19. Klokkefrekvensens avhengighet av hastigheten deres**. Tallrike observasjoner indikerer at klokker går raskest når de er i ro i forhold til treghetsrammen. Den endelige bevegelsen i treghetsreferanserammen bremser deres fremgang. Jo raskere de beveger seg i verdensrommet, jo saktere går de i tid. Retardasjonen er absolutt i den universelle referanserammen (se avsnitt 3.1–3.8). Dens mål er forholdet e/m, som ofte betegnes med bokstaven γ.
3,20. Myoner i en ringakselerator og i hvile**. Eksistensen av denne retardasjonen kan tydeligst sees ved å sammenligne levetiden til en myon i ro og en myon som roterer i en ringakselerator. Det faktum at i akseleratoren beveger ikke myonen seg helt fritt, men har sentripetalakselerasjon ω 2 R, hvor ω er den radielle revolusjonsfrekvensen, og R er radiusen til banen, gir kun en ubetydelig korreksjon, siden E/ω2R = ER>> 1. Bevegelse langs en sirkel, og ikke langs en rett linje, er helt avgjørende for en direkte sammenligning av en roterende myon med en myon i ro. Men når det gjelder aldringshastigheten til en myon i bevegelse, kan en sirkelbue med tilstrekkelig stor radius ikke skilles fra en rett linje. Denne satsen bestemmes av forholdet e/m. (Jeg understreker at i henhold til den spesielle relativitetsteorien er referanserammen der den roterende myonen er i ro, ikke treghet.)
3.21. Bue og akkord**. Fra synspunktet til en observatør i ro i en treghetsreferanseramme, er sirkelbuen med en tilstrekkelig stor radius og dens korde praktisk talt umulig å skille: bevegelsen langs buen er nesten treghetsberegning. Fra synspunktet til en observatør i ro i forhold til en myon som flyr i en sirkel, er dens bevegelse i hovedsak ikke-treg. Tross alt skifter hastigheten fortegn på en halv sving. (For en bevegelig observatør er fjerne stjerner på ingen måte stasjonære. Hele universet er asymmetrisk for ham: stjernene foran er blå og bak er røde. Mens for oss er de alle like - gylne, fordi solens hastighet systemet er lavt.) Og ikke-tregheten til denne observatøren manifesterer seg ved at konstellasjonene foran og bak endres når myonen beveger seg i ringakseleratoren. Vi kan ikke anse de hvilende og bevegelige observatørene som likeverdige, siden den første ikke opplever noen akselerasjon, og den andre, for å komme tilbake til møtepunktet, må oppleve det.
3.22. generell relativitetsteori**. Teoretiske fysikere, vant til språket til den generelle relativitetsteorien (GR), insisterer på at alle referanserammer er like. Ikke bare treghet, men også akselerert. Selve rom-tiden er buet. I dette tilfellet slutter gravitasjonsinteraksjonen å være den samme fysiske interaksjonen som den elektromagnetiske, svak og sterk, og blir en eksepsjonell manifestasjon av buet rom. Som et resultat ser hele fysikken for dem ut som om de er delt i to deler. Hvis vi går ut fra at akselerasjon alltid skyldes interaksjon, at den ikke er relativ, men absolutt, så blir fysikken enhetlig og enkel.
3.23. "Lenkom". Bruken av ordene "relativitet" og "relativisme" i forhold til lysets hastighet minner om navnet på teatret "Lenkom" eller avisen "Moskovsky Komsomolets", bare genealogisk knyttet til Komsomol. Dette er språkparadokser. Lysets hastighet i vakuum er ikke relativ. Hun er absolutt. Bare fysikere trenger hjelp fra lingvister.
4. Om kvanteteori
4.1. Planck er konstant. Hvis i relativitetsteorien er nøkkelkonstanten lysets hastighet c, da er nøkkelkonstanten i kvantemekanikk h= 6,63 10 −34 J s, oppdaget av Max Planck i 1900. Den fysiske betydningen av denne konstanten vil fremgå av følgende presentasjon. For det meste vises den såkalte reduserte Planck-konstanten i formlene for kvantemekanikk:
ħ = h/2π= 1,05 10 −34 J × c= 6,58 10 −22 MeV s.
I mange fenomener spilles en viktig rolle av kvantiteten ħc= 1,97 10 −11 MeV cm.
4.2. Spinn av et elektron. La oss starte med den velkjente naive sammenligningen av atomet med planetsystemet. Planetene kretser rundt Solen og rundt sin egen akse. På samme måte kretser elektroner rundt kjernen og rundt sin egen akse. Rotasjonen av et elektron i bane er preget av banevinkelmomentet L(det kalles ofte og ikke helt korrekt banevinkelmomentet). Rotasjonen av et elektron rundt sin egen akse er preget av sin egen vinkelmomentum - spinn S. Det viste seg at alle elektroner i verden har et spinn lik (1/2) ħ . Til sammenligning bemerker vi at jordens "spinn" er 6 10 33 m 2 kg / s = 6 10 67 ħ .
4.3. Hydrogenatom. Faktisk er et atom ikke et planetsystem, og et elektron er ikke en vanlig partikkel som beveger seg i en bane. Et elektron, som alle andre elementærpartikler, er slett ikke en partikkel i ordets daglige betydning, noe som innebærer at partikkelen må bevege seg langs en bestemt bane. I det enkleste atomet - hydrogenatomet, hvis det er i sin grunntilstand, dvs. ikke eksitert, ligner elektronet heller en sfærisk sky med en radius i størrelsesorden 0,5 10 −10 m. Når atomet eksiteres, vil elektronet går over i høyere og høyere tilstander, som blir større.
4.4. Kvantetall av elektroner. Uten å ta hensyn til spinnet, er bevegelsen til et elektron i et atom karakterisert av to kvantetall: hovedkvantetallet n og orbitalt kvantenummer l, dessuten n ≥ l. Hvis l= 0, da er elektronet en sfærisk symmetrisk sky. Jo større n, jo større er størrelsen på denne skyen. Jo mer l, jo mer er bevegelsen til et elektron lik bevegelsen til en klassisk partikkel i bane. Bindingsenergien til et elektron lokalisert i et hydrogenatom på et skall med et kvantenummer n, er lik
hvor α =e 2/ħc≈ 1/137, en e er ladningen til et elektron.
4.5. Multi-elektron atomer. Spinn spiller en nøkkelrolle i å fylle elektronskallene til multielektronatomer. Faktum er at to elektroner med samme rotasjonsretning (samme rotasjonsretning) ikke kan være på samme skall med de gitte verdiene n Og l. Dette er forbudt etter det såkalte Pauli-prinsippet (1900–1958). I hovedsak bestemmer Pauli-prinsippet periodene i det periodiske systemet for elementene til Mendeleev (1834–1907).
4.6. Bosoner og fermioner. Alle elementærpartikler har spinn. Så spinnet til et foton er 1 i enheter ħ , gravitonspinnet er 2. Partikler med heltallsspinn i enheter ħ kalles bosoner. Partikler med halvt heltallsspinn kalles fermioner. Bosoner er kollektivister: "de har en tendens til å alle leve i samme rom", for å være i samme kvantetilstand. En laser er basert på denne egenskapen til fotoner: alle fotoner i en laserstråle har nøyaktig samme momentum. Fermioner er individualister: "hver av dem trenger en egen leilighet." Denne egenskapen til elektroner bestemmer mønstrene for å fylle elektronskallene til atomer.
4.7. "Quantum Centaurs". Elementærpartikler er som kvantekentaurer: halve partikler - halve bølger. På grunn av deres bølgeegenskaper kan kvantekentaurer, i motsetning til klassiske partikler, passere gjennom to spalter samtidig, noe som resulterer i et interferensmønster på skjermen bak dem. Alle forsøk på å sette kvantekentaurene i den prokrusteske sengen av begrepene i klassisk fysikk har vist seg å være resultatløse.
4.8. Usikkerhetsforhold. Konstant ħ bestemmer funksjonene til ikke bare rotasjonsbevegelsen, men også translasjonsbevegelsen til elementærpartikler. Posisjons- og momentumusikkerhetene til partikkelen må tilfredsstille de såkalte Heisenberg-usikkerhetsrelasjonene (1901–1976), som f.eks.
Et lignende forhold eksisterer for energi og tid:
4.9. Kvantemekanikk. Både spinnkvantisering og usikkerhetsrelasjoner er spesielle manifestasjoner av kvantemekanikkens generelle lover, opprettet på 1920-tallet. I følge kvantemekanikken er enhver elementær partikkel, for eksempel et elektron, både en elementær partikkel og en elementær (enkeltpartikkel) bølge. Dessuten, i motsetning til en vanlig bølge, som er en periodisk bevegelse av et kolossalt antall partikler, er en elementær bølge en ny, tidligere ukjent type bevegelse av en individuell partikkel. Elementær bølgelengde λ til en partikkel med momentum s er lik λ = h/|s|, og den elementære frekvensen ν tilsvarende energien E, er lik ν = E/t.
4.10. Kvantefeltteori. Så først ble vi tvunget til å innrømme at partikler kan være vilkårlig lette og til og med masseløse, og at deres hastigheter ikke kan overstige c. Så ble vi tvunget til å innrømme at partikler ikke er partikler i det hele tatt, men særegne hybrider av partikler og bølger, hvis oppførsel er kombinert av et kvante h. Foreningen av relativitetsteorien og kvantemekanikken ble utført av Dirac (1902–1984) i 1930 og førte til opprettelsen av en teori som ble kalt kvantefeltteori. Det er denne teorien som beskriver materiens grunnleggende egenskaper.
4.11. Enheter der c, ħ = 1. I det følgende vil vi som regel bruke slike enheter som hastighetsenheten er tatt for å være c, og per enhet av vinkelmomentum (handling) - ħ . I disse enhetene er alle formler sterkt forenklet. Spesielt i dem er dimensjonene til energi, masse og frekvens de samme. Disse enhetene er akseptert i høyenergifysikk, siden kvante- og relativistiske fenomener er essensielle i den. I de tilfellene det er nødvendig å understreke kvantenaturen til et bestemt fenomen, vil vi eksplisitt skrive ut ħ . Vi vil gjøre det samme med c.
