Care sunt legile de bază ale fizicii? Fizica: concepte de bază, formule, legi. Legile de bază ale fizicii pe care o persoană ar trebui să le cunoască Legile de bază ale fizicii clasice

1.1. Adnotare. Legile teoriei relativității și mecanicii cuantice, conform cărora au loc mișcarea și interacțiunea particulelor elementare ale materiei, predetermina formarea și apariția modelelor din cea mai largă gamă de fenomene studiate de diferite științe ale naturii. Aceste legi stau la baza tehnologiilor moderne moderne și determină în mare măsură starea și dezvoltarea civilizației noastre. Prin urmare, cunoașterea elementelor de bază ale fizicii fundamentale este necesară nu numai pentru elevi, ci și pentru școlari. Posesia activă a cunoștințelor de bază despre structura lumii este necesară pentru o persoană care intră în viață pentru a-și găsi locul în această lume și pentru a-și continua educația cu succes.

1.2. Care este principala dificultate a acestui raport. Se adresează atât specialiștilor din domeniul fizicii particulelor elementare, cât și unui public mult mai larg: fizicieni care nu se ocupă de particule elementare, matematicieni, chimiști, biologi, energeticieni, economiști, filozofi, lingviști,... Pentru a fi suficient precis, trebuie să folosesc termenii și formulele fizicii fundamentale. Pentru a fi înțeles, trebuie să explic în mod constant acești termeni și formule. Dacă fizica particulelor elementare nu este specialitatea ta, citește mai întâi numai acele secțiuni ale căror titluri nu sunt marcate cu asteriscuri. Apoi încercați să citiți secțiunile cu un asterisc *, două ** și, în final, trei ***. Am reușit să vorbesc despre majoritatea secțiunilor fără asteriscuri în timpul raportului, dar nu a mai fost timp pentru restul.

1.3. Fizica particulelor elementare. Fizica particulelor este fundamentul tuturor științelor naturale. Studiază cele mai mici particule de materie și modelele de bază ale mișcărilor și interacțiunilor lor. În cele din urmă, aceste regularități sunt cele care determină comportamentul tuturor obiectelor de pe Pământ și de pe cer. Fizica particulelor se ocupă de concepte fundamentale precum spațiu și timp; materie; energie, impuls și masă; a învârti. (Majoritatea cititorilor au o idee despre spațiu și timp, poate că au auzit despre legătura dintre masă și energie și nu au idee ce legătură are impulsul cu aceasta și cu greu ghicesc despre rolul cel mai important al spinului în fizică. Ei pot nici măcar nu sunt de acord între ei despre cum să numim materie, încă experți.) Fizica particulelor a fost creată în secolul al XX-lea. Crearea sa este indisolubil legată de crearea a două dintre cele mai mari teorii din istoria omenirii: teoria relativității și mecanica cuantică. Constantele cheie ale acestor teorii sunt viteza luminii cși constanta lui Planck h.

1.4. Teoria relativitatii. Teoria specială a relativității, care a apărut la începutul secolului al XX-lea, a completat sinteza unui număr de științe care au studiat fenomene clasice precum electricitatea, magnetismul și optica, creând mecanica la viteze ale corpurilor comparabile cu viteza luminii. (Mecanica clasică non-relativista a lui Newton s-a ocupat de viteze v<<c.) Apoi, în 1915, a fost creată teoria generală a relativității, care a fost concepută pentru a descrie interacțiunile gravitaționale, ținând cont de caracterul finit al vitezei luminii. c.

1.5. Mecanica cuantică. Mecanica cuantică, creată în anii 1920, a explicat structura și proprietățile atomilor pe baza proprietăților duble undă-particulă ale electronilor. Ea a explicat o gamă largă de fenomene chimice asociate cu interacțiunea atomilor și moleculelor. Și a permis să descrie procesele de emisie și absorbție a luminii de către acestea. Înțelegeți informațiile pe care ni le oferă lumina Soarelui și a stelelor.

1.6. Teoria câmpului cuantic. Unificarea teoriei relativității și a mecanicii cuantice a condus la crearea teoriei cuantice a câmpurilor, care face posibilă descrierea celor mai importante proprietăți ale materiei cu un grad ridicat de precizie. Teoria câmpului cuantic este, desigur, prea complicată pentru a fi explicată școlarilor. Dar la mijlocul secolului al XX-lea, a apărut în el un limbaj vizual al diagramelor Feynman, care simplifică radical înțelegerea multor aspecte ale teoriei câmpurilor cuantice. Unul dintre scopurile principale ale acestei discuții este de a arăta cum cea mai largă gamă de fenomene poate fi înțeleasă pur și simplu cu ajutorul diagramelor Feynman. În același timp, mă voi opri mai detaliat asupra problemelor care sunt departe de a fi cunoscute de toți experții în teoria câmpului cuantic (de exemplu, despre relația dintre gravitația clasică și cuantică) și voi sublinia doar cu moderație problemele discutate pe larg în populare literatura stiintifica.

1.7. Identitatea particulelor elementare. Particulele elementare sunt numite cele mai mici particule indivizibile ale materiei, din care este construită întreaga lume. Cea mai uimitoare proprietate care distinge aceste particule de particulele obișnuite neelementare, de exemplu, granule de nisip sau margele, este că toate particulele elementare de același fel, de exemplu, toți electronii din Univers sunt absolut (!) Aceeași - identic. Și, în consecință, cele mai simple stări legate sunt identice între ele - atomi și cele mai simple molecule.

1.8. Șase particule elementare. Pentru a înțelege principalele procese care au loc pe Pământ și pe Soare, este suficient să înțelegem, ca primă aproximare, procesele la care participă șase particule: electronii. e, proton p, neutron nși neutrinul electron ν e , precum și fotonul γ și gravitonul g̃. Primele patru particule au spin 1/2, fotonul are spin 1, iar gravitonul are 2. (Particulele cu spin întreg sunt numite bosoni, particulele cu spin semiîntreg sunt numite fermioni. Mai multe despre spin vor fi discutate mai târziu.) Protonii și neutronii sunt de obicei numiți nucleoni deoarece nucleele atomice sunt construite din ei, iar nucleul în engleză este nucleul. Electronul și neutrino se numesc leptoni. Nu au forțe nucleare puternice.

Datorită interacțiunii foarte slabe a gravitonilor, este imposibil să se observe gravitonii individuali, dar prin aceste particule gravitația se realizează în natură. La fel cum interacțiunile electromagnetice sunt efectuate prin intermediul fotonilor.

1.9. Antiparticule. Electronul, protonul și neutronul au așa-numitele antiparticule: pozitron, antiproton și antineutron. Ele nu sunt incluse în compoziția materiei obișnuite, deoarece atunci când se întâlnesc cu particulele corespunzătoare, intră în reacții de anihilare reciprocă cu ele - anihilare. Astfel, un electron și un pozitron se anihilează în doi sau trei fotoni. Fotonul și gravitonul sunt particule cu adevărat neutre: ele coincid cu antiparticulele lor. Încă nu se știe dacă neutrinoul este o particulă cu adevărat neutră.

1.10. Nucleoni și cuarci. La mijlocul secolului al XX-lea, a devenit clar că nucleonii înșiși constau din mai multe particule elementare - quarci de două tipuri, care denotă uși d: p = uud, n = ddu. Interacțiunea dintre quarci este realizată de gluoni. Antinucleonii sunt formați din antiquarci.

1.11. Trei generații de fermioni. Precum și u, d, e, v e alte două grupuri (sau, după cum se spune, generații) de quarci și leptoni au fost descoperite și studiate: c, s, μ, ν μ și t, b, τ , ν τ . Aceste particule nu sunt incluse în compoziția materiei obișnuite, deoarece sunt instabile și se descompun rapid în particule mai ușoare de prima generație. Dar au jucat un rol important în primele momente ale existenței universului.

Pentru o înțelegere și mai completă și mai profundă a naturii, sunt necesare și mai multe particule cu proprietăți și mai neobișnuite. Dar, poate, în viitor, toată această diversitate se va reduce la câteva entități simple și frumoase.

1.12. Hadronele. O familie mare de particule constând din quarci și/sau antiquarci și gluoni se numesc hadroni. Toți hadronii, cu excepția nucleonilor, sunt instabili și, prin urmare, nu intră în compoziția materiei obișnuite.

Adesea, hadronii sunt denumiți și particule elementare, deoarece nu pot fi împărțiți în quarci liberi și gluoni. (Așa am făcut și eu, referindu-ne protonul și neutronul la primele șase particule elementare.) Dacă toți hadronii sunt considerați elementari, atunci numărul de particule elementare va fi măsurat în sute.

1.13. Model standard și patru tipuri de interacțiuni. După cum va fi explicat mai jos, particulele elementare enumerate mai sus fac posibilă, în cadrul așa-numitului „Model standard al particulelor elementare”, descrierea tuturor proceselor cunoscute până în prezent care au loc în natură ca urmare a gravitației, electromagnetice. , interacțiuni slabe și puternice. Dar pentru a înțelege cum funcționează primele două dintre ele, sunt suficiente patru particule: un foton, un graviton, un electron și un proton. Mai mult, faptul că protonul este format din u- și d-quarci si gluoni, se dovedeste a fi nesemnificative. Desigur, fără interacțiuni slabe și puternice, este imposibil să înțelegem nici cum sunt aranjați nucleele atomice, nici cum funcționează Soarele nostru. Dar cum sunt aranjate învelișurile atomice, care determină toate proprietățile chimice ale elementelor, cum funcționează electricitatea și cum sunt aranjate galaxiile, se poate înțelege.

1.14. Dincolo de cunoscut.Știm deja astăzi că particulele și interacțiunile Modelului Standard nu epuizează comorile naturii.

S-a stabilit că atomii și ionii obișnuiți reprezintă doar mai puțin de 20% din întreaga materie din Univers și mai mult de 80% este așa-numita materie întunecată, a cărei natură este încă necunoscută. Cea mai comună opinie este că materia întunecată este formată din superparticule. Este posibil ca acesta să fie format din particule de oglindă.

Și mai frapant este faptul că toată materia, atât vizibilă (luminoasă), cât și întunecată, poartă doar un sfert din întreaga energie a universului. Trei sferturi aparțin așa-numitei energii întunecate.

1.15. Particule elementare"e într-o anumită măsură” sunt fundamentale. Când profesorul meu Isaak Yakovlevich Pomeranchuk a vrut să sublinieze importanța unei întrebări, el a spus că întrebarea e este importantă în grad. Desigur, majoritatea științelor naturale, și nu doar fizica particulelor elementare, sunt fundamentale. Fizica materiei condensate, de exemplu, este supusă unor legi fundamentale care pot fi utilizate fără a fi nevoie să ne dăm seama cum decurg din legile fizicii particulelor. Dar legile relativității și mecanicii cuantice " eîntr-o măsură fundamentală” în sensul că niciuna dintre legile mai puţin generale nu le poate contrazice.

1.16. Legile fundamentale. Toate procesele din natură apar ca rezultat al interacțiunilor locale și al mișcărilor (distribuțiilor) particulelor elementare. Legile de bază care guvernează aceste mișcări și interacțiuni sunt foarte neobișnuite și foarte simple. Ele se bazează pe conceptul de simetrie și pe principiul că tot ceea ce nu contrazice simetria poate și ar trebui să se întâmple. Mai jos, folosind limbajul diagramelor Feynman, vom urmări cum se realizează acest lucru în interacțiunile gravitaționale, electromagnetice, slabe și puternice ale particulelor.

2. Particule și viață

2.1. Despre civilizație și cultură. Membru străin al Academiei Ruse de Științe Valentin Telegdi (1922–2006) a explicat: „Dacă WC (toaleta de apă) este civilizație, atunci capacitatea de a o folosi este cultură”.

Cercetătorul ITEP A. A. Abrikosov Jr. mi-a scris recent: „Unul dintre scopurile raportului dumneavoastră este de a convinge un public înalt de necesitatea de a preda fizica modernă mai pe scară largă. Dacă da, atunci poate că ar merita să dam câteva exemple de zi cu zi. ma refer la urmatoarele:

Trăim într-o lume care este de neconceput chiar și la nivel de zi cu zi fără mecanica cuantică (QM) și teoria relativității (RT). Telefoanele mobile, computerele, toate electronicele moderne, ca să nu mai vorbim de luminile LED, laserele cu semiconductori (inclusiv pointerii), afișajele LCD sunt în esență dispozitive cuantice. Este imposibil de explicat modul în care funcționează fără conceptele de bază ale QM. Și cum le explici fără a menționa tunelul?

Al doilea exemplu, poate îl știu de la tine. Navigatoarele prin satelit sunt instalate în fiecare a 10-a mașină. Precizia sincronizării ceasului în rețeaua de satelit nu este mai mică de 10 -8 (aceasta corespunde unei erori de ordinul unui metru în localizarea unui obiect pe suprafața Pământului). O astfel de precizie necesită luarea în considerare a corecțiilor TO ale ceasului de pe un satelit în mișcare. Se spune că inginerilor nu le venea să creadă, așa că primele aparate aveau un program dublu: cu și fără corecții. După cum sa dovedit, primul program funcționează mai bine. Iată un test al teoriei relativității la nivel de gospodărie.

Desigur, este posibil să vorbești la telefon, să conduci o mașină și să tastezi cheile computerului fără știință înaltă. Dar este puțin probabil ca academicienii să îndemne să nu studieze geografia, pentru că „sunt taxiuri”.

Și apoi vorbesc cu școlari și apoi cu studenții timp de cinci ani despre punctele materiale și despre relativitatea galileană și dintr-o dată, fără un motiv aparent, ei spun că acest lucru „nu este chiar adevărat”.

Este dificil să treci de la lumea vizuală newtoniană la cea cuantică, chiar și la Institutul Fizicotehnic. Al tău, AAA.”

2.2. Despre fizica fundamentală și educație. Din păcate, sistemul modern de educație a rămas în urmă cu un secol întreg în urma fizicii fundamentale moderne. Și majoritatea oamenilor (inclusiv majoritatea oamenilor de știință) habar nu au despre acea imagine (hartă) uimitor de clară și simplă a lumii pe care a creat-o fizica particulelor elementare. Această hartă face mult mai ușor de navigat în toate științele naturale. Scopul raportului meu este de a vă convinge că unele elemente (concepte) ale fizicii particulelor elementare, teoria relativității și teoria cuantică pot și ar trebui să devină baza pentru predarea tuturor disciplinelor de științe naturale, nu numai la nivel superior, dar și secundar și chiar școala elementară. La urma urmei, conceptele fundamental noi sunt cel mai ușor stăpânite tocmai în copilărie. Copilul stăpânește cu ușurință limba, stăpânește cu un telefon mobil. Mulți copii readuc cubul Rubik la starea inițială în câteva secunde și nici măcar o zi nu este suficientă pentru mine.

