Sheria za msingi za fizikia ni nini? Fizikia: dhana za kimsingi, kanuni, sheria. Sheria za kimsingi za fizikia ambazo mtu anapaswa kujua Sheria za kimsingi za fizikia ya kitambo

1.1. Ufafanuzi. Sheria za nadharia ya uhusiano na mechanics ya quantum, kulingana na ambayo harakati na mwingiliano wa chembe za msingi za jambo hufanyika, huamua mapema malezi na kuibuka kwa mifumo ya anuwai ya matukio yaliyosomwa na sayansi anuwai ya asili. Sheria hizi ni msingi wa teknolojia ya kisasa ya juu na kwa kiasi kikubwa huamua hali na maendeleo ya ustaarabu wetu. Kwa hiyo, ujuzi na misingi ya fizikia ya msingi ni muhimu si tu kwa wanafunzi, bali pia kwa watoto wa shule. Umiliki hai wa maarifa ya kimsingi juu ya muundo wa ulimwengu ni muhimu kwa mtu anayeingia maishani ili kupata nafasi yake katika ulimwengu huu na kuendelea na masomo yake kwa mafanikio.

1.2. Je, ni ugumu gani mkuu wa ripoti hii? Inashughulikiwa kwa wataalamu katika uwanja wa fizikia ya chembe na hadhira pana zaidi: wanafizikia wasio chembe, wanahisabati, wanakemia, wanabiolojia, wanasayansi wa nishati, wanauchumi, wanafalsafa, wanaisimu,... Ili kuwa sahihi vya kutosha, lazima nitumie. masharti na kanuni za fizikia ya kimsingi. Ili kueleweka, lazima nieleze kila wakati masharti na fomula hizi. Ikiwa fizikia ya chembe si utaalamu wako, soma kwanza sehemu zile tu ambazo mada zake hazijawekwa alama ya nyota. Kisha jaribu kusoma sehemu na nyota moja *, mbili **, na hatimaye tatu ***. Niliweza kuzungumza juu ya sehemu nyingi bila nyota wakati wa ripoti, lakini sikuwa na wakati wa mapumziko.

1.3. Fizikia ya chembe za msingi. Fizikia ya chembe ni msingi wa sayansi zote za asili. Anasoma chembe ndogo zaidi za maada na mifumo ya kimsingi ya mienendo na mwingiliano wao. Hatimaye, ni mifumo hii ambayo huamua tabia ya vitu vyote duniani na angani. Fizikia ya chembe inahusika na dhana za kimsingi kama vile nafasi na wakati; jambo; nishati, kasi na wingi; spin. (Wasomaji wengi wana wazo la nafasi na wakati, wanaweza kuwa wamesikia juu ya uhusiano kati ya wingi na nishati na hawajui ni nini kasi inayohusika nayo, na hakuna uwezekano wa kutambua jukumu muhimu zaidi la spin katika fizikia. kati yao wenyewe bado hawawezi kukubaliana juu ya kile wanachoweza kuwaita wataalamu wa mambo.) Fizikia ya chembe iliundwa katika karne ya 20. Uumbaji wake unahusishwa bila kutengana na uundaji wa nadharia mbili kuu zaidi katika historia ya mwanadamu: nadharia ya uhusiano na mechanics ya quantum. Vigezo muhimu vya nadharia hizi ni kasi ya mwanga c na Planck ya mara kwa mara h.

1.4. Nadharia ya uhusiano. Nadharia maalum ya uhusiano, ambayo ilitokea mwanzoni mwa karne ya 20, ilikamilisha usanisi wa idadi ya sayansi ambayo ilisoma matukio ya kitamaduni kama umeme, sumaku na macho, na kuunda mechanics kwa kasi ya miili kulinganishwa na kasi ya mwanga. (Mitambo ya zamani ya Newton isiyo ya uhusiano ilishughulika na kasi v<<c Kisha mnamo 1915 nadharia ya jumla ya uhusiano iliundwa, ambayo ilikusudiwa kuelezea mwingiliano wa mvuto, kwa kuzingatia kasi ya mwisho ya mwanga. c.

1.5. Mitambo ya quantum. Mechanics ya quantum, iliyoundwa katika miaka ya 1920, ilielezea muundo na mali ya atomi kulingana na sifa mbili za chembe za wimbi za elektroni. Alielezea anuwai kubwa ya matukio ya kemikali yanayohusiana na mwingiliano wa atomi na molekuli. Na ilifanya iwezekane kuelezea michakato ya utoaji na unyonyaji wa nuru nao. Kuelewa habari ambayo mwanga wa Jua na nyota hutuletea.

1.6. Nadharia ya uwanja wa Quantum. Mchanganyiko wa nadharia ya uhusiano na mechanics ya quantum ilisababisha kuundwa kwa nadharia ya uwanja wa quantum, ambayo inafanya uwezekano wa kuelezea mali muhimu zaidi ya suala kwa kiwango cha juu cha usahihi. Nadharia ya uwanja wa Quantum, kwa kweli, ni ngumu sana kuelezewa kwa watoto wa shule. Lakini katikati ya karne ya 20, lugha ya kuona ya michoro ya Feynman iliibuka, ambayo hurahisisha sana uelewa wa mambo mengi ya nadharia ya uwanja wa quantum. Mojawapo ya malengo makuu ya mazungumzo haya ni kuonyesha jinsi michoro ya Feynman inaweza kutumika kuelewa kwa urahisi anuwai ya matukio. Wakati huo huo, nitakaa kwa undani zaidi juu ya maswala ambayo hayajulikani kwa wataalam wote katika nadharia ya uwanja wa quantum (kwa mfano, juu ya uhusiano kati ya mvuto wa classical na quantum), na nitaelezea kwa ufupi maswala ambayo yanajadiliwa sana fasihi maarufu ya kisayansi.

1.7. Utambulisho wa chembe za msingi. Chembe za msingi ni chembe ndogo zaidi zisizoweza kugawanywa za jambo ambalo ulimwengu wote umejengwa. Sifa ya kushangaza zaidi ambayo hutofautisha chembe hizi kutoka kwa chembe zisizo za msingi, kwa mfano, nafaka za mchanga au shanga, ni kwamba chembe zote za msingi za aina moja, kwa mfano, elektroni zote kwenye Ulimwengu ni (!) sawa - kufanana. Na kama matokeo, hali zao rahisi zaidi - atomi na molekuli rahisi - zinafanana kwa kila mmoja.

1.8. Chembe sita za msingi. Ili kuelewa michakato ya kimsingi inayotokea Duniani na Jua, kama makadirio ya kwanza inatosha kuelewa michakato ambayo chembe sita hushiriki: elektroni. e, protoni uk, neutroni n na neutrino elektroni ν e , pamoja na photon γ na graviton g̃. Chembe nne za kwanza zina spin ya 1/2, photon ina spin ya 1, na graviton ina spin ya 2. (Chembe zenye mzunguko kamili huitwa bosons, chembe zilizo na nusu-integer spin zinaitwa fermions. Spin mapenzi ijadiliwe kwa undani zaidi hapa chini.) Protoni na nyutroni kwa kawaida huitwa nukleoni kwa sababu viini vya Atomiki hujengwa kutoka kwao, na kiini kwa Kiingereza ni kiini. Elektroni na neutrinos huitwa leptoni. Hawana mwingiliano mkali wa nyuklia.

Kutokana na mwingiliano dhaifu sana wa gravitons, haiwezekani kuchunguza mvuto wa mtu binafsi, lakini ni kwa njia ya chembe hizi kwamba mvuto hupatikana katika asili. Kama vile mwingiliano wa sumakuumeme unafanywa kupitia fotoni.

1.9. Antiparticles. Elektroni, protoni na nutroni zina kinachojulikana antiparticles: positron, antiproton na antineutron. Wao si sehemu ya jambo la kawaida, kwani wanapokutana na chembe zinazofanana, huingia katika athari za uharibifu wa pande zote - maangamizi. Kwa hivyo, elektroni na positroni huangamiza kwenye fotoni mbili au tatu. Photon na graviton ni chembe zisizo na upande wowote: zinapatana na antiparticles zao. Ikiwa neutrino ni chembe isiyoegemea upande wowote bado haijulikani.

1.10. Nucleons na quarks. Katikati ya karne ya 20, ikawa kwamba nucleons zenyewe zinajumuisha chembe za msingi - aina mbili za quarks, ambazo zinaashiria. u Na d: uk = uud, n = ddu. Mwingiliano kati ya quarks unafanywa na gluons. Anucleons imeundwa na antiquarks.

1.11. Vizazi vitatu vya fermions. Pamoja na u, d, e, e vikundi vingine viwili (au, kama wanasema, vizazi) vya quark na leptoni viligunduliwa na kusomwa: c, s, μ, ν μ na t, b, τ , ν τ . Chembe hizi hazijumuishwa katika utungaji wa suala la kawaida, kwa kuwa hazina utulivu na hutengana haraka katika chembe nyepesi za kizazi cha kwanza. Lakini walichukua jukumu muhimu katika dakika za kwanza za uwepo wa Ulimwengu.

Kwa ufahamu kamili zaidi na wa kina wa maumbile, tunahitaji chembe nyingi zaidi zilizo na mali isiyo ya kawaida zaidi. Lakini labda katika siku zijazo utofauti huu wote utapunguzwa kwa asili chache rahisi na nzuri.

1.12. Hadroni. Familia kubwa ya chembe zinazojumuisha quarks na/au antiquarks na gluons huitwa hadrons. Hadroni zote, isipokuwa nucleons, hazina msimamo na kwa hivyo sio sehemu ya jambo la kawaida.

Mara nyingi hadrons pia huainishwa kama chembe za msingi, kwani haziwezi kugawanywa katika quarks za bure na gluons. (Nilifanya vivyo hivyo, nikiainisha protoni na neutroni kama chembe sita za msingi.) Ikiwa hadroni zote zitachukuliwa kuwa za msingi, basi idadi ya chembe za msingi itapimwa katika mamia.

1.13. Mfano wa kawaida na aina nne za mwingiliano. Kama itakavyoelezwa hapa chini, chembe za msingi zilizoorodheshwa hapo juu zinawezesha, ndani ya mfumo wa kinachojulikana kama "Mfano wa Kawaida wa Chembe za Msingi," kuelezea michakato yote inayojulikana hadi sasa inayotokea katika asili kama matokeo ya mvuto, umeme, dhaifu na. mwingiliano wenye nguvu. Lakini ili kuelewa jinsi mbili za kwanza zinavyofanya kazi, chembe nne zinatosha: photon, graviton, elektroni na proton. Aidha, ukweli kwamba protoni lina u- Na d-quarks na gluons zinageuka kuwa zisizo na maana. Bila shaka, bila mwingiliano dhaifu na wenye nguvu haiwezekani kuelewa jinsi viini vya atomiki vimeundwa au jinsi Jua letu linavyofanya kazi. Lakini inawezekana kuelewa jinsi shells za atomiki, ambazo huamua mali zote za kemikali za vipengele, zimeundwa, jinsi umeme unavyofanya kazi na jinsi galaxi zinavyoundwa.

1.14. Zaidi ya inayojulikana. Tayari tunajua leo kwamba chembe na mwingiliano wa Modeli ya Kawaida haimalizi hazina za asili.

Imethibitishwa kuwa atomi na ioni za kawaida huunda tu chini ya 20% ya maada yote katika Ulimwengu, na zaidi ya 80% ni kinachojulikana kama mada ya giza, ambayo asili yake bado haijulikani. Imani iliyozoeleka zaidi ni kwamba jambo la giza lina chembechembe kuu. Inawezekana kwamba lina chembe za kioo.

Jambo la kushangaza zaidi ni kwamba maada yote, inayoonekana (mwanga) na giza, hubeba robo tu ya jumla ya nishati ya Ulimwengu. Robo tatu ni mali ya kinachojulikana kama nishati ya giza.

1.15. Chembe za msingi "e kwa kiwango fulani” ni za msingi. Wakati mwalimu wangu Isaac Yakovlevich Pomeranchuk alitaka kusisitiza umuhimu wa swali, alisema kwamba swali ni e kwa kiwango muhimu. Bila shaka, sayansi nyingi za asili, si fizikia ya chembe tu, ni za msingi. Kwa mfano, fizikia ya vitu vilivyofupishwa hutawaliwa na sheria za kimsingi ambazo zinaweza kutumika bila kuelewa jinsi zinavyofuata kutoka kwa sheria za fizikia ya chembe. Lakini sheria za uhusiano na mechanics ya quantum " e"kwa kiwango fulani cha msingi" kwa maana kwamba haziwezi kupingwa na sheria zozote za jumla kidogo.

1.16. Sheria za msingi. Michakato yote katika asili hutokea kama matokeo ya mwingiliano wa ndani na harakati (uenezi) wa chembe za msingi. Sheria za msingi zinazosimamia mienendo na mwingiliano huu ni za kawaida sana na rahisi sana. Wao ni msingi wa dhana ya ulinganifu na kanuni kwamba kila kitu kisichopingana na ulinganifu kinaweza na kinapaswa kutokea. Hapo chini, kwa kutumia lugha ya michoro ya Feynman, tutafuatilia jinsi hii inavyotekelezwa katika miingiliano ya chembe chembe za mvuto, sumakuumeme, hafifu na kali.

2. Chembe na maisha

2.1. Kuhusu ustaarabu na utamaduni. Mwanachama wa kigeni wa RAS Valentin Telegdi (1922-2006) alielezea: "Ikiwa WC (chumba cha maji) ni ustaarabu, basi uwezo wa kuitumia ni utamaduni."

Mfanyakazi wa ITEP A. A. Abrikosov Jr. aliniandikia hivi majuzi: “Mojawapo ya malengo ya ripoti yako ni kusadikisha hadhira kubwa juu ya uhitaji wa kufundisha fizikia ya kisasa kwa upana zaidi. Ikiwa ndivyo, basi labda ingefaa kutoa mifano michache ya kila siku. Ninachomaanisha ni hiki:

Tunaishi katika ulimwengu ambao, hata katika kiwango cha kila siku, hauwezi kufikiria bila quantum mechanics (QM) na nadharia ya uhusiano (TR). Simu za rununu, kompyuta, vifaa vyote vya elektroniki vya kisasa, bila kusahau taa za LED, leza za semiconductor (pamoja na viashiria), na maonyesho ya LCD kimsingi ni vifaa vya quantum. Haiwezekani kueleza jinsi wanavyofanya kazi bila dhana za msingi za CM. Unawezaje kuzielezea bila kutaja njia ya kupita?

Mfano wa pili, labda, najua kutoka kwako. Satellite navigators tayari imewekwa katika kila gari 10. Usahihi wa maingiliano ya saa katika mtandao wa satelaiti sio chini ya 10 -8 (hii inalingana na hitilafu ya utaratibu wa mita katika kuweka kitu kwenye uso wa Dunia). Usahihi huo unahitaji kuzingatia marekebisho ya matengenezo kwa kiwango cha saa kwenye satelaiti inayotembea. Wanasema kwamba wahandisi hawakuweza kuamini, hivyo vifaa vya kwanza vilikuwa na programu mbili: na bila marekebisho. Kama inageuka, programu ya kwanza inafanya kazi vizuri zaidi. Hapa kuna jaribio la nadharia ya uhusiano katika kiwango cha kila siku.

Bila shaka, kuzungumza kwenye simu, kuendesha gari na kugonga funguo za kompyuta inawezekana bila sayansi ya juu. Lakini wasomi hawapaswi kuwasihi watu wasisome jiografia, kwa sababu "kuna cabbies."

Na kisha watoto wa shule, na kisha wanafunzi, wamekuwa wakizungumza juu ya vidokezo vya nyenzo na uhusiano wa Kigalilaya kwa miaka mitano, na ghafla, bila sababu dhahiri, wanatangaza kwamba hii "sio kweli kabisa."

Ni vigumu kubadili kutoka kwa ulimwengu wa kuona wa Newton hadi ule wa quantum hata katika fizikia na teknolojia. Wako, AAA."

2.2. Kuhusu fizikia ya kimsingi na elimu. Kwa bahati mbaya, mfumo wa elimu ya kisasa ni karne nyuma ya fizikia ya kisasa ya kimsingi. Na watu wengi (pamoja na wanasayansi wengi) hawajui kuhusu picha (ramani) iliyo wazi na rahisi ajabu ya ulimwengu ambayo fizikia ya chembe imeunda. Ramani hii hurahisisha zaidi kuvinjari sayansi zote asilia. Madhumuni ya ripoti yangu ni kukushawishi kwamba baadhi ya vipengele (dhana) za fizikia ya chembe ya msingi, nadharia ya uhusiano na nadharia ya quantum inaweza na inapaswa kuwa msingi wa kufundisha masomo yote ya sayansi ya asili sio tu juu, lakini pia katika sekondari na hata. shule za msingi. Baada ya yote, dhana mpya kimsingi zinaeleweka kwa urahisi katika utoto. Mtoto anafahamu lugha kwa urahisi na anazoea kutumia simu ya rununu. Watoto wengi hurudisha mchemraba wa Rubik kwa hali yake ya asili katika suala la sekunde, lakini hata siku haitoshi kwangu.

Ili kuepuka mshangao usio na furaha katika siku zijazo, mtazamo wa ulimwengu wa kutosha lazima uanzishwe katika shule ya chekechea. Mara kwa mara c Na h inapaswa kuwa zana za utambuzi kwa watoto.

