Які основні закони фізики? Фізика: основні поняття, формули, закони. Основні закони фізики, які має знати людина Основні закони класичної фізики

1.1. Анотація.Закони теорії відносності та квантової механіки, згідно з якими відбувається рух та взаємодія елементарних частинок матерії, визначають формування та появу закономірностей найширшого кола явищ, що вивчаються різними природничими науками. Ці закони лежать в основі сучасних високих технологій та багато в чому визначають стан та розвиток нашої цивілізації. Тому знайомство з основами фундаментальної фізики необхідне як студентам, а й школярам. Активне володіння основними знаннями про влаштування світу необхідно людині, яка вступає в життя, для того, щоб знайти своє місце в цьому світі і успішно продовжувати навчання.

1.2. У чому основна складність цієї доповіді.Він адресований одночасно і фахівцям у галузі фізики елементарних частинок, і набагато ширшій аудиторії: фізикам, які не займаються елементарними частинками, математикам, хімікам, біологам, енергетикам, економістам, філософам, лінгвістам,... Щоб бути достатньо точним, я маю користуватися термінами та формулами фундаментальної фізики. Щоб бути зрозумілим, я мушу постійно пояснювати ці терміни та формули. Якщо фізика елементарних частинок не є Вашою спеціальністю, прочитайте спочатку тільки ті розділи, назви яких не позначені зірочками. Потім намагайтеся читати розділи з однією зірочкою*, двома**, і, нарешті, трьома***. Про більшість розділів без зірочок я встиг розповісти під час доповіді, а на решту не було часу.

1.3. Фізика елементарних частинок.Фізика елементарних частинок є фундаментом усіх природничих наук. Вона вивчає найдрібніші частинки матерії та основні закономірності їх рухів та взаємодій. Зрештою, саме ці закономірності і визначають поведінку всіх об'єктів на Землі та на небі. Фізика елементарних частинок має справу з такими фундаментальними поняттями як простір та час; матерія; енергія, імпульс та маса; спин. (Більшість читачів мають уявлення про простір і час, можливо чули про зв'язок маси та енергії і не уявляють при чому тут імпульс, і навряд чи здогадуються про найважливішу роль спина у фізиці. Про те, що називати матерією, не можуть поки що домовитися між собою навіть Експерти.) Фізика елементарних частинок була створена у XX столітті. Її створення нерозривно пов'язані з створенням двох найбільших теорій історія людства: теорії відносності і квантової механіки. Ключовими константами цих теорій є швидкість світла cта константа Планка h.

1.4. Теорія відносності.Спеціальна теорія відносності, що виникла на початку XX століття, завершила синтез цілого ряду наук, які вивчали такі класичні явища, як електрика, магнетизм і оптика, створивши механіку при швидкостях тіл, які можна порівняти зі швидкістю світла. (Класична нерелятивістська механіка Ньютона мала справу зі швидкостями v<<c.) Потім у 1915 р. була створена загальна теорія відносності, яка була покликана описати гравітаційні взаємодії, враховуючи кінцівку швидкості світла. c.

1.5. Квантова механіка.Квантова механіка, створена в 1920-х роках, пояснила будову та властивості атомів, виходячи з дуальних корпускулярно-хвильових властивостей електронів. Вона пояснила величезне коло хімічних явищ, пов'язаних із взаємодією атомів та молекул. І дозволила описати процеси випромінювання та поглинання ними світла. Зрозуміти інформацію, яку несе нам світло Сонця та зірок.

1.6. Квантова теорія поля.Об'єднання теорії відносності та квантової механіки призвело до створення квантової теорії поля, що дозволяє з високим ступенем точності описати найважливіші властивості матерії. Квантова теорія поля, зрозуміло, дуже складна, щоб її можна було пояснити школярам. Але в середині XX століття в ній виникла наочна мова фейнманівських діаграм, яка радикально спрощує розуміння багатьох аспектів квантової теорії поля. Одна з основних цілей цієї доповіді – показати, як за допомогою фейнманівських діаграм можна просто зрозуміти найширше коло явищ. При цьому я детальніше зупинятимуся на питаннях, які відомі далеко не всім експертам з квантової теорії поля (наприклад, про зв'язок класичної та квантової гравітації), і лише скупо окреслю питання, що широко обговорюються в науково-популярній літературі.