Pentru a evita surprizele neplăcute în viitor, este necesar să punem o viziune adecvată asupra lumii în grădiniță. constante cși h ar trebui să devină instrumente de cunoaștere pentru copii.

2.3. Despre matematică. Matematica – regina și slujitorul tuturor științelor – trebuie să servească cu siguranță drept instrument principal de cunoaștere. Oferă concepte de bază precum adevăr, frumusețe, simetrie, ordine. concepte de zero și infinit. Matematica te învață să gândești și să numeri. Fizica fundamentală este de neconceput fără matematică. Educația este de neconceput fără matematică. Desigur, poate fi prea devreme să studiezi teoria grupurilor în școală, dar este necesar să te înveți să apreciezi adevărul, frumusețea, simetria și ordinea (și o oarecare dezordine în același timp).

Este foarte important să înțelegem trecerea de la numerele reale (reale) (simple, raționale, iraționale) la cele imaginare și complexe. Probabil, doar acei studenți care doresc să lucreze în domeniul matematicii și al fizicii teoretice ar trebui să studieze numerele hipercomplexe (cuaternioni și octoonii). În munca mea, de exemplu, nu am folosit niciodată octonions. Dar știu că ele fac mai ușor de înțeles cel mai promițător, potrivit multor fizicieni teoreticieni, grupul de simetrie excepțional E 8 .

2.4. Despre viziunea asupra lumii și științele naturii. Ideea legilor de bază care guvernează lumea este necesară în toate științele naturii. Desigur, fizica stării solide, chimia, biologia, științele Pământului și astronomia au propriile concepte, metode și probleme specifice. Dar este foarte important să aveți o hartă generală a lumii și să înțelegeți că există multe puncte goale ale necunoscutului pe această hartă. Este foarte important să înțelegem că știința nu este o dogmă osificată, ci un proces viu de abordare a adevărului în multe puncte ale hărții lumii. Apropierea de adevăr este un proces asimptotic.

2.5. Despre reducționismul adevărat și vulgar. Ideea că structurile mai complexe din natură constau din structuri mai puțin complexe și, în cele din urmă, din cele mai simple elemente, se numește în mod obișnuit reducționism. În acest sens, ceea ce încerc să vă conving este reducționismul. Dar reducționismul vulgar, care susține că toate științele pot fi reduse la fizica particulelor elementare, este absolut inacceptabil. La fiecare nivel din ce în ce mai mare de complexitate, se formează și apar propriile modele. Nu trebuie să cunoști fizica particulelor pentru a fi un bun biolog. Dar să înțelegem locul și rolul lui în sistemul științelor, să înțelegem rolul cheie al constantelor cși h necesar. La urma urmei, știința în ansamblu este un singur organism.

2.6. Despre științe umaniste și sociale. O idee generală a structurii lumii este foarte importantă pentru economie și pentru istorie și pentru științele cognitive, cum ar fi științele limbajului și pentru filozofie. Și invers - aceste științe sunt extrem de importante pentru cea mai fundamentală fizică, care își rafinează constant conceptele fundamentale. Acest lucru se va vedea din luarea în considerare a teoriei relativității, la care mă întorc acum. Voi aminti în special științele juridice, care sunt extrem de importante pentru prosperitatea (ca să nu mai vorbim de supraviețuire) științelor naturii. Sunt convins că legile sociale nu trebuie să contrazică legile fundamentale ale naturii. Legile umane nu ar trebui să contrazică Legile divine ale naturii.

2.7. Micro-, Macro-, Cosmo-. Lumea noastră obișnuită de lucruri mari, dar nu gigantice, este de obicei numită macrocosmos. Lumea obiectelor cerești poate fi numită lumea cosmică, iar lumea particulelor atomice și subatomice se numește microlume. (Deoarece dimensiunile atomilor sunt de ordinul 10-10 m, atunci microlume înseamnă obiecte cu cel puțin 4 sau chiar 10 ordine de mărime mai mici decât un micrometru și cu 1-7 ordine de mărime mai mici decât un nanometru. Moda nano zona este situată de-a lungul drumului de la micro la macro.) În secolul al XX-lea, a fost construit așa-numitul model standard al particulelor elementare, care vă permite să înțelegeți simplu și clar multe legi macro și cosmice bazate pe micro legi.

2.8. Modelele noastre. Modelele din fizica teoretică sunt construite prin eliminarea circumstanțelor neesențiale. De exemplu, în fizica atomică și nucleară, interacțiunile gravitaționale ale particulelor sunt neglijabile și pot fi ignorate. Un astfel de model al lumii se încadrează în teoria relativității speciale. Acest model are atomi, molecule, corpuri condensate,... acceleratoare și ciocnitoare, dar nu Soare și stele.

Un astfel de model ar fi cu siguranță greșit la scari foarte mari unde gravitația este esențială.

Desigur, pentru existența CERN, este necesară existența Pământului (și, în consecință, a gravitației), dar pentru înțelegerea marii majorități a experimentelor efectuate la CERN (cu excepția căutărilor la colisionar pentru „găuri negre”) microscopice. , gravitația nu este esențială.

2.9. Ordine de mărime. Una dintre dificultățile în înțelegerea proprietăților particulelor elementare se datorează faptului că acestea sunt foarte mici și sunt foarte multe. Există un număr mare de atomi într-o lingură de apă (aproximativ 10 23). Numărul de stele din partea vizibilă a Universului nu este cu mult mai mic. Numărul mare nu este de temut. La urma urmei, nu este dificil să te ocupi de ei, deoarece înmulțirea numerelor se reduce în principal la adăugarea ordinelor lor: 1 \u003d 10 0, 10 \u003d 10 1, 100 \u003d 10 2. Înmulțind 10 cu 100, obținem 10 1+2 = 10 3 = 1000.

2.10. O picătură de ulei. Dacă o picătură de ulei cu un volum de 1 mililitru este aruncată pe suprafața apei, atunci se va răspândi într-un loc curcubeu cu o suprafață de aproximativ câțiva metri pătrați și o grosime de aproximativ o sută de nanometri. Aceasta este cu doar trei ordine de mărime mai mare decât dimensiunea unui atom. Iar grosimea peliculei cu bule de săpun în locurile cele mai subțiri este de ordinul mărimii moleculelor.

2.11. Jouli. O baterie tipică AA are o tensiune de 1,5 volți (V) și conține 10 4 jouli (J) de energie electrică. Permiteți-mi să vă reamintesc că 1 J \u003d 1 pandantiv × 1 V și, de asemenea, că 1 J \u003d kg m 2 / s 2 și că accelerația gravitației este de aproximativ 10 m / s 2. Deci 1 joule vă permite să ridicați 1 kilogram la o înălțime de 10 cm, iar 10 4 J va ridica 100 kg până la 10 metri. Aceasta este câtă energie consumă un lift pentru a duce un student la etajul zece. Atâta energie este în baterie.

2.12. Electronvolți. Unitatea de energie în fizica particulelor elementare este electron-voltul (eV): energia de 1 eV este dobândită de 1 electron care a trecut printr-o diferență de potențial de 1 volt. Deoarece există 6,24 × 10 18 electroni într-un pandantiv, atunci 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.

Permiteți-mi să vă reamintesc că energia unui proton din marele colisionator de hadroni CERN ar trebui să fie egală cu 7 TeV.

3. Despre teoria relativității

3.1. Sisteme de referință. Descriem toate experimentele noastre într-unul sau altul sistem de referință. Sistemul de referință poate fi un laborator, un tren, un satelit al Pământului, centrul unei galaxii... . Orice particulă care zboară, de exemplu, într-un accelerator de particule, poate fi, de asemenea, un sistem de referință. Deoarece toate aceste sisteme se mișcă unul față de celălalt, nu toate experimentele vor arăta la fel în ele. În plus, influența gravitațională a celor mai apropiate corpuri masive este, de asemenea, diferită în ele. Luarea în considerare a acestor diferențe constituie conținutul principal al teoriei relativității.

3.2. Nava lui Galileo. Galileo a formulat principiul relativității, descriind plin de culoare tot felul de experimente în cabina unei nave cu vele. Dacă ferestrele sunt draperii, cu ajutorul acestor experimente este imposibil să aflăm cât de repede se mișcă nava și dacă stă pe loc. Einstein a adăugat experimente cu viteza finită a luminii la această cabină. Dacă nu te uiți pe fereastră, nu poți ști viteza navei. Dar dacă te uiți la țărm, poți.

3.3. Stele îndepărtate*. Este rezonabil să se evidențieze un astfel de cadru de referință, în raport cu care oamenii ar putea formula rezultatele experimentelor lor, indiferent de locul în care se află. Pentru un astfel de cadru universal de referință, un sistem în care stelele îndepărtate sunt nemișcate a fost de mult acceptat. Și relativ recent (în urmă cu jumătate de secol) au fost descoperite și mai multe quasari îndepărtați și s-a dovedit că fundalul relicvelor cu microunde ar trebui să fie izotrop în acest sistem.

3.4. În căutarea unui cadru universal de referință*.În esență, întreaga istorie a astronomiei este un avans către un cadru de referință din ce în ce mai universal. De la antropocentric, unde omul este în centru, la geocentric, unde Pământul este în repaus în centru (Ptolemeu, 87–165), până la heliocentric, unde Soarele este în repaus în centru (Copernic, 1473–1543), la halacentric, unde se odihnește centrul Galaxiei noastre, la nebular, unde se odihnește sistemul de nebuloase - clustere de galaxii, la fundal, unde fundalul cosmic cu microunde este izotrop. Este esențial, totuși, ca vitezele acestor cadre de referință să fie mici în comparație cu viteza luminii.

3.5. Copernic, Kepler, Galileo, Newton*.În cartea lui Nicolaus Copernic „Despre rotațiile sferelor cerești”, publicată în 1543, se spune: „Toate mișcările observate de Soare nu îi sunt caracteristice, ci aparțin Pământului și sferei noastre, împreună cu care noi se învârte în jurul Soarelui, ca orice altă planetă; astfel pământul are mai multe mișcări. Mișcările aparente înainte și înapoi ale planetelor nu le aparțin, ci Pământului. Astfel, numai această mișcare este suficientă pentru a explica numărul mare de nereguli vizibile pe cer.

Copernic și Kepler (1571–1630) au oferit o descriere fenomenologică simplă a cinematicii acestor mișcări. Galileo (1564–1642) și Newton (1643–1727) au explicat dinamica lor.

3.6. Spațiu și timp universal*. Coordonatele spațiale și timpul legate de sistemul de referință universal pot fi numite universale sau absolute în deplină armonie cu teoria relativității. Este important doar să subliniem că alegerea acestui sistem este făcută și convenită de către observatorii locali. Orice cadru de referință care se mișcă progresiv în raport cu cadrul universal este inerțial: mișcarea liberă în el este uniformă și rectilinie.

3.7. „Teoria invarianței”*. Rețineți că atât Albert Einstein (1879-1955), cât și Max Planck (1858-1947) (care a introdus termenul „teoria relativității” în 1907, numindu-l teoria prezentată de Einstein în 1905) credeau că termenul „invarianță teorie” ar putea reflecta mai exact esența sa. Dar, aparent, la începutul secolului al XX-lea era mai important să subliniem relativitatea unor concepte precum timpul și simultaneitatea în cadre de referință inerțiale egale decât să evidențiem unul dintre aceste cadre. Mai important era că, cu ferestrele cu perdele ale cabinei lui Galileo, era imposibil să se determine viteza navei. Dar acum este timpul să despărțim perdelele și să ne uităm la țărm. În același timp, desigur, toate modelele stabilite cu draperiile închise vor rămâne de nezdruncinat.

3.8. Scrisoare către Chimmer*. În 1921, Einstein, într-o scrisoare către E. Chimmer, autorul cărții „Scrisori filosofice”, scria: „În ceea ce privește termenul „teoria relativității”, recunosc că nu are succes și duce la neînțelegeri filozofice”. Dar pentru a o schimba, potrivit lui Einstein, este deja prea târziu, în special, pentru că este larg răspândită. Această scrisoare a fost publicată în al 12-lea volum din 25 de volume Collected Works of Einstein publicat în Princeton, publicat în toamna anului 2009.

3.9. Viteza maximă în natură. Constanta cheie a teoriei relativității este viteza luminii c\u003d 300.000 km / s \u003d 3 × 10 8 m / s. (Mai precis, c= 299 792 458 m/s. Și acest număr stă acum la baza definiției unui metru.) Această viteză este viteza maximă de propagare a oricăror semnale din natură. Este cu multe ordine de mărime mai mare decât viteza obiectelor masive cu care ne confruntăm în fiecare zi. Valoarea sa neobișnuit de mare împiedică înțelegerea conținutului principal al teoriei relativității. Particulele care se deplasează cu viteze de ordinul vitezei luminii se numesc relativiste.

3.10. Energie, impuls și viteză. Mișcarea liberă a unei particule este caracterizată de energia particulei Eși impulsul ei p. Conform teoriei relativității, viteza unei particule v este determinat de formula

Unul dintre principalele motive pentru confuzia terminologică discutată în Sect. 3.14 constă în faptul că atunci când au creat teoria relativității, ei au încercat să păstreze relația newtoniană dintre impuls și viteză. p = mv, care contrazice teoria relativității.

3.11. Greutate. Masa particulelor m este determinat de formula

În timp ce energia și impulsul unei particule depind de cadrul de referință, de valoarea masei sale m nu depinde de sistemul de referință. Ea este o invariantă. Formulele (1) și (2) sunt fundamentale în teoria relativității.

În mod ciudat, prima monografie despre teoria relativității, în care a apărut formula (2), a fost publicată abia în 1941. Era „Teoriile câmpului” de L. Landau (1908–1968) și E. Lifshitz (1915–1985) . Nu l-am găsit în niciuna dintre lucrările lui Einstein. Nu se află în remarcabila carte „Theory of Relativity” de W. Pauli (1900–1958), publicată în 1921. Dar ecuația de undă relativistă care conține această formulă a fost în cartea „Principles of Quantum Mechanics” de P. Dirac, publicat în 1930 (1902–1984), și chiar mai devreme în articolele din 1926 de O. Klein (1894–1977) și W. Fock (1898–1974).