2.3. Kuhusu hisabati. Hisabati - malkia na mtumishi wa sayansi zote - kwa hakika inapaswa kutumika kama chombo kuu cha ujuzi. Inatoa dhana za kimsingi kama ukweli, uzuri, ulinganifu, mpangilio. Dhana ya sifuri na infinity. Hisabati hukufundisha kufikiri na kuhesabu. Fizikia ya kimsingi haiwezekani bila hisabati. Elimu haifikiriki bila hisabati. Bila shaka, inaweza kuwa mapema sana kusoma nadharia ya kikundi shuleni, lakini ni muhimu kufundisha kufahamu ukweli, uzuri, ulinganifu na utaratibu (na wakati huo huo ugonjwa fulani).

Ni muhimu sana kuelewa mpito kutoka kwa nambari halisi (halisi) (rahisi, ya busara, isiyo na maana) hadi ya kufikiria na ngumu. Pengine wanafunzi hao tu ambao wanataka kufanya kazi katika uwanja wa hisabati na fizikia ya kinadharia wanapaswa kujifunza nambari za hypercomplex (quaternions na octonions). Kwa mfano, sijawahi kutumia pweza katika kazi yangu. Lakini najua kwamba wanarahisisha kuelewa kile wanafizikia wengi wa kinadharia wanaona kuwa kundi la ulinganifu la kuahidi na la kipekee, E 8 .

2.4. Kuhusu mtazamo wa ulimwengu na sayansi ya asili. Wazo la sheria za msingi zinazoongoza ulimwengu ni muhimu katika sayansi zote za asili. Bila shaka, fizikia ya hali dhabiti, kemia, biolojia, sayansi ya Dunia, na unajimu zina dhana, mbinu na matatizo yao mahususi. Lakini ni muhimu sana kuwa na ramani ya jumla ya dunia na ufahamu kwamba kwenye ramani hii kuna maeneo mengi tupu ya haijulikani. Ni muhimu sana kuelewa kwamba sayansi si fundisho la uwongo, lakini mchakato hai wa kukaribia ukweli katika sehemu nyingi kwenye ramani ya ulimwengu. Kukaribia ukweli ni mchakato usio na dalili.

2.5. Kuhusu upunguzaji wa kweli na mbaya. Wazo kwamba miundo ngumu zaidi katika asili inaundwa na miundo isiyo ngumu zaidi na, hatimaye, ya vipengele rahisi zaidi inaitwa kupunguza. Kwa maana hii, ninachojaribu kukushawishi ni kupunguza. Lakini upunguzaji wa uchafu, ambao unadai kwamba sayansi zote zinaweza kupunguzwa kwa fizikia ya chembe za msingi, haikubaliki kabisa. Katika kila ngazi ya juu zaidi ya utata, mifumo yake mwenyewe huundwa na kuibuka. Ili kuwa mwanabiolojia mzuri, hauitaji kujua fizikia ya chembe. Lakini kuelewa nafasi yake na jukumu katika mfumo wa sayansi, kuelewa jukumu muhimu la mara kwa mara c Na h muhimu. Baada ya yote, sayansi kwa ujumla ni kiumbe kimoja.

2.6. Kuhusu ubinadamu na sayansi ya kijamii. Uelewa wa jumla wa muundo wa ulimwengu ni muhimu sana kwa uchumi, historia, sayansi ya utambuzi, kama vile sayansi ya lugha, na falsafa. Na kinyume chake - sayansi hizi ni muhimu sana kwa fizikia ya kimsingi yenyewe, ambayo husasisha dhana zake za kimsingi kila wakati. Hii itakuwa wazi kutokana na mjadala wa nadharia ya uhusiano, ambayo sasa nitageuka. Nitasema hasa juu ya sayansi ya sheria, ambayo ni muhimu sana kwa ustawi (bila kutaja kuendelea) kwa sayansi ya asili. Nina hakika kwamba sheria za kijamii hazipaswi kupingana na sheria za kimsingi za asili. Sheria za kibinadamu hazipaswi kupingana na Sheria za Kimungu za Asili.

2.7. Micro-, Macro-, Cosmo-. Dunia yetu ya kawaida ya kubwa, lakini si gigantic, mambo ni kawaida inaitwa macroworld. Ulimwengu wa vitu vya mbinguni unaweza kuitwa ulimwengu wa ulimwengu, na ulimwengu wa chembe za atomiki na subatomic huitwa microworld. (Kwa kuwa saizi za atomi ziko kwenye mpangilio wa 10−10 m, microcosm inamaanisha vitu angalau 4, au hata maagizo 10 ya ukubwa mdogo kuliko mikromita, na maagizo 1-7 ya ukubwa chini ya nanomita. Nano ya mtindo mkoa iko chini ya barabara kutoka kwa micro hadi jumla.) Katika karne ya 20, kinachojulikana kama Standard Model ya chembe za msingi ilijengwa, ambayo inakuwezesha kuelewa kwa urahisi na kwa uwazi sheria nyingi za jumla na za cosmic kulingana na sheria ndogo.

2.8. Mifano zetu. Mifano katika fizikia ya kinadharia hujengwa kwa kutupilia mbali hali zisizohusika. Kwa mfano, katika fizikia ya atomiki na nyuklia, mwingiliano wa mvuto wa chembe ni kidogo na unaweza kupuuzwa. Mtindo huu wa ulimwengu unafaa katika nadharia maalum ya uhusiano. Katika mfano huu kuna atomi, molekuli, miili iliyofupishwa, ... kasi na colliders, lakini hakuna Jua na nyota.

Mfano kama huo bila shaka hautakuwa sahihi kwa mizani kubwa sana ambapo mvuto ni muhimu.

Kwa kweli, uwepo wa Dunia (na kwa hivyo mvuto) ni muhimu kwa uwepo wa CERN, lakini kwa kuelewa idadi kubwa ya majaribio yaliyofanywa huko CERN (isipokuwa utaftaji wa "mashimo meusi" kwenye mgongano), mvuto. sio muhimu.

2.9. Maagizo ya ukubwa. Moja ya ugumu wa kuelewa mali ya chembe za msingi ni kwa sababu ya ukweli kwamba ni ndogo sana na kuna mengi yao. Kuna idadi kubwa ya atomi kwenye kijiko cha maji (takriban 10 23). Idadi ya nyota katika sehemu inayoonekana ya Ulimwengu sio kidogo sana. Hakuna haja ya kuogopa idadi kubwa. Baada ya yote, kuzishughulikia sio ngumu, kwani kuzidisha nambari kunakuja chini hasa kwa kuongeza maagizo yao: 1 = 10 0, 10 = 10 1, 100 = 10 2. Zidisha 10 kwa 100, tunapata 10 1+2 = 10 3 = 1000.

2.10. Tone la mafuta. Ikiwa tone la mafuta yenye kiasi cha mililita 1 imeshuka juu ya uso wa maji, itakuwa giza kwenye eneo la rangi ya upinde wa mvua na eneo la karibu mita za mraba kadhaa na unene wa nanometers mia moja. Hii ni oda tatu tu za ukubwa kubwa kuliko saizi ya atomi. Na unene wa filamu ya Bubble ya sabuni katika maeneo nyembamba zaidi ni juu ya utaratibu wa ukubwa wa molekuli.

2.11. Joule. Betri ya kawaida ya AA ina voltage ya 1.5 volts (V) na ina 10 4 joules (J) ya nishati ya umeme. Acha nikukumbushe kwamba 1 J = 1 coulomb × 1 V, na pia kwamba 1 J = kg m 2 / s 2 na kwamba kuongeza kasi ya mvuto ni takriban 10 m / s 2. Kwa hivyo joule 1 hukuruhusu kuinua kilo 1 hadi urefu wa cm 10, na 10 4 J itainua kilo 100 hadi mita 10. Hivi ndivyo nishati inayotumiwa na lifti kumpeleka mtoto wa shule kwenye ghorofa ya kumi. Hivi ndivyo nishati iliyo kwenye betri.

2.12. Electrovolts. Kitengo cha nishati katika fizikia ya chembe ni elektroni (eV): nishati ya eV 1 hupatikana kwa elektroni 1 kupitia tofauti inayoweza kutokea ya volti 1. Kwa kuwa kuna elektroni 6.24 × 10 18 katika coulomb moja, basi 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.

Acha nikukumbushe kwamba nishati ya protoni moja katika CERN Large Hadron Collider inapaswa kuwa sawa na 7 TeV.

3. Kuhusu nadharia ya uhusiano

3.1. Miundo ya kumbukumbu. Tunaelezea majaribio yetu yote katika sura moja ya marejeleo au nyingine. Mfumo wa kumbukumbu unaweza kuwa maabara, treni, satelaiti ya Dunia, katikati ya galaksi... . Mfumo wa kumbukumbu unaweza kuwa chembe yoyote ya kuruka, kwa mfano, katika kuongeza kasi ya chembe. Kwa kuwa mifumo hii yote husogea kulingana na kila mmoja, sio majaribio yote yataonekana sawa ndani yao. Kwa kuongeza, ushawishi wa mvuto wa miili kubwa ya karibu pia ni tofauti. Ni kuzingatia tofauti hizi ambazo hujumuisha maudhui kuu ya nadharia ya uhusiano.

3.2. Meli ya Galileo. Galileo alibuni kanuni ya uhusiano, akielezea kwa rangi kila aina ya majaribio kwenye kabati la meli inayosafiri kwa urahisi. Ikiwa madirisha yamefungwa, haiwezekani kujua kwa msaada wa majaribio haya jinsi meli inavyosonga haraka na ikiwa imesimama. Einstein aliongeza kasi ya mwisho ya majaribio ya mwanga kwenye jumba hili. Ikiwa hutaangalia nje ya dirisha, huwezi kujua kasi ya meli. Lakini ukiangalia pwani, unaweza.

3.3. Nyota za mbali*. Inaleta maana kutoa muundo wa marejeleo kuhusiana na ambao watu wanaweza kuunda matokeo ya majaribio yao, bila kujali walipo. Mfumo ambao nyota za mbali hazina mwendo umekubaliwa kwa muda mrefu kama mfumo wa marejeleo wa ulimwengu wote. Na hivi karibuni (nusu karne iliyopita) hata quasars za mbali zaidi ziligunduliwa na ikawa kwamba katika mfumo huu msingi wa microwave unapaswa kuwa isotropic.

3.4. Katika kutafuta mfumo wa marejeleo wa wote*. Kimsingi, historia nzima ya unajimu ni mwendelezo kuelekea mfumo wa marejeleo unaozidi kuwa wa ulimwengu wote. Kutoka kwa anthropocentric, ambapo mwanadamu yuko katikati, hadi geocentric, ambapo Dunia inakaa katikati (Ptolemy, 87-165), hadi heliocentric, ambapo Jua linakaa katikati (Copernicus, 1473-1543), hadi galacentric, ambapo katikati ya Galaxy yetu inakaa, kwa nebular, ambapo mfumo wa nebulae - nguzo za galaxi zinakaa; kwa nyuma, ambapo asili ya microwave ya cosmic ni isotropic. Ni muhimu, hata hivyo, kwamba kasi ya mifumo hii ya kumbukumbu ni ndogo ikilinganishwa na kasi ya mwanga.

3.5. Copernicus, Kepler, Galileo, Newton*. Katika kitabu cha Nicolaus Copernicus "On the Rotations of the Celestial Spheres," kilichochapishwa mnamo 1543, inasemekana: "Harakati zote zinazoonekana kwenye Jua sio za kipekee kwake, lakini ni za Dunia na nyanja yetu, pamoja nayo. tunalizunguka Jua, kama sayari nyingine yoyote; hivyo Dunia ina mienendo kadhaa. Harakati zinazoonekana za mbele na nyuma za sayari sio zao, lakini za Dunia. Kwa hivyo, harakati hii pekee inatosha kuelezea idadi kubwa ya dosari zinazoonekana angani.

Copernicus na Kepler (1571-1630) walitoa maelezo rahisi ya kifenomenolojia ya kinematics ya harakati hizi. Galileo (1564–1642) na Newton (1643–1727) walieleza mienendo yao.

3.6. Nafasi na wakati wa ulimwengu wote*. Viwianishi vya anga na wakati, vinavyorejelewa kwa mfumo wa marejeleo wa ulimwengu wote, vinaweza kuitwa zima au kabisa kwa upatanifu kamili na nadharia ya uhusiano. Ni muhimu tu kusisitiza kwamba uchaguzi wa mfumo huu unafanywa na kukubaliana na waangalizi wa ndani. Mfumo wowote wa kumbukumbu ambao unaendelea kusonga mbele kuhusiana na mfumo wa ulimwengu wote ni wa inertial: ndani yake harakati za bure ni sare na rectilinear.

3.7. "Nadharia ya kutofautiana"*. Kumbuka kwamba Albert Einstein (1879-1955) na Max Planck (1858-1947) (ambaye alianzisha neno "nadharia ya uhusiano" mwaka wa 1907, akimaanisha nadharia iliyotolewa na Einstein mwaka wa 1905) waliamini kuwa neno "utofauti wa nadharia" inaweza kuonyesha kwa usahihi zaidi kiini chake. Lakini, inaonekana, mwanzoni mwa karne ya 20 ilikuwa muhimu zaidi kusisitiza uhusiano wa dhana kama vile wakati na samtidiga katika mifumo sawa ya kumbukumbu ya inertial kuliko kutenga moja ya mifumo hii. Jambo muhimu zaidi ni kwamba kwa madirisha ya cabin ya Galileo iliyofunikwa, haikuwezekana kuamua kasi ya meli. Lakini sasa ni wakati wa kufungua mapazia na kuangalia pwani. Katika kesi hii, bila shaka, mifumo yote iliyoanzishwa na mapazia imefungwa itabaki bila kutetemeka.

3.8. Barua kwa Chimmer*. Mnamo 1921, Einstein, katika barua kwa E. Chimmer, mwandishi wa kitabu “Philosophical Letters,” aliandika hivi: “Kuhusu neno “nadharia ya uhusiano,” ninakubali kwamba ni jambo la kusikitisha na linaongoza kwenye kutoelewana kwa kifalsafa. Lakini, kulingana na Einstein, imechelewa sana kuibadilisha, haswa kwa sababu imeenea. Barua hii ilichapishwa katika juzuu ya 12 ya juzuu 25 "Kazi Zilizokusanywa za Einstein," iliyochapishwa huko Princeton, iliyochapishwa mwishoni mwa 2009.

3.9. Upeo wa kasi katika asili. Msingi wa mara kwa mara wa nadharia ya uhusiano ni kasi ya mwanga c= 300,000 km/s = 3 × 10 8 m/s. (Kwa usahihi zaidi, c= 299,792,458 m/s. Na nambari hii sasa inasisitiza ufafanuzi wa mita.) Kasi hii ni kasi ya juu ya uenezi wa ishara yoyote katika asili. Inazidi kasi ya vitu vikubwa ambavyo tunashughulikia kila siku kwa maagizo mengi ya ukubwa. Ni thamani yake kubwa isiyo ya kawaida ambayo inazuia uelewa wa yaliyomo kuu ya nadharia ya uhusiano. Chembe zinazotembea kwa kasi kwa mpangilio wa kasi ya mwanga huitwa relativistic.

3.10. Nishati, kasi na kasi. Harakati ya bure ya chembe ina sifa ya nishati ya chembe E na msukumo wake uk. Kulingana na nadharia ya uhusiano, kasi ya chembe v imedhamiriwa na formula

Moja ya sababu kuu za mkanganyiko wa istilahi unaojadiliwa katika Kifungu. 3.14, ni kwamba wakati wa kuunda nadharia ya uhusiano walijaribu kuhifadhi uhusiano wa Newton kati ya kasi na kasi. uk = mv, ambayo inapingana na nadharia ya uhusiano.

3.11. Uzito. Misa ya chembe m imedhamiriwa na formula

Wakati nishati na kasi ya chembe hutegemea sura ya kumbukumbu, ukubwa wa wingi wake m haitegemei mfumo wa kumbukumbu. Ni hali isiyobadilika. Kanuni za (1) na (2) ni za msingi katika nadharia ya uhusiano.

Ajabu ya kutosha, monograph ya kwanza juu ya nadharia ya uhusiano, ambayo fomula (2) ilionekana, ilichapishwa tu mnamo 1941. Ilikuwa "Nadharia za Ushamba" na L. Landau (1908-1968) na E. Lifshitz (1915-1985) . Sikuipata katika kazi yoyote ya Einstein. Haipatikani katika kitabu cha ajabu cha "Nadharia ya Uhusiano" na W. Pauli (1900-1958), iliyochapishwa mwaka wa 1921. Lakini mlingano wa wimbi la relativistic iliyo na fomula hii ilikuwa katika kitabu "Principles of Quantum Mechanics" cha P. Dirac. , iliyochapishwa mwaka wa 1930 (1902–1984), na hata mapema zaidi katika makala za 1926 na O. Klein (1894–1977) na V. Fock (1898–1974).

3.12. Fotoni isiyo na wingi. Ikiwa wingi wa chembe ni sifuri, i.e. chembe haina wingi, basi kutoka kwa fomula (1) na (2) inafuata kwamba katika muundo wowote wa marejeleo kasi yake ni sawa na c. Kwa kuwa wingi wa chembe ya mwanga - fotoni - ni ndogo sana kwamba haiwezi kugunduliwa, inakubaliwa kwa ujumla kuwa ni sawa na sifuri na kwamba. c- hii ni kasi ya mwanga.