1.7. Тотожність елементарних частинок.Елементарними частинками називають найдрібніші неподільні частинки матерії, з яких побудовано весь світ. Найдивовижнішою властивістю, що відрізняє ці частинки від звичайних не елементарних частинок, наприклад, піщинок або бусинок, є те, що всі елементарні частинки одного сорту, наприклад, всі електрони у Всесвіті абсолютно (!) однакові - тотожні. А як наслідок, тотожні один одному та їх найпростіші пов'язані стани - атоми та найпростіші молекули.

1.8. Шість елементарних частинок.Щоб зрозуміти основні процеси, що відбуваються на Землі та на Сонці, у першому наближенні достатньо розуміти процеси, в яких беруть участь шість частинок: електрон e, протон p, нейтрон nта електронне нейтрино ν e , а також фотон γ та гравітон g̃. Перші чотири частинки мають спін 1/2, спін фотона дорівнює 1, а гравітону 2. (Частини з цілим спином називають бозонами, частинки з напівцілим спином називають ферміонами. Докладніше про спину буде сказано нижче.) Протони і нейтрони зазвичай називають нуклонами, оскільки їх побудовано атомні ядра, а ядро ​​англійською nucleus. Електрон та нейтрино називають лептонами. Вони не мають сильних ядерних взаємодій.

Через дуже слабку взаємодію гравітонів спостерігати окремі гравітони неможливо, але саме за допомогою цих частинок здійснюється в природі гравітація. Подібно до того, як за допомогою фотонів здійснюються електромагнітні взаємодії.

1.9. Античастинки.Електрон, протон і нейтрон мають так звані античастинки: позитрон, антипротон і антинейтрон. До складу звичайної речовини вони не входять, тому що зустрічаючись з відповідними частинками, вступають з ними в реакції взаємного знищення – анігіляції. Так, електрон і позитрон анігілюють у два або три фотони. Фотон і гравітон є нейтральними частинками: вони збігаються зі своїми античастинками. Чи є істинно нейтральною часткою нейтрино, поки невідомо.

1.10. Нуклони та кварки.У середині XX століття з'ясувалося, що самі нуклони складаються з елементарніших частинок - кварків двох типів, які позначають uі d: p = uud, n = ddu. Взаємодія між кварками здійснюється глюонами. Антинуклони складаються з антикварків.

1.11. Три покоління ферміонів.Поряд з u, d, e, ν eбули відкриті та вивчені дві інші групи (або, як кажуть, покоління) кварків та лептонів: c, s, μ, ν μ та t, b, τ , τ . До складу звичайної речовини ці частинки не входять, оскільки вони нестабільні і швидко розпадаються більш легкі частки першого покоління. Але вони відігравали важливу роль у перші миті існування Всесвіту.

Для ще більш повного і глибокого розуміння природи потрібно ще більше частинок з більш незвичайними властивостями. Але, можливо, надалі все це розмаїття вдасться звести до кількох простих і прекрасних сутностей.

1.12. Адрони.Численне сімейство частинок, що складаються з кварків та/або антикварків та глюонів, називають адронами. Усі адрони, крім нуклонів, нестабільні і у склад звичайної речовини не входять.

Часто адрони теж відносять до елементарних частинок, оскільки їх не можна розбити на вільні кварки та глюони. (Так вчинив і я, віднісши протон і нейтрон до перших шести елементарних частинок.) Якщо всі адрони вважати елементарними, число елементарних частинок буде вимірюватися сотнями.

1.13. Стандартна модель та чотири типи взаємодій.Як буде роз'яснено нижче, перелічені вище елементарні частинки дозволяють у рамках так званої «Стандартної моделі елементарних частинок» описати всі відомі досі процеси, що відбуваються в природі в результаті гравітаційної, електромагнітної, слабкої та сильної взаємодії. Але для того, щоб зрозуміти, як працюють перші два з них, достатньо чотирьох частинок: фотону, гравітону, електрону та протону. При цьому те, що протон складається з u- І d-кварків та глюонів, виявляється несуттєвим. Звичайно, без слабкої та сильної взаємодій не можна зрозуміти, ні як влаштовані атомні ядра, ні як працює наше Сонце. Але як влаштовані атомні оболонки, що визначають всі хімічні властивості елементів, як працює електрика і як влаштовані галактики, можна зрозуміти.