3.12. Fotoni fără masă. Dacă masa particulei este zero, adică particula este fără masă, atunci din formulele (1) și (2) rezultă că în orice cadru de referință viteza sa este egală cu c. Deoarece masa unei particule de lumină - un foton - este atât de mică încât nu poate fi detectată, se acceptă în general că este egală cu zero și că c este viteza luminii.

3.13. Energie de pace. Dacă masa particulei este diferită de zero, atunci luați în considerare un cadru de referință în care particula liberă este în repaus și în apropierea acesteia v = 0, p= 0. Un astfel de cadru de referință se numește cadru de repaus al particulei, iar energia particulei din acest cadru se numește energia de repaus și se notează E0. Din formula (2) rezultă că

Această formulă exprimă relația dintre energia de repaus a unei particule masive și masa acesteia, descoperită de Einstein în 1905.

3.14. „Cea mai faimoasă formulă”. Din păcate, de foarte multe ori formula lui Einstein este scrisă sub forma „cea mai cunoscută formulă E=mc2”, omițând indicele zero al energiei de repaus, ceea ce duce la numeroase neînțelegeri și confuzii. La urma urmei, această „formulă faimoasă” identifică energia și masa, ceea ce contrazice teoria relativității în general și formula (2) în special. Din aceasta rezultă o concepție greșită larg răspândită că masa unui corp, conform teoriei relativității, se presupune că crește odată cu creșterea vitezei sale. În ultimii ani, Academia Rusă de Educație a făcut multe pentru a risipi această concepție greșită.

3.15. Unitatea de măsură a vitezei*. În teoria relativității, care se ocupă de viteze comparabile cu viteza luminii, este firesc să alegeți c ca unitate de viteză. Această alegere simplifică toate formulele, deoarece c/c= 1 și ar trebui să le punem c= 1. În acest caz, viteza devine o mărime adimensională, distanța are dimensiunea timpului, iar masa are dimensiunea energiei.

În fizica particulelor elementare, masele particulelor sunt de obicei măsurate în electronvolți - eV și derivatele lor (vezi Secțiunea 2.14). Masa unui electron este de aproximativ 0,5 MeV, masa unui proton este de aproximativ 1 GeV, masa celui mai greu quarc este de aproximativ 170 GeV, iar masa unui neutrin este de aproximativ fracțiuni de eV.

3.16. Distanțe astronomice*. În astronomie, distanțele sunt măsurate în ani lumină. Dimensiunea părții vizibile a universului este de aproximativ 14 miliarde de ani lumină. Acest număr este și mai impresionant în comparație cu timpul de 10 -24 s necesar pentru ca lumina să parcurgă o distanță de ordinul mărimii unui proton. Și în toată această gamă colosală, teoria relativității funcționează.

3.17. Lumea lui Minkowski.În 1908, cu câteva luni înainte de moartea sa prematură, Hermann Minkowski (1864-1909) a spus profetic: „Concepțiile despre spațiu și timp pe care intenționez să le dezvolt înainte de tine au apărut pe o bază fizică experimentală. Aceasta este puterea lor. Tendința lor este radicală. De acum înainte, spațiul în sine și timpul în sine trebuie să se transforme în ficțiuni și doar un fel de combinație a ambelor trebuie să-și păstreze în continuare independența.

Un secol mai târziu, știm că timpul și spațiul nu au devenit ficțiuni, dar ideea lui Minkowski a făcut posibilă descrierea mișcărilor și interacțiunilor particulelor de materie într-un mod foarte simplu.

3.18. Lumea 4D*. În unităţile în care c= 1, ideea lumii Minkowski arată deosebit de frumoasă, care combină timpul și spațiul tridimensional într-o singură lume cu patru dimensiuni. Energia și impulsul sunt apoi combinate într-un singur vector cu patru dimensiuni, iar masa, în conformitate cu ecuația (2), servește ca lungime pseudo-euclidiană a acestui vector cu 4 energii-impuls. p = E, p:

O traiectorie cu patru dimensiuni în lumea lui Minkowski se numește linie de lume, iar punctele individuale sunt numite puncte de lume.

3.19. Dependența frecvenței ceasului de viteza lor**. Numeroase observații indică faptul că ceasurile funcționează cel mai repede atunci când sunt în repaus în raport cu cadrul inerțial. Mișcarea finită în cadrul inerțial de referință le încetinește progresul. Cu cât se deplasează mai repede în spațiu, cu atât merg mai încet în timp. Decelerația este absolută în cadrul universal de referință (vezi secțiunile 3.1–3.8). Măsura sa este raportul e/m, care este adesea notat cu litera γ.

3.20. Muoni într-un accelerator inel și în repaus**. Existența acestei decelerații poate fi văzută cel mai clar comparând durata de viață a unui muon în repaus și a unui muon care se rotește într-un accelerator inel. Faptul că în accelerator muonul nu se mișcă complet liber, ci are accelerație centripetă ω 2 R, Unde ω este frecvența radială a revoluției și R este raza orbitei, dă doar o corecție neglijabilă, deoarece E/ω 2 R = ER>> 1. Mișcarea de-a lungul unui cerc, și nu de-a lungul unei linii drepte, este absolut esențială pentru o comparație directă a unui muon în rotație cu un muon în repaus. Dar în ceea ce privește rata de îmbătrânire a unui muon în mișcare, un arc circular cu o rază suficient de mare nu se poate distinge de o linie dreaptă. Această rată este determinată de raport e/m. (Subliniez că, conform teoriei relativității speciale, cadrul de referință în care muonul rotativ este în repaus nu este inerțial.)

3.21. Arc și coardă**. Din punctul de vedere al unui observator care se odihnește într-un cadru de referință inerțial, arcul de cerc cu o rază suficient de mare și coarda acestuia sunt practic indistincte: mișcarea de-a lungul arcului este aproape inerțială. Din punctul de vedere al unui observator în repaus în raport cu un muon care zboară în cerc, mișcarea acestuia este în esență neinerțială. La urma urmei, viteza sa se schimbă semnul într-o jumătate de tură. (Pentru un observator în mișcare, stelele îndepărtate nu sunt deloc staționare. Întregul Univers este asimetric pentru el: stelele din față sunt albastre și din spate sunt roșii. În timp ce pentru noi sunt toate la fel - aurii, deoarece viteza soarelui sistemul este scăzut.) Iar non-inerțialitatea acestui observator se manifestă prin aceea că constelațiile din față și din spate se schimbă pe măsură ce muonul se mișcă în acceleratorul inel. Nu putem considera că observatorii care se odihnesc și cei care se mișcă sunt echivalenti, deoarece primul nu experimentează nicio accelerație, iar al doilea, pentru a se întoarce la punctul de întâlnire, trebuie să o experimenteze.

3.22. relativitatea generală**. Fizicienii teoreticieni, obișnuiți cu limbajul Teoriei Generale a Relativității (GR), insistă că toate cadrele de referință sunt egale. Nu doar inerțial, ci și accelerat. Acel spațiu-timp însuși este curbat. În acest caz, interacțiunea gravitațională încetează să mai fie aceeași interacțiune fizică cu cea electromagnetică, slabă și puternică, și devine o manifestare excepțională a spațiului curbat. Ca rezultat, întreaga fizică pentru ei pare împărțită în două părți. Dacă pornim de la faptul că accelerația se datorează întotdeauna interacțiunii, că nu este relativă, ci absolută, atunci fizica devine unificată și simplă.

3.23. „Lenkom”. Folosirea cuvintelor „relativitate” și „relativism” în raport cu viteza luminii amintește de numele teatrului „Lenkom” sau al ziarului „Moskovsky Komsomolets”, doar legat genealogic de Komsomol. Acestea sunt paradoxuri ale limbajului. Viteza luminii în vid nu este relativă. Ea este absolută. Doar fizicienii au nevoie de ajutorul lingviștilor.

4. Despre teoria cuantică

4.1. constanta lui Planck. Dacă în teoria relativității constanta cheie este viteza luminii c, atunci constanta cheie în mecanica cuantică este h= 6,63 10 −34 J s, descoperit de Max Planck în 1900. Sensul fizic al acestei constante va deveni clar din prezentarea următoare. În cea mai mare parte, așa-numita constantă Planck redusă apare în formulele mecanicii cuantice:

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

În multe fenomene un rol important îl joacă cantitatea ħc= 1,97 10 −11 MeV cm.

4.2. Spinul unui electron. Să începem cu binecunoscuta comparație naivă a atomului cu sistemul planetar. Planetele se învârt în jurul Soarelui și în jurul propriei axe. În mod similar, electronii se învârt în jurul nucleului și în jurul propriei axe. Rotația unui electron pe orbită este caracterizată de momentul unghiular orbital L(este adesea și nu chiar corect numit moment unghiular orbital). Rotația unui electron în jurul propriei axe este caracterizată de propriul său moment unghiular - spin S. S-a dovedit că toți electronii din lume au un spin egal cu (1/2) ħ . Pentru comparație, observăm că „învârtirea” Pământului este 6 10 33 m 2 kg / s = 6 10 67 ħ .

4.3. Atom de hidrogen. De fapt, un atom nu este un sistem planetar, iar un electron nu este o particulă obișnuită care se mișcă pe o orbită. Un electron, ca toate celelalte particule elementare, nu este deloc o particulă în sensul de zi cu zi al cuvântului, ceea ce implică faptul că particula trebuie să se miște pe o anumită traiectorie. În cel mai simplu atom - atomul de hidrogen, dacă este în starea sa fundamentală, adică nu este excitat, electronul seamănă mai degrabă cu un nor sferic cu o rază de ordinul 0,5 10 −10 m. Pe măsură ce atomul este excitat, electronul trece în stări din ce în ce mai înalte, care devin tot mai mari.

4.4. Numerele cuantice de electroni. Fără a ține cont de spin, mișcarea unui electron într-un atom este caracterizată de două numere cuantice: numărul cuantic principal nși numărul cuantic orbital l, în plus n ≥ l. În cazul în care un l= 0, atunci electronul este un nor simetric sferic. Cu cât n este mai mare, cu atât este mai mare dimensiunea acestui nor. Cu atât mai mult l, cu atât mișcarea unui electron este mai similară cu mișcarea unei particule clasice pe orbită. Energia de legare a unui electron situat într-un atom de hidrogen pe o înveliș cu un număr cuantic n, este egal cu

Unde α =e 2/ħc≈ 1/137, a e este sarcina unui electron.

4.5. Atomi multi-electroni. Spinul joacă un rol cheie în umplerea învelișurilor de electroni ale atomilor multielectroni. Faptul este că doi electroni cu aceeași direcție de rotație proprie (aceeași direcție de spin) nu pot fi pe aceeași înveliș cu valorile date. nși l. Acest lucru este interzis de așa-numitul principiu Pauli (1900–1958). În esență, principiul Pauli determină perioadele din Tabelul periodic al elementelor lui Mendeleev (1834–1907).

4.6. Bozoni și fermioni. Toate particulele elementare au spin. Deci, spin-ul unui foton este 1 în unități ħ , spinul gravitonului este 2. Particule cu spin întreg în unități ħ se numesc bosoni. Particulele cu spin semiîntreg se numesc fermioni. Bosonii sunt colectivişti: „au tendinţa să trăiască toţi în aceeaşi cameră”, să fie în aceeaşi stare cuantică. Un laser se bazează pe această proprietate a fotonilor: toți fotonii dintr-un fascicul laser au exact același impuls. Fermionii sunt individualiști: „fiecare dintre ei are nevoie de un apartament separat”. Această proprietate a electronilor determină modelele de umplere a învelișurilor de electroni ale atomilor.

4.7. „Centauri cuantici”. Particulele elementare sunt ca centaurii cuantici: semiparticule - jumătate unde. Datorită proprietăților lor unde, centaurii cuantici, spre deosebire de particulele clasice, pot trece prin două fante simultan, rezultând un model de interferență pe ecranul din spatele lor. Toate încercările de a pune centaurii cuantici în patul procrustean al conceptelor fizicii clasice s-au dovedit a fi infructuoase.

4.8. Relații de incertitudine. Constant ħ determină caracteristicile mișcării nu numai de rotație, ci și de translație a particulelor elementare. Incertitudinile de poziție și impuls ale particulei trebuie să satisfacă așa-numitele relații de incertitudine Heisenberg (1901–1976), cum ar fi

O relație similară există pentru energie și timp:

4.9. Mecanica cuantică. Atât cuantizarea spinului, cât și relațiile de incertitudine sunt manifestări particulare ale legilor generale ale mecanicii cuantice, create în anii 1920. Conform mecanicii cuantice, orice particulă elementară, de exemplu, un electron, este atât o particulă elementară, cât și o undă elementară (cu o singură particulă). În plus, spre deosebire de unda obișnuită, care este o mișcare periodică a unui număr colosal de particule, o undă elementară este un tip nou, necunoscut anterior, de mișcare a unei particule individuale. Lungimea de undă elementară λ a unei particule cu impuls p este egal cu λ = h/|p| și frecvența elementară ν corespunzătoare energiei E, este egal cu ν = E/h.

4.10. Teoria câmpului cuantic. Deci, la început am fost forțați să admitem că particulele pot fi în mod arbitrar ușoare și chiar fără masă și că vitezele lor nu pot depăși c. Apoi am fost forțați să admitem că particulele nu sunt deloc particule, ci hibrizi particulari de particule și unde, al căror comportament este combinat de o cuantică. h. Unificarea teoriei relativității și a mecanicii cuantice a fost realizată de Dirac (1902-1984) în 1930 și a condus la crearea unei teorii care a fost numită teoria cuantică a câmpului. Această teorie este cea care descrie proprietățile de bază ale materiei.

4.11. Unităţi în care c, ħ = 1. În cele ce urmează, de regulă, vom folosi astfel de unități în care se consideră unitatea de viteză c, și pe unitatea de moment unghiular (acțiune) - ħ . În aceste unități, toate formulele sunt foarte simplificate. În ei, în special, dimensiunile energiei, masei și frecvenței sunt aceleași. Aceste unități sunt acceptate în fizica energiilor înalte, deoarece fenomenele cuantice și relativiste sunt esențiale în ea. În acele cazuri când este necesar să subliniem natura cuantică a unui anumit fenomen, vom scrie în mod explicit ħ . Vom face la fel cu c.