3.13. Nishati ya kupumzika. Ikiwa wingi wa chembe ni tofauti na sifuri, basi fikiria sura ya kumbukumbu ambayo chembe ya bure imepumzika na v = 0, uk= 0. Kiunzi kama hicho cha marejeleo kinaitwa fremu iliyosalia ya chembe, na nishati ya chembe katika fremu hii inaitwa nishati iliyobaki na inaashiria E 0. Kutoka kwa formula (2) inafuata hiyo

Njia hii inaelezea uhusiano kati ya nishati iliyobaki ya chembe kubwa na misa yake, iliyogunduliwa na Einstein mnamo 1905.

3.14. "Mfumo maarufu zaidi." Kwa bahati mbaya, mara nyingi formula ya Einstein imeandikwa katika mfumo wa "fomula maarufu zaidi E = mc 2”, ikiacha faharisi ya sifuri ya nishati iliyobaki, ambayo husababisha kutokuelewana na machafuko mengi. Baada ya yote, "formula hii maarufu" inabainisha nishati na wingi, ambayo inapingana na nadharia ya uhusiano kwa ujumla na formula (2) hasa. Kutoka kwa hiyo inafuata dhana potofu iliyoenea kwamba wingi wa mwili, kulingana na nadharia ya uhusiano, inadaiwa huongezeka kwa kasi inayoongezeka. Katika miaka ya hivi karibuni, Chuo cha Elimu cha Urusi kimefanya mengi ili kuondoa dhana hii potofu.

3.15. Kitengo cha kasi*. Katika nadharia ya uhusiano, ambayo inahusika na kasi kulinganishwa na kasi ya mwanga, ni kawaida kuchagua. c kama kitengo cha kasi. Chaguo hili hurahisisha fomula zote, kwani c/c= 1, na zinapaswa kuwekwa c= 1. Katika kesi hii, kasi inakuwa wingi usio na kipimo, umbali una mwelekeo wa wakati, na wingi una mwelekeo wa nishati.

Katika fizikia ya chembe, misa ya chembe kawaida hupimwa kwa elektroni - eV na viambajengo vyake (ona Sehemu ya 2.14). Uzito wa elektroni ni karibu 0.5 MeV, wingi wa protoni ni karibu 1 GeV, wingi wa quark nzito zaidi ni kuhusu 170 GeV, na wingi wa neutrino ni karibu sehemu ya eV.

3.16. Umbali wa astronomia*. Katika astronomia, umbali hupimwa kwa miaka ya mwanga. Ukubwa wa sehemu inayoonekana ya Ulimwengu ni karibu miaka bilioni 14 ya mwanga. Nambari hii ni ya kuvutia zaidi inapolinganishwa na muda wa 10 -24 s, ambapo mwanga husafiri umbali kwa mpangilio wa saizi ya protoni. Na katika safu hii kubwa ya nadharia ya uhusiano hufanya kazi.

3.17. Ulimwengu wa Minkowski. Mnamo 1908, miezi michache kabla ya kifo chake kisichotarajiwa, Hermann Minkowski (1864-1909) alisema kwa unabii: "Maoni juu ya anga na wakati ambayo ninakusudia kukuza kabla yako yaliibuka kwa msingi wa majaribio. Hii ndio nguvu yao. Mwelekeo wao ni mkali. Kuanzia sasa na kuendelea, nafasi yenyewe na wakati yenyewe lazima igeuke kuwa hadithi, na ni aina fulani tu ya mchanganyiko wa zote mbili lazima zihifadhi uhuru.

Karne moja baadaye, tunajua kuwa wakati na nafasi hazijakuwa hadithi za uwongo, lakini wazo la Minkowski lilifanya iwezekane kuelezea kwa urahisi sana mienendo na mwingiliano wa chembe za jambo.

3.18. Ulimwengu wa pande nne*. Katika vitengo ambavyo c= 1, wazo la ulimwengu wa Minkowski, ambao unachanganya wakati na nafasi tatu-dimensional katika ulimwengu mmoja wa nne-dimensional, inaonekana nzuri sana. Nishati na kasi zimeunganishwa kuwa vekta moja yenye mwelekeo-nne, na wingi, kwa mujibu wa mlinganyo (2), hutumika kama urefu wa ulaghai wa Euclidean wa vekta hii ya nishati-kasi 4. uk = E, uk:

Njia ya nne-dimensional katika ulimwengu wa Minkowski inaitwa mstari wa dunia, na pointi za mtu binafsi huitwa pointi za dunia.

3.19. Utegemezi wa saa kwa kasi yake**. Uchunguzi mwingi unaonyesha kuwa saa hukimbia haraka sana zikiwa zimepumzika ikilinganishwa na fremu isiyo na hewa. Mwendo uliokamilika katika mfumo wa marejeleo wa inertial hupunguza kasi ya maendeleo yao. Kadiri wanavyosonga angani, ndivyo wanavyoenda polepole kwa wakati. Kupunguza kasi ni kamili katika mfumo wa kumbukumbu wa ulimwengu wote (tazama sehemu 3.1–3.8). Kipimo chake ni uwiano E/m, ambayo mara nyingi huonyeshwa kwa herufi γ.

3.20. Muons katika accelerator pete na katika mapumziko**. Uwepo wa mteremko huu unaweza kuonekana kwa uwazi zaidi kwa kulinganisha maisha ya muon katika mapumziko na muon kuzunguka katika kichapuzi cha pete. Ukweli kwamba katika accelerator muon haisogei kwa uhuru kabisa, lakini ina kasi ya katikati. ω 2 R, Wapi ω ni mzunguko wa radial wa mzunguko, na R- radius ya orbital, inatoa tu marekebisho ya kupuuza, tangu E/ω 2 R = ER>> 1. Mwendo katika mduara, na si kwa mstari wa moja kwa moja, ni muhimu kabisa kwa kulinganisha moja kwa moja ya muon inayozunguka na moja ya stationary. Lakini kuhusu kiwango cha kuzeeka cha muon inayohamia, arc ya mviringo ya radius kubwa ya kutosha haiwezi kutofautishwa na mstari wa moja kwa moja. Tempo hii imedhamiriwa na uwiano E/m. (Ninasisitiza kwamba kulingana na nadharia maalum ya uhusiano, sura ya marejeleo ambayo muon anayezunguka amepumzika sio ya inertial.)

3.21. Arc na chord**. Kutoka kwa mtazamo wa mtazamaji aliyepumzika katika sura ya kumbukumbu ya inertial, arc ya mviringo ya radius kubwa ya kutosha na chord yake ni kivitendo kutofautishwa: mwendo kando ya arc ni karibu inertial. Kwa mtazamo wa mtazamaji aliyepumzika kuhusiana na muon anayeruka kwenye mduara, mwendo wake kimsingi sio wa inertial. Baada ya yote, kasi yake inabadilika ishara kwa zamu ya nusu. (Kwa mtazamaji anayesonga, nyota za mbali hazisongi kwa njia yoyote. Ulimwengu wote hauna ulinganifu kwake: nyota zilizo mbele ni bluu na nyuma ni nyekundu. Wakati kwetu sisi zote ni sawa - dhahabu, kwa sababu kasi ya jua. mfumo ni mdogo.) Na kutokujitolea kwa mwangalizi huyu kunadhihirika kwa kuwa makundi ya nyota mbele na nyuma hubadilika kadiri muon anavyosogea kwenye kiongeza kasi cha pete. Hatuwezi kufikiria watazamaji wakiwa wamepumzika na watazamaji wanaotembea kuwa sawa, kwa kuwa wa kwanza hana kasi yoyote, na wa pili, ili kurudi mahali pa mkutano, lazima apate uzoefu huo.

3.22. GTO**. Wanafizikia wa kinadharia, waliozoea lugha ya Nadharia ya Jumla ya Uhusiano (GTR), wanasisitiza kwamba viunzi vyote vya marejeleo ni sawa. Sio tu inertial, lakini pia kasi. Wakati huo wa nafasi yenyewe umepinda. Katika hali hii, mwingiliano wa mvuto hukoma kuwa mwingiliano wa kimwili kama wa sumakuumeme, dhaifu na wenye nguvu, lakini huwa dhihirisho la kipekee la nafasi iliyojipinda. Kama matokeo, fizikia yote kwao inaonekana kugawanywa katika sehemu mbili. Ikiwa tunaendelea kutokana na ukweli kwamba kuongeza kasi ni daima kutokana na kuingiliana, kwamba sio jamaa, lakini kabisa, basi fizikia inakuwa umoja na rahisi.

3.23. "Lenkom". Matumizi ya maneno "uhusiano" na "relativism" kuhusiana na kasi ya mwanga ni kukumbusha jina la ukumbi wa michezo wa Lenkom au gazeti la Moskovsky Komsomolets, tu kuhusiana nasaba na Komsomol. Hivi ndivyo vitendawili vya lugha. Kasi ya mwanga katika utupu sio jamaa. Yeye ni kabisa. Wanafizikia wanahitaji tu msaada kutoka kwa wataalamu wa lugha.

4. Kuhusu nadharia ya quantum

4.1. Planck ni mara kwa mara. Ikiwa katika nadharia ya relativity mara kwa mara muhimu ni kasi ya mwanga c, basi katika mechanics ya quantum ufunguo wa kudumu ni h= 6.63 · 10 −34 J· s, iliyogunduliwa na Max Planck mwaka wa 1900. Maana ya kimwili ya hii mara kwa mara itakuwa wazi kutokana na uwasilishaji unaofuata. Kwa sehemu kubwa, kinachojulikana kama kupunguzwa kwa Planck mara kwa mara huonekana katika fomula za mechanics ya quantum:

ħ = h/2π= 1.05 10 −34 J × c= 6.58 · 10 −22 MeV · c.

Katika matukio mengi, wingi una jukumu muhimu ħc= 1.97 · 10−11 MeV cm.

4.2. Mzunguko wa elektroni. Wacha tuanze na ulinganisho unaojulikana wa atomi na mfumo wa sayari. Sayari huzunguka Jua na kuzunguka mhimili wao wenyewe. Vile vile, elektroni huzunguka kwenye kiini na kuzunguka mhimili wao wenyewe. Mzunguko wa elektroni katika mzunguko wake unaonyeshwa na kasi ya angular ya obiti L(mara nyingi na si kwa usahihi kabisa inayoitwa kasi ya angular ya orbital). Mzunguko wa elektroni karibu na mhimili wake unaonyeshwa na kasi yake ya angular - spin S. Ilibainika kuwa elektroni zote ulimwenguni zina mzunguko sawa na (1/2) ħ . Kwa kulinganisha, tunaona kwamba "spin" ya Dunia ni 6 10 33 m 2 kg / s = 6 10 67 ħ .

4.3. Atomu ya hidrojeni. Kwa kweli, atomi si mfumo wa sayari, na elektroni si chembe ya kawaida inayotembea katika obiti. Elektroni, kama chembe nyingine zote za msingi, sio chembe hata kidogo katika maana ya kila siku ya neno, ambayo ina maana kwamba chembe lazima iende kwenye trajectory fulani. Katika atomi rahisi zaidi - atomi ya hidrojeni, ikiwa iko katika hali yake ya chini, i.e. haijasisimka, elektroni badala yake inafanana na wingu la duara na eneo la mpangilio wa 0.5 × 10 -10 m. Wakati chembe inasisimka, elektroni huenda katika majimbo ya juu zaidi, kuwa na ukubwa unaozidi kuwa mkubwa.

4.4. Nambari za quantum za elektroni. Bila kuzingatia mzunguko, mwendo wa elektroni katika atomi unaonyeshwa na nambari mbili za quantum: nambari kuu ya quantum. n na nambari ya quantum ya orbital l, na n ≥ l. Kama l= 0, basi elektroni ni wingu spherically linganifu. N kubwa, ndivyo saizi kubwa ya wingu hili. zaidi l, zaidi mwendo wa elektroni unafanana na mwendo wa chembe ya classical katika obiti yake. Nishati ya kuunganisha ya elektroni iliyo katika atomi ya hidrojeni kwenye ganda yenye nambari ya quantum n, ni sawa

Wapi α =e 2/ħc≈ 1/137, a e- malipo ya elektroni.

4.5. Atomi nyingi za elektroni. Spin ina jukumu muhimu katika kujaza makombora ya elektroni ya atomi za elektroni nyingi. Ukweli ni kwamba elektroni mbili zilizo na mzunguko wa kibinafsi unaoelekezwa sawa (mizunguko sawa) haziwezi kuwa kwenye ganda moja na maadili haya. n Na l. Hii imekatazwa na ile inayoitwa kanuni ya Pauli (1900–1958). Kimsingi, kanuni ya Pauli huamua vipindi vya Jedwali la Vipengee la Periodic la Mendeleev (1834-1907).

4.6. Bosons na fermions. Chembe zote za msingi zina spin. Kwa hivyo, mzunguko wa fotoni ni 1 kwa vitengo ħ , mzunguko wa graviton ni 2. Chembe zilizo na msokoto kamili katika vitengo ħ wanaitwa bosons. Chembe zilizo na nusu-integer spin huitwa fermions. Bosons ni wanaharakati wa pamoja: "wanajitahidi wote kuishi katika chumba kimoja," kuwa katika hali sawa ya quantum. Laser inategemea mali hii ya fotoni: fotoni zote kwenye boriti ya laser zina msukumo sawa. Fermions ni watu binafsi: "kila mmoja wao anahitaji nyumba tofauti." Mali hii ya elektroni huamua mifumo ya kujaza shells za elektroni za atomi.

4.7. "Quantum Centaurs". Chembe za msingi ni kama quantum centaurs: nusu-chembe ni nusu-mawimbi. Kutokana na mali zao za wimbi, quantum centaurs, tofauti na chembe za classical, zinaweza kupitia slits mbili mara moja, na kusababisha muundo wa kuingilia kati kwenye skrini nyuma yao. Majaribio yote ya kutosheleza quantum centaurs kwenye kitanda cha Procrustean ya dhana ya fizikia ya kitambo yamethibitika kutozaa matunda.

4.8. Mahusiano ya kutokuwa na uhakika. Mara kwa mara ħ huamua sifa za sio tu za mzunguko, lakini pia mwendo wa kutafsiri wa chembe za msingi. Kutokuwa na uhakika katika nafasi na kasi ya chembe lazima kukidhi kinachojulikana kama uhusiano wa kutokuwa na uhakika wa Heisenberg (1901-1976), kama vile.

Uhusiano sawa upo kwa nishati na wakati:

4.9. Mitambo ya quantum. Ukadiriaji na uhusiano wa kutokuwa na uhakika ni dhihirisho maalum la sheria za jumla za mechanics ya quantum, iliyoundwa katika miaka ya 20 ya karne ya 20. Kulingana na mechanics ya quantum, chembe yoyote ya msingi, kwa mfano, elektroni, ni chembe ya msingi na wimbi la msingi (chembe moja). Kwa kuongezea, tofauti na wimbi la kawaida, ambalo ni harakati ya mara kwa mara ya idadi kubwa ya chembe, wimbi la msingi ni aina mpya, isiyojulikana hapo awali ya harakati ya chembe ya mtu binafsi. Urefu wa msingi wa wimbi λ ya chembe yenye kasi uk sawa na λ = h/|uk|, na mzunguko wa msingi ν , sambamba na nishati E, ni sawa ν = E/h.

4.10. Nadharia ya uwanja wa Quantum. Kwa hivyo, mwanzoni tulilazimika kukubali kwamba chembe zinaweza kuwa nyepesi kiholela na hata zisizo na wingi, na kwamba kasi yao haiwezi kuzidi. c. Kisha tulilazimika kukubali kwamba chembe sio chembe hata kidogo, lakini mahuluti ya pekee ya chembe na mawimbi, tabia ambayo inaunganishwa na quantum. h. Muunganisho wa uhusiano na mechanics wa quantum ulifanywa na Dirac (1902-1984) mnamo 1930 na kupelekea kuundwa kwa nadharia inayoitwa nadharia ya uwanja wa quantum. Nadharia hii ndiyo inayoeleza sifa za kimsingi za maada.

4.11. Vitengo ambavyo c, ħ = 1. Katika kile kinachofuata, kama sheria, tutatumia vitengo ambavyo kitengo cha kasi kinachukuliwa kuwa c, na kwa kila kitengo cha kasi ya angular (hatua) - ħ . Katika vitengo hivi, fomula zote hurahisishwa kwa kiasi kikubwa. Ndani yao, hasa, vipimo vya nishati, wingi na mzunguko ni sawa. Vitengo hivi vinakubaliwa katika fizikia ya nishati ya juu, kwani matukio ya quantum na relativistic ni muhimu ndani yake. Katika hali ambapo ni muhimu kusisitiza asili ya quantum ya jambo fulani, tutaandika kwa uwazi. ħ . Tutafanya vivyo hivyo na c.

4.12. Einstein na quantum mechanics*. Einstein, kwa maana, baada ya kuzaa mechanics ya quantum, hakujipatanisha nayo. Na hadi mwisho wa maisha yake alijaribu kujenga "nadharia ya umoja wa kila kitu" kulingana na nadharia ya uwanja wa classical, akipuuza. ħ . Einstein aliamini katika uamuzi wa kitamaduni na kutokubalika kwa nasibu. Alirudia kusema hivi kuhusu Mungu: “Yeye hachezi kete.” Na hakuweza kukubaliana na ukweli kwamba mara moja ya kuoza kwa chembe ya mtu binafsi haiwezi, kimsingi, kutabiriwa, ingawa wastani wa maisha ya aina fulani ya chembe hutabiriwa ndani ya mfumo wa mechanics ya quantum kwa usahihi usio na kifani. Kwa bahati mbaya, upendeleo wake uliamua maoni ya watu wengi sana.