1.14. За межами пізнаного.Ми вже сьогодні знаємо, що частки та взаємодії Стандартної моделі не вичерпують скарбниці природи.

Встановлено, що звичайні атоми та іони становить лише менше 20% всієї матерії у Всесвіті, а понад 80% становить так звана темна матерія, природа якої поки що невідома. Найбільш поширена думка, що темна матерія складається із суперчасток. Можливо, що вона складається із дзеркальних частинок.

Ще більш разючим і те, що вся матерія, як видима (світла), і темна, несе у собі лише чверть всієї енергії Всесвіту. Три чверті належать так званій темній енергії.

1.15. Елементарні частинки «e у ступені» фундаментальні.Коли мій вчитель Ісаак Якович Померанчук хотів наголосити на важливості будь-якого питання, він казав, що питання e у мірі важливе. Зрозуміло, більшість природничих наук, а не тільки фізика елементарних частинок, фундаментальні. Фізика конденсованих середовищ, наприклад, підпорядковується фундаментальним законам, якими можна користуватися, не з'ясовуючи того, як вони випливають із законів фізики елементарних частинок. Але закони теорії відносності та квантової механіки eу міру фундаментальні» у тому сенсі, що їм не може суперечити жоден із менш загальних законів.

1.16. Основні закони.Усі процеси у природі відбуваються у результаті локальних взаємодій та рухів (поширень) елементарних частинок. Основні закони, що керують цими рухами та взаємодіями, дуже незвичайні та дуже прості. Вони засновані на понятті симетрії та принципі, що все, що не суперечить симетрії, може і має відбуватися. Нижче ми, використовуючи мову фейнманівських діаграм, простежимо, як це реалізується в гравітаційній, електромагнітній, слабкій і сильній взаємодії частинок.

2. Частки та життя

2.1. Про цивілізацію та культуру.Іноземний член РАН Валентин Телегді (1922–2006) пояснював: «Якщо WC (ватерклозет) – це цивілізація, то вміння користуватися ним – це культура».

Співробітник ІТЕФ А. А. Абрикосов мол. написав мені недавно: «Одна з цілей Вашої доповіді – переконати високу аудиторію у необхідності ширше викладати сучасну фізику. Якщо так, то, можливо, варто було б навести кілька побутових прикладів. Я маю на увазі наступне:

Ми живемо у світі, який навіть на побутовому рівні немислимий без квантової механіки (КМ) та теорії відносності (ТО). Стільникові телефони, комп'ютери, вся сучасна електроніка, не кажучи про світлодіодні ліхтарі, напівпровідникові лазери (включаючи вказівки), РК-дисплеї – це суттєво квантові прилади. Пояснити, як вони працюють, неможливо без основних понять КМ. А як їх поясниш, не згадуючи про тунелювання?

Другий приклад, мабуть, знаю від Вас. Супутникові навігатори стоять вже у кожній 10-й машині. Точність синхронізації годинника в супутниковій мережі не менше, ніж 10 -8 (це відповідає похибки порядку метра в локалізації об'єкта на поверхні Землі). Подібна точність вимагає враховувати поправки ТО до ходу годинника на супутнику, що рухається. Кажуть, інженери не могли в це повірити, тому перші прилади мали подвійну програму: з і без урахування поправок. Як з'ясувалося, перша програма працює краще. Ось вам перевірка теорії відносності на побутовому рівні.

Зрозуміло, балакати телефоном, їздити автомобілем і стукати по клавішах комп'ютера можна і без високої науки. Але навряд чи академіки мають закликати не вивчати географію, бо «візники є».

А то школярам, ​​а потім і студентам п'ять років товкмачать про матеріальні точки та галілеївську відносність, і раптом ні з того, ні з цього заявляють, що це «не зовсім правда».

Перешикуватися з наочного ньютонівського світу на квантовий навіть на фізтеху важко. Ваш, AAA».