4.12. Einstein și mecanica cuantică*. Einstein, într-un anumit sens, după ce a dat naștere mecanicii cuantice, nu s-a împăcat cu ea. Și până la sfârșitul vieții a încercat să construiască o „teorie unificată a tuturor” pe baza teoriei clasice a câmpului, ignorând ħ . Einstein credea în determinismul clasic și în inadmisibilitatea aleatoriei. El a repetat despre Dumnezeu: „Nu joacă zaruri”. Și nu a putut să se împace cu faptul că momentul de dezintegrare a unei particule individuale nu poate fi prezis în principiu, deși durata medie de viață a unuia sau altuia tip de particule este prezisă în cadrul mecanicii cuantice cu o precizie fără precedent. Din păcate, dependențele lui au determinat părerile atâtor oameni.

5. Diagrame Feynman

5.1. Cea mai simplă diagramă. Interacțiunile particulelor sunt vizualizate convenabil folosind diagrame propuse de Richard Feynman (1918–1988) în 1949. 1 prezintă cea mai simplă diagramă Feynman care descrie interacțiunea unui electron și a unui proton prin schimbul unui foton.

Săgețile din figură indică direcția fluxului de timp pentru fiecare particulă.

5.2. particule reale. Fiecare proces corespunde uneia sau mai multor diagrame Feynman. Liniile exterioare din diagramă corespund particulelor de intrare (înainte de interacțiune) și de ieșire (după interacțiune) care sunt libere. Momentul lor de 4 p satisface ecuația

Se numesc particule reale și se spune că se află pe suprafața masei.

5.3. particule virtuale. Liniile interioare ale diagramelor corespund particulelor în stare virtuală. Pentru ei

Ele se numesc particule virtuale și se spune că sunt off-shell. Propagarea unei particule virtuale este descrisă de o mărime matematică numită propagator.

Această terminologie comună îl poate conduce pe novice la ideea că particulele virtuale sunt mai puțin materiale decât particulele reale. În realitate, ele sunt la fel de materiale, dar noi percepem particulele reale ca materie și radiații, iar pe cele virtuale - în principal ca câmpuri de forță, deși această distincție este în mare măsură arbitrară. Este important ca aceeași particulă, de exemplu, un foton sau un electron, să poată fi reală în anumite condiții și virtuală în altele.

5.4. Noduri. Vârfurile diagramei descriu actele locale ale interacțiunilor elementare dintre particule. La fiecare vârf, 4-momentul este conservat. Este ușor de observat că, dacă trei linii de particule stabile se întâlnesc la un vârf, atunci cel puțin una dintre ele trebuie să fie virtuală, adică trebuie să fie în afara învelișului de masă: „Bolivar nu poate demola trei”. (De exemplu, un electron liber nu poate emite un foton liber și rămâne totuși un electron liber.)

Două particule reale interacționează la distanță, schimbând una sau mai multe particule virtuale.

5.5. Răspândirea. Dacă se spune că particulele reale se mișcă, atunci se spune că particulele virtuale se propagă. Termenul de „propagare” subliniază faptul că o particulă virtuală poate avea multe traiectorii și este posibil ca niciuna dintre ele să nu fie clasică, ca un foton virtual cu energie zero și impuls diferit de zero, care descrie interacțiunea statică Coulomb.

5.6. Antiparticule. O proprietate remarcabilă a diagramelor Feynman este că ele descriu atât particulele, cât și antiparticulele corespunzătoare într-un mod unificat. În acest caz, antiparticula arată ca o particulă care se mișcă înapoi în timp. Pe fig. Figura 2 prezintă o diagramă care arată producția unui proton și a unui antiproton în timpul anihilării unui electron și a unui pozitron.

Inversarea timpului se aplică în mod egal fermionilor și bosonilor. Face inutilă interpretarea pozitronilor ca stări goale într-o mare de electroni cu energie negativă, la care a recurs Dirac când a introdus conceptul de antiparticulă în 1930.

5.7. Diagramele Schwinger și Feynman. Schwinger (1918–1994), care nu a avut nicio problemă cu dificultățile de calcul, nu i-au plăcut diagramele Feynman și a scris oarecum condescendent despre ele: „Ca un cip de computer în anii mai recenti, diagrama Feynman a adus calculul în masă”. Din păcate, spre deosebire de cip, diagramele Feynman nu au atins cele mai largi mase.

5.8. Diagramele Feynman și Feynman. Din motive necunoscute, diagramele Feynman nici măcar nu au ajuns la celebrele Prelegeri Feynman despre fizică. Sunt convins că trebuie aduse elevilor de liceu, explicându-le ideile de bază ale fizicii elementare a particulelor. Aceasta este cea mai simplă viziune asupra microcosmosului și a lumii în ansamblu. Dacă un elev cunoaște conceptul de energie potențială (de exemplu, legea lui Newton sau legea lui Coulomb), atunci diagramele Feynman îi permit să obțină o expresie pentru această energie potențială.

5.9. Particule virtuale și câmpuri de forță fizică. Diagramele Feynman sunt cel mai simplu limbaj al teoriei câmpurilor cuantice. (Cel puțin în cazurile în care interacțiunea nu este foarte puternică și se poate folosi teoria perturbației.) În majoritatea cărților despre teoria cuantică a câmpurilor, particulele sunt tratate ca excitații cuantice ale câmpurilor, ceea ce necesită familiarizarea cu formalismul celei de-a doua cuantizări. În limbajul diagramelor Feynman, câmpurile sunt înlocuite cu particule virtuale.

Particulele elementare au atât proprietăți corpusculare, cât și proprietăți ondulatorii. Mai mult, în stare reală sunt particule de materie, iar în stare virtuală sunt și purtători de forțe între obiectele materiale. După introducerea particulelor virtuale, conceptul de forță devine inutil, iar cu conceptul de câmp, dacă nu era cunoscut înainte, poate, ar trebui să se familiarizeze după ce conceptul de particule virtuale a fost stăpânit.

5.10. Interacțiuni elementare*. Actele elementare de emisie și absorbție a particulelor virtuale (vârfurile) sunt caracterizate de astfel de constante de interacțiune precum sarcina electrică e în cazul unui foton, sarcini slabe e/sin θ Wîn cazul bosonului W şi e/sin θ W cos θ Wîn cazul bosonului Z (unde θW- Unghiul Weinberg), încărcare de culoare gîn cazul gluonilor, și cantitatea √Gîn cazul unui graviton, unde G este constanta lui Newton. (Vezi cap. 6–10.) Interacțiunea electromagnetică este discutată mai jos în cap. 7. Interacțiune slabă - în cap. 8. Puternic - în cap. nouă.

Și vom începe cu următorul capitol. 6 cu interacțiune gravitațională.

6. Interacțiune gravitațională

6.1. Gravitoni. Voi începe cu particule care nu au fost descoperite încă și probabil că nu vor fi descoperite în viitorul apropiat. Acestea sunt particule din câmpul gravitațional - gravitoni. Nu numai gravitonii, ci și undele gravitaționale nu au fost încă descoperite (și asta în timp ce undele electromagnetice pătrund literalmente în viața noastră). Acest lucru se datorează faptului că la energii joase interacțiunea gravitațională este foarte slabă. După cum vom vedea, teoria gravitonilor face posibilă înțelegerea tuturor proprietăților cunoscute ale interacțiunii gravitaționale.

6.2. Schimb de gravitoni.În limbajul diagramelor Feynman, interacțiunea gravitațională a două corpuri se realizează prin schimbul de gravitoni virtuali între particulele elementare care alcătuiesc aceste corpuri. Pe fig. 3 graviton este emis de o particulă cu 4-moment p 1 și este absorbit de o altă particulă cu 4-moment p 2 . Datorită conservării 4-momentului, q=p 1 − p′ 1 =p′ 2 −p 2 , unde q este 4-momentul gravitonului.

Distribuția unui graviton virtual (acesta, ca orice particulă virtuală, corespunde unui propagator) este prezentată în figură printr-un arc.

6.3. Atom de hidrogen în câmpul gravitațional al Pământului. Pe fig. Figura 4 prezintă suma diagramelor în care un atom de hidrogen cu un p 1 de 4 momente schimbă gravitoni cu toți atomii Pământului cu un p 2 total de 4 momente. Și în acest caz q = p 1 − p′ 1 = p′ 2 − p 2 , unde q este impulsul total de 4 gravitoni virtuali.

6.4. Pe masa unui atom. Pe viitor, când luăm în considerare interacțiunea gravitațională, vom neglija masa unui electron în comparație cu masa unui proton, precum și diferența dintre masele unui proton și a unui neutron și energia de legare a nucleonilor din nucleele atomice. Deci masa unui atom este aproximativ suma maselor nucleonilor din nucleul atomic.

6.5. Câştig*. Numărul de nucleoni ai Pământului N E ≈ 3,6 10 51 este egal cu produsul dintre numărul de nucleoni dintr-un gram de materie terestră, adică numărul Avogadro N A ≈ 6 10 23 , cu masa Pământului în grame ≈ 6 10 27 . Prin urmare, diagrama din fig. 4 este suma celor 3,6·10 51 diagrame din fig. 3, care este marcat de îngroșarea liniilor Pământului și gravitonii virtuali din Fig. 4. În plus, în fig. 4 gri. Se pare că conține 3,6·10 51 gravitoni.

6.6. Mărul lui Newton în câmpul gravitațional al Pământului. Pe fig. 5, toți atomii mărului, care au un total de 4 momente p 1 , interacționează cu toți atomii Pământului, care au un total de 4 impulsi p 2 .

6.7. Numărul de diagrame*. Permiteți-mi să vă reamintesc că un gram de materie obișnuită conține N A = 6·10 23 nucleoni. Numărul de nucleoni dintr-un măr de 100 de grame este N a = 100N A = 6 10 25 . Masa Pământului este de 6 10 27 g și, în consecință, numărul de nucleoni ai Pământului N E = 3,6 10 51 . Desigur, îngroșarea liniilor din Fig. 5 nu corespunde în niciun fel numărului imens de nucleoni de măr Na, nucleonii Pământului N E și numărului mult mai mare, pur și simplu fantastic, de diagrame Feynman N d = N a N E = 2,2·10 77 . La urma urmei, fiecare nucleon al mărului interacționează cu fiecare nucleon al Pământului. Pentru a sublinia numărul colosal de diagrame, arcul din fig. 5 este întunecat.

Deși interacțiunea unui graviton cu o singură particulă elementară este foarte mică, suma diagramelor pentru toți nucleonii Pământului creează o atracție semnificativă pe care o simțim. Gravitația universală trage Luna spre Pământ, ambele spre Soare, toate stelele din galaxia noastră și toate galaxiile una spre alta.

6.8. Amplitudinea Feynman și transformata sa Fourier***.

Diagrama Feynman a interacțiunii gravitaționale a două corpuri lente cu mase m 1 și m 2 corespunde amplitudinii Feynman

Unde G- constanta lui Newton, a q- 3-impuls transportat de gravitoni virtuali. (Valoare 1/q2, Unde q- 4-impuls, numit propagator graviton. În cazul corpurilor lente, practic, energia nu este transferată și, prin urmare q2 = −q 2 .)

Pentru a trece din spațiul de impuls în spațiul de configurație (coordonate), trebuie să luăm transformata Fourier a amplitudinii A( q)

Valoarea A( r) dă energia potențială a interacțiunii gravitaționale a particulelor non-relativiste și determină mișcarea unei particule relativiste într-un câmp gravitațional static.

6.9. Potențialul lui Newton*. Energia potenţială a două corpuri cu mase m 1 şi m 2 este

Unde G- constanta lui Newton, a r- distanta dintre corpuri.

Această energie este conținută în „izvorul” gravitonilor virtuali din Fig. 5. Interacțiune al cărei potențial scade ca 1/ r, se numește distanță lungă. Folosind transformata Fourier, se poate vedea că gravitația este cu rază lungă, deoarece gravitonul este fără masă.

6.10. Potențial de tip potențial Yukawa**. Într-adevăr, dacă gravitonul ar avea o masă diferită de zero m, atunci amplitudinea Feynman pentru schimbul lor ar avea forma

și ar corespunde unui potențial precum potențialul Yukawa cu o rază de acțiune r ≈ 1/m:

6.11. Despre energia potențială**. În mecanica nerelativista a lui Newton, energia cinetică a unei particule depinde de viteza (impulsul) acesteia, în timp ce energia potențială depinde doar de coordonatele sale, adică de poziția sa în spațiu. În mecanica relativistă, o astfel de cerință nu poate fi menținută, deoarece însăși interacțiunea particulelor depinde adesea de vitezele lor (momentums) și, în consecință, de energia cinetică. Cu toate acestea, pentru câmpurile gravitaționale obișnuite, destul de slabe, modificarea energiei cinetice a particulei este mică în comparație cu energia sa totală și, prin urmare, această schimbare poate fi neglijată. Energia totală a unei particule nonrelativiste într-un câmp gravitațional slab poate fi scrisă ca ε = E rudă + E 0 + U.

6.12. Universalitatea gravitației. Spre deosebire de toate celelalte interacțiuni, gravitația are o proprietate remarcabilă a universalității. Interacțiunea unui graviton cu orice particulă nu depinde de proprietățile acestei particule, ci depinde doar de cantitatea de energie pe care o posedă particula. Dacă această particulă este lentă, atunci energia ei de repaus E 0 = mc 2, conținut în masa sa, își depășește cu mult energia cinetică. Și, prin urmare, interacțiunea gravitațională este proporțională cu masa sa. Dar pentru o particulă suficient de rapidă, energia sa cinetică este mult mai mare decât masa sa. În acest caz, interacțiunea gravitațională nu depinde practic de masă și este proporțională cu energia sa cinetică.

6.13. Spinul gravitonului și universalitatea gravitației**. Mai precis, emisia unui graviton este proporțională nu cu energia simplă, ci cu tensorul energie-impuls al particulei. Și asta, la rândul său, se datorează faptului că spin-ul gravitonului este egal cu doi. Fie 4-momentul particulei înainte de emisia gravitonului p 1 și după emisie p 2. Atunci impulsul gravitonului este q = p 1 − p 2. Dacă introducem notația p = p 1 + p 2, atunci vârful emisiei gravitonului va arăta ca

unde h αβ este funcția de undă gravitonă.

6.14. Interacțiunea unui graviton cu un foton**. Acest lucru se vede în mod clar în exemplul unui foton, a cărui masă este egală cu zero. S-a dovedit experimental că atunci când un foton zboară de la etajul inferior al unei clădiri până la etajul superior, impulsul său scade sub influența gravitației Pământului. De asemenea, s-a dovedit că un fascicul de lumină de la o stea îndepărtată este deviat de atracția gravitațională a Soarelui.