5. Michoro ya Feynman

5.1. Mchoro rahisi zaidi. Mwingiliano wa chembe unaweza kutazamwa kwa urahisi kwa kutumia michoro iliyopendekezwa na Richard Feynman (1918-1988) mnamo 1949. Katika Mtini. Mchoro wa 1 unaonyesha mchoro rahisi zaidi wa Feynman unaoelezea mwingiliano wa elektroni na protoni kupitia ubadilishanaji wa fotoni.

Mishale katika takwimu inaonyesha mwelekeo wa mtiririko wa wakati kwa kila chembe.

5.2. Chembe halisi. Kila mchakato unawakilishwa na mchoro mmoja au zaidi wa Feynman. Mistari ya nje kwenye mchoro inalingana na chembe zinazoingia (kabla ya mwingiliano) na zinazotoka (baada ya mwingiliano) ambazo ni za bure. P yao ya 4-momenta inakidhi mlinganyo

Wanaitwa chembe halisi na inasemekana kuwa juu ya uso wa molekuli.

5.3. Chembe za mtandaoni. Mistari ya ndani ya michoro inalingana na chembe katika hali pepe. Kwa ajili yao

Zinaitwa chembe pepe na inasemekana kuwa nje ya ganda. Uenezi wa chembe pepe huelezewa na wingi wa hisabati unaoitwa propagator.

Istilahi hii ya kawaida inaweza kumfanya anayeanza kuamini kuwa chembe pepe ni nyenzo ndogo kuliko chembe halisi. Kwa kweli, ni nyenzo sawa, lakini tunaona chembe halisi kama maada na mionzi, na zile za kawaida - haswa kama uwanja wa nguvu, ingawa tofauti hii kwa kiasi kikubwa ni ya kiholela. Ni muhimu kwamba chembe sawa, kwa mfano, photon au elektroni, inaweza kuwa halisi chini ya hali fulani na virtual chini ya wengine.

5.4. Vilele. Vipeo vya mchoro vinaelezea vitendo vya ndani vya mwingiliano wa kimsingi kati ya chembe. Katika kila vertex kasi 4 imehifadhiwa. Ni rahisi kuona kwamba ikiwa mistari mitatu ya chembe thabiti hukutana kwenye vertex moja, basi angalau moja yao lazima iwe ya kweli, yaani, lazima iwe nje ya uso wa wingi: "Bolivar haiwezi kubomoa tatu." (Kwa mfano, elektroni isiyolipishwa haiwezi kutoa fotoni isiyolipishwa na bado kubaki elektroni isiyolipishwa.)

Chembe mbili halisi huingiliana kwa mbali, zikibadilishana chembe pepe moja au zaidi.

5.5. Kueneza. Ikiwa chembe halisi zinasemekana kusonga, basi chembe za kawaida zinasemekana kueneza. Neno "uenezi" linasisitiza ukweli kwamba chembe pepe inaweza kuwa na njia nyingi, na inaweza kuwa hakuna hata moja kati yazo ambayo ni ya kitambo, kama vile fotoni pepe yenye nishati sifuri na kasi isiyo ya sifuri inayoelezea mwingiliano tuli wa Coulomb.

5.6. Antiparticles. Sifa ya kushangaza ya michoro ya Feynman ni kwamba inaelezea chembe zote mbili na antiparticles zinazolingana kwa njia iliyounganishwa. Katika kesi hii, antiparticle inaonekana kama chembe inayorudi nyuma kwa wakati. Katika Mtini. Mchoro wa 2 unaonyesha mchoro unaoonyesha kuzaliwa kwa protoni na antiprotoni wakati wa kuangamiza elektroni na positroni.

Kusonga nyuma kwa wakati kunatumika sawa kwa fermions na bosons. Haifai tafsiri ya positroni kama majimbo ambayo hayajajazwa katika bahari ya elektroni na nishati hasi, ambayo Dirac aliamua wakati alianzisha wazo la antiparticle mnamo 1930.

5.7. Schwinger na michoro ya Feynman. Schwinger (1918-1994), ambaye hakujali shida za hesabu, hakupenda michoro ya Feynman na aliandika kwa unyenyekevu juu yao: "Kama kifaa cha kompyuta katika miaka ya hivi karibuni, mchoro wa Feynman ulileta mahesabu kwa watu wengi." Kwa bahati mbaya, tofauti na chip, michoro ya Feynman haikufikia watu wengi zaidi.

5.8. Michoro ya Feynman na Feynman. Kwa sababu zisizojulikana, michoro ya Feynman haikufikia hata Mihadhara maarufu ya Feynman juu ya Fizikia. Nina hakika kwamba wanahitaji kuletwa kwa wanafunzi wa shule ya upili kwa kuwaeleza mawazo ya msingi ya fizikia ya chembe. Huu ni mtazamo rahisi zaidi wa microcosm na ulimwengu kwa ujumla. Ikiwa mwanafunzi anajua dhana ya nishati inayoweza kutokea (kwa mfano, sheria ya Newton, au sheria ya Coulomb), basi michoro ya Feynman inamruhusu kupata usemi wa nishati hii inayoweza kutokea.

5.9. Chembe pepe na sehemu za nguvu za kimwili. Michoro ya Feynman ni lugha rahisi zaidi ya nadharia ya uwanja wa quantum. (Angalau katika hali ambapo mwingiliano sio mkubwa sana na nadharia ya usumbufu inaweza kutumika.) Vitabu vingi vya nadharia ya uga wa quantum huchukulia chembe chembe kama msisimko wa quantum wa sehemu, ambayo inahitaji kufahamiana na urasimi wa ujanibishaji wa pili. Katika lugha ya michoro ya Feynman, sehemu hubadilishwa na chembe pepe.

Chembe za msingi zina mali ya mwili na mawimbi. Aidha, katika hali halisi wao ni chembe za suala, na katika hali ya kawaida pia ni wabebaji wa nguvu kati ya vitu vya nyenzo. Baada ya kuanzishwa kwa chembe bainifu, dhana ya nguvu inakuwa isiyo ya lazima, na dhana ya uga, ikiwa hukuifahamu hapo awali, labda inapaswa kuletwa baada ya dhana ya chembe pepe kufahamika.

5.10. Maingiliano ya msingi*. Vitendo vya msingi vya utoaji na ufyonzaji wa chembe dhahania (vipeo) vina sifa ya viasili vya mwingiliano kama vile chaji ya umeme e katika kesi ya fotoni, chaji hafifu. e/dhambi θ W kwa upande wa W boson na e/sin θ W cos θ W kwa upande wa Z boson (ambapo θ W- Pembe ya Weinberg), malipo ya rangi g katika kesi ya gluons, na wingi √G katika kesi ya graviton, wapi G- Newton mara kwa mara. (Ona sura ya 6–10.) Mwingiliano wa sumakuumeme umejadiliwa hapa chini katika Ch. 7. Mwingiliano dhaifu - katika Ch. 8. Nguvu - katika ch. 9.

Tutaanza katika sura inayofuata. 6 na mwingiliano wa mvuto.

6. Mwingiliano wa mvuto

6.1. Gravitons. Nitaanza na chembe ambazo bado hazijagunduliwa na hakika hazitagunduliwa katika siku zijazo zinazoonekana. Hizi ni chembe za uwanja wa mvuto - gravitons. Sio tu gravitons bado hazijagunduliwa, lakini pia mawimbi ya mvuto (na hii ni wakati ambapo mawimbi ya umeme yanaenea maisha yetu). Hii ni kutokana na ukweli kwamba kwa nishati ya chini mwingiliano wa mvuto ni dhaifu sana. Kama tutakavyoona, nadharia ya gravitons inaruhusu sisi kuelewa mali yote inayojulikana ya mwingiliano wa mvuto.

6.2. Kubadilishana kwa gravitons. Katika lugha ya michoro ya Feynman, mwingiliano wa mvuto wa miili miwili unafanywa na ubadilishanaji wa mvuto wa kawaida kati ya chembe za msingi zinazounda miili hii. Katika Mtini. 3, graviton inatolewa na chembe yenye 4-momentum p 1 na inafyonzwa na chembe nyingine yenye 4-momentum p 2. Kutokana na uhifadhi wa kasi-4, q=p 1 − p′ 1 =p′ 2 −p 2, ambapo q ni kasi 4 ya graviton.

Uenezi wa graviton pepe (kama vile chembe yoyote pepe, ina propagator) inaonyeshwa kwenye takwimu na chemchemi.

6.3. Atomu ya hidrojeni katika uwanja wa mvuto wa Dunia. Katika Mtini. Kielelezo cha 4 kinaonyesha jumla ya michoro ambayo atomi ya hidrojeni yenye 4-momentum p 1 hubadilishana gravitons na atomi zote za Dunia kuwa na jumla ya 4-momentum p 2. Na katika kesi hii q = p 1 - p′ 1 = p′ 2 - p 2, ambapo q ni jumla ya 4-kasi ya gravitons virtual.

6.4. Kuhusu wingi wa atomi. Katika siku zijazo, tunapozingatia mwingiliano wa mvuto, tutapuuza wingi wa elektroni kwa kulinganisha na wingi wa protoni, na pia tutapuuza tofauti katika wingi wa protoni na neutroni na nishati ya kumfunga ya nukleoni katika nuclei za atomiki. Kwa hivyo wingi wa atomi ni takriban jumla ya wingi wa nukleoni katika kiini cha atomiki.

6.5. Faida*. Idadi ya nucleons ya Dunia N E ≈ 3.6 · 10 51 ni sawa na bidhaa ya idadi ya nucleons katika gramu moja ya jambo la dunia, yaani, nambari ya Avogadro N A ≈ 6 · 10 23, kwa wingi wa Dunia katika gramu ≈ 6 · 10 27. Kwa hivyo, mchoro kwenye Mtini. 4 inawakilisha jumla ya michoro 3.6 10 51 kwenye Mtini. 3, ambayo ina alama ya unene wa mistari ya Dunia na gravitons virtual katika Mtini. 4. Kwa kuongeza, "spring ya graviton", tofauti na propagator ya graviton moja, inavyoonekana kwenye Mtini. 4 kijivu. Inaonekana kuwa na mvuto 3.6 · 10 51.

6.6. Tufaha la Newton kwenye uwanja wa mvuto wa Dunia. Katika Mtini. 5, atomi zote za tufaha zenye jumla ya kasi-4 p 1 huingiliana na atomi zote za Dunia kwa jumla ya 4-kasi uk 2.

6.7. Idadi ya chati*. Acha nikukumbushe kwamba gramu moja ya jambo la kawaida lina N A = 6 · 10 23 nucleons. Idadi ya viini katika tufaha la gramu 100 N a = 100N A = 6 · 10 25. Uzito wa Dunia ni 6 · 10 27 g, na kwa hiyo idadi ya nucleons ya Dunia N E = 3.6 · 10 51. Kwa kweli, unene wa mistari kwenye Mtini. 5 kwa njia yoyote hailingani na idadi kubwa ya viini vya apple N a , Nucleons za Dunia N E na kubwa zaidi, idadi ya ajabu ya michoro ya Feynman N d = N a N E = 2.2 · 10 77 . Baada ya yote, kila nucleon ya apple huingiliana na kila nucleon ya Dunia. Ili kusisitiza idadi kubwa ya michoro, chemchemi kwenye Mtini. 5 inafanywa giza.

Ingawa mwingiliano wa graviton na chembe ya msingi ya mtu binafsi ni ndogo sana, jumla ya michoro ya nucleon zote za Dunia hujenga mvuto muhimu tunayohisi. Nguvu ya uvutano ya ulimwengu wote huvuta Mwezi kuelekea Dunia, zote mbili kuelekea Jua, nyota zote kwenye Galaxy yetu, na galaksi zote kuelekeana.

6.8. Amplitude ya Feynman na mabadiliko yake ya Fourier***.

Mchoro wa Feynman wa mwingiliano wa mvuto wa miili miwili ya polepole na wingi m 1 na m 2 inalingana na amplitude ya Feynman.

Wapi G- Newton ya mara kwa mara, a q- 3-kasi iliyobebwa na gravitons pepe. (Thamani 1/q 2, Wapi q- 4-pulse, inayoitwa propagator ya graviton. Katika kesi ya miili polepole, nishati ni kivitendo si kuhamishwa na kwa hiyo q 2 = −q 2 .)

Kuhama kutoka nafasi ya kasi hadi nafasi ya usanidi (kuratibu), tunahitaji kuchukua mabadiliko ya Fourier ya amplitude A( q)

Thamani A( r) hutoa nishati inayoweza kutokea ya mwingiliano wa mvuto wa chembe zisizo na uhusiano na huamua kusogea kwa chembe ya relativitiki katika uwanja wa mvuto tuli.

6.9. Uwezo wa Newton*. Nishati inayowezekana ya miili miwili yenye wingi m 1 na m 2 ni sawa na

Wapi G- Newton ya mara kwa mara, a r- umbali kati ya miili.

Nishati hii iko katika "spring" ya gravitons virtual katika Mtini. 5. Mwingiliano, ambao uwezo wake hupungua kama 1/ r, inaitwa masafa marefu. Kwa kutumia Fourier transformer, tunaweza kuona kwamba mvuto ni wa masafa marefu, kwa sababu graviton haina wingi.

6.10. Uwezo wa aina ya Yukawa**. Hakika, ikiwa graviton ilikuwa na molekuli isiyo ya sifuri m, basi amplitude ya Feynman kwa ubadilishaji wake ingekuwa na fomu

na uwezo kama vile uwezo wa Yukawa wenye anuwai ya hatua ungelingana nayo r ≈ 1/m:

6.11. Kuhusu nishati inayowezekana**. Katika mechanics isiyo ya uhusiano ya Newton, nishati ya kinetic ya chembe inategemea kasi yake (kasi), na nishati inayowezekana tu kwenye kuratibu zake, yaani, kwenye nafasi yake katika nafasi. Katika mechanics ya relativistic, hitaji kama hilo haliwezi kuhifadhiwa, kwani mwingiliano wa chembe yenyewe mara nyingi hutegemea kasi yao (muda) na, kwa hivyo, kwa nishati ya kinetic. Walakini, kwa uwanja wa kawaida, dhaifu wa mvuto, mabadiliko katika nishati ya kinetic ya chembe ni ndogo ikilinganishwa na nishati yake yote, na kwa hivyo mabadiliko haya yanaweza kupuuzwa. Jumla ya nishati ya chembe isiyohusiana katika uwanja dhaifu wa mvuto inaweza kuandikwa kama ε = E jamaa + E 0 + U.

6.12. Ulimwengu wa mvuto. Tofauti na mwingiliano mwingine wote, mvuto una mali ya ajabu ya ulimwengu wote. Mwingiliano wa graviton na chembe yoyote haitegemei mali ya chembe hii, lakini inategemea tu kiasi cha nishati ambayo chembe inamiliki. Ikiwa chembe hii ni polepole, basi nishati yake ya kupumzika E 0 = mc 2, iliyo katika wingi wake, inazidi kwa mbali nishati yake ya kinetic. Na kwa hiyo mwingiliano wake wa mvuto ni sawia na wingi wake. Lakini kwa chembe ya haraka ya kutosha, nishati yake ya kinetic ni kubwa zaidi kuliko wingi wake. Katika kesi hii, mwingiliano wake wa mvuto hautegemei misa na ni sawia na nishati yake ya kinetic.

6.13. Graviton spin na ulimwengu wa mvuto**. Kwa usahihi zaidi, utoaji wa graviton hauwiani na nishati rahisi, lakini kwa tensor ya kasi ya nishati ya chembe. Na hii, kwa upande wake, ni kutokana na ukweli kwamba spin ya graviton ni sawa na mbili. Hebu 4-kasi ya chembe kabla ya utoaji wa graviton iwe uk 1 na baada ya kutolewa uk 2. Kisha kasi ya graviton ni sawa na q = uk 1 − uk 2. Ukiingiza jina uk = uk 1 + uk 2, basi kipeo cha utoaji wa graviton kitakuwa na fomu

ambapo h αβ ni utendaji wa wimbi la graviton.

6.14. Mwingiliano wa graviton na photon**. Hii inaonekana wazi katika mfano wa photon, ambayo wingi wake ni sifuri. Imethibitishwa kwa majaribio kwamba fotoni inaporuka kutoka sakafu ya chini ya jengo hadi ghorofa ya juu, kasi yake inapungua chini ya ushawishi wa mvuto wa Dunia. Imethibitishwa pia kwamba miale ya mwanga kutoka kwa nyota ya mbali inapotoshwa na mvuto wa mvuto wa Jua.

6.15. Mwingiliano wa fotoni na Dunia**. Katika Mtini. Mchoro wa 6 unaonyesha ubadilishanaji wa gravitons kati ya Dunia na fotoni. Takwimu hii kwa kawaida inawakilisha jumla ya takwimu za kubadilishana kwa graviton ya photon na nucleons zote za Dunia. Juu yake, vertex ya dunia inapatikana kutoka kwa vertex ya nucleon kwa kuzidisha kwa idadi ya nucleons katika Dunia N E na uingizwaji sambamba wa 4-kasi ya nucleon na 4-kasi ya Dunia (tazama Mchoro 3).