4.12. Einstein og kvantemekanikk*. Einstein, i en viss forstand, etter å ha født kvantemekanikk, forsonet seg ikke med det. Og til slutten av livet prøvde han å bygge en "enhetsteori om alt" på grunnlag av klassisk feltteori, og ignorerte ħ . Einstein trodde på klassisk determinisme og på tilfeldighetens utillatelighet. Han gjentok om Gud: "Han spiller ikke terninger." Og han kunne ikke forsone seg med at forfallsmomentet til en individuell partikkel i prinsippet ikke kan forutsies, selv om gjennomsnittlig levetid for en eller annen type partikkel er forutsagt innenfor rammen av kvantemekanikk med enestående nøyaktighet. Dessverre bestemte hans avhengighet synet til så mange mennesker.
5. Feynman-diagrammer
5.1. Det enkleste diagrammet. Partikkelinteraksjoner er praktisk sett ved hjelp av diagrammer foreslått av Richard Feynman (1918–1988) i 1949. 1 viser det enkleste Feynman-diagrammet som beskriver interaksjonen mellom et elektron og et proton ved å utveksle et foton.
Pilene i figuren angir retningen på tidsstrømmen for hver partikkel.
5.2. ekte partikler. Hver prosess tilsvarer ett eller flere Feynman-diagrammer. De ytre linjene på diagrammet tilsvarer innkommende (før interaksjon) og utgående (etter interaksjon) partikler som er frie. Deres 4-momenta p tilfredsstiller ligningen
De kalles ekte partikler og sies å være på masseoverflaten.
5.3. virtuelle partikler. De indre linjene i diagrammene tilsvarer partikler i virtuell tilstand. For dem
De kalles virtuelle partikler og sies å være off-shell. Utbredelsen av en virtuell partikkel er beskrevet av en matematisk størrelse som kalles en propagator.
Denne vanlige terminologien kan få nybegynnere til å tro at virtuelle partikler er mindre materielle enn ekte partikler. I virkeligheten er de like materielle, men vi oppfatter virkelige partikler som materie og stråling, og virtuelle - hovedsakelig som kraftfelt, selv om dette skillet stort sett er vilkårlig. Det er viktig at den samme partikkelen, for eksempel et foton eller et elektron, kan være ekte under visse forhold og virtuell under andre.
5.4. Toppunkt. Toppunktene i diagrammet beskriver lokale handlinger av elementære interaksjoner mellom partikler. Ved hvert toppunkt er 4-momentet bevart. Det er lett å se at hvis tre linjer med stabile partikler møtes på ett toppunkt, så må minst én av dem være virtuell, dvs. må være utenfor masseskallet: "Bolivar kan ikke rive tre." (For eksempel kan et fritt elektron ikke sende ut et fritt foton og fortsatt forbli et fritt elektron.)
To virkelige partikler samhandler på avstand og utveksler en eller flere virtuelle partikler.
5.5. Spredning. Hvis virkelige partikler sies å bevege seg, sies virtuelle partikler å forplante seg. Begrepet "utbredelse" understreker det faktum at en virtuell partikkel kan ha mange baner, og det kan være at ingen av dem er klassiske, som et virtuelt foton med null energi og ikke-null momentum, som beskriver den statiske Coulomb-interaksjonen.
5.6. Antipartikler. En bemerkelsesverdig egenskap ved Feynman-diagrammer er at de beskriver både partikler og de tilsvarende antipartiklene på en enhetlig måte. I dette tilfellet ser antipartikkelen ut som en partikkel som beveger seg bakover i tid. På fig. Figur 2 viser et diagram som viser produksjonen av et proton og et antiproton under utslettelse av et elektron og et positron.
Tidsreversering gjelder like mye for fermioner og bosoner. Det gjør tolkningen av positroner som tomme tilstander i et hav av elektroner med negativ energi unødvendig, som Dirac tydde til da han i 1930 introduserte begrepet en antipartikkel.
5.7. Schwinger og Feynman diagrammer. Schwinger (1918–1994), som ikke hadde noen problemer med beregningsvansker, mislikte Feynman-diagrammer og skrev noe nedlatende om dem: "Som en databrikke de siste årene, brakte Feynman-diagrammet beregning til massene." Dessverre, i motsetning til brikken, nådde ikke Feynman-diagrammene de bredeste massene.
5.8. Feynman og Feynman diagrammer. Av ukjente årsaker kom ikke Feynman-diagrammer en gang til de berømte Feynman-forelesningene om fysikk. Jeg er overbevist om at de må bringes til elever på videregående skole, og forklare dem de grunnleggende ideene til elementær partikkelfysikk. Dette er det enkleste synet på mikrokosmos og verden som helhet. Hvis en student kjenner begrepet potensiell energi (for eksempel Newtons lov eller Coulombs lov), lar Feynman-diagrammer ham få et uttrykk for denne potensielle energien.
5.9. Virtuelle partikler og fysiske kraftfelt. Feynman-diagrammer er det enkleste språket innen kvantefeltteori. (I hvert fall i tilfeller hvor interaksjonen ikke er særlig sterk og man kan bruke perturbasjonsteori.) I de fleste bøker om kvantefeltteori blir partikler behandlet som kvanteeksitasjoner av felt, noe som krever kjennskap til formalismen til andre kvantisering. På språket til Feynman-diagrammer er feltene erstattet av virtuelle partikler.
Elementærpartikler har både korpuskulære og bølgeegenskaper. Dessuten er de i den virkelige tilstanden partikler av materie, og i den virtuelle tilstanden er de også bærere av krefter mellom materielle objekter. Etter introduksjonen av virtuelle partikler blir begrepet kraft unødvendig, og med begrepet felt, hvis det ikke var kjent fra før, burde man kanskje bli kjent etter at begrepet en virtuell partikkel er mestret.
5.10. Elementære interaksjoner*. De elementære emisjons- og absorpsjonshandlingene av virtuelle partikler (vertekser) er preget av slike interaksjonskonstanter som den elektriske ladningen e i tilfelle av et foton, svake ladninger e/sin θ W når det gjelder W boson og e/sin θ W cos θ W i tilfelle av Z-boson (hvor θW- Weinberg-vinkel), fargeladning g når det gjelder gluoner, og mengden √G i tilfelle av en graviton, hvor G er Newtons konstant. (Se kap. 6–10.) Den elektromagnetiske interaksjonen er omtalt nedenfor i kap. 7. Svak interaksjon - i kap. 8. Sterk - i kap. ni.
Og vi starter i neste kapittel. 6 med gravitasjonsinteraksjon.
6. Gravitasjonsinteraksjon
6.1. Gravitoner. Jeg starter med partikler som ikke er oppdaget ennå og som sannsynligvis ikke vil bli oppdaget i overskuelig fremtid. Dette er partikler av gravitasjonsfeltet - gravitoner. Ikke bare gravitoner, men også gravitasjonsbølger er ennå ikke oppdaget (og dette er mens elektromagnetiske bølger bokstavelig talt gjennomsyrer livet vårt). Dette skyldes det faktum at ved lave energier er gravitasjonsinteraksjonen veldig svak. Som vi skal se, gjør gravitonteorien det mulig å forstå alle de kjente egenskapene til gravitasjonsinteraksjonen.
6.2. Utveksling av gravitasjoner. På språket til Feynman-diagrammer utføres gravitasjonsinteraksjonen mellom to kropper ved utveksling av virtuelle gravitoner mellom elementærpartiklene som utgjør disse kroppene. På fig. 3 graviton sendes ut av en partikkel med 4-momentum p 1 og absorberes av en annen partikkel med 4-momentum p 2 . På grunn av bevaringen av 4-momentumet, q=p 1 − p′ 1 =p′ 2 −p 2 , hvor q er 4-momentumet til gravitonen.
Fordelingen av en virtuell graviton (den, som enhver virtuell partikkel, tilsvarer en propagator) er vist i figuren med en fjær.
6.3. Hydrogenatom i jordens gravitasjonsfelt. På fig. Figur 4 viser summen av diagrammer der et hydrogenatom med 4-momentum p 1 bytter gravitoner med alle jordens atomer med totalt 4-momentum p 2 . Og i dette tilfellet q = p 1 − p′ 1 = p′ 2 − p 2 , hvor q er det totale 4-momentumet til virtuelle gravitoner.
6.4. På massen til et atom. I fremtiden, når vi vurderer gravitasjonsinteraksjonen, vil vi neglisjere massen til et elektron sammenlignet med massen til et proton, så vel som forskjellen i massene til et proton og et nøytron og bindingsenergien til nukleoner i atomkjerner. Så massen til et atom er omtrentlig summen av massene til nukleonene i atomkjernen.
6.5. Gevinst*. Antall nukleoner på jorden NE ≈ 3,6 10 51 er lik produktet av antall nukleoner i ett gram jordisk stoff, dvs. Avogadro-tallet NA ≈ 6 10 23, med jordens masse i gram ≈ 6 10 27. Derfor er diagrammet i fig. 4 er summen av 3,6·1051 diagrammene i fig. 3, som er markert ved fortykkelsen av jordens linjer og virtuelle gravitons i fig. 4. I tillegg er "gravitonfjæren", i motsetning til propagatoren til en graviton, laget i fig. 4 grå. Det ser ut til å inneholde 3,6·10 51 gravitoner.
6.6. Newtons eple i jordens gravitasjonsfelt. På fig. 5, samhandler alle atomene i eplet, som har totalt 4-momentum p 1 , med alle atomene på jorden, som har totalt 4-momentum p 2 .
6.7. Antall diagrammer*. La meg minne deg på at ett gram vanlig materie inneholder N A = 6·10 23 nukleoner. Antall nukleoner i et 100 grams eple er N a = 100N A = 6 10 25 . Jordens masse er 6 10 27 g, og følgelig er antallet nukleoner på jorden N E = 3,6 10 51 . Selvfølgelig er fortykkelsen av linjene i fig. 5 tilsvarer ikke på noen måte det enorme antallet eplenukleoner N a , jordnukleoner N E og det mye større, rett og slett fantastiske antallet Feynman-diagrammer N d = N a N E = 2,2·10 77 . Tross alt samhandler hvert nukleon i eplet med hvert nukleon på jorden. For å understreke det kolossale antallet diagrammer kan fjæren i fig. 5 er gjort mørkt.