6.15. Interacțiunea unui foton cu Pământul**. Pe fig. 6 prezintă schimbul de gravitoni între Pământ și un foton. Această cifră reprezintă în mod condiționat suma cifrelor schimburilor de gravitoni ale unui foton cu toți nucleonii Pământului. Pe acesta, vârful pământului se obține din cel nucleon prin înmulțirea cu numărul de nucleoni din Pământul N E cu înlocuirea corespunzătoare a 4-momentului nucleonului cu 4-momentul Pământului (vezi Fig. 3).

6.16. Interacțiunea unui graviton cu un graviton***. Deoarece gravitonii transportă energie, ei înșiși trebuie să emită și să absoarbă gravitonii. Nu am văzut gravitoni reali individuali și nu le vom vedea niciodată. Cu toate acestea, interacțiunea dintre gravitonii virtuali duce la efectele observate.La prima vedere, contribuția a trei gravitoni virtuali la interacțiunea gravitațională a doi nucleoni este prea mică pentru a fi detectată (vezi Fig. 7).

6.17. Precesia seculară a lui Mercur**. Totuși, această contribuție se manifestă prin precesia periheliului orbitei lui Mercur. Precesia seculară a lui Mercur este descrisă de suma diagramelor gravitonului cu o singură buclă a atracției lui Mercur către Soare (Fig. 8).

6.18. Câștig pentru Mercur**. Raportul dintre masele lui Mercur și ale Pământului este 0,055. Deci numărul de nucleoni din Mercur NM = 0,055 N E= 2 10 50 . masa soarelui DOMNIȘOARĂ= 2 10 33 g. Deci numărul de nucleoni din Soare N S = N A M S= 1,2 10 57 . Și numărul de diagrame care descriu interacțiunea gravitațională a nucleonilor lui Mercur și Soare, NdM= 2,4 10 107 .

Dacă energia potenţială de atracţie a lui Mercur către Soare este U = GM S M M/r, apoi după luarea în considerare a corecției discutate pentru interacțiunea gravitonilor virtuali între ei, se înmulțește cu coeficientul 1 − 3 GM S/r. Vedem că corecția energiei potențiale este -3 G 2 M S 2 M M /r 2.

6.19. Orbita lui Mercur**. Raza orbitei lui Mercur A= 58 10 6 km. Perioada orbitală este de 88 de zile pământești. Excentricitatea orbitală e= 0,21. Datorită corecției în discuție, într-o singură rotație, semiaxa majoră a orbitei se rotește printr-un unghi de 6π GM S/A(1 − e 2), adică aproximativ o zecime de secundă de arc și se rotește cu 43 "" în 100 de ani pământeni.

6.20. Deplasare gravitațională Lamb**. Oricine a studiat electrodinamica cuantică va vedea imediat că diagrama din fig. 7 este similară cu o diagramă triunghiulară care descrie deplasarea de frecvență (energie) a nivelului 2 S 1/2 față de nivelul 2 P 1/2 în atomul de hidrogen (unde triunghiul este format dintr-un foton și două linii de electroni). Această schimbare a fost măsurată în 1947 de Lamb și Riserford și s-a dovedit a fi de 1060 MHz (1,06 GHz).

Această măsurătoare a declanșat o reacție în lanț a lucrărilor teoretice și experimentale care a condus la crearea electrodinamicii cuantice și a diagramelor Feynman. Frecvența de precesiune a lui Mercur este cu 25 de ordine de mărime mai mică.

6.21. Efect clasic sau cuantic?**. Este bine cunoscut faptul că deplasarea Lamb a nivelului de energie este un efect pur cuantic, în timp ce precesia lui Mercur este un efect pur clasic. Cum pot fi descrise prin diagrame Feynman similare?

Pentru a răspunde la această întrebare, trebuie să ne amintim relația E = ħω și luați în considerare că transformarea Fourier în timpul tranziției de la impuls la spațiul de configurare în Sec. 6.8 conține e iqr / ħ . În plus, trebuie luat în considerare faptul că în triunghiul electromagnetic Lamb shift există o singură linie a unei particule fără masă (foton), iar celelalte două sunt propagatoare de electroni. Prin urmare, distanțele caracteristice din el sunt determinate de masa electronului (lungimea de undă Compton a electronului). Și în triunghiul de precesiune al lui Mercur există doi propagatori ai unei particule fără masă (graviton). Această împrejurare, din cauza vârfului de trei gravitoni, duce la faptul că triunghiul gravitațional contribuie la distanțe incomparabil mai mari decât cel electromagnetic. Această comparație arată puterea teoriei cuantice a câmpului în metoda diagramelor Feynman, care facilitează înțelegerea și calcularea unei game largi de fenomene, atât cuantice, cât și clasice.

7. Interacțiune electromagnetică

7.1. interacțiune electrică. Interacțiunea electrică a particulelor se realizează prin schimbul de fotoni virtuali, ca în Fig. nouăsprezece.

Fotonii, ca și gravitonii, sunt, de asemenea, particule fără masă. Deci interacțiunea electrică este, de asemenea, cu rază lungă:

De ce nu este la fel de universal ca gravitația?

7.2. sarcini pozitive și negative.În primul rând, pentru că există sarcini electrice de două semne. Și în al doilea rând, pentru că există particule neutre care nu au deloc sarcină electrică (neutroni, neutrini, fotoni...). Particulele cu sarcini de semne opuse, cum ar fi un electron și un proton, sunt atrase unele de altele. Particulele cu aceeași sarcină se resping reciproc. Ca rezultat, atomii și corpurile compuse din ei sunt practic neutre din punct de vedere electric.

7.3. particule neutre. Neutronul conține u-quarc cu sarcina +2 e/3 și doi d-quarc cu sarcină − e/3. Deci sarcina totală a neutronului este zero. (Reamintim că un proton conține doi u-quarc și unul d-quarc.) Particulele cu adevărat elementare care nu au sarcină electrică sunt un foton, un graviton, un neutrin, Z-bosonul și bosonul Higgs.

7.4. Potențial coulombian. Energia potențială de atracție a unui electron și a unui proton situat la distanță r unul de altul, este

7.5. Interacțiune magnetică. Interacțiunea magnetică nu este la fel de lungă ca cea electrică. cade ca 1/ r 3 . Depinde nu numai de distanța dintre cei doi magneți, ci și de orientarea lor reciprocă. Un exemplu binecunoscut este interacțiunea unui ac de busolă cu câmpul dipolului magnetic al Pământului. Energia potențială de interacțiune a doi dipoli magnetici μ 1 și μ 2 egal

Unde n = r/r.

7.6. Interacțiune electromagnetică. Cea mai mare realizare a secolului al XIX-lea a fost descoperirea că forțele electrice și magnetice sunt două manifestări diferite ale aceleiași forțe electromagnetice. În 1821, M. Faraday (1791–1867) a studiat interacțiunea unui magnet și a unui conductor cu curentul. Un deceniu mai târziu, el a stabilit legile inducției electromagnetice în interacțiunea a doi conductori. În anii următori, el a introdus conceptul de câmp electromagnetic și a exprimat ideea naturii electromagnetice a luminii. În anii 1870, J. Maxwell (1831-1879) și-a dat seama că interacțiunea electromagnetică este responsabilă pentru o clasă largă de fenomene optice: emisia, transformarea și absorbția luminii și a scris ecuații care descriu câmpul electromagnetic. Curând G. Hertz (1857–1894) a descoperit undele radio, iar V. Roentgen (1845–1923) a descoperit razele X. Întreaga noastră civilizație se bazează pe manifestări ale interacțiunilor electromagnetice.

7.7. Unificarea teoriei relativității și a mecanicii cuantice. Cea mai importantă etapă în dezvoltarea fizicii a fost anul 1928, când a apărut un articol de P. Dirac (1902–1984), în care acesta propunea o ecuație cuantică și relativistă pentru electron. Această ecuație conținea momentul magnetic al electronului și indica existența unei antiparticule a electronului - pozitronul, descoperită câțiva ani mai târziu. După aceea, mecanica cuantică și teoria relativității au fuzionat în teoria cuantică a câmpurilor.

Faptul că interacțiunile electromagnetice sunt cauzate de emisia și absorbția fotonilor virtuali a devenit complet clar abia la mijlocul secolului al XX-lea odată cu apariția diagramelor Feynman, adică după ce conceptul de particule virtuale s-a format în mod clar.

8. Interacțiune slabă

8.1. Interacțiuni nucleare. La începutul secolului al XX-lea, atomul și nucleul său au fost descoperite și α -, β - și γ razele emise de nucleele radioactive. După cum sa dovedit, γ Razele sunt fotoni de foarte mare energie. β razele sunt electroni de înaltă energie α razele sunt nuclee de heliu. Acest lucru a condus la descoperirea a două noi tipuri de interacțiuni - puternice și slabe. Spre deosebire de interacțiunile gravitaționale și electromagnetice, interacțiunile puternice și slabe sunt pe rază scurtă.

Mai târziu s-a descoperit că ele sunt responsabile pentru conversia hidrogenului în heliu în Soarele nostru și în alte stele.

8.2. Curenți încărcați*. Forța slabă este responsabilă pentru transformarea unui neutron într-un proton cu emisia unui electron și a unui electron antineutrin. O clasă mare de procese de interacțiune slabă se bazează pe transformarea quarcilor de un tip în quarci de alt tip cu emisia (sau absorbția) de quarci virtuale. W-bosonii: u, c, t ↔ d, s, b. La fel și pentru emisie și absorbție W-bosonii, există tranziții între leptonii încărcați și neutrinii corespunzători:

e ↔ ν e, μ ↔ ν μ , τ ↔ ν τ . Tranziții de tip dˉu ↔ Wși eˉν e ↔ W. În toate aceste tranziţii implicând W-bosonii implică așa-numiții curenți încărcați, care modifică încărcăturile leptonilor și quarcilor cu unul. Interacțiunea slabă a curenților încărcați este cu rază scurtă, este descrisă de potențialul Yukawa e -mWr /r, astfel încât raza sa efectivă să fie r ≈ 1/mW.

8.3. Curenți neutri*. În anii 1970 au fost descoperite procese de interacțiune slabă între neutrini, electroni și nucleoni, datorită așa-numiților curenți neutri. În anii 1980, s-a stabilit experimental că interacțiunile curenților încărcați au loc prin schimb W-bosonii, şi interacţiunea curenţilor neutri – prin schimb Z-bosonii.

8.4. Încălcare P- și CP-paritate*. În a doua jumătate a anilor 1950, a fost descoperită încălcarea parității Pși paritatea taxelor Cîn interacțiuni slabe. În 1964, au fost descoperite degradari slabe care încalcă conservarea CP-simetrii. În prezent, mecanismul de încălcare CP-simetriile se studiază în dezintegrarea mezonilor care conţin b-cuarcuri.

8.5. Oscilații neutrino*. În ultimele două decenii, atenția fizicienilor a fost concentrată asupra măsurătorilor efectuate la detectoarele de kilotone subterane din Kamioka (Japonia) și Sudbury (Canada). Aceste măsurători au arătat că între cele trei tipuri de neutrini ν e , ν μ , ν τ tranzițiile (oscilațiile) reciproce au loc în vid. Natura acestor oscilații este în curs de clarificare.

8.6. interacțiune electroslabă.În anii 1960, a fost formulată o teorie conform căreia interacțiunile electromagnetice și slabe sunt manifestări diferite ale unei singure interacțiuni electroslabe. Dacă ar exista o simetrie strictă electroslabă, atunci masele W- și Z-bosonii ar fi egali cu zero ca masa unui foton.

8.7. Încălcarea simetriei electroslabe.În cadrul modelului standard, bosonul Higgs rupe simetria electroslabă și astfel explică de ce fotonul este fără masă și bosonii slabi sunt masivi. De asemenea, dă mase leptonilor, quarcilor și însuși.

8.8. Ce trebuie să știi despre Higgs. Una dintre principalele sarcini ale Large Hadron Collider LHC este descoperirea bosonului Higgs (care se numește pur și simplu Higgs și este desemnat h sau H) și stabilirea ulterioară a proprietăților acesteia. În primul rând, măsurarea interacțiunilor sale cu W- și Z-bosonii, cu fotoni, precum și auto-interacțiunile acestuia, adică studiul vârfurilor care conțin trei și patru Higg-uri: h 3 și h 4 , și interacțiunile sale cu leptoni și cuarci, în special cu quarcul top. În cadrul modelului standard, există predicții clare pentru toate aceste interacțiuni. Verificarea lor experimentală prezintă un mare interes din punctul de vedere al căutării „nouei fizicii” dincolo de Modelul Standard.

8.9. Dacă nu există Higgs? Dacă se dovedește că Higgs nu există în intervalul de masă de ordinul a câteva sute de GeV, atunci aceasta va însemna că la energiile peste TeV există o nouă regiune, absolut neexplorată, în care interacțiunile W- și Z-bosonii devin puternici neperturbativ, adică nu pot fi descriși de teoria perturbațiilor. Cercetările în acest domeniu vor aduce multe surprize.

8.10. Ciocnitorii Lepton ai viitorului. Pentru a desfășura întreg acest program de cercetare, pe lângă LHC, poate fi necesară construirea de colisionare de leptoni:

ILC (International Linear Collider) cu o energie de coliziune de 0,5 TeV,

sau CLIC (Compact Linear Collider) cu o energie de coliziune de 1 TeV,

sau MC (Muon Collider) cu o energie de coliziune de 3 TeV.

8.11. Ciocnitori liniari electron-pozitroni. ILC - International Linear Collider, în care electronii se ciocnesc cu pozitronii, precum și fotonii cu fotonii. Decizia de a-l construi poate fi luată numai după ce devine clar dacă Higgs există și care este masa lui. Unul dintre șantierele ILC propuse se află în vecinătatea orașului Dubna. CLIC - Compact Linear Electron and Positron Collider. Proiectul este dezvoltat la CERN.

8.12. Ciocnitorul de muoni. MS - Ciocnitorul de muoni a fost conceput pentru prima dată de G. I. Budker (1918–1977). În 1999, a avut loc la San Francisco cea de-a cincea conferință internațională „Potențialul fizic și dezvoltarea ciocnitorilor de muoni și a fabricilor de neutrini”. În prezent, proiectul MS este în curs de dezvoltare la Laboratorul Național Fermi și poate fi implementat în 20 de ani.