6.16. Mwingiliano wa graviton na graviton***. Kwa kuwa gravitons hubeba nishati, wao wenyewe lazima watoe na kunyonya mvuto. Hatujawahi kuona mvuto halisi wa mtu binafsi na hatutawahi kuziona. Hata hivyo, mwingiliano kati ya mvuto pepe husababisha athari zinazoonekana.Kwa mtazamo wa kwanza, mchango wa gravitoni tatu pepe kwenye mwingiliano wa mvuto wa nukleoni mbili ni mdogo sana kugunduliwa (ona Mchoro 7).

6.17. Utangulizi wa kidunia wa Mercury**. Hata hivyo, mchango huu unadhihirika katika utangulizi wa mzunguko wa mzunguko wa Mercury. Utangulizi wa kidunia wa Mercury unaelezewa na jumla ya michoro ya graviton ya kitanzi kimoja ya mvuto wa Mercury kwa Jua (Mchoro 8).

6.18. Faida kwa Mercury**. Uwiano wa wingi wa Mercury na Dunia ni 0.055. Hivyo idadi ya nucleons katika Mercury N M = 0,055 N E= 2·10 50 . Misa ya Jua M S= 2 · 10 g 33. Hivyo idadi ya nucleons katika Sun N S = N A M S= 1.2·10 57 . Na idadi ya michoro inayoelezea mwingiliano wa mvuto wa viini vya Mercury na Jua, N dM= 2.4·10 107 .

Ikiwa nishati inayowezekana ya mvuto wa Mercury kwa Jua ni sawa na U = GM S M M/r, kisha baada ya kuzingatia marekebisho yaliyojadiliwa kwa mwingiliano wa gravitons halisi na kila mmoja, inazidishwa kwa sababu ya 1 - 3. GM S/r. Tunaona kwamba marekebisho ya uwezekano wa nishati ni −3 G 2 M S 2 M M /r 2.

6.19. Mzunguko wa Mercury**. Radi ya obiti ya Mercury a= 58 · 10 6 km. Kipindi cha obiti ni siku 88 za Dunia. Usawa wa obiti e= 0.21. Kwa sababu ya marekebisho yaliyojadiliwa, wakati wa mapinduzi moja mhimili wa nusu kuu wa obiti huzunguka kupitia pembe ya 6π. GM S/a(1 − e 2), yaani, karibu moja ya kumi ya pili ya arc, na katika miaka 100 ya Dunia inazunguka na 43 "".

6.20. Mabadiliko ya Mwanakondoo wa Mvuto**. Mtu yeyote ambaye amesoma electrodynamics ya quantum ataona mara moja kwamba mchoro kwenye Mtini. 7 ni sawa na mchoro wa pembetatu unaoelezea mabadiliko ya mzunguko (nishati) ya kiwango cha 2. S 1/2 kuhusiana na kiwango cha 2 P 1/2 kwenye atomi ya hidrojeni (ambapo pembetatu ina fotoni moja na mistari miwili ya elektroni). Mabadiliko haya yalipimwa mwaka wa 1947 na Mwanakondoo na Rutherford na kupatikana kuwa 1060 MHz (1.06 GHz).

Kipimo hiki kilianza athari ya mlolongo wa kazi ya kinadharia na majaribio ambayo ilisababisha kuundwa kwa electrodynamics ya quantum na michoro za Feynman. Mzunguko wa utangulizi wa Mercury ni maagizo 25 ya chini ya ukubwa.

6.21. Athari ya classical au quantum?**. Inajulikana kuwa mabadiliko ya Mwanakondoo wa kiwango cha nishati ni athari ya quantum, wakati utangulizi wa Mercury ni athari ya kitambo tu. Je, zinawezaje kuelezewa na michoro sawa ya Feynman?

Ili kujibu swali hili, tunahitaji kukumbuka uhusiano E = ħω na kuzingatia kwamba Fourier inabadilika katika mpito kutoka nafasi ya kasi hadi nafasi ya usanidi katika Sehemu. 6.8 kina e iqr / ħ . Kwa kuongeza, inapaswa kuzingatiwa kuwa katika pembetatu ya mabadiliko ya Mwanakondoo wa umeme kuna mstari mmoja tu wa chembe isiyo na wingi (photon), na wengine wawili ni waenezaji wa elektroni. Kwa hiyo, umbali wa tabia ndani yake umewekwa na wingi wa elektroni (wavelength ya Compton ya elektroni). Na katika pembetatu ya utangulizi ya Mercury kuna waenezaji wawili wa chembe isiyo na wingi (graviton). Hali hii, kwa sababu ya kipeo cha mvuto-tatu, inaongoza kwa ukweli kwamba pembetatu ya mvuto hutoa mchango kwa umbali usio na kifani kuliko pembetatu ya sumakuumeme. Ulinganisho huu unaonyesha nguvu ya nadharia ya uwanja wa quantum katika njia ya michoro ya Feynman, ambayo inafanya uwezekano wa kuelewa kwa urahisi na kuhesabu anuwai ya matukio, quantum na classical.

7. Mwingiliano wa sumakuumeme

7.1. Mwingiliano wa umeme. Mwingiliano wa umeme wa chembe unafanywa na ubadilishanaji wa picha halisi, kama kwenye Mtini. 19.

Photoni, kama gravitons, pia ni chembe zisizo na wingi. Kwa hivyo mwingiliano wa umeme pia ni wa masafa marefu:

Kwa nini si ya ulimwengu wote kama mvuto?

7.2. Malipo chanya na hasi. Kwanza, kwa sababu kuna malipo ya umeme ya ishara mbili. Na pili, kwa sababu kuna chembe za neutral ambazo hazina malipo ya umeme kabisa (neutron, neutrino, photon ...). Chembe zilizo na malipo ya ishara tofauti, kama elektroni na protoni, huvutiana. Chembe zilizo na malipo sawa hufukuza kila mmoja. Kama matokeo, atomi na miili inayojumuisha kimsingi hazina upande wa umeme.

7.3. Chembe zisizo na upande. Neutron ina u-quark na malipo +2 e/ 3 na mbili d-quark kwa malipo - e/3. Kwa hivyo malipo ya jumla ya neutron ni sifuri. (Kumbuka kwamba protoni ina mbili u-quark na moja d-quark.) Kweli chembe za msingi ambazo hazina chaji ya umeme ni photon, graviton, neutrino, Z-boson na Higgs boson.

7.4. Uwezo wa Coulomb. Nishati inayowezekana ya kivutio kati ya elektroni na protoni iliyo mbali r kutoka kwa kila mmoja, sawa

7.5. Mwingiliano wa sumaku. Mwingiliano wa sumaku sio wa muda mrefu kama mwingiliano wa umeme. Inaanguka kama 1/ r 3. Inategemea sio tu umbali kati ya sumaku mbili, lakini pia juu ya mwelekeo wao wa jamaa. Mfano unaojulikana ni mwingiliano wa sindano ya dira na uwanja wa dipole wa sumaku wa Dunia. Nishati inayowezekana ya mwingiliano wa dipoles mbili za sumaku μ 1 na μ 2 ni sawa

Wapi n = r/r.

7.6. Mwingiliano wa sumakuumeme. Mafanikio makubwa zaidi ya karne ya 19 yalikuwa ugunduzi kwamba nguvu za umeme na sumaku ni maonyesho mawili tofauti ya nguvu sawa ya sumakuumeme. Mnamo 1821, M. Faraday (1791-1867) alichunguza mwingiliano wa sumaku na kondakta na mkondo. Muongo mmoja baadaye, alianzisha sheria za induction ya sumakuumeme wakati makondakta wawili wanaingiliana. Katika miaka iliyofuata, alianzisha dhana ya uwanja wa sumakuumeme na akaelezea wazo la asili ya sumakuumeme ya mwanga. Katika miaka ya 1870, J. Maxwell (1831-1879) alitambua kwamba mwingiliano wa sumakuumeme uliwajibika kwa tabaka pana la matukio ya macho: utoaji, mabadiliko, na ufyonzaji wa mwanga, na aliandika milinganyo inayoelezea uwanja wa sumakuumeme. Hivi karibuni G. Hertz (1857-1894) aligundua mawimbi ya redio, na V. Roentgen (1845-1923) aligundua X-rays. Ustaarabu wetu wote unategemea udhihirisho wa mwingiliano wa sumakuumeme.

7.7. Kuchanganya nadharia ya uhusiano na mechanics ya quantum. Hatua muhimu zaidi katika maendeleo ya fizikia ilikuwa 1928, wakati makala ya P. Dirac (1902-1984) ilionekana, ambayo alipendekeza equation ya quantum na relativistic kwa elektroni. Equation hii ilikuwa na wakati wa sumaku wa elektroni na ilionyesha uwepo wa antiparticle ya elektroni - positron, iliyogunduliwa miaka michache baadaye. Baada ya hayo, nadharia ya quantum mechanics na relativity iliunganishwa katika nadharia ya uwanja wa quantum.

Ukweli kwamba mwingiliano wa sumakuumeme husababishwa na utoaji na ufyonzwaji wa fotoni dhahania ulionekana wazi kabisa katikati ya karne ya 20 na ujio wa michoro ya Feynman, i.e. baada ya wazo la chembe pepe kuunda wazi.

8. Mwingiliano dhaifu

8.1. Mwingiliano wa nyuklia. Mwanzoni mwa karne ya 20, atomi na kiini chake kiligunduliwa na α -, β - Na γ - miale inayotolewa na viini vya mionzi. Kama ilivyotokea, γ - miale ni fotoni za nishati nyingi sana, β - miale ni elektroni zenye nguvu nyingi; α -rays - nuclei ya heliamu. Hii ilisababisha ugunduzi wa aina mbili mpya za mwingiliano - nguvu na dhaifu. Tofauti na mwingiliano wa mvuto na sumakuumeme, mwingiliano wenye nguvu na dhaifu ni wa masafa mafupi.

Baadaye walionekana kuwajibika kwa ubadilishaji wa hidrojeni kuwa heliamu katika Jua letu na nyota zingine.

8.2. Mikondo ya kushtakiwa*. Mwingiliano dhaifu unawajibika kwa mabadiliko ya neutroni kuwa protoni na utoaji wa elektroni na antineutrino ya elektroni. Darasa kubwa la michakato dhaifu ya mwingiliano inategemea ubadilishaji wa quark za aina moja kuwa quark za aina nyingine na utoaji (au unyonyaji) wa mtandaoni. W-viongozi: u, c, t ↔ d, s, b. Vile vile kwa utoaji na kunyonya W-bosons, mabadiliko hutokea kati ya leptoni zilizochajiwa na neutrino zinazolingana:

e ↔ ν e, μ ↔ ν μ , τ ↔ ν τ . Mpito wa aina pia hutokea kwa usawa dˉu ↔ W na eˉν e ↔ W. Katika mabadiliko haya yote yanayohusisha W-bosons inahusisha kinachojulikana mikondo ya kushtakiwa ambayo hubadilisha malipo ya leptoni na quarks kwa moja. Mwingiliano dhaifu wa mikondo ya kushtakiwa ni ya muda mfupi na inaelezewa na uwezo wa Yukawa e−mWr/r, hivyo radius yake yenye ufanisi ni r ≈ 1/mW.

8.3. Mikondo ya neutral*. Katika miaka ya 1970, michakato ya mwingiliano dhaifu kati ya neutrinos, elektroni na nucleons, iliyosababishwa na kinachojulikana mikondo ya neutral, iligunduliwa. Katika miaka ya 1980, ilianzishwa kwa majaribio kuwa mwingiliano wa mikondo ya kushtakiwa hutokea kwa kubadilishana W-bosons, na mwingiliano wa mikondo ya neutral - kwa njia ya kubadilishana Z- vifuani.

8.4. Ukiukaji P- Na C.P.- usawa*. Katika nusu ya pili ya miaka ya 1950, ukiukwaji wa usawa wa anga uligunduliwa P na usawa wa malipo C katika mwingiliano dhaifu. Mnamo 1964, miozo dhaifu iligunduliwa ambayo inakiuka uhifadhi C.P.-linganisha. Hivi sasa, utaratibu wa ukiukaji C.P.-symmetry inasomwa katika kuoza kwa mesons zenye b- quarks.

8.5. Upungufu wa Neutrino*. Kwa miongo miwili iliyopita, umakini wa wanafizikia umekuwa ukizingatia vipimo vinavyofanywa katika vigunduzi vya chini ya ardhi vya kilotoni huko Kamioka (Japani) na Sudbury (Kanada). Vipimo hivi vilionyesha kuwa kati ya aina tatu za neutrinos ν e , ν μ , ν τ Mabadiliko ya pande zote (oscillations) hutokea katika utupu. Asili ya oscillations hizi inafafanuliwa.

8.6. Mwingiliano wa umeme. Katika miaka ya 1960, nadharia iliundwa kwamba nguvu za sumakuumeme na dhaifu ni maonyesho tofauti ya nguvu moja ya umeme. Ikiwa kulikuwa na ulinganifu mkali wa electroweak, basi raia W- Na Z-bosons itakuwa sawa na sifuri kama wingi wa photon.

8.7. Kuvunjika kwa ulinganifu wa Electroweak. Katika Mfano wa Kawaida, kifua cha Higgs huvunja ulinganifu wa electroweak na hivyo huelezea kwa nini photon haina wingi na bosons dhaifu ni kubwa. Pia anatoa wingi kwa leptoni, quarks na yeye mwenyewe.

8.8. Unachohitaji kujua kuhusu Higgs. Moja ya malengo makuu ya LHC Large Hadron Collider ni ugunduzi wa kifua cha Higgs (kinachoitwa kwa urahisi Higgs na kinachoashiria h au H) na uanzishwaji wa baadaye wa mali zake. Awali ya yote, kupima mwingiliano wake na W- Na Z-bosons, na photons, pamoja na mwingiliano wake binafsi, yaani, utafiti wa vertices zenye tatu na nne Higgs: h 3 na h 4, na mwingiliano wake na leptons na quarks, hasa kwa quark ya juu. Ndani ya Muundo wa Kawaida, kuna ubashiri wazi wa mwingiliano huu wote. Uthibitishaji wao wa majaribio unavutia sana kutoka kwa mtazamo wa utafutaji wa "fizikia mpya" zaidi ya Mfano wa Kawaida.

8.9. Je, ikiwa hakuna Higgs? Ikiwa inageuka kuwa katika safu ya wingi wa utaratibu wa mia kadhaa ya GeV Higgs haipo, basi hii itamaanisha kuwa kwa nishati juu ya TeV kuna kanda mpya, isiyojulikana kabisa ambapo mwingiliano. W- Na Z-mifupa huwa na nguvu zisizo na upotoshaji, yaani, haziwezi kuelezewa na nadharia ya kupotosha. Utafiti katika eneo hili utaleta mshangao mwingi.

8.10. Lepton colliders ya siku zijazo. Ili kutekeleza mpango huu wote wa utafiti, pamoja na LHC, inaweza kuwa muhimu kujenga lepton colliders:

ILC (International Linear Collider) yenye nishati ya mgongano ya 0.5 TeV,

au CLIC (Compact Linear Collider) yenye nishati ya mgongano ya 1 TeV,

au MC (Muon Collider) yenye nishati ya mgongano ya 3 TeV.

8.11. Migongano ya elektroni-positron ya mstari. ILC - International Linear Collider, ambayo inagongana elektroni na positroni, pamoja na photons na photons. Uamuzi wa kuijenga unaweza kufanywa tu baada ya kuwa wazi ikiwa Higgs ipo na uzito wake ni nini. Moja ya tovuti zinazopendekezwa za ujenzi za ILC ziko karibu na Dubna. CLIC - Compact Linear Electron-Positron Collider. Mradi huo unaendelezwa katika CERN.

8.12. Muon kugongana. MS - The muon collider ilitungwa kwa mara ya kwanza na G. I. Budker (1918–1977). Mnamo 1999, Mkutano wa tano wa Kimataifa "Uwezo wa Kimwili na ukuzaji wa migongano ya muon na viwanda vya neutrino" ulifanyika San Francisco. Mradi wa MS kwa sasa unaendelezwa katika Maabara ya Kitaifa ya Fermi na unaweza kutekelezwa baada ya miaka 20.

9. Maingiliano yenye nguvu

9.1. Gluons na quarks. Nguvu kali huweka nukleoni (protoni na neutroni) ndani ya kiini. Inategemea mwingiliano wa gluons na quarks na mwingiliano wa gluons na gluons. Ni mwingiliano wa kibinafsi wa gluons ambao husababisha ukweli kwamba licha ya ukweli kwamba wingi wa gluon ni sifuri, kama vile wingi wa fotoni na graviton ni sawa na sifuri, ubadilishanaji wa gluons hauongoi gluon kwa muda mrefu. mwingiliano wa aina mbalimbali, sawa na photon na graviton. Aidha, husababisha kukosekana kwa gluons bure na quarks. Hii ni kutokana na ukweli kwamba jumla ya kubadilishana moja-gluon inabadilishwa na tube ya gluon au thread. Mwingiliano wa nukleoni kwenye kiini ni sawa na nguvu za van der Waals kati ya atomi zisizo na upande.

9.2. Kufungiwa na uhuru usio na dalili. Hali ya gluons na quarks kutotoroka kutoka kwa hadrons inaitwa kufungwa. Upande mbaya wa mienendo inayoongoza kwa kufungwa ni kwamba kwa umbali mdogo sana ndani ya hadrons, mwingiliano kati ya gluons na quarks huharibika polepole. Quarks wanaonekana kuwa huru kwa umbali mfupi. Jambo hili linaitwa uhuru wa asymptotic.