Selv om interaksjonen mellom en graviton og en enkelt elementær partikkel er veldig liten, skaper summen av diagrammene for alle nukleonene på jorden en betydelig tiltrekning som vi føler. Universell tyngdekraft trekker månen til jorden, begge til solen, alle stjernene i galaksen vår og alle galaksene til hverandre.
6.8. Feynman-amplitude og dens Fourier-transformasjon***.
Feynman-diagrammet over gravitasjonsinteraksjonen mellom to langsomme legemer med massene m 1 og m 2 tilsvarer Feynman-amplituden
hvor G- Newtons konstant, en q- 3-moment båret av virtuelle gravitoner. (verdi 1/q2, hvor q- 4-momentum, kalt gravitonpropagator. Når det gjelder trege kropper, overføres energi praktisk talt ikke, og derfor q2 = −q 2 .)
For å gå fra momentumrommet til konfigurasjonsrommet (koordinatrommet), må man ta Fourier-transformasjonen av amplituden A( q)
Verdi A( r) gir den potensielle energien til gravitasjonsinteraksjonen til ikke-relativistiske partikler og bestemmer bevegelsen til en relativistisk partikkel i et statisk gravitasjonsfelt.
6.9. Newtons potensial*. Den potensielle energien til to legemer med massene m 1 og m 2 er
hvor G- Newtons konstant, en r- avstand mellom kropper.
Denne energien er inneholdt i "fjæren" til virtuelle gravitoner i fig. 5. Interaksjon hvis potensielle forfaller som 1/ r, kalles langdistanse. Ved å bruke Fourier-transformasjonen kan man se at tyngdekraften er langtrekkende, fordi gravitonen er masseløs.
6.10. Yukawa potensiell type potensial**. Faktisk, hvis gravitonen hadde en masse som ikke var null m, da ville Feynman-amplituden for deres utveksling ha formen
og det ville tilsvare et potensial som Yukawa-potensialet med en aksjonsradius r ≈ 1/m:
6.11. Om potensiell energi**. I Newtons ikke-relativistiske mekanikk avhenger den kinetiske energien til en partikkel av dens hastighet (momentum), mens den potensielle energien bare avhenger av dens koordinater, dvs. av dens posisjon i rommet. I relativistisk mekanikk kan et slikt krav ikke opprettholdes, siden selve samspillet mellom partikler ofte avhenger av deres hastigheter (momentum) og følgelig av kinetisk energi. For vanlige, ganske svake gravitasjonsfelt er imidlertid endringen i partikkelens kinetiske energi liten sammenlignet med dens totale energi, og derfor kan denne endringen neglisjeres. Den totale energien til en ikke-relativistisk partikkel i et svakt gravitasjonsfelt kan skrives som ε = E pårørende + E 0 + U.
6.12. Tyngdekraftens universalitet. I motsetning til alle andre interaksjoner har tyngdekraften en bemerkelsesverdig egenskap ved universalitet. Samspillet mellom en graviton og en hvilken som helst partikkel er ikke avhengig av egenskapene til denne partikkelen, men avhenger bare av mengden energi som partikkelen besitter. Hvis denne partikkelen er treg, er hvileenergien dens E 0 = mc 2, inneholdt i massen, overstiger langt dens kinetiske energi. Og derfor er gravitasjonsinteraksjonen proporsjonal med massen. Men for en tilstrekkelig rask partikkel er dens kinetiske energi mye større enn massen. I dette tilfellet er gravitasjonsinteraksjonen praktisk talt ikke avhengig av massen og er proporsjonal med dens kinetiske energi.
6.13. Gravitonspinn og tyngdekraftens universalitet**. Mer presist er emisjonen av en graviton proporsjonal ikke med enkel energi, men med energi-momentum-tensoren til partikkelen. Og dette skyldes i sin tur at gravitonens spinn er lik to. La 4-momentumet til partikkelen før emisjonen av graviton være s 1 , og etterutslipp s 2. Da er gravitonens momentum q = s 1 − s 2. Hvis vi introduserer notasjonen s = s 1 + s 2, så vil gravitonemisjonspunktet se ut
hvor h αβ er gravitonbølgefunksjonen.
6.14. Interaksjon mellom en graviton og et foton**. Dette er spesielt tydelig sett i eksemplet med et foton, hvis masse er lik null. Det er eksperimentelt bevist at når et foton flyr fra underetasjen i en bygning til øverste etasje, avtar dets momentum under påvirkning av jordens tyngdekraft. Det er også bevist at en lysstråle fra en fjern stjerne avledes av solens gravitasjonskraft.
6.15. Interaksjon av et foton med jorden**. På fig. 6 viser utvekslingen av gravitoner mellom jorden og et foton. Denne figuren representerer betinget summen av tallene for gravitonutvekslinger av et foton med alle jordens nukleoner. På den hentes jordens toppunkt fra nukleonet en ved å multiplisere med antall nukleoner i jorden N E med tilsvarende erstatning av nukleonets 4-momentum med jordens 4-momentum (se fig. 3).
6.16. Interaksjon mellom en graviton og en graviton***. Siden gravitoner bærer energi, må de selv avgi og absorbere gravitoner. Vi har ikke sett individuelle virkelige gravitasjoner og vil aldri se dem. Ikke desto mindre fører samspillet mellom virtuelle gravitoner til de observerte effektene Ved første øyekast er bidraget fra tre virtuelle gravitoner til gravitasjonsinteraksjonen til to nukleoner for lite til å kunne påvises (se fig. 7).
6.17. Merkurs sekulære presesjon**. Imidlertid manifesterer dette bidraget seg i presesjonen av periheliumet til Merkurs bane. Den sekulære presesjonen til Merkur er beskrevet ved summen av gravitondiagrammer med én løkke over Merkurs tiltrekning til solen (fig. 8).
6.18. Gevinst for Mercury**. Forholdet mellom massene til Merkur og Jorden er 0,055. Altså antall nukleoner i Merkur NM = 0,055 N E= 2 10 50 . massen til solen M S= 2 10 33 g. Altså antall nukleoner i Solen N S = N A M S= 1,2 10 57. Og antall diagrammer som beskriver gravitasjonsinteraksjonen mellom nukleonene til Merkur og Solen, NdM= 2,4 10 107.
Hvis den potensielle energien for tiltrekning av Merkur til solen er U = GM S M M/r, så etter å ha tatt i betraktning den diskuterte korreksjonen for samspillet mellom virtuelle gravitoner med hverandre, multipliseres den med koeffisienten 1 − 3 GM S/r. Vi ser at den potensielle energikorreksjonen er -3 G 2 M S 2 M M /r 2.
6.19. Merkurs bane**. Merkurs baneradius en= 58 10 6 km. Omløpsperioden er 88 jorddager. Orbital eksentrisitet e= 0,21. På grunn av korreksjonen under diskusjon, i en omdreining, roterer halvhovedaksen til banen gjennom en vinkel på 6π GM S/en(1 − e 2), dvs. omtrent en tiendedel av et buesekund, og roterer med 43 "" i løpet av 100 jordår.
6.20. Gravitasjonslamskifte**. Alle som har studert kvanteelektrodynamikk vil umiddelbart se at diagrammet i fig. 7 ligner på et trekantdiagram som beskriver frekvens (energi) forskyvning av nivå 2 S 1/2 i forhold til nivå 2 P 1/2 i hydrogenatomet (der trekanten består av ett foton og to elektronlinjer). Dette skiftet ble målt i 1947 av Lamb og Riserford og funnet å være 1060 MHz (1,06 GHz).
Denne målingen startet en kjedereaksjon av teoretisk og eksperimentelt arbeid som førte til etableringen av kvanteelektrodynamikk og Feynman-diagrammer. Presesjonsfrekvensen til Merkur er 25 størrelsesordener mindre.
6.21. Klassisk eller kvanteeffekt?**. Det er velkjent at Lammeskiftet av nivåenergien er en ren kvanteeffekt, mens presesjonen til Merkur er en rent klassisk effekt. Hvordan kan de beskrives med lignende Feynman-diagrammer?
For å svare på dette spørsmålet, må vi huske forholdet E = ħω og ta hensyn til at Fourier-transformasjonen under overgangen fra momentum til konfigurasjonsrom i Sec. 6.8 inneholder f.eks Jegqr / ħ . I tillegg bør det tas i betraktning at i Lamb shift elektromagnetiske trekant er det bare en linje av en masseløs partikkel (foton), og de to andre er elektronpropagatorer. Derfor bestemmes de karakteristiske avstandene i den av elektronets masse (elektronets Compton-bølgelengde). Og i presesjonstriangelet til Merkur er det to forplantere av en masseløs partikkel (graviton). Denne omstendigheten, på grunn av tre-graviton-toppen, fører til at gravitasjonstrekanten gir et bidrag på uforlignelig større avstander enn den elektromagnetiske. Denne sammenligningen viser kraften til kvantefeltteori i metoden til Feynman-diagrammer, som gjør det enkelt å forstå og beregne et bredt spekter av fenomener, både kvante og klassiske.
7. Elektromagnetisk interaksjon
7.1. elektrisk interaksjon. Den elektriske interaksjonen mellom partikler utføres ved utveksling av virtuelle fotoner, som i fig. 19.
Fotoner, som gravitoner, er også masseløse partikler. Så den elektriske interaksjonen er også langdistanse:
Hvorfor er den ikke like universell som tyngdekraften?
7.2. positive og negative ladninger. For det første fordi det er elektriske ladninger av to tegn. Og for det andre fordi det er nøytrale partikler som ikke har noen elektrisk ladning i det hele tatt (nøytron, nøytrino, foton...). Partikler med ladninger av motsatte fortegn, som et elektron og et proton, tiltrekkes av hverandre. Partikler med samme ladning frastøter hverandre. Som et resultat er atomer og kroppene som består av dem i utgangspunktet elektrisk nøytrale.
7.3. nøytrale partikler. Nøytron inneholder u-kvark med ladning +2 e/3 og to d-kvark med ladning − e/3. Så den totale ladningen til nøytronet er null. (Husk at et proton inneholder to u-kvark og en d-kvark.) Virkelig elementære partikler som ikke har en elektrisk ladning er et foton, en graviton, en nøytrino, Z-boson og Higgs boson.