2.2. Про фундаментальну фізику та освіту.На жаль, сучасна система освіти відстала від сучасної фундаментальної фізики ціле століття. І більшість людей (у тому числі і більшість науковців) не мають уявлення про ту напрочуд ясну і просту картину (карту) світу, яку створила фізика елементарних частинок. Ця карта дає можливість набагато легше орієнтуватися у всіх науках. Мета моєї доповіді - переконати вас у тому, що деякі елементи (поняття) фізики елементарних частинок, теорії відносності та квантової теорії можуть і повинні стати основою викладання всіх природничих предметів не тільки у вищій, а й у середній і навіть у початковій школі. Адже фундаментально нові поняття найлегше освоюються саме у дитячому віці. Дитина легко опановує мову, освоюється з мобільним телефоном. Багато дітей за лічені секунди повертають кубик Рубіка у вихідний стан, а мені й доби не вистачить.

Щоб надалі не було неприємних сюрпризів, закладати адекватне світосприйняття треба у дитячому садку. Константи cі hмають стати для дітей інструментами пізнання.

2.3. Про математику.Математика - цариця і служниця всіх наук - безумовно має бути основним інструментом пізнання. Вона дає такі основні поняття, як істина, краса, симетрія, порядок. Поняття про нуль та нескінченність. Математика вчить думати та рахувати. Фундаментальна фізика немислима без математики. Освіта немислима без математики. Звичайно, вивчати теорію груп у школі, можливо, і рано, але навчити цінувати істину, красу, симетрію та порядок (а заразом і деяке безладдя) необхідно.

Дуже важливим є розуміння переходу від речових (реальних) чисел (простих, раціональних, ірраціональних) до уявних і комплексних. Вивчати гіперкомплексні числа (кватерніони та октоніони) мають, напевно, лише ті студенти, які хочуть працювати в галузі математики та теоретичної фізики. У своїй роботі я, наприклад, ніколи не використовував октоніони. Але я знаю, що вони спрощують розуміння найбільш перспективної, на думку багатьох фізиків-теоретиків, виняткової групи симетрії E 8 .

2.4. Про світогляд та природничі науки.Уявлення про основні закони, що керують світом, необхідне у всіх природничих науках. Звісно, ​​фізика твердого тіла, хімія, біологія, науки про Землю, астрономія мають свої специфічні поняття, методи, проблеми. Але дуже важливо мати спільну карту світу та розуміння того, що на цій карті є багато білих плям незвіданого. Дуже важливим є розуміння того, що наука це не окостеніла догма, а живий процес наближення до істини у безлічі точок карти світу. Наближення до істини – асимптотичний процес.

2.5. Про справжній та вульгарний редукціонізм.Уявлення про те, що складніші конструкції в природі складаються з менш складних конструкцій і, в кінцевому рахунку, найпростіших елементів, прийнято називати редукціонізмом. У цьому сенсі те, в чому я намагаюся переконати Вас, це редукціонізм. Але абсолютно неприпустимий вульгарний редукціонізм, який претендує на те, що всі науки можуть бути зведені до фізики елементарних частинок. На кожному дедалі вищому рівні складності формуються і виникають (emerge) свої закономірності. Щоб бути добрим біологом, знати фізику елементарних частинок не потрібно. Але розуміти її місце та роль у системі наук, розуміти вузлову роль констант cі hнеобхідно. Адже наука загалом це – єдиний організм.

2.6. Про гуманітарні та суспільні науки.Загальне уявлення про будову світу дуже важливе і для економіки, і для історії, і для когнітивних наук, таких як науки про мову, і для філософії. І навпаки - ці науки вкрай важливі для фундаментальної фізики, яка постійно уточнює свої основні поняття. Це буде видно з розгляду теорії відносності, до якого зараз перейду. Особливо скажу про науки юридичні, виключно важливі для процвітання (не кажучи вже про виживання) природничих наук. Я переконаний, що громадські закони не повинні суперечити фундаментальним законам природи. Закони людські не повинні суперечити Божественним Законам Природи.