9.3. Rangi za Quark. Hali ya kufungwa ni matokeo ya ukweli kwamba kila moja ya quarks sita ipo kana kwamba katika mfumo wa aina tatu za "rangi". Quarks kawaida ni "rangi" ya njano, bluu na nyekundu. Antiques ni rangi katika rangi ya ziada: zambarau, machungwa, kijani. Rangi hizi zote zinawakilisha malipo ya kipekee ya quarks - "analogues za multidimensional" za chaji ya umeme, inayowajibika kwa mwingiliano mkali. Bila shaka, hakuna uhusiano, isipokuwa moja ya mfano, kati ya rangi ya quarks na rangi ya kawaida ya macho.

9.4. Rangi za Gluon. Familia ya gluons ya rangi ni nyingi zaidi: kuna nane kati yao, ambayo mbili ni sawa na antiparticles zao, na sita iliyobaki sio. Mwingiliano wa malipo ya rangi huelezewa na chromodynamics ya quantum na kuamua mali ya protoni, neutroni, nuclei zote za atomiki na mali ya hadroni zote. Ukweli kwamba gluons hubeba malipo ya rangi husababisha uzushi wa kufungwa kwa gluons na quarks, ambayo ina maana kwamba gluons rangi na quarks hawezi kutoroka kutoka hadrons. Nguvu za nyuklia kati ya hadroni zisizo na rangi (nyeupe) ni mwangwi hafifu wa mwingiliano wenye nguvu wa rangi ndani ya hadroni. Hii ni sawa na udogo wa vifungo vya molekuli ikilinganishwa na intraatomic.

9.5. Makundi ya Hadron. Misa ya hadrons kwa ujumla na nucleons hasa imedhamiriwa na hatua ya kujitegemea ya gluon. Kwa hivyo, wingi wa vitu vyote vinavyoonekana, ambavyo hufanya 4-5% ya nishati ya Ulimwengu, ni kutokana na hatua ya kujitegemea ya gluons.

10. Mfano wa kawaida na zaidi

10.1. 18 Chembe za Mfano wa Kawaida. Chembe zote za kimsingi zinazojulikana kawaida huanguka katika vikundi vitatu:

6 leptoni(zunguka 1/2):
3 neutrinos: ν e, ν μ , ν τ ;
Leptoni 3 zilizochajiwa: e, μ , τ ;
6 chuki(zunguka 1/2):
u,c, t,
d, s, b;
6 vizazi:
g̃ - graviton (spin 2),
γ , W, Z, g- gluons (spin 1),
h- Higgs (spin 0).

10.2. Zaidi ya Mfano wa Kawaida. 96% ya nishati katika Ulimwengu iko nje ya Mfumo wa Kawaida, ikingoja kugunduliwa na kuchunguzwa. Kuna mawazo kadhaa ya kimsingi kuhusu jinsi fizikia mpya inavyoweza kuonekana (ona pointi 10.3–10.6 hapa chini).

10.3. Umoja Kubwa. Idadi kubwa ya kazi, nyingi za kinadharia, zimetolewa kwa ujumuishaji wa mwingiliano wenye nguvu na dhaifu. Wengi wao wanadhani kwamba hutokea kwa nishati ya utaratibu wa 10 16 GeV. Muungano kama huo unapaswa kusababisha kuoza kwa protoni.

10.4. Chembe za ulinganifu. Kulingana na wazo la supersymmetry, ambalo liliibuka kwanza katika Taasisi ya Kimwili ya Lebedev, kila chembe "yetu" ina mshirika mkubwa ambaye spin yake inatofautiana na 1/2: squarks 6 na sleptons 6 na spin 0, higgsino, photino, divai na zino. na spin 1/2, gravitino na spin 3/2. Misa ya washirika hawa lazima iwe kubwa zaidi kuliko ile ya chembe zetu. Vinginevyo wangefunguliwa zamani. Baadhi ya washirika wakuu wanaweza kugunduliwa wakati Large Hadron Collider itaanza kufanya kazi.

10.5. Mizingo mikuu. Dhana ya ulinganifu wa hali ya juu hutengenezwa na dhana ya kuwepo kwa nyuzi za juu zinazoishi kwa umbali mfupi sana wa utaratibu wa 10 -33 cm na nishati zinazofanana za 10 19 GeV. Wanafizikia wengi wa kinadharia wanatumaini kwamba ni kwa misingi ya mawazo kuhusu superstrings kwamba wataweza kujenga nadharia ya umoja ya mwingiliano wote ambao hauna vigezo vya bure.

10.6. Chembe za kioo. Kulingana na wazo la jambo la kioo, ambalo liliibuka kwanza huko ITEP, kila chembe yetu ina pacha ya kioo, na kuna ulimwengu wa kioo ambao umeunganishwa kwa urahisi na ulimwengu wetu.

10.7. Jambo la giza. Ni 4-5% tu ya jumla ya nishati katika Ulimwengu iliyopo kama wingi wa maada ya kawaida. Takriban 20% ya nishati ya ulimwengu iko katika kile kinachoitwa mada ya giza, ambayo inafikiriwa kuwa na chembe kuu, au chembe za kioo, au chembe zingine zisizojulikana. Ikiwa chembe za giza ni nzito zaidi kuliko chembe za kawaida, na ikiwa, wakati wa kugongana kwa kila mmoja katika nafasi, huangamiza kwenye fotoni za kawaida, basi picha hizi za nishati ya juu zinaweza kugunduliwa na detectors maalum katika nafasi na duniani. Kujua asili ya jambo la giza ni moja wapo ya kazi kuu za fizikia.

10.8. Nishati ya giza. Lakini idadi kubwa ya nishati ya Ulimwengu (karibu 75%) inatokana na kinachojulikana kama nishati ya giza. "Humwagika" kupitia utupu na kusukuma makundi ya galaksi kando. Asili yake bado haijulikani.

11. Chembe za msingi nchini Urusi na ulimwengu

11.1. Amri ya Rais wa Shirikisho la Urusi. Mnamo Septemba 30, 2009, Amri ya Rais wa Shirikisho la Urusi "Juu ya hatua za ziada za utekelezaji wa mradi wa majaribio wa kuunda Kituo cha Utafiti cha Kitaifa "Taasisi ya Kurchatov" ilitolewa. Amri hiyo inatoa ushiriki wa mashirika yafuatayo katika mradi huo: Taasisi ya Fizikia ya Nyuklia ya St. Petersburg, Taasisi ya Fizikia ya Nishati ya Juu na Taasisi ya Fizikia ya Kinadharia na Majaribio. Amri hiyo pia inapeana "kujumuishwa kwa taasisi maalum, kama taasisi muhimu zaidi ya kisayansi, katika muundo wa idara ya matumizi ya bajeti ya shirikisho kama meneja mkuu wa fedha za bajeti." Amri hii inaweza kuchangia kurudisha fizikia ya msingi kwa idadi ya maeneo ya kipaumbele kwa maendeleo ya sayansi katika nchi yetu.

11.2. Mikutano ya Bunge la Marekani 1. Mnamo Oktoba 1, 2009, usikilizaji ulifanyika katika Kamati Ndogo ya Nishati na Mazingira ya Kamati ya Sayansi na Teknolojia ya Baraza la Wawakilishi la Marekani kuhusu mada "Uchunguzi wa asili ya suala, nishati, nafasi na wakati." Mgawo wa Idara ya Nishati wa 2009 kwa mpango huu ni $795.7 milioni. Profesa wa Chuo Kikuu cha Harvard Lisa Randall aliwasilisha maoni juu ya maada, nishati na asili ya Ulimwengu kutoka kwa mtazamo wa nadharia ya mfuatano wa siku zijazo. Mkurugenzi wa Maabara ya Kitaifa ya Fermi (Batavia) Pierre Oddone alizungumza juu ya hali ya fizikia ya chembe huko USA, na haswa, juu ya kukamilika ujao wa Tevatron na mwanzo wa kazi ya pamoja kati ya FNAL na maabara ya chini ya ardhi DUSEL kusoma mali. neutrinos na michakato adimu. Alisisitiza umuhimu wa ushiriki wa wanafizikia wa Marekani katika miradi ya fizikia yenye nishati nyingi barani Ulaya (LHC), Japan (JPARC), China (PERC) na mradi wa anga za juu wa kimataifa (GLAST, uliopewa jina la Fermi hivi karibuni).

11.3. Mikutano ya Bunge ya Marekani 2. Mkurugenzi wa Maabara ya Kitaifa ya Jefferson Hugh Montgomery alizungumza kuhusu mchango wa Maabara kwa fizikia ya nyuklia, teknolojia ya kuongeza kasi na programu za elimu. Mkurugenzi wa Kitengo cha Sayansi ya Nishati ya Juu katika Idara ya Nishati, Dennis Kovar, alizungumza kuhusu maeneo makuu matatu ya fizikia ya juu ya nishati:

1) utafiti wa kuongeza kasi kwa nguvu nyingi,

2) masomo ya kuongeza kasi kwa kiwango cha juu,

3) uchunguzi wa nafasi ya ardhini na satelaiti ili kufafanua asili ya jambo la giza na nishati ya giza;

na mielekeo mitatu kuu katika fizikia ya nyuklia:

1) utafiti wa mwingiliano mkali wa quarks na gluons,

2) utafiti wa jinsi viini vya atomiki viliundwa kutoka kwa protoni na neutroni,

3) utafiti wa mwingiliano dhaifu unaohusisha neutrinos.

12. Kuhusu sayansi ya kimsingi

12.1. Sayansi ya kimsingi ni nini? Kutoka kwa maandishi hapo juu ni wazi kwamba mimi, kama wanasayansi wengi, huita sayansi ya msingi kuwa sehemu ya sayansi ambayo huweka sheria za msingi zaidi za asili. Sheria hizi ziko kwenye msingi wa piramidi ya sayansi au sakafu yake ya kibinafsi. Wanaamua maendeleo ya muda mrefu ya ustaarabu. Walakini, kuna watu wanaoita sayansi ya kimsingi matawi ya sayansi ambayo yana athari kubwa ya moja kwa moja kwenye mafanikio ya kitambo katika maendeleo ya ustaarabu. Binafsi nadhani sehemu na maeneo haya yanaitwa vizuri zaidi sayansi iliyotumika.

12.2. Matunda na mizizi. Ikiwa sayansi ya kimsingi inaweza kulinganishwa na mizizi ya mti, basi sayansi inayotumika inaweza kulinganishwa na matunda yake. Mafanikio makuu ya kiteknolojia kama vile simu za rununu au mawasiliano ya nyuzi macho ni matunda ya sayansi.

12.3. A. I. Herzen kuhusu sayansi. Mnamo 1845, Alexander Ivanovich Herzen (1812-1870) alichapisha "Barua juu ya Utafiti wa Asili" katika jarida la Otechestvennye zapiski. Mwishoni mwa barua yake ya kwanza, aliandika hivi: “Sayansi inaonekana kuwa ngumu si kwa sababu ni ngumu kikweli, bali kwa sababu huwezi kufikia usahili wayo vinginevyo kuliko kwa kuvunja giza la dhana zilizotayarishwa tayari zinazokuzuia kuona moja kwa moja. Wacha wale wanaojitokeza wajue kuwa safu nzima ya zana zenye kutu na zisizo na maana ambazo tulirithi kutoka kwa wasomi hazina maana, kwamba ni muhimu kutoa dhabihu maoni yaliyoundwa nje ya sayansi, bila kutupa kila kitu. nusu ya uwongo, ambayo kwa uwazi huvaa ukweli nusu"Huwezi kuingia katika sayansi, huwezi kufikia ukweli wote."

12.4. Kuhusu kupunguzwa kwa programu za shule. Programu za kisasa za fizikia shuleni zinaweza kujumuisha ustadi hai wa nadharia ya chembe za msingi, nadharia ya uhusiano na mechanics ya quantum, ikiwa itapunguza sehemu hizo ambazo zinaelezea asili na kuongeza "erudition" ya mtoto badala ya kuelewa ulimwengu. karibu nao na uwezo wa kuishi na kuunda.

12.5. Hitimisho. Itakuwa sawa kwa Presidium ya Chuo cha Sayansi cha Urusi kutambua umuhimu wa kufahamiana mapema kwa vijana na mtazamo wa ulimwengu kulingana na mafanikio ya nadharia ya uhusiano na mechanics ya quantum, na kufundisha Tume za Presidium ya Urusi. Chuo cha Sayansi juu ya vitabu vya kiada (kinachoongozwa na Makamu wa Rais V.V. Kozlov) na juu ya elimu (kinachoongozwa na Makamu wa Rais -Rais V. A. Sadovnichy) kuandaa mapendekezo ya kuboresha ufundishaji wa fizikia ya kisasa ya msingi katika shule za sekondari na za juu.

Maelezo

Ili muunganisho fulani uitwe sheria ya mwili, lazima ikidhi mahitaji yafuatayo:

• Uthibitisho wa kisayansi. Sheria ya kimwili inachukuliwa kuwa kweli ikiwa imethibitishwa na majaribio ya mara kwa mara.
• Uwezo mwingi. Sheria lazima iwe halali kwa idadi kubwa ya vitu. Kwa kweli - kwa vitu vyote kwenye Ulimwengu.
• Uendelevu. Sheria za kimwili hazibadiliki kwa wakati, ingawa zinaweza kutambuliwa kama makadirio ya sheria sahihi zaidi.

Sheria za kimwili kwa kawaida huonyeshwa kama taarifa fupi ya maneno au fomula fupi ya hisabati:

Mifano

Makala kuu: Orodha ya sheria za kimwili

Baadhi ya sheria maarufu za kimwili ni:

Sheria-kanuni

Baadhi ya sheria za kimaumbile zina asili ya ulimwengu wote na kimsingi ni ufafanuzi. Sheria hizo mara nyingi huitwa kanuni. Hizi ni pamoja na, kwa mfano, sheria ya pili ya Newton (ufafanuzi wa nguvu), sheria ya uhifadhi wa nishati (ufafanuzi wa nishati), kanuni ya hatua ndogo (ufafanuzi wa hatua), nk.

Sheria za matokeo ya ulinganifu

Baadhi ya sheria za kimwili ni matokeo rahisi ya ulinganifu fulani uliopo kwenye mfumo. Kwa hivyo, sheria za uhifadhi kulingana na nadharia ya Noether ni matokeo ya ulinganifu wa nafasi na wakati. Na kanuni ya Pauli, kwa mfano, ni matokeo ya utambulisho wa elektroni (antisymmetry ya utendaji wao wa mawimbi kuhusiana na upangaji upya wa chembe).

Sheria takriban

Sheria zote za kimaumbile ni tokeo la uchunguzi wa kimajaribio na ni kweli kwa usahihi ambao uchunguzi wa majaribio ni wa kweli. Kizuizi hiki hakituruhusu kudai kwamba sheria yoyote ni kamilifu. Inajulikana kuwa baadhi ya sheria si sahihi kabisa, lakini zinawakilisha makadirio ya zile zilizo sahihi zaidi. Kwa hivyo, sheria za Newton ni halali tu kwa miili mikubwa ya kutosha inayotembea kwa kasi ya chini sana kuliko kasi ya mwanga. Sahihi zaidi ni sheria za mechanics ya quantum na uhusiano maalum. Walakini, wao, kwa upande wake, ni makadirio ya milinganyo sahihi zaidi ya nadharia ya uwanja wa quantum.

Angalia pia

Vidokezo

Wikimedia Foundation. 2010.

Tazama "Sheria (fizikia)" ni nini katika kamusi zingine:

FIZIA. 1. Somo na muundo wa fizikia Fizikia ni sayansi ambayo inasoma rahisi zaidi na wakati huo huo muhimu zaidi. mali ya jumla na sheria za mwendo wa vitu vya ulimwengu wa nyenzo unaotuzunguka. Kutokana na hali hii ya kawaida, hakuna matukio ya asili ambayo hayana mali ya kimwili. mali... Ensaiklopidia ya kimwili

Sayansi ambayo inasoma rahisi zaidi na wakati huo huo mifumo ya jumla ya matukio ya asili, takatifu na muundo wa jambo na sheria za mwendo wake. Dhana za fiziolojia na sheria zake ni msingi wa sayansi yote ya asili. F. ni ya idadi halisi ya sayansi na masomo ... Ensaiklopidia ya kimwili

Sheria ya uenezi wa rectilinear wa mwanga: katika njia ya uwazi ya homogeneous, mwanga husafiri kwa mistari iliyonyooka. Kuhusiana na sheria ya uenezi wa mstatili wa mwanga, dhana ya miale ya mwanga ilionekana, ambayo ina maana ya kijiometri kama ... ... Wikipedia.