7.4. Coulomb-potensial. Potensiell tiltrekningsenergi for et elektron og et proton plassert på avstand r fra hverandre, er
7.5. Magnetisk interaksjon. Den magnetiske interaksjonen er ikke like lang rekkevidde som den elektriske. Det faller av som 1/ r 3 . Det avhenger ikke bare av avstanden mellom de to magnetene, men også av deres gjensidige orientering. Et velkjent eksempel er samspillet mellom en kompassnål og feltet til jordens magnetiske dipol. Potensiell energi for interaksjon av to magnetiske dipoler μ 1 og μ 2 like
hvor n = r/r.
7.6. Elektromagnetisk interaksjon. Den største prestasjonen på 1800-tallet var oppdagelsen av at elektriske og magnetiske krefter er to forskjellige manifestasjoner av den samme elektromagnetiske kraften. I 1821 studerte M. Faraday (1791–1867) samspillet mellom en magnet og en leder med strøm. Et tiår senere etablerte han lovene for elektromagnetisk induksjon i samspillet mellom to ledere. I de påfølgende årene introduserte han konseptet med det elektromagnetiske feltet og uttrykte ideen om lysets elektromagnetiske natur. På 1870-tallet innså J. Maxwell (1831-1879) at den elektromagnetiske interaksjonen er ansvarlig for en bred klasse av optiske fenomener: emisjon, transformasjon og absorpsjon av lys, og skrev ligninger som beskriver det elektromagnetiske feltet. Snart oppdaget G. Hertz (1857–1894) radiobølger, og V. Roentgen (1845–1923) oppdaget røntgenstråler. Hele vår sivilisasjon er basert på manifestasjoner av elektromagnetiske interaksjoner.
7.7. Forening av relativitetsteorien og kvantemekanikken. Det viktigste stadiet i fysikkens utvikling var 1928, da en artikkel av P. Dirac (1902–1984) dukket opp, der han foreslo en kvante- og relativistisk ligning for elektronet. Denne ligningen inneholdt det magnetiske momentet til elektronet og indikerte eksistensen av en antipartikkel av elektronet - positronet, oppdaget noen år senere. Etter det smeltet kvantemekanikk og relativitetsteorien sammen til kvantefeltteori.
Det faktum at elektromagnetiske interaksjoner er forårsaket av emisjon og absorpsjon av virtuelle fotoner ble helt klart først på midten av 1900-tallet med ankomsten av Feynman-diagrammer, dvs. etter at konseptet om en virtuell partikkel ble tydelig dannet.
8. Svak interaksjon
8.1. Kjernefysiske interaksjoner. På begynnelsen av 1900-tallet ble atomet og dets kjerne oppdaget og α -, β - Og γ stråler som sendes ut av radioaktive kjerner. Som det viste seg, γ Stråler er fotoner med veldig høy energi. β stråler er høyenergielektroner α stråler er heliumkjerner. Dette førte til oppdagelsen av to nye typer interaksjoner - sterke og svake. I motsetning til gravitasjons- og elektromagnetiske interaksjoner, er sterke og svake interaksjoner kortdistanse.
Senere ble det funnet at de er ansvarlige for omdannelsen av hydrogen til helium i vår sol og andre stjerner.
8.2. Ladede strømmer*. Den svake kraften er ansvarlig for transformasjonen av et nøytron til et proton med emisjon av et elektron og et elektron antinøytrino. En stor klasse av svake interaksjonsprosesser er basert på transformasjon av kvarker av én type til kvarker av en annen type med utslipp (eller absorpsjon) av virtuelle W-bosoner: u, c, t ↔ d, s, b. Tilsvarende for utslipp og absorpsjon W-bosoner, det er overganger mellom ladede leptoner og de tilsvarende nøytrinoene:
e ↔ ν e , μ ↔ ν μ , τ ↔ ν τ . Overganger av typen dˉu ↔ W og eˉν e ↔ W. I alle disse overgangene involverer W-bosoner involverer de såkalte ladede strømmene, som endrer ladningene til leptoner og kvarker med én. Den svake interaksjonen mellom ladede strømmer er kortdistanse, den er beskrevet av Yukawa-potensialet e -mWr /r, slik at dens effektive radius er r ≈ 1/m W.
8.3. Nøytrale strømmer*. På 1970-tallet ble det oppdaget prosesser med svak interaksjon mellom nøytrinoer, elektroner og nukleoner, på grunn av de såkalte nøytrale strømmene. På 1980-tallet ble det eksperimentelt fastslått at vekselvirkningene mellom ladede strømmer skjer gjennom utvekslingen W-bosoner, og samspillet mellom nøytrale strømmer - ved å utveksle Z-bosoner.
8.4. Brudd P- Og CP-paritet*. I andre halvdel av 1950-årene ble paritetsbrudd oppdaget P og ladeparitet C i svake interaksjoner. I 1964 ble det oppdaget svake forfall som bryter med fredningen CP-symmetrier. For tiden er mekanismen for brudd CP-symmetrier studeres i henfallene til mesonholdige b-kvarker.
8.5. Nøytrinoscillasjoner*. De siste to tiårene har fysikernes oppmerksomhet vært fengslet til målinger utført ved underjordiske kilotondetektorer i Kamioka (Japan) og Sudbury (Canada). Disse målingene viste at mellom de tre typene nøytrinoer ν e , ν μ , ν τ gjensidige overganger (oscillasjoner) skjer i vakuum. Naturen til disse svingningene blir avklart.
8.6. elektrosvak interaksjon. På 1960-tallet ble det formulert en teori om at de elektromagnetiske og svake interaksjonene er forskjellige manifestasjoner av en enkelt elektrosvak interaksjon. Hvis det var streng elektrosvak symmetri, så massene W- Og Z-bosoner vil være lik null som massen til et foton.
8.7. Brudd på elektrosvak symmetri. Innenfor standardmodellen bryter Higgs-bosonet den elektrosvake symmetrien og forklarer dermed hvorfor fotonet er masseløst og svake bosoner er massive. Det gir også masser til leptoner, kvarker og seg selv.
8.8. Hva du trenger å vite om Higgs. En av hovedoppgavene til Large Hadron Collider LHC er oppdagelsen av Higgs-bosonet (som ganske enkelt kalles Higgs og betegnes h eller H) og den påfølgende etableringen av dens eiendommer. Først av alt, måling av dens interaksjoner med W- Og Z-bosoner, med fotoner, så vel som dets selvinteraksjoner, dvs. studiet av toppunkter som inneholder tre og fire Higgs: h 3 og h 4 , og dets interaksjoner med leptoner og kvarker, spesielt med toppkvarken. Innenfor standardmodellen er det klare spådommer for alle disse interaksjonene. Deres eksperimentelle verifisering er av stor interesse fra synspunktet om søket etter "ny fysikk" utover Standardmodellen.
8.9. Hva om det ikke er noen Higgs? Hvis det viser seg at Higgs ikke eksisterer i masseintervallet i størrelsesorden flere hundre GeV, vil dette bety at ved energier over TeV er det et nytt, absolutt uutforsket område hvor interaksjoner W- Og Z-bosoner blir ikke-perturbativt sterke, dvs. de kan ikke beskrives med perturbasjonsteori. Forskning på dette området vil bringe mange overraskelser.
8.10. Fremtidens Lepton-kolliderer. For å gjennomføre hele dette forskningsprogrammet, i tillegg til LHC, kan det være nødvendig å bygge leptonkollidere:
ILC (International Linear Collider) med en kollisjonsenergi på 0,5 TeV,
eller CLIC (Compact Linear Collider) med en kollisjonsenergi på 1 TeV,
eller MC (Muon Collider) med en kollisjonsenergi på 3 TeV.
8.11. Lineære elektron-positron kollidere. ILC - International Linear Collider, der elektroner kolliderer med positroner, samt fotoner med fotoner. Beslutningen om å bygge den kan bare tas etter at det blir klart om Higgs eksisterer og hva massen er. En av de foreslåtte ILC-byggeplassene er i nærheten av Dubna. CLIC - Compact Linear Electron and Positron Collider. Prosjektet utvikles ved CERN.
8.12. Muon-kolliderer. MS - Muon Collider ble først unnfanget av G. I. Budker (1918–1977). I 1999 ble den femte internasjonale konferansen "Fysisk potensial og utvikling av myonkollidere og nøytrinofabrikker" holdt i San Francisco. For tiden utvikles MS-prosjektet ved Fermi National Laboratory og kan implementeres om 20 år.
9. Sterk interaksjon
9.1. Gluoner og kvarker. Den sterke kraften holder nukleoner (protoner og nøytroner) inne i kjernen. Den er basert på interaksjonen mellom gluoner og kvarker og interaksjonen mellom gluoner og gluoner. Det er selvvirkningen til gluoner som fører til det faktum at til tross for at massen til gluonet er null, på samme måte som massene til fotonet og gravitonen er lik null, fører ikke utvekslingen av gluoner til gluon langdistanse interaksjon, lik foton og graviton. Dessuten fører det til fravær av frie gluoner og kvarker. Dette skyldes det faktum at summen av en-gluon-utvekslinger erstattes av et gluonrør eller -tråd. Samspillet mellom nukleoner i kjernen ligner på van der Waals-kreftene mellom nøytrale atomer.
9.2. Innesperring og asymptotisk frihet. Fenomenet inneslutning av gluoner og kvarker fra hadroner kalles inneslutning. Baksiden av dynamikken som fører til innesperring er at på svært små avstander dypt inne i hadroner, faller samspillet mellom gluoner og kvarker gradvis av. Kvarker ser ut til å bli frie på små avstander. Dette fenomenet kalles begrepet asymptotisk frihet.
9.3. Quark farger. Fenomenet innesperring er en konsekvens av at hver av de seks kvarkene eksisterer så å si i form av tre "farge" varianter. Quarks er vanligvis "farget" i gule, blå og røde farger. Antikvarker er malt i flere farger: lilla, oransje, grønn. Alle disse fargene betegner de særegne ladningene til kvarker - "flerdimensjonale analoger" av den elektriske ladningen som er ansvarlig for sterke interaksjoner. Selvfølgelig er det ingen sammenheng, bortsett fra metaforisk, mellom fargene på kvarker og vanlige optiske farger.