2.7. Мікро-, Макро-, Космо-.Наш звичайний світ великих, але не гігантських речей прийнято називати макросвітом. Світ небесних об'єктів можна назвати космосвітом, а світ атомних та субатомних частинок називають мікросвітом. (Оскільки розміри атомів близько 10 -10 м, то під мікросвітом мають на увазі об'єкти як мінімум на 4, а то і на 10 порядків менші, ніж мікрометр, і на 1-7 порядків менші, ніж нанометр. Модна область нано розташована по дорозі від мікро до макро.) У XX столітті була побудована так звана Стандартна модель елементарних частинок, яка дозволяє просто і наочно розуміти багато закономірностей макро та космо на основі закономірностей мікро.

2.8. Наші моделі.Моделі у теоретичній фізиці будуються шляхом відкидання несуттєвих обставин. Так, наприклад, в атомній та ядерній фізиці гравітаційні взаємодії частинок зневажливо малі, і їх можна не брати до уваги. Така модель світу вписується у спеціальну теорію відносності. У цій моделі є атоми, молекули, конденсовані тіла,... прискорювачі та колайдери, але немає Сонця та зірок.

Така модель, напевно, буде неправильна на дуже великих масштабах, де суттєва гравітація.

Звісно, ​​існування ЦЕРН необхідне існування Землі (і, отже, гравітації), але розуміння переважної більшості експериментів, які у ЦЕРН (крім пошуків на колайдері мікроскопічних «чорних дірочок»), гравітація несуттєва.

2.9. Порядки величин.Одна з труднощів у розумінні властивостей елементарних частинок пов'язана з тим, що вони дуже малі та їх дуже багато. У ложці води безліч атомів (порядку 10 23). Не набагато менше і число зірок у видимій частині Всесвіту. Великих чисел не треба боятися. Адже поводитися з ними нескладно, оскільки множення чисел зводиться переважно до складання їх порядків: 1 = 10 0 , 10 = 10 1 , 100 = 10 2 . Помножимо 10 на 100, отримаємо 10 1+2 = 10 3 = 1000.

2.10. Краплі олії.Якщо краплю олії об'ємом 1 мл капнути на поверхню води, то вона розпливеться в райдужну пляму площею близько декількох квадратних метрів і товщиною близько сотні нанометрів. Це всього на три порядки більше за розмір атома. А товщина плівки мильного міхура у найтонших місцях порядку розмірів молекул.

2.11. Джоулі.Звичайна батарейка АА має напругу 1,5 вольта (В) і містить запас електричної енергії 104 джоулів (Дж). Нагадаю, що 1 Дж = 1 кулон × 1, а також, що 1 Дж = кг м 2 /с 2 і що прискорення земного тяжіння приблизно 10 м / с 2 . Так що 1 джоуль дозволяє підняти 1 кілограм на висоту 10 см, а 10 4 Дж піднімуть 100 кг на 10 метрів. Стільки енергії споживає ліфт, щоби підняти школяра на десятий поверх. Ось скільки енергії у батарейці.

2.12. Електронвольти.Одиницею енергії у фізиці елементарних частинок є електронвольт (еВ): енергію 1 еВ набуває 1 електрон, що пройшов різницю потенціалів 1 вольт. Оскільки в одному кулоні 6,24 · 10 18 електронів, то 1 Дж = 6,24 · 10 18 еВ.

1 кеВ = 10 3 еВ, 1 МеВ = 10 6 еВ, 1 ГеВ = 10 9 еВ, 1 ТеВ = 10 12 еВ.

Нагадаю, що енергія одного протона у Великому адронному колайдері ЦЕРН повинна дорівнювати 7 ТеВ.

3. Про теорію відносності

3.1. Системи відліку.Усі наші досліди ми описуємо у тих чи інших системах відліку. Системою відліку можуть бути лабораторія, поїзд, супутник Землі, центр галактики... . Системою відліку може бути будь-яка частка, що летить, наприклад, в прискорювачі частинок. Так як всі ці системи рухаються одна щодо одної, то не всі досліди в них виглядатимуть однаково. Крім того, у них різний і гравітаційний вплив найближчих масивних тіл. Саме облік цих відмінностей становить основний зміст теорії відносності.

3.2. Корабель Галілея.Галілей сформулював принцип відносності, яскраво описавши всілякі досліди в каюті корабля, що плавно пливе. Якщо вікна завішані, неможливо за допомогою цих дослідів з'ясувати, з якою швидкістю рухається корабель і чи він не стоїть. Ейнштейн додав до цієї каюти досліди з кінцевою швидкістю світла. Якщо не дивитися у вікно, дізнатися швидкість корабля не можна. Але якщо подивитись на берег, то можна.