FIZIA- FIZIA, sayansi ambayo inasoma, pamoja na kemia, sheria za jumla za mabadiliko ya nishati na jambo. Sayansi zote mbili zinatokana na sheria mbili za msingi za sayansi ya asili: sheria ya uhifadhi wa wingi (sheria ya Lomonosov, Lavoisier) na sheria ya uhifadhi wa nishati (R. Mayer, Jaul... ... Encyclopedia kubwa ya Matibabu

Sheria ya Boyle Marriott ni mojawapo ya sheria za msingi za gesi. Sheria hiyo imepewa jina la mwanafizikia, mwanakemia na mwanafalsafa wa Ireland Robert Boyle (1627 1691), ambaye aliigundua mwaka wa 1662, na pia kwa heshima ya mwanafizikia wa Kifaransa Edme Mariotte (1620 1684), ambaye aligundua ... ... Wikipedia

Fizikia ya takwimu Thermodynamics Nadharia ya kinetiki ya molekuli Takwimu ... Wikipedia

Sheria ya entropy isiyopungua: "Katika mfumo wa pekee, entropy haipungui." Ikiwa wakati fulani mfumo uliofungwa uko katika hali isiyo ya usawa, basi katika nyakati zinazofuata matokeo yanayowezekana zaidi ni ... ... Wikipedia

Sheria ya uhusiano wa kinyume kati ya kiasi na maudhui ya dhana ni sheria ya mantiki rasmi kuhusu uhusiano kati ya mabadiliko katika kiasi na maudhui ya dhana. Ikiwa dhana ya kwanza ni pana kuliko ya pili katika upeo, basi ni maskini zaidi katika maudhui; kama... ... Wikipedia

- (a. fizikia ya mlipuko; n. Physik der Explosion; f. physique de l explosion; i. fisica de explosion, fisica de estallido, fisica de detonacion) sayansi inayochunguza tukio la mlipuko na utaratibu wa hatua yake katika mazingira. . Kushindwa kwa mitambo...... Ensaiklopidia ya kijiolojia

- (fizikia ya hali ya kioevu ya suala) tawi la fizikia ambalo mali ya mitambo na ya kimwili ya vinywaji husomwa. Nadharia ya takwimu ya vimiminika ni tawi la fizikia ya takwimu. Matokeo muhimu zaidi ni kupatikana kwa milinganyo... ... Wikipedia

Hakuna nyanja moja ya shughuli za binadamu inayoweza kufanya bila sayansi halisi. Na bila kujali jinsi uhusiano wa kibinadamu ulivyo tata, wao pia huja kwa sheria hizi. inapendekeza kukumbuka sheria za fizikia ambazo mtu hukutana na uzoefu kila siku ya maisha yake.

Sheria rahisi lakini muhimu zaidi ni Sheria ya Uhifadhi na Mabadiliko ya Nishati.

Nishati ya mfumo wowote uliofungwa inabaki thabiti kwa michakato yote inayotokea kwenye mfumo. Na wewe na mimi tunajikuta katika mfumo uliofungwa. Wale. kadiri tunavyotoa, ndivyo tutakavyopokea. Ikiwa tunataka kupokea kitu, ni lazima tutoe kiasi hicho kabla yake. Na hakuna kingine!

Na sisi, bila shaka, tunataka kupata mshahara mkubwa bila kwenda kufanya kazi. Wakati mwingine udanganyifu huundwa kwamba "wajinga wana bahati" na furaha huanguka juu ya vichwa vya watu wengi. Soma hadithi yoyote ya hadithi. Mashujaa daima wanapaswa kushinda shida kubwa! Aidha kuogelea katika maji baridi, au katika maji ya moto.

Wanaume huvutia umakini wa wanawake na uchumba. Wanawake, kwa upande wao, basi watunze wanaume na watoto hawa. Nakadhalika. Kwa hivyo, ikiwa unataka kupokea kitu, chukua shida kukitoa kwanza.

Nguvu ya utendaji ni sawa na nguvu ya athari.

Sheria hii ya fizikia inaonyesha ile iliyotangulia, kimsingi. Ikiwa mtu alifanya kitendo kibaya - akiwa na ufahamu au la - na kisha akapokea jibu, i.e. upinzani. Wakati mwingine sababu na athari hutenganishwa kwa wakati, na huwezi kuelewa mara moja ni njia gani upepo unavuma. Jambo kuu ambalo tunapaswa kukumbuka ni kwamba hakuna kinachotokea tu.

Sheria ya kujiinua.

Archimedes alishangaa: " Nipe nafasi na nitaisogeza Dunia!" Uzito wowote unaweza kuhamishwa ikiwa unachagua lever sahihi. Daima unahitaji kukadiria muda gani lever itahitajika ili kufikia hili au lengo hilo na kujitolea hitimisho, kuweka vipaumbele: unahitaji kutumia jitihada nyingi ili kuunda lever sahihi na kusonga uzito huu, au ni rahisi zaidi. kuiacha peke yake na kufanya shughuli zingine.

Kanuni ya gimlet.

Kanuni ni kwamba inaonyesha mwelekeo wa shamba la magnetic. Sheria hii inajibu swali la milele: ni nani wa kulaumiwa? Na inaonyesha kwamba sisi wenyewe tunapaswa kulaumiwa kwa kila kitu kinachotokea kwetu. Haijalishi jinsi inaweza kuwa ya kukera, haijalishi ni ngumu jinsi gani, haijalishi jinsi inavyoweza kuonekana kuwa isiyo ya haki kwa mtazamo wa kwanza, lazima tufahamu kwamba sisi wenyewe tulikuwa sababu hapo kwanza.

Sheria ya msumari.

Wakati mtu anataka kupiga nyundo ya msumari, hana kubisha mahali fulani karibu na msumari, anapiga hasa juu ya kichwa cha msumari. Lakini misumari yenyewe haipanda ndani ya kuta. Unapaswa kuchagua daima nyundo sahihi ili kuepuka kuvunja msumari na sledgehammer. Na wakati wa kufunga, unahitaji kuhesabu pigo ili kichwa kisipige. Weka rahisi, tunza kila mmoja. Jifunze kufikiria juu ya jirani yako.

Na hatimaye, sheria ya Entropy.

Entropy ni kipimo cha shida ya mfumo. Kwa maneno mengine, machafuko zaidi katika mfumo, zaidi ya entropy. Uundaji sahihi zaidi: wakati wa michakato ya hiari inayotokea katika mifumo, entropy huongezeka kila wakati. Kama sheria, michakato yote ya hiari haiwezi kutenduliwa. Wanaongoza kwa mabadiliko ya kweli katika mfumo, na haiwezekani kurudi kwenye hali yake ya awali bila kutumia nishati. Katika kesi hii, haiwezekani kurudia (100%) hali yake ya asili.

Ili kuelewa vyema ni aina gani ya utaratibu na machafuko tunayozungumzia, hebu tufanye majaribio. Mimina pellets nyeusi na nyeupe kwenye jar ya glasi. Kwanza tutaongeza nyeusi, kisha nyeupe. Pellets zitapangwa katika tabaka mbili: nyeusi chini, nyeupe juu - kila kitu kinafaa. Kisha kutikisa jar mara kadhaa. Pellets zitachanganywa sawasawa. Na bila kujali ni kiasi gani sisi kisha kuitingisha jar hii, sisi ni uwezekano wa kuwa na uwezo wa kuhakikisha kwamba pellets tena kupangwa katika tabaka mbili. Hapa ni, entropy katika hatua!

Hali wakati pellets zilipangwa katika tabaka mbili inachukuliwa kuwa amri. Hali wakati pellets ni mchanganyiko sawasawa inachukuliwa kuwa machafuko. Inachukua karibu muujiza kurudi katika hali ya utaratibu! Au kazi ya uchungu mara kwa mara na pellets. Na inachukua karibu hakuna juhudi kufanya uharibifu katika benki.

Gurudumu la gari. Wakati inasukumwa juu, ina ziada ya nishati ya bure. Gurudumu inaweza kusonga, ambayo inamaanisha inafanya kazi. Huu ni utaratibu. Je, ukitoboa tairi? Shinikizo ndani yake litashuka, nishati ya bure "itakwenda" kwenye mazingira (kupoteza), na gurudumu hilo halitaweza tena kufanya kazi. Hii ni machafuko. Ili kurudi mfumo kwa hali yake ya awali, i.e. Ili kuweka mambo kwa utaratibu, unahitaji kufanya kazi nyingi: kuziba bomba la ndani, panda gurudumu, uifanye, nk, baada ya hapo tena ni jambo la lazima ambalo linaweza kuwa na manufaa.

Joto huhamishwa kutoka kwa mwili wa moto hadi kwenye mwili wa baridi, na si kinyume chake. Mchakato wa kurudi nyuma unawezekana kinadharia, lakini kwa kweli hakuna mtu atakayefanya hivyo, kwani itahitaji juhudi kubwa, mitambo maalum na vifaa.

Pia katika jamii. Watu wanazeeka. Nyumba zinaporomoka. Majabali yanazama baharini. Magalaksi yanatawanyika. Kila ukweli unaotuzunguka huelekea kwenye machafuko.

Walakini, watu mara nyingi huzungumza juu ya machafuko kama uhuru: " Hapana, hatutaki agizo! Tupe uhuru huo ili kila mtu afanye anachotaka!"Lakini kila mtu anapofanya anachotaka, huu sio uhuru - huu ni machafuko. Siku hizi, watu wengi husifu machafuko, kukuza machafuko - kwa neno moja, kila kitu kinachoharibu na kugawanya. Lakini uhuru hauko katika machafuko, uhuru uko katika mpangilio.

Kwa kupanga maisha yake, mtu huunda usambazaji wa nishati ya bure, ambayo hutumia kutekeleza mipango yake: kazi, kusoma, burudani, ubunifu, michezo, nk. - kwa maneno mengine, inapinga entropy. Vinginevyo, tungewezaje kujikusanyia mali nyingi sana katika kipindi cha miaka 250 iliyopita?!

Entropy ni kipimo cha machafuko, kipimo cha utawanyiko usioweza kutenduliwa wa nishati. Kadiri entropy inavyozidi, ndivyo shida inavyoongezeka. Nyumba ambayo hakuna mtu anayeishi inaharibika. Chuma hutua kwa muda na gari huzeeka. Mahusiano ambayo hakuna anayejali kudumisha yanaharibiwa. Ndivyo ilivyo kila kitu kingine katika maisha yetu, kila kitu kabisa!

Hali ya asili ya asili sio usawa, lakini ongezeko la entropy. Sheria hii inafanya kazi bila kuepukika katika maisha ya mtu mmoja. Sio lazima afanye chochote ili entropy yake iongezeke; hufanyika kwa hiari, kulingana na sheria ya maumbile. Ili kupunguza entropy (matatizo), jitihada nyingi lazima zifanywe. Hii ni aina ya kofi usoni kwa watu chanya wa kijinga (hakuna maji yanayotiririka chini ya jiwe la uwongo), ambalo kuna mengi sana!

Kudumisha mafanikio kunahitaji juhudi za mara kwa mara. Ikiwa hatuendelei, basi tunadhalilisha. Na ili kuhifadhi kile tulichokuwa nacho hapo awali, lazima tufanye zaidi leo kuliko tulivyofanya jana. Mambo yanaweza kuwekwa kwa utaratibu na hata kuboreshwa: ikiwa rangi kwenye nyumba imepungua, inaweza kupakwa tena, na hata nzuri zaidi kuliko hapo awali.

Watu wanapaswa kujaribu "kutuliza" tabia ya uharibifu ya kiholela ambayo inaenea kila mahali katika ulimwengu wa kisasa, jaribu kupunguza hali ya machafuko, ambayo tumeharakisha kwa mipaka mikubwa. Na hii ni sheria ya kimwili, sio tu kuzungumza juu ya unyogovu na mawazo mabaya. Kila kitu kinakua au kuharibika.

Kiumbe hai huzaliwa, hukua na kufa, na hakuna mtu aliyewahi kuona kwamba baada ya kifo huja hai, huwa mdogo na kurudi kwenye mbegu au tumbo. Wanaposema kwamba siku za nyuma hazirudi, basi, bila shaka, wanamaanisha, kwanza kabisa, matukio haya ya maisha. Uendelezaji wa viumbe huweka mwelekeo mzuri wa mshale wa wakati, na mabadiliko kutoka kwa hali moja ya mfumo hadi nyingine daima hutokea kwa mwelekeo huo kwa taratibu zote bila ubaguzi.

Valerian Chupin

Chanzo cha habari: Tchaikovsky.News

Maoni (3)

Utajiri wa jamii ya kisasa unakua, na utaendelea kukua, kwa kiwango kikubwa zaidi, hasa kupitia kazi ya ulimwengu mzima. Mtaji wa viwanda ulikuwa aina ya kwanza ya kihistoria ya uzalishaji wa kijamii, wakati kazi ya ulimwengu wote ilianza kunyonywa sana. Na kwanza, ile ambayo alipata bure. Sayansi, kama Marx alivyobainisha, haikugharimu mtaji chochote. Hakika, hakuna hata bepari mmoja aliyelipa malipo kwa Archimedes, Cardano, Galileo, Huygens, au Newton kwa matumizi ya vitendo ya mawazo yao. Lakini ni mtaji wa viwanda kwa kiwango kikubwa ambao huanza kutumia teknolojia ya mitambo, na kwa hivyo kazi ya jumla inayojumuishwa ndani yake. Marx K, Engels F. Soch., juzuu ya 25, sehemu ya 1, uk. 116.

SHERIA ZA MSINGI ZA FIZIKI

[ Mitambo | Thermodynamics | Umeme | Optik | Fizikia ya Atomiki]

NISHATI ZA SHERIA YA UHIFADHI NA MABADILIKO - sheria ya jumla ya asili: nishati ya mfumo wowote wa kufungwa inabaki mara kwa mara (imehifadhiwa) wakati wa taratibu zote zinazotokea kwenye mfumo. Nishati inaweza tu kubadilishwa kutoka fomu moja hadi nyingine na kusambazwa upya kati ya sehemu za mfumo. Kwa mfumo wa wazi, ongezeko (kupungua) kwa nishati yake ni sawa na kupungua (ongezeko) katika nishati ya miili na mashamba ya kimwili yanayoingiliana nayo.

1. MITAMBO

ARCHIMEDES LAW - sheria ya hidro- na aerostatics: mwili uliozamishwa katika kioevu au gesi hutekelezwa na nguvu ya buoyant inayoelekezwa juu wima, kwa nambari sawa na uzito wa kioevu au gesi iliyohamishwa na mwili, na kutumika katikati. ya mvuto wa sehemu iliyotumbukizwa ya mwili. FA= gV, ambapo r ni msongamano wa kioevu au gesi, V ni kiasi cha sehemu ya mwili iliyozamishwa. Vinginevyo, inaweza kutengenezwa kama ifuatavyo: mwili uliotumbukizwa kwenye kioevu au gesi hupoteza uzito kama vile kioevu (au gesi) inayohamishwa ina uzito. Kisha P= mg - FA Kundi jingine limefunguliwa. mwanasayansi Archimedes mwaka 212. BC. Ni msingi wa nadharia ya miili inayoelea.

SHERIA YA MVUTO YA ULIMWENGU - Sheria ya Newton ya mvuto: miili yote inavutiwa kwa kila mmoja kwa nguvu inayolingana moja kwa moja na bidhaa ya wingi wa miili hii na kinyume chake sawia na mraba wa umbali kati yao: , ambapo M na m ni wingi. ya miili inayoingiliana, R ni umbali kati ya miili hii, G ni mara kwa mara ya mvuto (katika SI G = 6.67.10-11 N.m2/kg2.

GALILEO KANUNI YA UHUSIANO, kanuni ya mitambo ya uhusiano - kanuni ya mechanics ya classical: katika fremu zozote za marejeleo za inertial, matukio yote ya mitambo yanaendelea kwa njia sawa chini ya hali sawa. Jumatano. kanuni ya uhusiano.

SHERIA YA HOOK - sheria kulingana na ambayo deformations elastic ni moja kwa moja sawia na mvuto wa nje unaosababisha.

SHERIA YA UHIFADHI WA MOMENTUM - sheria ya mechanics: kasi ya mfumo wowote uliofungwa, wakati wa michakato yote inayotokea kwenye mfumo, inabaki thabiti (imehifadhiwa) na inaweza kusambazwa tena kati ya sehemu za mfumo kama matokeo ya mwingiliano wao.

SHERIA ZA NEWTON - sheria tatu zinazozingatia mechanics ya zamani ya Newton. 1st law (law of inertia): sehemu ya nyenzo iko katika hali ya mwendo wa mstatili na sare au kupumzika ikiwa miili mingine haifanyi kazi juu yake au hatua ya miili hii inalipwa. Sheria ya 2 (sheria ya msingi ya mienendo): kuongeza kasi iliyopokelewa na mwili inalingana moja kwa moja na matokeo ya nguvu zote zinazofanya kazi kwenye mwili, na inalingana kinyume na wingi wa mwili (). Sheria ya 3: vidokezo viwili vya nyenzo vinaingiliana na kila mmoja kwa nguvu za asili sawa sawa kwa ukubwa na kinyume katika mwelekeo kando ya mstari wa moja kwa moja unaounganisha pointi hizi ().

UHUSIANO KANUNI - moja ya postulates ya nadharia relativity, ambayo inasema kwamba katika muafaka wowote inertial ya kumbukumbu matukio yote ya kimwili (mitambo, sumakuumeme, nk) chini ya hali sawa kuendelea kwa njia sawa. Ni jumla ya kanuni ya Galileo ya uhusiano na matukio yote ya kimwili (isipokuwa mvuto).

2. MOLECULAR FIZIKI NA THERMODYNAMICS

SHERIA YA AVOGADRO ni mojawapo ya sheria za msingi za gesi bora: kiasi sawa cha gesi tofauti kwa joto sawa na shinikizo zina idadi sawa ya molekuli. Ilifunguliwa mnamo 1811 huko Italia. mwanafizikia A. Avogadro (1776-1856).