9.4. Gluon farger. Familien av fargede gluoner er enda flere: det er åtte av dem, hvorav to er identiske med antipartiklene deres, og de resterende seks er det ikke. Interaksjoner av fargeladninger er beskrevet av kvantekromodynamikk og bestemmer egenskapene til protonet, nøytronet, alle atomkjerner og egenskapene til alle hadroner. Det faktum at gluoner bærer fargeladninger fører til fenomenet gluon-kvark innesperring, som betyr at fargede gluoner og kvarker ikke kan unnslippe hadroner. Kjernekreftene mellom fargeløse (hvite) hadroner er svake ekkoer av de kraftige fargeinteraksjonene i hadroner. Dette ligner småheten til molekylære bindinger sammenlignet med intraatomiske.
9.5. Masser av hadroner. Massene av hadroner generelt og nukleoner spesielt skyldes gluon-selvvirkningen. Dermed skyldes massen av all synlig materie, som utgjør 4–5 % av universets energi, nettopp selvvirkningen til gluoner.
10. Standardmodell og utover
10.1. 18 partikler av standardmodellen. Alle kjente fundamentale partikler faller naturlig inn i tre grupper:
6 leptoner(spinn 1/2):
3 nøytrinoer: ν
e , ν
μ , ν
τ ;
3 ladede leptoner: e, μ
, τ
;
6 kvarker(spinn 1/2):
u,c, t,
d, s, b;
6 bosoner:
g̃ - graviton (spinn 2),
γ
, W, Z, g- gluoner (spinn 1),
h- higgs (spinn 0).
10.2. Utover standardmodellen. 96% av energien til universet er utenfor standardmodellen og venter på å bli oppdaget og studert. Det er flere grunnleggende antakelser om hvordan den nye fysikken kan se ut (se avsnitt 10.3–10.6 nedenfor).
10.3. Flott forening. Et stort antall verk, for det meste teoretiske, har blitt viet til foreningen av de sterke og elektrosvake interaksjonene. De fleste av dem antar at det forekommer ved energier i størrelsesorden 10 16 GeV. En slik forening bør føre til nedbrytning av protonet.
10.4. supersymmetriske partikler. I henhold til ideen om supersymmetri, først født på FIAN, har hver "vår" partikkel en superpartner hvis spinn er forskjellig med 1/2: 6 squarks og 6 sliptons med spin 0, higgsino, photino, vin og zino med spin 1/ 2, gravitino co-spinn 3/2. Massene til disse superpartnerne må være vesentlig større enn partiklenes masse. Ellers hadde de åpnet for lenge siden. Noen av superpartnerne kan bli oppdaget når Large Hadron Collider blir operativ.
10.5. Superstrenger. Hypotesen om supersymmetri er utviklet av hypotesen om eksistensen av superstrenger som lever i svært små avstander i størrelsesorden 10 −33 cm og tilsvarende energier på 10 19 GeV. Mange teoretiske fysikere håper at det er på grunnlag av ideer om superstrenger at det vil være mulig å konstruere en enhetlig teori om alle interaksjoner som ikke inneholder frie parametere.
10.6. speilpartikler. I følge ideen om speilmaterie, først født på ITEP, har hver av våre partikler en speiltvilling, og det er en speilverden som bare er veldig løst knyttet til vår verden.
10.7. Mørk materie. Bare 4–5 % av all energi i universet eksisterer som en masse av vanlig materie. Omtrent 20 % av universets energi finnes i den såkalte mørke materien, som antas å bestå av superpartikler, eller speilpartikler, eller andre ukjente partikler. Hvis mørk materiepartikler er mye tyngre enn vanlige partikler, og hvis de kolliderer med hverandre i verdensrommet, utsletter de til vanlige fotoner, kan disse høyenergifotonene registreres av spesielle detektorer i verdensrommet og på jorden. Å belyse naturen til mørk materie er en av fysikkens hovedoppgaver.
10.8. Mørk energi. Men det store flertallet av universets energi (ca. 75%) skyldes den såkalte mørke energien. Det "heles" gjennom vakuumet og skyver galaksehopene fra hverandre. Dens natur er ennå ikke klarlagt.
11. Elementærpartikler i Russland og verden
11.1. Dekret fra presidenten for den russiske føderasjonen. 30. september 2009 ble dekretet fra presidenten for Den russiske føderasjonen "Om ytterligere tiltak for gjennomføring av pilotprosjektet for å etablere det nasjonale forskningssenteret "Kurchatov Institute"" utstedt. Dekretet sørger for deltakelse av følgende organisasjoner i prosjektet: St. Petersburg Institute of Nuclear Physics, Institute of High Energy Physics og Institute of Theoretical and Experimental Physics. Dekretet sørger også for "inkludering av den angitte institusjonen, som den viktigste vitenskapsinstitusjonen, i avdelingsstrukturen for føderale budsjettutgifter som hovedforvalter av budsjettmidler." Dette dekretet kan bidra til tilbakeføring av elementær partikkelfysikk til antall prioriterte områder for utvikling av vitenskap i vårt land.
11.2. Høringer i den amerikanske kongressen 1. 1. oktober 2009 ble det holdt høringer i underutvalget for energi og miljø i komiteen for vitenskap og teknologi i det amerikanske representantenes hus om temaet "Forskning om materiens natur, energi, rom og tid." Department of Energys 2009-bevilgning til dette programmet er $795,7 millioner. Harvard University-professor Lisa Randall skisserte syn på materie, energi og universets opprinnelse i form av fremtidig strengteori. Direktør for Fermi National Laboratory (Batavia) Pierre Oddone snakket om tilstanden til partikkelfysikk i USA, og spesielt om den kommende ferdigstillelsen av Tevatron og starten på felles arbeid mellom FNAL og DUSEL underjordiske laboratoriet for å studere egenskaper til nøytrinoer og sjeldne prosesser. Han understreket viktigheten av at amerikanske fysikere deltar i høyenergifysikkprosjekter i Europa (LHC), Japan (JPARC), Kina (PERC) og det internasjonale romprosjektet (GLAST, nylig oppkalt etter Fermi).
11.3. Høringer i den amerikanske kongressen 2. Direktør for Jefferson National Laboratory Hugh Montgomery snakket om bidraget til dette laboratoriet til kjernefysikk, akseleratorteknologier og utdanningsprogrammer. Dennis Kovar, direktør for High Energy Physics Division ved Department of Energy, snakket om de tre hovedområdene for høyenergifysikk:
1) akseleratorstudier ved maksimale energier,
2) akseleratorstudier ved maksimal intensitet,
3) bakkebasert og satellitt-romutforskning for å belyse naturen til mørk materie og mørk energi,
og tre hovedretninger innen kjernefysikk:
1) studie av sterke interaksjoner mellom kvarker og gluoner,
2) studiet av hvordan atomkjerner ble dannet fra protoner og nøytroner,
3) studie av svake interaksjoner som involverer nøytrinoer.
12. Om grunnleggende vitenskap
12.1. Hva er grunnleggende vitenskap. Fra teksten ovenfor er det klart at jeg, som de fleste vitenskapsmenn, kaller den delen av vitenskapen som etablerer de mest grunnleggende naturlovene som grunnleggende vitenskap. Disse lovene ligger til grunn for vitenskapens pyramide eller dens individuelle etasjer. De bestemmer den langsiktige utviklingen av sivilisasjonen. Det er imidlertid folk som kaller grunnleggende vitenskap de delene av vitenskapen som har størst direkte innvirkning på øyeblikkelige prestasjoner i utviklingen av sivilisasjonen. Det virker for meg personlig at disse delene og retningene bedre kalles anvendt vitenskap.
12.2. Røtter og frukt. Hvis grunnleggende vitenskap kan sammenlignes med røttene til et tre, så kan anvendt vitenskap sammenlignes med fruktene. Store teknologiske gjennombrudd som mobiltelefoner eller fiberoptisk kommunikasjon er fruktene av vitenskapen.
12.3. A. I. Herzen om vitenskap. I 1845 publiserte Alexander Ivanovich Herzen (1812–1870) i tidsskriftet Otechestvennye Zapiski de bemerkelsesverdige Letters on the Study of Nature. På slutten av det første brevet skrev han: «Vitenskap virker vanskelig, ikke fordi det virkelig er vanskelig, men fordi du ellers ikke vil nå dens enkelhet, som å bryte gjennom mørket til de ferdige konseptene som hindrer deg i å se direkte. La de som står frem vite at hele arsenalet av rustne og verdiløse verktøy som vi har arvet fra skolastikken er verdiløst, at det er nødvendig å ofre synspunktene formulert utenfor vitenskapen, det uten å forkaste alle halve løgner, som de for klarhetens skyld kler seg med halve sannheter man kan ikke gå inn i vitenskapen, man kan ikke nå hele sannheten.
12.4. Om reduksjon av skoleprogrammer. Moderne fysikkprogrammer på skolen kan godt inkludere aktiv mestring av elementer fra teorien om elementærpartikler, relativitetsteorien og kvantemekanikk, hvis vi reduserer de delene i dem som hovedsakelig er beskrivende i naturen og øker "eruditionen" til barnet, heller enn å forstå verden rundt og evnen til å leve og skape.
12.5. Konklusjon. Det ville være riktig av presidiet til det russiske vitenskapsakademiet å merke seg viktigheten av tidlig kjennskap til unge mennesker med et verdensbilde basert på prestasjonene til relativitetsteorien og kvantemekanikken, og instruere kommisjonene til presidiet til det russiske akademiet. of Sciences om lærebøker (formann - visepresident VV Kozlov) og om utdanning (formann - visepresident -president V. A. Sadovnichiy) for å utarbeide forslag for å forbedre undervisningen i moderne grunnleggende fysikk i videregående og høyere skoler.
Beskrivelse
For at et forhold skal kunne kalles en fysisk lov, må det tilfredsstille følgende krav:
- empirisk bekreftelse. En fysisk lov anses som sann hvis den bekreftes av gjentatte eksperimenter.
- Allsidighet. Loven skal være rettferdig for et stort antall objekter. Ideelt sett - for alle objekter i universet.
- Bærekraft. Fysiske lover endres ikke med tiden, selv om de kan gjenkjennes som tilnærminger til mer presise lover.