9. Interacțiune puternică

9.1. Gluoni și quarcuri. Forța puternică menține nucleonii (protoni și neutroni) în interiorul nucleului. Se bazează pe interacțiunea gluonilor cu quarcii și pe interacțiunea gluonilor cu gluonii. Autoacțiunea gluonilor este cea care duce la faptul că, în ciuda faptului că masa gluonului este zero, la fel cum masele fotonului și gravitonului sunt egale cu zero, schimbul de gluoni nu duce la gluon. interacțiune pe distanță lungă, similară cu cele fotoni și graviton. Mai mult, duce la absența gluonilor și quarcilor liberi. Acest lucru se datorează faptului că suma schimburilor de un gluon este înlocuită cu un tub sau fir de gluon. Interacțiunea nucleonilor din nucleu este similară cu forțele van der Waals dintre atomii neutri.

9.2. Închidere și libertate asimptotică. Fenomenul de izolare a gluonilor și quarcilor din hadroni se numește izolare. Partea inversă a dinamicii care duce la izolare este că, la distanțe foarte mici, adânc în interiorul hadronilor, interacțiunea dintre gluoni și quarci scade treptat. Quarcii par să devină liberi la distanțe mici. Acest fenomen se numește termenul de libertate asimptotică.

9.3. Culorile quark. Fenomenul de izolare este o consecință a faptului că fiecare dintre cei șase quarci există, parcă, sub forma a trei varietăți „culoare”. Quarcii sunt de obicei „colorați” în galben, albastru și roșu. Antiquarcurile sunt vopsite în culori suplimentare: violet, portocaliu, verde. Toate aceste culori denotă sarcinile particulare ale quarcilor - „analogi multidimensionali” ai sarcinii electrice responsabile pentru interacțiunile puternice. Desigur, nu există nicio legătură, decât metaforică, între culorile quarcilor și culorile optice obișnuite.

9.4. Culori gluon. Familia de gluoni colorați este și mai numeroasă: sunt opt ​​dintre ei, dintre care două sunt identice cu antiparticulele lor, iar restul de șase nu sunt. Interacțiunile sarcinilor de culoare sunt descrise de cromodinamica cuantică și determină proprietățile protonului, neutronului, tuturor nucleelor ​​atomice și proprietățile tuturor hadronilor. Faptul că gluonii poartă sarcini de culoare duce la fenomenul de izolare gluon-quark, ceea ce înseamnă că gluonii și quarcii colorați nu pot scăpa din hadroni. Forțele nucleare dintre hadronii incolori (albi) sunt ecouri slabe ale interacțiunilor puternice de culoare din hadroni. Acest lucru este similar cu micimea legăturilor moleculare în comparație cu cele intraatomice.

9.5. Mase de hadroni. Masele de hadroni în general și de nucleoni în special se datorează autoacțiunii gluonilor. Astfel, masa întregii materii vizibile, care reprezintă 4–5% din energia Universului, se datorează tocmai autoacțiunii gluonilor.

10. Model standard și nu numai

10.1. 18 particule ale modelului standard. Toate particulele fundamentale cunoscute se împart în mod natural în trei grupe:

6 leptoni(învârtire 1/2):
3 neutrini: ν e, ν μ , ν τ ;
3 leptoni încărcați: e, μ , τ ;
6 quarci(învârtire 1/2):
u,c, t,
d, s, b;
6 bosoni:
g̃ - graviton (spin 2),
γ , W, Z, g- gluoni (spin 1),
h- higgs (spin 0).

10.2. Dincolo de modelul standard. 96% din energia Universului se află în afara Modelului Standard și așteaptă să fie descoperită și studiată. Există mai multe ipoteze de bază despre cum ar putea arăta noua fizică (vezi secțiunile 10.3–10.6 de mai jos).

10.3. Mare unire. Un număr imens de lucrări, în mare parte teoretice, au fost consacrate unificării interacțiunilor puternice și electroslabe. Majoritatea dintre ei presupun că are loc la energii de ordinul 10 16 GeV. O astfel de unire ar trebui să ducă la dezintegrarea protonului.

10.4. particule supersimetrice. Conform ideii de supersimetrie, primul născut la FIAN, fiecare particulă „noastre” are un superpartener al cărui spin diferă cu 1/2: 6 squarks și 6 sliptons cu spin 0, higgsino, photino, wine și zino cu spin 1/ 2, gravitino co spin 3/2. Masele acestor superparteneri trebuie să fie substanțial mai mari decât cele ale particulelor noastre. Altfel, s-ar fi deschis de mult. Unii dintre superparteneri pot fi descoperiți atunci când Large Hadron Collider devine operațional.

10.5. Super șiruri. Ipoteza supersimetriei este dezvoltată de ipoteza existenței superstringurilor care trăiesc la distanțe foarte mici de ordinul 10 −33 cm și energii corespunzătoare de 10 19 GeV. Mulți fizicieni teoreticieni speră că pe baza conceptelor de superstring va fi posibilă construirea unei teorii unificate a tuturor interacțiunilor care nu conține parametri liberi.

10.6. particule de oglindă. Conform ideii de materie oglindă, primul născut la ITEP, fiecare dintre particulele noastre are un geamăn oglindă și există o lume oglindă care este doar foarte slab conectată la lumea noastră.

10.7. Materie întunecată. Doar 4-5% din toată energia din univers există ca masă de materie obișnuită. Aproximativ 20% din energia universului este conținută în așa-numita materie întunecată, despre care se crede că este formată din superparticule, sau particule în oglindă sau din alte particule necunoscute. Dacă particulele de materie întunecată sunt mult mai grele decât particulele obișnuite și dacă, ciocnând unele cu altele în spațiu, se anihilează în fotoni obișnuiți, atunci acești fotoni de înaltă energie pot fi înregistrați de detectoare speciali în spațiu și pe Pământ. Elucidarea naturii materiei întunecate este una dintre principalele sarcini ale fizicii.

10.8. Energie întunecată. Dar marea majoritate a energiei Universului (aproximativ 75%) se datorează așa-numitei energii întunecate. Este „turnată” prin vid și împinge grupurile de galaxii în afară. Natura sa nu este încă clară.

11. Particule elementare în Rusia și în lume

11.1. Decretul președintelui Federației Ruse. La 30 septembrie 2009, a fost emis Decretul președintelui Federației Ruse „Cu privire la măsuri suplimentare pentru implementarea proiectului-pilot de înființare a Centrului Național de Cercetare „Institutul Kurchatov””. Decretul prevede participarea la proiect a următoarelor organizații: Institutul de Fizică Nucleară din Sankt Petersburg, Institutul de Fizică a Energiei Înalte și Institutul de Fizică Teoretică și Experimentală. Decretul prevede, de asemenea, „includerea instituției specificate, ca cea mai importantă instituție a științei, în structura departamentală a cheltuielilor bugetului federal ca principal administrator al fondurilor bugetare”. Acest Decret poate contribui la revenirea fizicii particulelor elementare la numărul de domenii prioritare pentru dezvoltarea științei în țara noastră.

11.2. Audieri în Congresul SUA 1. La 1 octombrie 2009, au avut loc audieri în cadrul Subcomisiei pentru energie și mediu a Comisiei pentru știință și tehnologie a Camerei Reprezentanților SUA pe tema „Cercetări privind natura materiei, energiei, spațiului și timpului”. Creditul pentru 2009 al Departamentului de Energie pentru acest program este de 795,7 milioane USD. Profesorul de la Universitatea Harvard, Lisa Randall, a subliniat punctele de vedere despre materie, energie și originea universului în ceea ce privește viitoarea teorie a corzilor. Directorul Laboratorului Național Fermi (Batavia) Pierre Oddone a vorbit despre starea fizicii particulelor în SUA și, în special, despre finalizarea viitoare a Tevatron și începerea lucrărilor comune ale laboratorului subteran FNAL și DUSEL pentru a studia proprietățile neutrinilor și procesele rare. El a subliniat importanța participării fizicienilor americani la proiectele de fizică a energiei înalte din Europa (LHC), Japonia (JPARC), China (PERC) și proiectul spațial internațional (GLAST, numit recent după Fermi).

11.3. Audieri în Congresul SUA 2. Directorul Laboratorului Național Jefferson, Hugh Montgomery, a vorbit despre contribuția acestui Laborator la fizica nucleară, tehnologiile acceleratoare și programele educaționale. Dennis Kovar, directorul Diviziei de fizică a înaltei energii a Departamentului de Energie, a vorbit despre cele trei domenii principale ale fizicii înaltelor energii:

1) studii acceleratoare la energii maxime,

2) studii acceleratoare la intensități maxime,

3) explorarea spațială la sol și prin satelit pentru a elucida natura materiei întunecate și a energiei întunecate,

și trei direcții principale în fizica nucleară:

1) studiul interacțiunilor puternice dintre quarci și gluoni,

2) studiul modului în care s-au format nucleele atomice din protoni și neutroni,

3) studiul interacțiunilor slabe care implică neutrini.

12. Despre știința fundamentală

12.1. Ce este știința fundamentală. Din textul de mai sus este clar că eu, ca majoritatea oamenilor de știință, numesc acea parte a științei care stabilește cele mai fundamentale legi ale naturii drept știință fundamentală. Aceste legi se află la baza piramidei științei sau a etajelor sale individuale. Ele determină dezvoltarea pe termen lung a civilizației. Există, totuși, oameni care numesc știință fundamentală acele secțiuni ale științei care au cel mai mare impact direct asupra realizărilor de moment în dezvoltarea civilizației. Mie personal mi se pare că aceste secțiuni și direcții sunt mai bine numite știință aplicată.

12.2. Rădăcini și fructe. Dacă știința fundamentală poate fi comparată cu rădăcinile unui copac, atunci știința aplicată poate fi comparată cu fructele sale. Descoperirile tehnologice majore precum telefoanele mobile sau comunicațiile prin fibră optică sunt roadele științei.

12.3. A. I. Herzen despre știință.În 1845, Alexander Ivanovich Herzen (1812–1870) a publicat în revista Otechestvennye Zapiski remarcabile Scrisori despre studiul naturii. La sfârşitul primei scrisori, el scria: „Ştiinţa pare dificilă, nu pentru că este cu adevărat dificilă, ci pentru că altfel nu vei ajunge la simplitatea ei, ca să spargi întunericul acelor concepte gata făcute care te împiedică să vezi. direct. Să știe cei care ies în față că întregul arsenal de instrumente ruginite și fără valoare pe care l-am moștenit din scolastică nu are valoare, că este necesar să sacrificăm opiniile formulate în afara științei, că, fără a lepăda toate jumătate minciuni, cu care, pentru claritate, se îmbracă jumătăţi de adevăr nu se poate intra în știință, nu se poate ajunge la întregul adevăr.

12.4. Despre reducerea programelor școlare. Programele moderne de fizică de la școală pot include foarte bine stăpânirea activă a elementelor din teoria particulelor elementare, teoria relativității și mecanica cuantică, dacă reducem acele secțiuni din ele care sunt în principal descriptive și creștem „erudiția” copilului, mai degrabă decât înțelegerea lumii înconjurătoare și capacitatea de a trăi și de a crea.

12.5. Concluzie. Ar fi corect ca Prezidiul Academiei Ruse de Științe să noteze importanța familiarizării timpurii a tinerilor cu o viziune asupra lumii bazată pe realizările teoriei relativității și mecanicii cuantice și să instruiască Comisiile Prezidiului Academiei Ruse. de Științe pe manuale (președinte - vicepreședinte V.V. Kozlov) și pe educație (președinte - vicepreședinte -președinte V. A. Sadovnichiy) pentru a pregăti propuneri pentru îmbunătățirea predării fizicii fundamentale moderne în școlile secundare și superioare.

Descriere

Pentru ca o relație să poată fi numită lege fizică, ea trebuie să îndeplinească următoarele cerințe:

• confirmare empirică. O lege fizică este considerată adevărată dacă este confirmată prin experimente repetate.
• Versatilitate. Legea trebuie să fie corectă pentru un număr mare de obiecte. Ideal - pentru toate obiectele din univers.
• Durabilitate. Legile fizice nu se schimbă în timp, deși pot fi recunoscute ca aproximări la legi mai precise.

Legile fizice sunt de obicei exprimate ca o scurtă declarație verbală sau o formulă matematică compactă:

Exemple

Articolul principal: Lista legilor fizice

Unele dintre cele mai cunoscute legi fizice sunt:

Legi-principii

Unele legi fizice sunt de natură universală și sunt, în esență, definiții. Astfel de legi sunt adesea numite principii. Acestea includ, de exemplu, legea a doua a lui Newton (definiția forței), legea conservării energiei (definiția energiei), principiul celei mai mici acțiuni (definiția acțiunii) etc.

Legile-consecințele simetriilor

O parte din legile fizice sunt consecințe simple ale anumitor simetrii care există în sistem. Deci, legile de conservare conform teoremei lui Noether sunt consecințe ale simetriei spațiului și timpului. Și principiul Pauli, de exemplu, este o consecință a identității electronilor (antisimetria funcției lor de undă în raport cu permutarea particulelor).

Aproximarea legilor

Toate legile fizice sunt o consecință a observațiilor empirice și sunt adevărate cu aceeași acuratețe cu care sunt adevărate observațiile experimentale. Această restricție nu ne permite să pretindem că oricare dintre legi este absolută. Se știe că unele dintre legi, evident, nu sunt absolut exacte, dar sunt aproximări la altele mai exacte. Deci, legile lui Newton sunt valabile doar pentru corpuri suficient de masive care se deplasează cu viteze mult mai mici decât viteza luminii. Mai precise sunt legile mecanicii cuantice și ale relativității speciale. Cu toate acestea, ele, la rândul lor, sunt aproximări ale ecuațiilor mai precise ale teoriei câmpurilor cuantice.

Vezi si

Note

Fundația Wikimedia. 2010 .