BOYLE-MARIOTTE LAW - moja ya sheria za gesi bora: kwa molekuli fulani ya gesi iliyotolewa kwa joto la mara kwa mara, bidhaa ya shinikizo na kiasi ni thamani ya mara kwa mara. Mfumo: pV=const. Inaelezea mchakato wa isothermal.

SHERIA YA PILI YA THERMODYNAMICS ni mojawapo ya sheria za msingi za thermodynamics, kulingana na ambayo mchakato wa mara kwa mara hauwezekani, matokeo pekee ambayo ni utendaji wa kazi sawa na kiasi cha joto kilichopokelewa kutoka kwa heater. Uundaji mwingine: mchakato hauwezekani, matokeo pekee ambayo ni uhamisho wa nishati kwa namna ya joto kutoka kwa mwili usio na joto hadi kwenye joto zaidi. V.Z.T. huonyesha hamu ya mfumo unaojumuisha idadi kubwa ya chembe zinazosonga kwa fujo hadi kubadilika kwa hiari kutoka kwa hali zisizowezekana hadi hali zinazowezekana zaidi. Inakataza uundaji wa mashine ya mwendo wa kudumu ya aina ya pili.

SHERIA YA GAY-LUSSAC - sheria ya gesi: kwa wingi uliopewa wa gesi kwa shinikizo la mara kwa mara, uwiano wa kiasi na joto kamili ni thamani ya mara kwa mara, ambapo = 1/273 K-1 ni mgawo wa joto wa upanuzi wa volumetric.

SHERIA YA DALTON ni mojawapo ya sheria za msingi za gesi: shinikizo la mchanganyiko wa gesi bora zisizo na mwingiliano wa kemikali ni sawa na jumla ya shinikizo la sehemu ya gesi hizi.

SHERIA YA PASCAL ni sheria ya msingi ya hydrostatics: shinikizo linalozalishwa na nguvu za nje juu ya uso wa kioevu au gesi hupitishwa kwa usawa katika pande zote.

SHERIA YA KWANZA YA THERMODYNAMICS ni moja ya sheria za msingi za thermodynamics, ambayo ni sheria ya uhifadhi wa nishati kwa mfumo wa thermodynamic: kiasi cha joto Q kilichotolewa kwa mfumo kinatumika kubadilisha nishati ya ndani ya mfumo U na kufanya kazi. A kwa mfumo dhidi ya nguvu za nje. Mfumo: Q= U+A. Ni msingi wa uendeshaji wa injini za joto.

SHERIA YA CHARLES ni mojawapo ya sheria za msingi za gesi: shinikizo la wingi fulani wa gesi bora kwa kiasi kisichobadilika ni sawia moja kwa moja na halijoto: ambapo p0 ni shinikizo kwa 00C, =1/273.15 K-1 ni mgawo wa joto. ya shinikizo.

3. UMEME NA sumaku

AMPERE LAW - sheria ya mwingiliano wa conductors mbili na mikondo; Sambamba makondakta na mikondo katika mwelekeo huo kuvutia, na makondakta sambamba na mikondo katika mwelekeo kinyume kurudisha. A.z. pia inaitwa sheria ambayo huamua nguvu inayofanya kazi katika uwanja wa sumaku kwenye sehemu ndogo ya kondakta anayebeba sasa. Ilifunguliwa mnamo 1820 A.-M. Ampere.

JOULE-LENZ LAW - sheria inayoelezea athari ya joto ya sasa ya umeme. Kulingana na D. - L.z. kiasi cha joto kilichotolewa katika kondakta wakati mkondo wa moja kwa moja unapita ndani yake ni sawa na mraba wa sasa, upinzani wa kondakta na wakati wa usafiri.

SHERIA YA UHIFADHI WA CHAJI ni mojawapo ya sheria za kimsingi za asili: jumla ya aljebra ya malipo ya umeme ya mfumo wowote uliotengwa kwa umeme bado haujabadilika. Katika mfumo uliotengwa na umeme Z.s.z. inaruhusu kuonekana kwa chembe mpya za kushtakiwa (kwa mfano, wakati wa kutengana kwa electrolytic, ionization ya gesi, kuundwa kwa jozi za chembe-antiparticle, nk), lakini jumla ya malipo ya umeme ya chembe zinazoonekana lazima iwe sawa na sifuri.

SHERIA YA COULLOMB ni sheria ya msingi ya umemetuamo, inayoonyesha utegemezi wa nguvu ya mwingiliano kati ya chaji mbili za vituo vya kusimama kwenye umbali kati yao: malipo mawili ya hatua ya kusimama huingiliana na nguvu moja kwa moja sawia na bidhaa ya ukubwa wa chaji hizi na sawia. kwa mraba wa umbali kati yao na mara kwa mara ya dielectric ya kati ambayo mashtaka iko. Katika SI ina fomu:. Thamani ni nambari sawa na nguvu inayofanya kazi kati ya malipo ya pointi mbili za stationary za 1 C kila moja, ziko kwenye utupu kwa umbali wa m 1 kutoka kwa kila mmoja. K.z. ni moja ya uhalali wa majaribio ya electrodynamics.

UTAWALA WA MKONO WA KUSHOTO - sheria inayoamua mwelekeo wa nguvu inayofanya kazi kwa kondakta wa sasa (au chembe ya kushtakiwa inayohamia) iko kwenye uwanja wa magnetic. Inasema: ikiwa mkono wa kushoto umewekwa ili vidole vilivyonyooshwa vionyeshe mwelekeo wa sasa (kasi ya chembe), na mistari ya shamba la sumaku (mistari ya induction ya sumaku) huingia kwenye kiganja, kisha kidole kilichopanuliwa kitaonyesha mwelekeo wa nguvu. kutenda kwa kondakta (chembe chanya; katika Katika kesi ya chembe hasi, mwelekeo wa nguvu ni kinyume).

LENZA RULE (LAW) - sheria ambayo huamua mwelekeo wa mikondo ya induction inayotokana na induction ya umeme. Kulingana na L.p. sasa iliyosababishwa daima ina mwelekeo huo kwamba flux yake ya sumaku hulipa fidia kwa mabadiliko katika flux ya nje ya magnetic ambayo imesababisha sasa hii. L.p. - matokeo ya sheria ya uhifadhi wa nishati.

OMA LAW ni mojawapo ya sheria za msingi za sasa za umeme: nguvu ya sasa ya umeme ya moja kwa moja katika sehemu ya mzunguko ni moja kwa moja sawia na voltage katika mwisho wa sehemu hii na inversely sawia na upinzani wake. Inatumika kwa waendeshaji wa chuma na elektroliti ambao hali ya joto huhifadhiwa kila wakati. Katika kesi ya mzunguko kamili, imeundwa kama ifuatavyo: nguvu ya sasa ya moja kwa moja ya umeme katika mzunguko ni moja kwa moja sawia na emf ya chanzo cha sasa na inversely sawia na upinzani wa jumla wa mzunguko wa umeme.

KANUNI YA MKONO WA KULIA - sheria inayoamua 1) mwelekeo wa sasa wa induction katika kondakta inayohamia kwenye uwanja wa sumaku: ikiwa kiganja cha mkono wa kulia kimewekwa ili mistari ya induction ya sumaku iingie, na kidole gumba kinaelekezwa kando. harakati

kondakta, kisha vidole vinne vilivyopanuliwa vitaonyesha mwelekeo wa sasa wa induction; 2) mwelekeo wa mistari ya induction ya sumaku ya kondakta moja kwa moja na ya sasa: ikiwa kidole gumba cha mkono wa kulia kimewekwa kwenye mwelekeo wa sasa, basi mwelekeo wa kushika kondakta na vidole vinne utaonyesha mwelekeo wa induction ya sumaku. mistari.

SHERIA ZA FARADAY - sheria za msingi za electrolysis. Sheria ya kwanza ya Faraday: wingi wa dutu iliyotolewa kwenye electrode wakati wa kifungu cha sasa cha umeme ni sawa sawa na kiasi cha umeme (malipo) kinachopitia electrolyte (m = kq = kIt). Pili F.Z.: uwiano wa wingi wa vitu mbalimbali vinavyofanyika mabadiliko ya kemikali kwenye elektroni wakati chaji za umeme zinazofanana zinapita kupitia elektroliti ni sawa na uwiano wa sawa na kemikali. Imewekwa mnamo 1833-34 na M. Faraday. Sheria ya jumla ya electrolysis ina fomu: , ambapo M ni molekuli ya molar (atomiki), z ni valency, F ni Faraday mara kwa mara. F.p. ni sawa na bidhaa ya chaji ya msingi ya umeme na ya mara kwa mara ya Avogadro. F=e.NA. Huamua malipo, kifungu ambacho kupitia electrolyte husababisha kutolewa kwa mole 1 ya dutu ya monovalent kwenye electrode. F=(96484.56 0.27) Kiini/mol. Aitwaye kwa heshima ya M. Faraday.

ELECTROMAGNETIC INDUCTION LAW - sheria inayoelezea uzushi wa tukio la shamba la umeme wakati shamba la magnetic linabadilika (jambo la induction ya umeme): nguvu ya electromotive ya induction ni sawa sawa na kiwango cha mabadiliko ya flux magnetic. Mgawo wa uwiano umedhamiriwa na mfumo wa vitengo, ishara ni sheria ya Lenz. Mfumo katika SI: , ambapo Ф ni mabadiliko ya flux ya sumaku, na t ni kipindi cha wakati ambapo mabadiliko haya yalitokea. Iligunduliwa na M. Faraday.

4. MACHO

KANUNI YA HUYGEN ni njia ambayo inaruhusu mtu kuamua nafasi ya mbele ya wimbi wakati wowote. Kulingana na g.p. pointi zote ambazo sehemu ya mbele ya mawimbi hupitia kwa wakati t ni vyanzo vya mawimbi ya pili ya duara, na nafasi inayotakiwa ya sehemu ya mbele ya mawimbi kwa wakati t t sanjari na uso unaofunika mawimbi yote ya pili. Inakuruhusu kueleza sheria za kuakisi na kuakisi mwanga.

HUYGENS - FRESNEL - PRINCIPLE - njia ya takriban ya kutatua matatizo ya uenezi wa wimbi. G.-F. p. inasema: katika hatua yoyote iliyo nje ya eneo lililofungwa kiholela linalofunika chanzo cha nuru, wimbi la mwanga linalosisimuliwa na chanzo hiki linaweza kuwakilishwa kama matokeo ya kuingiliwa kwa mawimbi ya pili yanayotolewa na sehemu zote za uso uliowekwa maalum. Inakuwezesha kutatua matatizo rahisi zaidi ya diffraction ya mwanga.

WAVE REFLECTIONS SHERIA - boriti ya tukio, boriti iliyojitokeza na perpendicular, kurejeshwa kwa hatua ya matukio ya boriti, uongo katika ndege moja, na angle ya matukio ni sawa na angle ya refraction. Sheria ni halali kwa kuakisi kioo.

REFRACTION OF LIGHT - mabadiliko katika mwelekeo wa uenezi wa mwanga (wimbi la umeme) wakati wa kupita kutoka kati hadi nyingine, ambayo inatofautiana na ya kwanza katika ripoti ya refractive. Kwa kinzani, sheria imeridhika: miale ya tukio, miale iliyorudishwa na kipenyo kilichorejeshwa hadi mahali pa kutokea kwa miale iko kwenye ndege moja, na kwa vyombo hivi viwili uwiano wa sine ya pembe ya tukio kwa sine ya pembe ya kinzani ni thamani ya mara kwa mara, inayoitwa faharisi ya refractive ya jamaa ya kati ya pili na ya kwanza.

UENEZAJI WA RECTILINEAR WA SHERIA YA MWANGA - sheria ya optics ya kijiometri, ambayo inasema kwamba mwanga huenea kwa njia ya homogeneous katika mstari wa moja kwa moja. Inaelezea, kwa mfano, malezi ya kivuli na penumbra.

6. FIZIKIA YA ATOMI NA NUCLEAR.

BOHR POSTULATES - mawazo ya kimsingi yaliyoletwa bila uthibitisho na N. Bohr, na kuunda msingi wa NADHARIA YA BOHR: 1) Mfumo wa atomiki ni thabiti tu katika hali zisizosimama, ambazo zinalingana na mlolongo tofauti wa thamani za nishati ya atomiki. Kila mabadiliko katika nishati hii yanahusishwa na mpito kamili wa atomi kutoka hali moja ya stationary hadi nyingine. 2) Kunyonya na utoaji wa nishati kwa atomi hutokea kwa mujibu wa sheria, kulingana na ambayo mionzi inayohusishwa na mpito ni monochromatic na ina mzunguko: h = Ei-Ek, ambapo h ni Planck mara kwa mara, na Ei na Ek. ni nishati ya atomi katika hali ya stationary

Kwa mujibu wa sheria hii, mchakato ambao matokeo yake pekee ni uhamisho wa nishati kwa namna ya joto kutoka kwa mwili wa baridi hadi kwenye moto hauwezekani bila mabadiliko katika mfumo yenyewe na mazingira.
Sheria ya pili ya thermodynamics inaelezea mwelekeo wa mfumo unaojumuisha idadi kubwa ya chembe zinazosonga kwa fujo hadi mabadiliko ya moja kwa moja kutoka kwa hali ambazo haziwezekani sana hadi hali zinazowezekana zaidi. Inakataza uundaji wa mashine ya mwendo wa kudumu ya aina ya pili.
Kiasi sawa cha gesi bora kwa joto sawa na shinikizo zina idadi sawa ya molekuli.
Sheria hiyo iligunduliwa mwaka wa 1811 na mwanafizikia wa Italia A. Avogadro (1776-1856).
Sheria ya mwingiliano kati ya mikondo miwili inapita kwa waendeshaji iko umbali mfupi kutoka kwa kila mmoja inasema: waendeshaji sambamba na mikondo katika mwelekeo huo huvutia, na kwa mikondo katika mwelekeo kinyume wao huwafukuza.
Sheria hiyo iligunduliwa mnamo 1820 na A. M. Ampere.
Sheria ya hydro na aerostatics: mwili uliozamishwa katika kioevu au gesi hutekelezwa na nguvu ya buoyant inayoelekezwa juu kwa wima, sawa na uzito wa kioevu au gesi inayohamishwa na mwili, na kutumika katikati ya mvuto wa kuzamishwa. sehemu ya mwili. FA = gV, ambapo g ni msongamano wa kioevu au gesi, V ni kiasi cha sehemu ya mwili iliyozamishwa.
Vinginevyo, sheria inaweza kutengenezwa kama ifuatavyo: mwili unaotumbukizwa kwenye kioevu au gesi hupoteza uzito kama vile kioevu (au gesi) inayohamishwa ina uzito. Kisha P = mg - FA.
Sheria hiyo iligunduliwa na mwanasayansi wa zamani wa Uigiriki Archimedes mnamo 212 KK. e. Ni msingi wa nadharia ya miili inayoelea.
Moja ya sheria za gesi bora: kwa joto la mara kwa mara, bidhaa ya shinikizo la gesi na kiasi chake ni thamani ya mara kwa mara. Mfumo: pV = const. Inaelezea mchakato wa isothermal. Sheria ya uvutano wa ulimwengu wote, au sheria ya Newton ya uvutano: miili yote huvutia kila mmoja kwa nguvu inayolingana moja kwa moja na bidhaa ya wingi wa miili hii na sawia kinyume na mraba wa umbali kati yao. Kwa mujibu wa sheria hii, deformations elastic ya mwili imara ni moja kwa moja sawia na mvuto wa nje unaosababisha. Inaelezea athari ya joto ya sasa ya umeme: kiasi cha joto kilichotolewa katika kondakta wakati mkondo wa moja kwa moja unapita ndani yake ni sawa na mraba wa sasa, upinzani wa kondakta na wakati wa kupita. Iligunduliwa na Joule na Lenz kwa kujitegemea katika karne ya 19. Sheria ya msingi ya umemetuamo, inayoonyesha utegemezi wa nguvu ya mwingiliano kati ya malipo mawili ya hatua ya stationary kwenye umbali kati yao: malipo mawili ya hatua ya stationary yanaingiliana na nguvu moja kwa moja sawia na bidhaa ya ukubwa wa mashtaka haya na kinyume chake na mraba. ya umbali kati yao na mara kwa mara ya dielectric ya kati ambayo mashtaka iko. Thamani ni nambari sawa na nguvu inayofanya kazi kati ya malipo mawili ya hatua ya 1 C kila moja iko kwenye utupu kwa umbali wa m 1 kutoka kwa kila mmoja.
Sheria ya Coulomb ni mojawapo ya uthibitisho wa majaribio ya electrodynamics. Ilifunguliwa mnamo 1785
Moja ya sheria za msingi za sasa za umeme: nguvu ya sasa ya umeme ya moja kwa moja katika sehemu ya mzunguko ni moja kwa moja sawia na voltage katika mwisho wa sehemu hii na inversely sawia na upinzani wake. Inatumika kwa waendeshaji wa chuma na elektroliti ambao hali ya joto huhifadhiwa kila wakati. Katika kesi ya mzunguko kamili, imeundwa kama ifuatavyo: nguvu ya sasa ya moja kwa moja ya umeme katika mzunguko ni sawia moja kwa moja na emf ya chanzo cha sasa na inversely sawia na upinzani wa jumla wa mzunguko wa umeme.

Iligunduliwa mnamo 1826 na G.S. Ohm.