Fysiske lover uttrykkes vanligvis som en kort verbal uttalelse eller en kompakt matematisk formel:
Eksempler
Hovedartikkel: Liste over fysiske lover
Noen av de mest kjente fysiske lovene er:
Lover-prinsipper
Noen fysiske lover er universelle i naturen og er i hovedsak definisjoner. Slike lover kalles ofte prinsipper. Disse inkluderer for eksempel Newtons andre lov (definisjon av kraft), loven om bevaring av energi (definisjon av energi), prinsippet om minste handling (definisjon av handling), etc.
Lover-konsekvenser av symmetrier
En del av de fysiske lovene er enkle konsekvenser av visse symmetrier som finnes i systemet. Så, bevaringslovene i henhold til Noethers teorem er konsekvenser av symmetrien mellom rom og tid. Og Pauli-prinsippet, for eksempel, er en konsekvens av elektronenes identitet (antisymmetrien til deres bølgefunksjon med hensyn til permutasjonen av partikler).
Tilnærming av lover
Alle fysiske lover er en konsekvens av empiriske observasjoner og er sanne med samme nøyaktighet som eksperimentelle observasjoner er sanne med. Denne begrensningen tillater oss ikke å hevde at noen av lovene er absolutte. Det er kjent at noen av lovene åpenbart ikke er helt nøyaktige, men er tilnærminger til mer nøyaktige. Så Newtons lover er kun gyldige for tilstrekkelig massive legemer som beveger seg med hastigheter mye mindre enn lysets hastighet. Mer presise er lovene for kvantemekanikk og spesiell relativitet. Imidlertid er de på sin side tilnærminger av mer nøyaktige ligninger av kvantefeltteori.
se også
Notater
Wikimedia Foundation. 2010 .
Se hva "Jus (fysikk)" er i andre ordbøker:
FYSIKK. 1. Fysikkens fag og struktur F. vitenskapen som studerer enklest og samtidig mest. generelle egenskaper og bevegelseslover til objektene i den materielle verden som omgir oss. Som et resultat av denne generaliteten er det ingen naturfenomener som ikke har fysiske. egenskaper... Fysisk leksikon
En vitenskap som studerer de enkleste og samtidig de mest generelle mønstrene for naturfenomener, prinsippene og strukturen til materien og bevegelseslovene. Begrepene til F. og dens lover ligger til grunn for all naturvitenskap. F. tilhører de eksakte vitenskapene og studerer mengder ... Fysisk leksikon
Loven om rettlinjet forplantning av lys: i et gjennomsiktig homogent medium forplanter lys seg i rette linjer. I forbindelse med loven om rettlinjet forplantning av lys dukket begrepet en lysstråle opp, som har en geometrisk betydning som ... ... Wikipedia
FYSIKK- FYSIKK, en vitenskap som studerer, sammen med kjemi, de generelle lovene for transformasjon av energi og materie. Begge vitenskapene er basert på to grunnleggende naturvitenskapelige lover - loven om bevaring av masse (loven om Lomonosov, Lavoisier) og loven om bevaring av energi (R. Mayer, Jaul ... ... Big Medical Encyclopedia
Boyles Mariottes lov er en av de grunnleggende gasslovene. Loven er oppkalt etter den irske fysikeren, kjemikeren og filosofen Robert Boyle (1627 1691), som oppdaget den i 1662, og også til ære for den franske fysikeren Edme Mariotte (1620 1684), som oppdaget ... ... Wikipedia
Statistisk fysikk Termodynamikk Molekylær kinetisk teori Statistikk ... Wikipedia
Loven om ikke-avtagende entropi: "I et isolert system avtar ikke entropien." Hvis et lukket system på et tidspunkt er i en makroskopisk tilstand som ikke er likevekt, er den mest sannsynlige konsekvensen på etterfølgende tidspunkt ... ... Wikipedia
Loven om det omvendte forholdet mellom et konsepts omfang og innhold er loven om formell logikk om forholdet mellom endringer i et konsepts omfang og innhold. Hvis det første konseptet er bredere enn det andre i omfang, så er det dårligere i innhold; hvis ... ... Wikipedia
- (a. eksplosjonsfysikk; n. Physik der Explosion; f. physique de l explosion; og. fisica de explosion, fisica de estallido, fisica de detonacion) er en vitenskap som studerer fenomenet en eksplosjon og virkningsmekanismen i et medium. Mekanisk feil... Geologisk leksikon
- (fysikk av materiens flytende tilstand) en gren av fysikken der de mekaniske og fysiske egenskapene til væsker studeres. Statistisk teori om væsker er en gren av statistisk fysikk. Det viktigste resultatet er utledningen av ligninger ... ... Wikipedia
Ikke en eneste sfære av menneskelig aktivitet kan klare seg uten de eksakte vitenskapene. Og uansett hvor komplekse menneskelige relasjoner er, kommer de også ned til disse lovene. tilbyr å huske fysikkens lover som en person møter og opplever hver dag i livet.
Den enkleste, men viktigste loven er Loven om bevaring og transformasjon av energi.
Energien til ethvert lukket system forblir konstant for alle prosesser som skjer i systemet. Og vi er i et så lukket system og det er vi. De. hvor mye vi gir, så mye vi får. Skal vi få noe, må vi gi samme beløp før det. Og ingenting annet!
Og vi vil selvfølgelig ha stor lønn, men ikke gå på jobb. Noen ganger skapes det en illusjon om at "tools er heldige" og at lykke faller på hodet for mange. Les ethvert eventyr. Helter må hele tiden overvinne store vanskeligheter! Svøm deretter i kaldt vann, deretter i kokende vann.
Menn tiltrekker seg oppmerksomheten til kvinner med frieri. Kvinnene på sin side tar seg av disse mennene og barna. Etc. Så hvis du ønsker å få noe, ta bryet med å gi først.
Virkningskraften er lik reaksjonskraften.
Denne fysikkloven gjenspeiler i prinsippet den forrige. Om en person har begått en negativ handling - bevisst eller ikke - og deretter fått svar, d.v.s. motstand. Noen ganger er årsak og virkning atskilt i tid, og du kan ikke umiddelbart forstå hvor vinden blåser fra. Vi må, viktigst av alt, huske at ingenting bare skjer.
Spakens lov.
Arkimedes utbrøt: Gi meg fotfeste og jeg skal flytte jorden!". Enhver vekt kan bæres hvis du velger riktig spak. Du bør alltid estimere hvor lenge spaken vil være nødvendig for å oppnå dette eller det målet og trekke en konklusjon for deg selv, prioritere: trenger du å bruke så mye krefter på å lage den riktige spaken og flytte denne vekten, eller er det lettere å la det være i fred og gjøre andre aktiviteter.
Gimlet-regelen.
Regelen er som angir retningen til magnetfeltet. Denne regelen svarer på det evige spørsmålet: hvem har skylden? Og han påpeker at vi selv er skyld i alt som skjer med oss. Uansett hvor fornærmende det er, uansett hvor vanskelig det er, uansett hvor urettferdig det kan virke ved første øyekast, må vi alltid være klar over at vi selv var årsaken helt fra begynnelsen.
neglens lov.
Når en person vil hamre inn en spiker, banker han ikke et sted i nærheten av spikeren, han banker nøyaktig på spikerhodet. Men selve neglene klatrer ikke inn i veggene. Du må alltid velge riktig hammer for ikke å knekke spikeren med en slegge. Og når du scorer, må du beregne slaget slik at hatten ikke bøyer seg. Hold det enkelt, ta vare på hverandre. Lær å tenke på naboen din.
Og til slutt, loven om entropi.
Entropi er et mål på uorden i et system. Med andre ord, jo mer kaos i systemet, jo større blir entropien. En mer presis formulering: i spontane prosesser som skjer i systemer, øker alltid entropien. Som regel er alle spontane prosesser irreversible. De fører til reelle endringer i systemet, og det er umulig å returnere det til sin opprinnelige tilstand uten å bruke energi. Samtidig er det umulig å gjenta nøyaktig (100%) sin opprinnelige tilstand.
For bedre å forstå hva slags orden og forstyrrelse vi snakker om, la oss sette opp et eksperiment. Hell svarte og hvite pellets i en glasskrukke. La oss legge inn de svarte først, så de hvite. Pellets vil bli arrangert i to lag: svart på bunnen, hvit på toppen - alt er i orden. Rist deretter glasset flere ganger. Pellets vil blandes jevnt. Og uansett hvor mye vi så rister denne krukken, er det usannsynlig at vi kan oppnå at pellets igjen er ordnet i to lag. Her er den, entropi i aksjon!
Tilstanden da pellets ble arrangert i to lag anses som ordnet. Tilstanden når pellets er jevnt blandet anses som uordnet. Det krever nesten et mirakel å gå tilbake til en ordnet tilstand! Eller gjentatt møysommelig arbeid med pellets. Og det krever nesten ingen innsats for å skape kaos i en bank.
Bilhjul. Når den blåses opp, har den et overskudd av gratis energi. Hjulet kan bevege seg, noe som betyr at det fungerer. Dette er ordren. Hva om du punkterer et hjul? Trykket i det vil falle, den frie energien vil "forlate" til miljøet (forsvinne), og et slikt hjul vil ikke lenger kunne fungere. Dette er kaos. For å returnere systemet til sin opprinnelige tilstand, dvs. for å få orden på ting må du gjøre mye arbeid: lim kameraet, monter hjulet, pump det opp osv., deretter er dette igjen en nødvendig ting som kan være nyttig.
Varme overføres fra en varm kropp til en kald, og ikke omvendt. Den omvendte prosessen er teoretisk mulig, men praktisk talt ingen vil påta seg å gjøre dette, siden enorm innsats, spesielle installasjoner og utstyr vil være nødvendig.
Også i samfunnet. Folk begynner å bli gamle. Husene smuldrer opp. Steiner synker ned i havet. Galaksene er spredt. Enhver virkelighet rundt oss har spontant en tendens til uorden.
Imidlertid snakker folk ofte om lidelse som frihet: Nei, vi vil ikke ha orden! Gi oss en slik frihet at alle kan gjøre hva de vil!» Men når alle gjør som de vil, er ikke dette frihet – dette er kaos. I vår tid roser mange uorden, fremmer anarki - med et ord, alt som ødelegger og splitter. Men frihet er ikke i kaos, frihet er nettopp i orden.
Ved å organisere livet sitt skaper en person en reserve av gratis energi, som han deretter bruker til å implementere planene sine: arbeid, studier, rekreasjon, kreativitet, sport, etc. Med andre ord motsetter den seg entropi. Ellers, hvordan kunne vi ha samlet så mange materielle verdier i løpet av de siste 250 årene?!