3.3. Далекі зірки*.Розумно виділити таку систему відліку, щодо якої люди могли б формулювати результати своїх дослідів незалежно від того, де вони знаходяться. За таку універсальну систему відліку давно приймають систему, у якій нерухомі далекі зірки. А порівняно недавно (півстоліття тому) були відкриті ще далекі квазари і з'ясувалося, що в цій системі має бути ізотропним реліктовий мікрохвильовий фон.

3.4. У пошуках універсальної системи відліку*.По суті, вся історія астрономії - це поступ до все більш універсальної системи відліку. Від антропоцентричної, де в центрі людина, до геоцентричної, де в центрі Земля (Птолемей, 87–165), до геліоцентричної, де в центрі лежить Сонце (Коперник, 1473–1543), до галацентричної, де лежить центр нашої Галактики, до небулярної, де лежить система туманностей - скупчень галактик, до фонової, де ізотропний космічний мікрохвильовий фон. Істотно, однак, що швидкості цих систем відліку малі порівняно зі швидкістю світла.

3.5. Коперник, Кеплер, Галілей, Ньютон.У книзі Миколи Коперника «Про обертання небесних сфер», що вийшла в 1543 р., говориться: «Усі помічені у Сонця рухи не властиві йому, але належать Землі та нашій сфері, разом з якою ми обертаємось навколо Сонця, як і будь-яка інша планета; таким чином, Земля має кілька рухів. Здається, прямі і зворотні рухи планет належать не їм, але Землі. Таким чином, один цей її рух достатньо для пояснення великої кількості видимих ​​у небі нерівномірностей».

Коперник і Кеплер (1571-1630) дали простий феноменологічний опис кінематики цих рухів. Галілей (1564–1642) та Ньютон (1643–1727) пояснили їхню динаміку.

3.6. Універсальний простір та час*.Просторові координати та час, віднесені до універсальної системи відліку, можна назвати універсальними або абсолютними в повній гармонії з теорією відносності. Важливо підкреслити, що вибір цієї системи проводиться і узгоджується локальними спостерігачами. Будь-яка система відліку, що поступово рухається щодо універсальної системи, є інерційною: у ній вільний рух рівномірний і прямолінійний.

3.7. "Теорія інваріантності"*. Зауважимо, що і Альберт Ейнштейн (1879–1955), і Макс Планк (1858–1947) (який увів у 1907 р. термін «теорія відносності», назвавши їм теорію, висунуту Ейнштейном в 1905 р.) вважали, що термін інваріантності» міг би більш точно відбивати її суть. Але, мабуть, на початку XX століття важливіше було підкреслити відносність таких понять, як час і одночасно в рівноправних інерційних системах відліку, ніж виділяти одну з цих систем. Найважливіше було, що за завішених вікнах каюти Галілея з'ясувати швидкість корабля не можна. Але зараз настав час розсунути штори і подивитися на берег. При цьому, очевидно, всі закономірності, встановлені при закритих шторах, залишаться непорушними.

3.8. Лист Чиммеру*. У 1921 р. Ейнштейн у листі Е. Чиммеру - автору книги «Філософські листи» написав: «Щодо терміна «теорія відносності», то я визнаю, що він невдалий і призводить до філософських непорозумінь». Але міняти його, на думку Ейнштейна, вже пізно, зокрема тому, що він широко поширений. Цей лист опубліковано в 12 томі 25-томного «Зборів праць Ейнштейна», що вийшов восени 2009 р., що видається в Прінстоні.

3.9. Максимальна швидкість у природі.Ключовою константою теорії відносності є швидкість світла c= 300 000 км/с = 3×10 8 м/с. (Більш точно, c= 299792458 м/с. І це число лежить в основі визначення метра.) Ця швидкість є максимальною швидкістю поширення будь-яких сигналів у природі. Вона багато порядків величин перевищує швидкості потужних об'єктів, із якими ми маємо справу щодня. Саме її незвично велика величина заважає розумінню основного змісту теорії відносності. Частинки, що рухаються із швидкостями порядку швидкості світла, називають релятивістськими.