Vedeți ce este „Lege (fizică)” în alte dicționare:

FIZICĂ. 1. Materia si structura fizicii F. stiinta care studiaza cel mai simplu si in acelasi timp cel mai mult. proprietăţile generale şi legile de mişcare ale obiectelor lumii materiale care ne înconjoară. Ca urmare a acestei generalități, nu există fenomene naturale care să nu aibă fizic. proprietati... Enciclopedia fizică

O știință care studiază cele mai simple și în același timp cele mai generale modele ale fenomenelor naturale, principiile și structura materiei și legile mișcării ei. Conceptele lui F. și legile sale stau la baza tuturor științelor naturale. F. aparține științelor exacte și studiază cantitățile... Enciclopedia fizică

Legea propagării rectilinie a luminii: într-un mediu transparent omogen, lumina se propagă în linii drepte. În legătură cu legea propagării rectilinie a luminii, a apărut conceptul de fascicul de lumină, care are o semnificație geometrică ca ...... Wikipedia

FIZICĂ- FIZICA, știință care studiază, împreună cu chimia, legile generale ale transformării energiei și materiei. Ambele științe se bazează pe două legi de bază ale științei naturii - legea conservării masei (legea lui Lomonosov, Lavoisier) și legea conservării energiei (R. Mayer, Jaul ... ... Marea Enciclopedie Medicală

Legea lui Boyle Mariotte este una dintre legile fundamentale ale gazelor. Legea este numită după fizicianul, chimistul și filozoful irlandez Robert Boyle (1627 1691), care a descoperit-o în 1662, și, de asemenea, în onoarea fizicianului francez Edme Mariotte (1620 1684), care a descoperit ... ... Wikipedia

Fizică statistică Termodinamică Teoria cinetică moleculară Statistică ... Wikipedia

Legea entropiei nedescrescătoare: „Într-un sistem izolat, entropia nu scade”. Dacă la un moment dat un sistem închis este într-o stare macroscopică de neechilibru, atunci în momentele ulterioare din timp consecința cea mai probabilă ... ... Wikipedia

Legea relației inverse dintre sfera și conținutul unui concept este legea logicii formale despre relația dintre modificările sferei și conținutului unui concept. Dacă primul concept este mai larg decât al doilea ca sferă, atunci este mai sărac în conținut; dacă ...... Wikipedia

- (a. fizica exploziei; n. Physik der Explosion; f. physique de l explosion; and. fisica de explosion, fisica de estallido, fisica de detonacion) este o știință care studiază fenomenul unei explozii și mecanismul acțiunii acesteia într-un mediu. Defect mecanic… … Enciclopedia Geologică

- (fizica stării lichide a materiei) ramură a fizicii în care sunt studiate proprietățile mecanice și fizice ale lichidelor. Teoria statistică a lichidelor este o ramură a fizicii statistice. Cel mai important rezultat este derivarea ecuațiilor ... ... Wikipedia

Nici o singură sferă a activității umane nu se poate lipsi de științele exacte. Și oricât de complexe sunt relațiile umane, ele se reduc și la aceste legi. oferă să-și amintească legile fizicii pe care o persoană le întâlnește și le experimentează în fiecare zi a vieții sale.

Cea mai simplă, dar cea mai importantă lege este Legea conservării și transformării energiei.

Energia oricărui sistem închis rămâne constantă pentru toate procesele care au loc în sistem. Și suntem într-un sistem atât de închis și suntem. Acestea. cât dăm, atât primim. Dacă vrem să obținem ceva, trebuie să dăm aceeași sumă înainte de asta. Si nimic altceva!

Și noi, desigur, vrem să obținem un salariu mare, dar să nu mergem la muncă. Uneori se creează o iluzie că „proștii sunt norocoși” și fericirea le cade peste cap pentru mulți. Citiți orice basm. Eroii trebuie să depășească în mod constant dificultăți uriașe! Apoi inota in apa rece, apoi in apa clocotita.

Bărbații atrag atenția femeilor prin curte. Femeile, la rândul lor, au grijă de acești bărbați și de copii. etc. Așa că, dacă vrei să obții ceva, fă-te mai întâi de cap să dai.

Forța de acțiune este egală cu forța de reacție.

Această lege a fizicii o reflectă, în principiu, pe cea anterioară. Dacă o persoană a comis un act negativ – conștient sau nu – și apoi a primit un răspuns, de exemplu. opoziţie. Uneori cauza și efectul sunt separate în timp și nu puteți înțelege imediat de unde bate vântul. Cel mai important, trebuie să ne amintim că nu se întâmplă nimic.

Legea pârghiei.

Arhimede a exclamat: Dă-mi un punct de sprijin și voi muta Pământul!". Orice greutate poate fi transportată dacă alegeți pârghia potrivită. Ar trebui să estimați întotdeauna cât timp va fi nevoie de pârghie pentru a atinge acest sau acel obiectiv și să trageți o concluzie pentru dvs., să stabiliți priorități: trebuie să depuneți atât de mult efort pentru a crea pârghia potrivită și pentru a muta această greutate, sau este mai ușor să-l lași în pace și să faci alte activități.

Regula gimlet.

Regula este că indică direcția câmpului magnetic. Această regulă răspunde la întrebarea eternă: cine este de vină? Și subliniază că noi înșine suntem de vină pentru tot ceea ce ni se întâmplă. Oricât de jignitor ar fi, oricât de greu ar fi, oricât de nedrept, la prima vedere, trebuie să fim mereu conștienți că noi înșine am fost cauza încă de la început.

legea unghiei.

Când o persoană vrea să bată cu ciocanul într-un cui, nu bate undeva lângă cui, ci bate exact în capul cuiului. Dar unghiile în sine nu se urcă în pereți. Trebuie să alegi întotdeauna ciocanul potrivit pentru a nu rupe cuiul cu barosul. Și atunci când marcați, trebuie să calculați lovitura, astfel încât pălăria să nu se îndoaie. Păstrați-o simplu, aveți grijă unul de celălalt. Învață să te gândești la vecinul tău.

Și în sfârșit, legea entropiei.

Entropia este o măsură a dezordinei unui sistem. Cu alte cuvinte, cu cât este mai mult haos în sistem, cu atât este mai mare entropia. O formulare mai precisă: în procesele spontane care au loc în sisteme, entropia crește întotdeauna. De regulă, toate procesele spontane sunt ireversibile. Acestea duc la schimbări reale în sistem și este imposibil să-l readuceți la starea inițială fără a cheltui energie. În același timp, este imposibil să se repete exact (100%) starea sa inițială.

Pentru a înțelege mai bine despre ce fel de ordine și dezordine vorbim, să punem la punct un experiment. Turnați pelete albe și negre într-un borcan de sticlă. Să punem mai întâi negrii, apoi albii. Peleții vor fi aranjați în două straturi: negru în partea de jos, alb în partea de sus - totul este în ordine. Apoi agitați borcanul de mai multe ori. Peletele se vor amesteca uniform. Și oricât de mult am scutura apoi acest borcan, este puțin probabil să reușim ca peleții să fie din nou aranjați în două straturi. Iată-l, entropia în acțiune!

Se consideră ordonată starea în care peletele au fost dispuse în două straturi. Starea în care peletele sunt amestecate uniform este considerată dezordonată. Este nevoie de aproape un miracol pentru a reveni la o stare ordonată! Sau lucru repetat și minuțios cu peleți. Și nu este nevoie de aproape niciun efort pentru a face ravagii într-o bancă.

Roata de masina. Când este umflat, are un exces de energie liberă. Roata se poate mișca, ceea ce înseamnă că funcționează. Aceasta este ordinea. Ce se întâmplă dacă spargi o roată? Presiunea din ea va scădea, energia liberă va „pleca” în mediu (se va disipa), iar o astfel de roată nu va mai putea funcționa. Acesta este haos. Pentru a readuce sistemul la starea inițială, de ex. pentru a pune lucrurile în ordine, trebuie să faci multă muncă: lipiți camera, montați roata, pompați-o etc., după care este din nou un lucru necesar care poate fi util.

Căldura este transferată de la un corp fierbinte la unul rece și nu invers. Procesul invers este teoretic posibil, dar practic nimeni nu se va angaja să facă acest lucru, deoarece vor fi necesare eforturi enorme, instalații și echipamente speciale.

De asemenea, în societate. Oamenii îmbătrânesc. Casele se prăbușesc. Stâncile se scufundă în mare. Galaxiile sunt împrăștiate. Orice realitate care ne înconjoară tinde spontan spre dezordine.

Cu toate acestea, oamenii vorbesc adesea despre dezordine ca fiind libertate: Nu, nu vrem ordine! Dă-ne atâta libertate încât fiecare să poată face ce vrea!» Dar când fiecare face ce vrea, aceasta nu este libertate - este haos. În timpul nostru, mulți laudă dezordinea, promovează anarhia - într-un cuvânt, tot ceea ce distruge și desparte. Dar libertatea nu este în haos, libertatea este tocmai în ordine.

Organizându-și viața, o persoană își creează o rezervă de energie liberă, pe care apoi o folosește pentru a-și pune în aplicare planurile: muncă, studiu, recreere, creativitate, sport etc. Cu alte cuvinte, se opune entropiei. Altfel, cum am fi putut acumula atâtea valori materiale în ultimii 250 de ani?!

Entropia este o măsură a dezordinei, o măsură a disipării ireversibile a energiei. Cu cât mai multă entropie, cu atât mai multă dezordine. O casă în care nu locuiește nimeni este în paragină. Fierul ruginește în timp, mașina se îmbătrânește. Relațiile de care nimănui nu-i pasă se vor rupe. La fel este totul în viața noastră, absolut totul!

Starea naturală a naturii nu este echilibrul, ci o creștere a entropiei. Această lege funcționează inexorabil în viața unei persoane. Nu trebuie să facă nimic pentru a-și crește entropia, asta se întâmplă spontan, conform legii naturii. Pentru a reduce entropia (tulburarea), trebuie să depuneți mult efort. Acesta este un fel de palmă pentru oameni prost de pozitivi (sub o piatră mincinoasă și apa nu curge), dintre care sunt destul de multe!

Menținerea succesului necesită efort constant. Dacă nu ne dezvoltăm, atunci ne degradăm. Și pentru a păstra ceea ce aveam înainte, trebuie să facem azi mai mult decât am făcut ieri. Lucrurile pot fi păstrate în ordine și chiar îmbunătățite: dacă vopseaua de pe o casă s-a decolorat, aceasta poate fi revopsită și chiar mai frumoasă decât înainte.

Oamenii ar trebui să încerce să „pacifice” comportamentul distructiv arbitrar care predomină peste tot în lumea modernă, să încerce să reducă starea de haos, pe care am dispersat-o la limite grandioase. Și aceasta este o lege fizică, și nu doar o discuție despre depresie și gândire negativă. Totul fie se dezvoltă, fie se degradează.

Un organism viu se naște, se dezvoltă și moare și nimeni nu a observat vreodată că după moarte revine, devine mai tânăr și se întoarce în sămânță sau pântece. Când se spune că trecutul nu se întoarce niciodată, atunci, desigur, se referă, în primul rând, la aceste fenomene vitale. Dezvoltarea organismelor stabilește direcția pozitivă a săgeții timpului, iar schimbarea de la o stare a sistemului la alta are loc întotdeauna în aceeași direcție pentru toate procesele, fără excepție.

Valerian Chupin

Sursa de informare: Ceaikovski.News

Comentarii (3)

Bogăția societății moderne crește și va crește într-o măsură din ce în ce mai mare, în primul rând prin munca universală. Capitalul industrial a fost prima formă istorică de producție socială, când munca universală a început să fie exploatată intens. Și mai întâi, cel pe care l-a primit gratuit. Știința, după cum a observat Marx, nu a costat nimic capitalului. Într-adevăr, niciun capitalist nu a plătit o recompensă nici lui Arhimede, nici lui Cardano, nici lui Galileo, nici lui Huygens, nici lui Newton pentru utilizarea practică a ideilor lor. Dar tocmai capitalul industrial este cel care, la scară de masă, începe să exploateze tehnologia mecanică, și astfel munca generală întruchipată în ea. Marx K, Engels F. Soch., vol. 25, partea 1, p. 116.

LEGILE DE BAZĂ ALE FIZICII

[ Mecanica | Termodinamica | Electricitate | Optica | Fizică atomică]

LEGEA ENERGIILOR CONSERVĂRII ŞI TRANSFORMĂRII - legea generală a naturii: energia oricărui sistem închis pentru toate procesele care au loc în sistem rămâne constantă (conservată). Energia poate fi convertită doar dintr-o formă în alta și redistribuită între părți ale sistemului. Pentru un sistem deschis, o creștere (scădere) a energiei sale este egală cu o scădere (creștere) a energiei corpurilor și câmpurilor fizice care interacționează cu acesta.

1. MECANICA

LEGEA ARHIMEDEI - legea hidro- și aerostaticei: un corp scufundat într-un lichid sau gaz este supus unei forțe de flotabilitate îndreptată vertical în sus, numeric egală cu greutatea lichidului sau gazului deplasat de corp și aplicată în centrul gravitația părții scufundate a corpului. FA= gV, unde r este densitatea lichidului sau a gazului, V este volumul părții scufundate a corpului. În caz contrar, poate fi formulat astfel: un corp scufundat într-un lichid sau un gaz pierde în greutate la fel de mult cât cântărește lichidul (sau gazul) deplasat de acesta. Atunci P= mg - FA Alte gr. savantul Arhimede în 212. î.Hr. Este baza teoriei corpurilor de înot.

LEGEA UNIVERSALA GRAVITAȚIEI - Legea gravitației lui Newton: toate corpurile sunt atrase unele de altele cu o forță direct proporțională cu produsul maselor acestor corpuri și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele: , unde M și m sunt masele dintre corpurile care interacționează, R este distanța dintre aceste corpuri, G este constanta gravitațională (în SI G=6,67,10-11 N.m2/kg2.

PRINCIPIUL RELATIVITĂȚII GALILEO, principiul mecanic al relativității - principiul mecanicii clasice: în orice cadru inerțial de referință, toate fenomenele mecanice se desfășoară în același mod în aceleași condiții. mier principiul relativității.

LEGEA HOOK-ULUI - legea conform căreia deformațiile elastice sunt direct proporționale cu influențele externe care le provoacă.

LEGEA CONSERVĂRII MOMENTULUI - legea mecanicii: impulsul oricărui sistem închis în toate procesele care au loc în sistem rămâne constant (conservat) și poate fi redistribuit doar între părți ale sistemului ca urmare a interacțiunii lor.

LEGILE LUI NEWTON - trei legi care stau la baza mecanicii clasice newtoniene. Legea 1 (legea inerției): un punct material se află într-o stare de mișcare sau repaus rectilinie și uniformă dacă nu acționează niciun alt corp asupra lui sau acțiunea acestor corpuri este compensată. A 2-a lege (legea de bază a dinamicii): accelerația primită de corp este direct proporțională cu rezultanta tuturor forțelor care acționează asupra corpului și invers proporțională cu masa corpului (). A 3-a lege: două puncte materiale interacționează între ele prin forțe de aceeași natură, egale ca mărime și opuse ca direcție de-a lungul dreptei care leagă aceste puncte ().