Entropi er et mål på uorden, et mål på den irreversible spredningen av energi. Jo mer entropi, jo mer uorden. Et hus der ingen bor, forfaller. Jern ruster over tid, bilen blir gammel. Forhold som ingen bryr seg om vil bryte sammen. Så er alt annet i livet vårt, absolutt alt!
Naturtilstanden er ikke likevekt, men en økning i entropi. Denne loven virker ubønnhørlig i livet til én person. Han trenger ikke å gjøre noe for å øke entropien, dette skjer spontant, i henhold til naturloven. For å redusere entropi (uorden), må du anstrenge deg mye. Dette er et slags slag i ansiktet til dumt positive mennesker (under en liggende stein og vann renner ikke), som det er ganske mange av!
Å opprettholde suksess krever konstant innsats. Hvis vi ikke utvikler oss, så degraderer vi. Og for å beholde det vi hadde før, må vi gjøre mer i dag enn vi gjorde i går. Ting kan holdes i orden og til og med forbedres: hvis malingen på et hus har falmet, kan den males på nytt, og enda vakrere enn før.
Folk bør prøve å "pasifisere" vilkårlig destruktiv atferd som råder overalt i den moderne verden, prøve å redusere tilstanden av kaos, som vi har spredt til grandiose grenser. Og dette er en fysisk lov, og ikke bare en prat om depresjon og negativ tenkning. Alt enten utvikles eller degraderes.
En levende organisme blir født, utvikler seg og dør, og ingen har noen gang observert at den etter døden gjenopplives, blir yngre og går tilbake til frøet eller livmoren. Når de sier at fortiden aldri kommer tilbake, så mener de selvfølgelig først og fremst disse livsviktige fenomenene. Utviklingen av organismer setter den positive retningen til tidens pil, og endringen fra en tilstand av systemet til en annen skjer alltid i samme retning for alle prosesser uten unntak.
Valerian Chupin
Informasjonskilde: Tchaikovsky.News
Kommentarer (3)
Rikdommen i det moderne samfunnet vokser, og vil vokse i stadig større grad, først og fremst gjennom universell arbeidskraft. Industriell kapital var den første historiske formen for sosial produksjon, da universell arbeidskraft begynte å bli intensivt utnyttet. Og først den han fikk gratis. Vitenskapen, som Marx observerte, koster ingenting for kapitalen. Faktisk betalte ikke en eneste kapitalist en belønning til verken Archimedes, eller Cardano, eller Galileo, eller Huygens, eller Newton for den praktiske bruken av ideene deres. Men det er nettopp industriell kapital som i masseskala begynner å utnytte mekanisk teknologi, og dermed den generelle arbeidskraften som er nedfelt i den. Marx K, Engels F. Soch., bind 25, del 1, s. 116.
GRUNNLEGGENDE LOVER FOR FYSIKK
[ Mekanikk | Termodynamikk | Elektrisitet | Optikk | Atomfysikk]
KONSERVERINGS- OG TRANSFORMASJONSLOVEN - den generelle naturloven: energien til ethvert lukket system for alle prosesser som skjer i systemet forblir konstant (bevart). Energi kan bare omdannes fra en form til en annen og omfordeles mellom deler av systemet. For et åpent system er en økning (reduksjon) i dets energi lik en reduksjon (økning) i energien til legemer og fysiske felt som samhandler med det.
1. MEKANIKK
ARKIMEDES LOV - loven om hydro- og aerostatikk: et legeme nedsenket i en væske eller gass blir utsatt for en flytende kraft rettet vertikalt oppover, numerisk lik vekten av væsken eller gassen som fortrenges av kroppen, og påføres i midten av tyngdekraften til den nedsenkede delen av kroppen. FA= gV, hvor r er tettheten til væsken eller gassen, V er volumet til den nedsenkede delen av kroppen. Ellers kan den formuleres som følger: et legeme nedsenket i en væske eller gass mister like mye i vekt som væsken (eller gassen) som fortrenges av den veier. Da P= mg - FA Annet gr. vitenskapsmann Archimedes i 212. f.Kr. Det er grunnlaget for teorien om svømmende kropper.
UNIVERSELL GRAVITASJONSLOV - Newtons tyngdelov: alle legemer er tiltrukket av hverandre med en kraft som er direkte proporsjonal med produktet av massene til disse legene og omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem: , hvor M og m er massene av de samvirkende legemene er R avstanden mellom disse legemene, G er gravitasjonskonstanten (i SI G=6.67.10-11 N.m2/kg2.
GALILEO RELATIVITETSPRINSIPP, det mekaniske relativitetsprinsippet - prinsippet for klassisk mekanikk: i enhver treghetsreferanse forløper alle mekaniske fenomener på samme måte under de samme forholdene. ons relativitetsprinsippet.
HOOK'S LAW - loven ifølge hvilken elastiske deformasjoner er direkte proporsjonale med de ytre påvirkningene som forårsaker dem.
MOMENTUMBEVARINGSLOV - mekanikkens lov: momentumet til ethvert lukket system i alle prosesser som skjer i systemet forblir konstant (bevart) og kan bare omfordeles mellom deler av systemet som et resultat av deres interaksjon.
NEWTONS LOVER - tre lover som ligger til grunn for Newtonsk klassisk mekanikk. 1. lov (treghetslov): et materiell punkt er i en tilstand av rettlinjet og jevn bevegelse eller hvile hvis ingen andre kropper virker på det eller handlingen til disse legemene kompenseres. 2. lov (grunnleggende dynamikklov): akselerasjonen mottatt av kroppen er direkte proporsjonal med resultanten av alle krefter som virker på kroppen, og omvendt proporsjonal med kroppens masse (). 3. lov: to materielle punkter samhandler med hverandre av krefter av samme natur, like store og motsatte i retning langs den rette linjen som forbinder disse punktene ().
RELATIVITETSPRINSIPP - et av postulatene til relativitetsteorien, som sier at i alle treghetsreferanserammer fortsetter alle fysiske (mekaniske, elektromagnetiske, etc.) fenomener under de samme forholdene på samme måte. Det er Galileos generalisering av relativitetsprinsippet til alle fysiske fenomener (unntatt tyngdekraften).
2. MOLEKYLÆR FYSIKK OG TERMODYNAMIKK
AVOGADRO LOV - en av de grunnleggende lovene for ideelle gasser: like volumer av forskjellige gasser ved samme temperatur og trykk inneholder samme antall molekyler. Åpnet i 1811 av italieneren. fysiker A. Avogadro (1776-1856).
BOYLE-MARIOTTE LAW - en av lovene for en ideell gass: for en gitt masse av en gitt gass ved en konstant temperatur, er produktet av trykk og volum en konstant. Formel: pV=konst. Beskriver en isoterm prosess.
ANDRE LOV OM TERMODYNAMIKK - en av termodynamikkens grunnleggende lover, ifølge hvilken en periodisk prosess er umulig, det eneste resultatet er ytelsen av arbeid som tilsvarer mengden varme mottatt fra varmeren. En annen formulering: en prosess er umulig, det eneste resultatet er overføring av energi i form av varme fra en mindre oppvarmet kropp til en varmere. V.z.t. uttrykker tendensen til et system bestående av et stort antall kaotisk bevegelige partikler til en spontan overgang fra mindre sannsynlige tilstander til mer sannsynlige tilstander. Forbyr opprettelsen av en evighetsmaskin av den andre typen.
GAY-LUSSAC LAW - gasslov: for en gitt masse av en gitt gass ved konstant trykk, er forholdet mellom volum og absolutt temperatur en konstant verdi, der \u003d 1/273 K-1 er temperaturkoeffisienten for volumutvidelse.
DALTONS LOV - en av de grunnleggende gasslovene: trykket til en blanding av kjemisk ikke-samvirkende ideelle gasser er lik summen av partialtrykket til disse gassene.
PASCALS LOV - hydrostatikkens grunnleggende lov: trykket produsert av ytre krefter på overflaten av en væske eller gass overføres likt i alle retninger.
FØRSTE LOV OM TERMODYNAMIKK - en av termodynamikkens grunnleggende lover, som er loven om bevaring av energi for et termodynamisk system: mengden varme Q som kommuniseres til systemet brukes på å endre den indre energien til systemet U og utføre arbeid A mot eksterne krefter fra systemet. Formel: Q=U+A. Det ligger til grunn for driften av varmemotorer.
CHARLES LAW - en av hovedgasslovene: trykket til en gitt masse ideell gass ved et konstant volum er direkte proporsjonalt med temperaturen: hvor p0 er trykket ved 00C, \u003d 1/273.15 K-1 er temperaturkoeffisienten av press.
3. ELEKTRISITET OG MAGNETISME
AMPERA LAW - loven om samhandling mellom to ledere med strømmer; Parallelle ledere med strømmer i samme retning tiltrekker seg, og strømmer i motsatt retning frastøter. A.z. også kalt loven som bestemmer kraften som virker i et magnetfelt på et lite segment av en strømførende leder. Åpnet i 1820 ER. Ampere.
JOUL-LENTZ LAW - en lov som beskriver den termiske effekten av elektrisk strøm. Ifølge D. - L.z. mengden varme som frigjøres i lederen når en likestrøm går gjennom den er direkte proporsjonal med kvadratet på strømstyrken, lederens motstand og passeringstiden.
BEVARINGSLOV - en av de grunnleggende naturlovene: den algebraiske summen av elektriske ladninger til ethvert elektrisk isolert system forblir uendret. I et elektrisk isolert system Z.s.z. tillater opptreden av nye ladede partikler (for eksempel under elektrolytisk dissosiasjon, ionisering av gasser, dannelse av partikkel-antipartikkel-par, etc.), men den totale elektriske ladningen til partiklene som dukker opp må alltid være lik null.
Coulomb LAW - den grunnleggende loven for elektrostatikk, som uttrykker avhengigheten av interaksjonskraften til to fastpunktladninger på avstanden mellom dem: to fastpunktladninger samhandler med en kraft som er direkte proporsjonal med produktet av størrelsen på disse ladningene og omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem og permittiviteten til mediet som ladningene befinner seg i. I SI ser det slik ut: . Verdien er numerisk lik kraften som virker mellom to fastpunktladninger på 1 C hver, plassert i vakuum i en avstand på 1 m fra hverandre. K.z. er en av de eksperimentelle underbyggelsen av elektrodynamikk.