3.10. Енергія, імпульс та швидкість.Вільний рух частки характеризується енергією частки Eта її імпульсом p. Відповідно до теорії відносності, швидкість частки vвизначається формулою

Одна з основних причин термінологічної плутанини, про яку йдеться у розд. 3.14 полягає в тому, що при створенні теорії відносності намагалися зберегти ньютонівський зв'язок між імпульсом і швидкістю p = mvщо суперечить теорії відносності.

3.11. Маса.Маса частки mвизначається формулою

У той час як енергія та імпульс частинки залежать від системи відліку, величина її маси mвід системи відліку залежить. Вона є інваріантом. Формули (1) та (2) є основними в теорії відносності.

Як не дивно, перша монографія з теорії відносності, в якій з'явилася формула (2), вийшла лише 1941 р. Це була «Теорії поля» Л. Ландау (1908–1968) та Є. Ліфшиця (1915–1985). У жодній із праць Ейнштейна я її не знайшов. Немає її й у чудовій книзі «Теорія відносності» У. Паулі (1900–1958), що вийшла 1921 р. Але релятивістське хвильове рівняння, що містить цю формулу, було у книзі «Принципи квантової механіки» П. Дірака, що вийшла в 1930 р. 1902-1984), а ще раніше у статтях 1926 р. О. Клейна (1894-1977) і В. Фока (1898-1974).

3.12. Безмасовий фотон.Якщо маса частки дорівнює нулю, тобто частка є безмасовою, то з формул (1) і (2) випливає, що у будь-якій системі відліку її швидкість дорівнює c. Оскільки маса частки світла – фотона – настільки мала, що її не вдається виявити, то прийнято вважати, що вона дорівнює нулю і що c- Це швидкість світла.

3.13. Енергія спокою.Якщо ж маса частки відмінна від нуля, то розглянемо систему відліку, в якій вільна частка спочиває і в неї v = 0, p= 0. Таку систему відліку називають системою спокою частки, а енергію частки у цій системі називають енергією спокою та позначають E 0. З формули (2) випливає, що

Ця формула виражає співвідношення між енергією спокою масивної частки та її масою, відкрите Ейнштейном 1905 року.

3.14. «Найвідоміша формула».На жаль, дуже часто формулу Ейнштейна записують у вигляді найвідомішої формули. E = mc 2», опускаючи нульовий індекс у енергії спокою, що призводить до численних непорозумінь та плутанини. Адже ця «знаменита формула» ототожнює енергію та масу, що суперечить теорії відносності взагалі та формулі (2) зокрема. З неї випливає широко поширена помилка, що маса тіла, згідно з теорією відносності, нібито росте зі зростанням його швидкості. В останні роки Російська академія освіти багато зробила для того, щоб розвіяти цю помилку.

3.15. Одиниця швидкості*. Теоретично відносності, що має справу зі швидкостями, порівнянними зі швидкістю світла, природно вибрати cяк одиниця швидкості. Такий вибір спрощує всі формули, оскільки c/c= 1, і в них слід покласти c= 1. У цьому швидкість стає безрозмірною величиною, відстань має розмірність часу, а маса має розмірність енергії.

У фізиці елементарних частинок маси часток зазвичай вимірюють в електронвольтах - еВ та їх похідних (див. разд. 2.14). Маса електрона порядку 0,5 МеВ, маса протона порядку 1 ГеВ, маса найважчого кварку порядку 170 ГеВ, а маси нейтрино порядку часткою еВ.

3.16. Астрономічні відстані*. В астрономії відстані вимірюють світлові роки. Розміри видимої частини Всесвіту близько 14 мільярдів світлових років. Це число справляє ще сильніше враження, якщо порівняти його з часом 10 -24 с, за яке світло проходить відстань порядку розміру протону. І у всьому цьому колосальному діапазоні працює теорія відносності.

3.17. Світ Мінковського.У 1908 р. за кілька місяців до своєї передчасної смерті Герман Мінковський (1864–1909) пророчо сказав: «Погляди на простір і час, які я маю намір перед вами розвинути, виникли на експериментально-фізичній основі. У цьому їхня сила. Їхня тенденція радикальна. Відтепер простір сам собою і час саме собою повинні звернутися у фікції, і лише певний вид з'єднання обох має зберегти самостійність».