PRINCIPIUL RELATIVITĂȚII - unul dintre postulatele teoriei relativității, afirmând că în orice cadre de referință inerțiale toate fenomenele fizice (mecanice, electromagnetice etc.) în aceleași condiții decurg în același mod. Este generalizarea lui Galileo a principiului relativității la toate fenomenele fizice (cu excepția gravitației).

2. FIZICA MOLECULARĂ ȘI TERMODINAMICĂ

LEGEA AVOGADRO - una dintre legile de bază ale gazelor ideale: volume egale de gaze diferite la aceeași temperatură și presiune conțin același număr de molecule. Deschis în 1811 de către italian. fizicianul A. Avogadro (1776-1856).

LEGEA BOYLE-MARIOTTE - una dintre legile unui gaz ideal: pentru o masă dată a unui gaz dat la o temperatură constantă, produsul dintre presiune și volum este o constantă. Formula: pV=const. Descrie un proces izoterm.

A DOUA LEGEA A TERMODINAMICII - una dintre legile de bază ale termodinamicii, conform căreia un proces periodic este imposibil, al cărui singur rezultat este efectuarea unui lucru echivalent cu cantitatea de căldură primită de la încălzitor. O altă formulare: un proces este imposibil, al cărui singur rezultat este transferul de energie sub formă de căldură de la un corp mai puțin încălzit la unul mai fierbinte. V.z.t. exprimă tendința unui sistem format dintr-un număr mare de particule care se mișcă aleatoriu la tranziția spontană de la stări mai puțin probabile la stări mai probabile. Interzice crearea unei mașini cu mișcare perpetuă de al doilea fel.

LEGEA GAY-LUSSAC - legea gazului: pentru o masă dată a unui gaz dat la presiune constantă, raportul dintre volum și temperatura absolută este o valoare constantă, unde \u003d 1/273 K-1 este coeficientul de temperatură al expansiunii în volum.

LEGEA LUI DALTON - una dintre legile de bază ale gazelor: presiunea unui amestec de gaze ideale care nu interacționează chimic este egală cu suma presiunilor parțiale ale acestor gaze.

LEGEA LUI PASCAL - legea de baza a hidrostaticii: presiunea produsa de fortele externe pe suprafata unui lichid sau gaz se transmite in mod egal in toate directiile.

PRIMA LEGEA A TERMODINAMICII - una dintre legile de bază ale termodinamicii, care este legea conservării energiei pentru un sistem termodinamic: cantitatea de căldură Q comunicată sistemului este cheltuită pentru modificarea energiei interne a sistemului U și pentru efectuarea muncii A împotriva forțelor externe ale sistemului. Formula: Q=U+A. El stă la baza funcționării motoarelor termice.

LEGEA CHARLES - una dintre principalele legi ale gazelor: presiunea unei mase date a unui gaz ideal la un volum constant este direct proporțională cu temperatura: unde p0 este presiunea la 00C, \u003d 1/273,15 K-1 este temperatura coeficient de presiune.

3. ELECTRICITATE ȘI MAGNETISM

LEGEA AMPEREI - legea interacțiunii a doi conductori cu curenții; conductoarele paralele cu curenți în aceeași direcție se atrag, iar cu curenții în sens opus se resping. A.z. numită și legea care determină forța care acționează într-un câmp magnetic asupra unui segment mic al unui conductor purtător de curent. Deschis în 1820 A.M. Amper.

LEGEA JOUL-LENTZ - o lege care descrie efectul termic al curentului electric. Potrivit lui D. - L.z. cantitatea de căldură degajată în conductor atunci când trece un curent continuu prin acesta este direct proporțională cu pătratul puterii curentului, rezistența conductorului și timpul de trecere.

LEGEA CONSERVĂRII ÎNCERCĂRII - una dintre legile fundamentale ale naturii: suma algebrică a sarcinilor electrice a oricărui sistem izolat electric rămâne neschimbată. Într-un sistem izolat electric Z.s.z. permite apariția de noi particule încărcate (de exemplu, în timpul disocierii electrolitice, ionizării gazelor, crearea de perechi particule-antiparticule etc.), dar sarcina electrică totală a particulelor care apar trebuie să fie întotdeauna egală cu zero.

LEGEA Coulomb - legea de bază a electrostaticei, care exprimă dependența forței de interacțiune a două sarcini punctiforme fixe de distanța dintre ele: două sarcini punctiforme fixe interacționează cu o forță direct proporțională cu produsul mărimilor acestor sarcini și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele și permitivitatea mediului în care sunt situate sarcinile. În SI arată astfel: . Valoarea este numeric egală cu forța care acționează între două sarcini punctiforme fixe de 1 C fiecare, situate în vid la o distanță de 1 m una de cealaltă. K.z. este una dintre fundamentele experimentale ale electrodinamicii.

REGULĂ MÂNĂ STÂNGĂ - o regulă care determină direcția forței care acționează asupra unui conductor cu curent într-un câmp magnetic (sau a unei particule încărcate în mișcare). Se spune: dacă mâna stângă este poziționată astfel încât degetele întinse să arate direcția curentului (viteza particulei), iar liniile de forță ale câmpului magnetic (liniile de inducție magnetică) intră în palmă, atunci degetul mare retras va indica direcția forței care acționează asupra conductorului (particulă pozitivă; în cazul unei particule negative, direcția forței este opusă).

REGULA LENTZ (LEGEA) - o regulă care determină direcția curenților de inducție care apar în timpul inducției electromagnetice. Potrivit L.p. curentul inductiv are întotdeauna o astfel de direcție încât propriul său flux magnetic compensează modificările fluxului magnetic extern care a determinat acest curent. L.p. - o consecință a legii conservării energiei.

LEGEA OHMA - una dintre legile de bază ale curentului electric: puterea curentului electric continuu într-o secțiune de circuit este direct proporțională cu tensiunea de la capetele acestei secțiuni și invers proporțională cu rezistența acesteia. Valabil pentru conductori metalici și electroliți, a căror temperatură este menținută constantă. În cazul unui circuit complet, acesta se formulează astfel: puterea curentului electric continuu în circuit este direct proporțională cu fem-ul sursei de curent și invers proporțională cu impedanța circuitului electric.

REGULA MÂNII DREPTĂ - o regulă care determină 1) direcția curentului de inducție într-un conductor care se mișcă într-un câmp magnetic: dacă palma mâinii drepte este poziționată astfel încât să includă linii de inducție magnetică, iar degetul mare îndoit este îndreptat de-a lungul miscarea

conductor, apoi patru degete întinse vor arăta direcția curentului de inducție; 2) direcția liniilor de inducție magnetică a unui conductor rectiliniu cu curent: dacă degetul mare al mâinii drepte este plasat în direcția curentului, atunci direcția de prindere a conductorului cu patru degete va arăta direcția liniilor de inductie magnetica.

LEGILE LUI FARADAY - legile de bază ale electrolizei. Prima lege a lui Faraday: masa substanței eliberată pe electrod în timpul trecerii unui curent electric este direct proporțională cu cantitatea de electricitate (sarcină) care a trecut prin electrolit (m=kq=kIt). Al doilea FZ: raportul dintre masele diferitelor substanțe care suferă transformări chimice pe electrozi atunci când aceleași sarcini electrice trec prin electrolit este egal cu raportul echivalenților chimici. Instalat în 1833-34 de M. Faraday. Legea generalizată a electrolizei are forma: , unde M este masa molară (atomică), z este valența, F este constanta Faraday. F.p. este egal cu produsul dintre sarcina electrică elementară și constanta Avogadro. F=e.NA. Determină sarcina, a cărei trecere prin electrolit duce la eliberarea a 1 mol dintr-o substanță monovalentă pe electrod. F=(96484,56 0,27) celule/mol. Numit după M. Faraday.

LEGEA INDUCȚIEI ELECTROMAGNETICE - o lege care descrie fenomenul de apariție a unui câmp electric atunci când câmpul magnetic se modifică (fenomenul de inducție electromagnetică): forța electromotoare a inducției este direct proporțională cu viteza de modificare a fluxului magnetic. Coeficientul de proporționalitate este determinat de sistemul de unități, semnul este regula Lenz. Formula în SI este: unde Ф este modificarea fluxului magnetic și t este intervalul de timp în care a avut loc această modificare. Descoperit de M. Faraday.

4. OPTICA

PRINCIPIU HUYGENS - o metodă care vă permite să determinați în orice moment poziția frontului de undă. Conform g.p. toate punctele prin care trece frontul de undă la momentul t sunt surse de unde sferice secundare, iar poziția dorită a frontului de undă la momentul t t coincide cu suprafața care învăluie toate undele secundare. Vă permite să explicați legile reflexiei și refracției luminii.

HUYGENS - FRESNEL - PRINCIPIU - o metodă aproximativă de rezolvare a problemelor de propagare a undelor. G.-F. Articolul spune: în orice punct din afara unei suprafețe închise arbitrare, care acoperă o sursă punctuală de lumină, unda luminoasă excitată de această sursă poate fi reprezentată ca rezultat al interferenței undelor secundare emise de toate punctele suprafeței închise specificate. Vă permite să rezolvați cele mai simple probleme de difracție a luminii.

LEGEA REFLECȚIILOR UNDEI - fasciculul incident, fasciculul reflectat și perpendiculara ridicată la punctul de incidență al fasciculului se află în același plan, iar unghiul de incidență este egal cu unghiul de refracție. Legea este valabilă pentru reflectarea în oglindă.

REFRACȚIA LUMINII - o schimbare a direcției de propagare a luminii (o undă electromagnetică) în timpul tranziției de la un mediu la altul, care diferă de primul indice de refracție. Pentru refracție se îndeplinește legea: fasciculul incident, fasciculul refractat și perpendiculara ridicată la punctul de incidență al fasciculului se află în același plan, iar pentru aceste două medii, raportul dintre sinusul unghiului de incidență și sinusul unghiului de refracție este o valoare constantă, numită indice de refracție relativ al celui de-al doilea mediu față de primul.

LEGEA DISTRIBUȚIEI RECTILINIE A LUMINII - legea opticii geometrice, care constă în faptul că într-un mediu omogen lumina se propagă în linie dreaptă. Explică, de exemplu, formarea umbrei și a penumbrei.

6. FIZICA ATOMICA SI NUCLARA.

POSTULATE BOHR - principalele ipoteze introduse fără dovezi de N.Bohr și care stau la baza TEORIEI BOHR: 1) Un sistem atomic este stabil doar în stări staționare care corespund unei succesiuni discrete de valori ale energiei atomice. Fiecare modificare a acestei energii este asociată cu o tranziție completă a atomului de la o stare staționară la alta. 2) Absorbția și emisia de energie de către un atom are loc conform legii conform căreia radiația asociată tranziției este monocromatică și are o frecvență: h = Ei-Ek, unde h este constanta Planck, iar Ei și Ek sunt energiile atomului în stări staţionare

Conform acestei legi, procesul, al cărui singur rezultat este transferul de energie sub formă de căldură de la un corp mai rece la unul mai fierbinte, este imposibil fără modificări ale sistemului în sine și ale mediului.
A doua lege a termodinamicii exprimă tendința unui sistem format dintr-un număr mare de particule care se mișcă aleatoriu la tranziția spontană de la stările mai puțin probabile la cele mai probabile. Interzice crearea unei mașini cu mișcare perpetuă de al doilea fel.
Volume egale de gaze ideale la aceeași temperatură și presiune conțin același număr de molecule.
Legea a fost descoperită în 1811 de către fizicianul italian A. Avogadro (1776–1856).
Legea interacțiunii a doi curenți care circulă în conductori aflați la distanță mică unul de celălalt afirmă: conductorii paraleli cu curenți într-un sens se atrag, iar cu curenții în sens opus se resping.
Legea a fost descoperită în 1820 de A. M. Ampere.
Legea hidrostatică și aerostatică: pe un corp scufundat într-un lichid sau într-un gaz, o forță de plutire acționează vertical în sus, egală cu greutatea lichidului sau gazului deplasat de corp și aplicată la centrul de greutate al părții imersate a corpul. FA = gV, unde g este densitatea lichidului sau a gazului, V este volumul părții scufundate a corpului.
În caz contrar, legea poate fi formulată astfel: un corp scufundat într-un lichid sau un gaz pierde în greutate la fel de mult cât cântărește lichidul (sau gazul) deplasat de acesta. Atunci P = mg - FA.
Legea a fost descoperită de savantul grec antic Arhimede în 212 î.Hr. e. Este baza teoriei corpurilor plutitoare.
Una dintre legile unui gaz ideal: la o temperatură constantă, produsul dintre presiunea gazului și volumul acestuia este o valoare constantă. Formula: pV = const. Descrie un proces izoterm. Legea gravitației universale sau legea gravitației lui Newton: toate corpurile sunt atrase unele de altele cu o forță direct proporțională cu produsul maselor acestor corpuri și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele. Conform acestei legi, deformațiile elastice ale unui corp solid sunt direct proporționale cu influențele externe care le provoacă. Descrie efectul termic al curentului electric: cantitatea de căldură degajată în conductor atunci când trece un curent continuu prin acesta este direct proporțională cu pătratul puterii curentului, rezistența conductorului și timpul de trecere. Descoperit independent de Joule și Lenz în secolul al XIX-lea. Legea de bază a electrostaticei, care exprimă dependența forței de interacțiune a două sarcini punctiforme fixe de distanța dintre ele: două sarcini punctiforme fixe interacționează cu o forță care este direct proporțională cu produsul mărimilor acestor sarcini și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele și permisivitatea mediului în care sunt situate sarcinile. Valoarea este numeric egală cu forța care acționează între două sarcini punctiforme fixe de 1 C fiecare situate în vid la o distanță de 1 m una de cealaltă.
Legea lui Coulomb este una dintre fundamentele experimentale ale electrodinamicii. Deschis în 1785
Una dintre legile de bază ale curentului electric: puterea unui curent electric continuu într-o secțiune de circuit este direct proporțională cu tensiunea de la capetele acestei secțiuni și invers proporțională cu rezistența acesteia. Valabil pentru conductori metalici și electroliți, a căror temperatură este menținută constantă. În cazul unui circuit complet, acesta se formulează astfel: puterea curentului electric continuu în circuit este direct proporțională cu fem-ul sursei de curent și invers proporțională cu impedanța circuitului electric.

Deschis în 1826 de G. S. Ohm.