VENSTREHÅNDSREGEL - en regel som bestemmer retningen til kraften som virker på en leder med strøm i et magnetfelt (eller en ladet partikkel i bevegelse). Den sier: hvis venstre hånd er plassert slik at de utstrakte fingrene viser retningen til strømmen (hastigheten til partikkelen), og kraftlinjene til magnetfeltet (linjer med magnetisk induksjon) kommer inn i håndflaten, så kommer den tilbaketrukne tommelen vil indikere retningen til kraften som virker på lederen (positiv partikkel; i tilfelle av en negativ partikkel er retningen til kraften motsatt).
LENTZ RULE (LOW) - en regel som bestemmer retningen til induksjonsstrømmer som oppstår under elektromagnetisk induksjon. Ifølge L.p. den induktive strømmen har alltid en slik retning at dens egen magnetiske fluks kompenserer for endringene i den eksterne magnetiske fluksen som forårsaket denne strømmen. L.p. - en konsekvens av loven om bevaring av energi.
OHMA LAW - en av de grunnleggende lovene for elektrisk strøm: styrken til en likestrøm i en kretsseksjon er direkte proporsjonal med spenningen i endene av denne seksjonen og omvendt proporsjonal med motstanden. Gyldig for metalliske ledere og elektrolytter, hvis temperatur holdes konstant. Når det gjelder en komplett krets, er den formulert som følger: styrken til den elektriske likestrømmen i kretsen er direkte proporsjonal med emf til strømkilden og omvendt proporsjonal med impedansen til den elektriske kretsen.
HØYREHÅNDSREGEL - en regel som bestemmer 1) retningen til induksjonsstrømmen i en leder som beveger seg i et magnetfelt: hvis høyre håndflate er plassert slik at den inkluderer linjer med magnetisk induksjon, og den bøyde tommelen er rettet langs bevegelsen
leder, så vil fire utstrakte fingre vise retningen til induksjonsstrømmen; 2) retningen til linjene for magnetisk induksjon av en rettlinjet leder med strøm: hvis tommelen på høyre hånd er plassert i strømmens retning, vil retningen for å gripe lederen med fire fingre vise retningen til linjene av magnetisk induksjon.
FARADAYS LOVER - de grunnleggende lovene for elektrolyse. Faradays første lov: massen av stoffet som frigjøres på elektroden under passering av en elektrisk strøm er direkte proporsjonal med mengden elektrisitet (ladning) som har gått gjennom elektrolytten (m=kq=kIt). Andre FZ: forholdet mellom massene av forskjellige stoffer som gjennomgår kjemiske transformasjoner på elektrodene når de samme elektriske ladningene passerer gjennom elektrolytten er lik forholdet mellom kjemiske ekvivalenter. Installert i 1833-34 av M. Faraday. Den generaliserte elektrolyseloven har formen: , hvor M er den molare (atomiske) massen, z er valensen, F er Faraday-konstanten. F.p. er lik produktet av den elementære elektriske ladningen og Avogadro-konstanten. F=e.NA. Bestemmer ladningen, hvis passasje gjennom elektrolytten fører til frigjøring av 1 mol av et monovalent stoff på elektroden. F=(96484,56 0,27) celler/mol. Oppkalt etter M. Faraday.
ELEKTROMAGNETISK INDUKSJONSLOV - en lov som beskriver fenomenet med forekomsten av et elektrisk felt når magnetfeltet endres (fenomenet elektromagnetisk induksjon): den elektromotoriske induksjonskraften er direkte proporsjonal med endringshastigheten til den magnetiske fluksen. Proporsjonalitetskoeffisienten bestemmes av enhetssystemet, tegnet er Lenz-regelen. Formelen i SI er: der Ф er endringen i den magnetiske fluksen, og t er tidsintervallet som denne endringen skjedde i. Oppdaget av M. Faraday.
4. OPTIKK
HUYGENS PRINSIPP - en metode som lar deg bestemme posisjonen til bølgefronten når som helst. I følge g.p. alle punkter som bølgefronten passerer ved tidspunkt t er kilder til sekundære sfæriske bølger, og den ønskede posisjonen til bølgefronten ved tidspunkt t t sammenfaller med overflaten som omslutter alle sekundære bølger. Lar deg forklare lovene for refleksjon og brytning av lys.
HUYGENS - FRESNEL - PRINSIPP - en tilnærmet metode for å løse problemer med bølgeutbredelse. G.-F. Elementet sier: når som helst utenfor en vilkårlig lukket overflate, som dekker en punktlyskilde, kan lysbølgen eksitert av denne kilden representeres som et resultat av interferens av sekundære bølger som sendes ut av alle punkter på den spesifiserte lukkede overflaten. Lar deg løse de enkleste problemene med lysdiffraksjon.
BØLGEREFLEKSJONSLOVEN - innfallsstrålen, den reflekterte strålen og perpendikulæren hevet til innfallspunktet for strålen ligger i samme plan, og innfallsvinkelen er lik brytningsvinkelen. Loven gjelder for speilrefleksjon.
REFRAKTION AV LYS - en endring i forplantningsretningen av lys (en elektromagnetisk bølge) under overgangen fra ett medium til et annet, som skiller seg fra den første brytningsindeksen. For refraksjon er loven oppfylt: den innfallende strålen, den refrakterte strålen og perpendikulæren hevet til innfallspunktet for strålen ligger i samme plan, og for disse to media er forholdet mellom sinusen til innfallsvinkelen og sinusen til brytningsvinkelen er en konstant verdi, kalt den relative brytningsindeksen til det andre mediet i forhold til det første.
LOV OM RECTILINEÆR DISTRIBUSJON AV LYS - loven om geometrisk optikk, som består i det faktum at lys forplanter seg i en rett linje i et homogent medium. Forklarer for eksempel dannelsen av skygge og penumbra.
6. ATOM- OG KJERNEFYSikk.
BOHR POSTULATES - hovedantakelsene introdusert uten bevis av N.Bohr og som ligger til grunn for BOHR-TEORIEN: 1) Et atomsystem er stabilt kun i stasjonære tilstander som tilsvarer en diskret sekvens av atomenergiverdier. Hver endring i denne energien er assosiert med en fullstendig overgang av atomet fra en stasjonær tilstand til en annen. 2) Absorpsjonen og emisjonen av energi fra et atom skjer i henhold til loven som strålingen knyttet til overgangen er monokromatisk og har en frekvens: h = Ei-Ek, hvor h er Planck-konstanten, og Ei og Ek er energiene til atomet i stasjonære tilstander
I følge denne loven er prosessen, hvis eneste resultat er overføring av energi i form av varme fra en kaldere kropp til en varmere, umulig uten endringer i selve systemet og miljøet.
Termodynamikkens andre lov uttrykker tendensen til et system som består av et stort antall tilfeldig bevegelige partikler til spontan overgang fra mindre sannsynlige tilstander til mer sannsynlige tilstander. Forbyr opprettelsen av en evighetsmaskin av den andre typen.
Like volum av ideelle gasser ved samme temperatur og trykk inneholder samme antall molekyler.
Loven ble oppdaget i 1811 av den italienske fysikeren A. Avogadro (1776–1856).
Loven om samhandling av to strømmer som strømmer i ledere som ligger i liten avstand fra hverandre, sier: parallelle ledere med strømmer i én retning tiltrekker seg, og med strømmer i motsatt retning frastøter de.
Loven ble oppdaget i 1820 av A. M. Ampere.
Loven om hydro- og aerostatikk: på et legeme nedsenket i en væske eller gass, virker en flytekraft vertikalt oppover, lik vekten av væsken eller gassen som fortrenges av kroppen, og påføres ved tyngdepunktet til den nedsenkede delen av kroppen. FA = gV, hvor g er tettheten til væsken eller gassen, V er volumet til den nedsenkede delen av kroppen.
Ellers kan loven formuleres som følger: et legeme nedsenket i en væske eller gass mister like mye i vekt som væsken (eller gassen) som fortrenges av den veier. Da er P = mg - FA.
Loven ble oppdaget av den antikke greske vitenskapsmannen Archimedes i 212 f.Kr. e. Det er grunnlaget for teorien om flytende kropper.
En av lovene til en ideell gass: ved konstant temperatur er produktet av gasstrykket og volumet en konstant verdi. Formel: pV = konst. Beskriver en isoterm prosess.
Loven om universell gravitasjon, eller Newtons tyngdelov: alle legemer tiltrekkes av hverandre med en kraft som er direkte proporsjonal med produktet av massene til disse legene og omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem.
I henhold til denne loven er de elastiske deformasjonene til et solid legeme direkte proporsjonale med de ytre påvirkningene som forårsaker dem.
Beskriver den termiske effekten av elektrisk strøm: mengden varme som frigjøres i lederen når en likestrøm passerer gjennom den er direkte proporsjonal med kvadratet på strømstyrken, lederens motstand og passasjetiden. Oppdaget av Joule og Lenz uavhengig på 1800-tallet.
Den grunnleggende loven for elektrostatikk, som uttrykker avhengigheten av interaksjonskraften til to fastpunktladninger på avstanden mellom dem: to fastpunktladninger samhandler med en kraft som er direkte proporsjonal med produktet av størrelsen på disse ladningene og omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem og permittiviteten til mediet som ladningene befinner seg i. Verdien er numerisk lik kraften som virker mellom to fastpunktladninger på 1 C hver plassert i vakuum i en avstand på 1 m fra hverandre.
Coulombs lov er en av de eksperimentelle underbyggelsen av elektrodynamikk. Åpnet i 1785
En av de grunnleggende lovene for elektrisk strøm: styrken til en likestrøm i en kretsseksjon er direkte proporsjonal med spenningen i endene av denne seksjonen og omvendt proporsjonal med motstanden. Gyldig for metalliske ledere og elektrolytter, hvis temperatur holdes konstant. Når det gjelder en komplett krets, er den formulert som følger: styrken til den elektriske likestrømmen i kretsen er direkte proporsjonal med emf til strømkilden og omvendt proporsjonal med impedansen til den elektriske kretsen.
Åpnet i 1826 av G.S. Ohm.
Laster inn...