Через століття ми знаємо, що час і простір не перетворилися на фікції, але ідея Мінковського дозволила дуже просто описати рухи та взаємодії частинок матерії.

3.18. Чотиривимірний світ*. в одиницях, в яких c= 1, особливо красиво виглядає уявлення про світ Мінковського, який поєднує час та тривимірний простір у єдиний чотиривимірний світ. Енергія та імпульс поєднуються при цьому в єдиний чотиривимірний вектор, а маса відповідно до рівняння (2) служить псевдоевклідовою довжиною цього 4-вектора енергії-імпульсу p = E, p:

Чотиривимірну траєкторію у світі Мінковського називають світовою лінією, а окремі точки – світовими точками.

3.19. Залежність ходу годинника від їх швидкості**. Численні спостереження вказують на те, що годинник іде найшвидше, коли він спочиває щодо інерційної системи. Фінітний рух в інерційній системі відліку уповільнює їх перебіг. Чим швидше вони переміщаються у просторі, тим повільніше йдуть у часі. Уповільнення є абсолютним в універсальній системі відліку (див. розд. 3.1–3.8). Його мірою є ставлення E/m, Яке часто позначають буквою γ.

3.20. Мюони в кільцевому прискорювачі та у спокої**. У існуванні цього уповільнення найнаочніше можна переконатися, порівнюючи часи життя мюона і мюона, що покоїться, що обертається в кільцевому прискорювачі. Та обставина, що у прискорювачі мюон рухається не зовсім вільно, а має доцентрове прискорення ω 2 R, де ω - радіальна частота обігу, а R- радіус орбіти, дає лише зневажливо малу поправку, оскільки E/ω 2 R = ER>> 1. Рух по колу, а не по прямій, абсолютно істотно для безпосереднього зіставлення мюона, що обертається, з тим, що покоїться. Але в тому, що стосується темпу старіння мюона, що рухається, дуга кола досить великого радіусу не відрізняється від прямої. Цей темп визначаються ставленням E/m. (Підкреслю, що відповідно до спеціальної теорії відносності, система відліку, в якій лежить мюон, що обертається, не інерційна.)

3.21. Дуга та хорда**. З погляду спостерігача, що спочиває в інерційній системі відліку, дуга кола досить великого радіусу і його хорда практично не відрізняються: рух по дузі майже інерційний. З точки зору спостерігача, що спочиває щодо мюона, що летить по колу, його рух істотно не інерційно. Адже його швидкість змінює знак за півоберта. (Для спостерігача, що рухається, далекі зірки аж ніяк не нерухомі. Весь Всесвіт для нього асиметричний: зірки попереду сині, а позаду червоні. У той час як для нас всі вони однакові - золотисті, тому що швидкість сонячної системи мала.) А неінерціальність цього спостерігача проявляється в тому, що сузір'я попереду та ззаду змінюються у міру руху мюона в кільцевому прискорювачі. Ми не можемо вважати спостерігачів, що спочивають і рухаються, еквівалентними, оскільки перший не відчуває жодного прискорення, а другий, щоб повернутися до місця зустрічі, повинен відчувати його.

3.22. ТО**. Фізики-теоретики, які звикли до мови Загальної теорії відносності (ОТО), наполягають у тому, що це системи відліку рівноправні. Не лише інерційні, а й прискорені. Що простір-час сам собою - криве. При цьому гравітаційна взаємодія перестає бути такою самою фізичною взаємодією, як електромагнітна, слабка і сильна, а стає винятковим проявом кривого простору. Через війну вся фізика їм виявляється хіба що розколотою дві частини. Якщо ж виходити з того, що прискорення завжди зумовлене взаємодією, що воно не відносно, а абсолютно, то фізика стає єдиною та простою.

3.23. «Ленком».Вживання слів «відносність» та «релятивізм» щодо швидкості світла нагадує назву театру «Ленком» чи газети «Московський комсомолець», лише генеалогічно пов'язаних із комсомолом. Такими є мовні парадокси. Швидкість світла у порожнечі не відносна. Вона є абсолютною. Просто фізикам потрібна допомога лінгвістів.

4. Про квантову теорію

4.1. Константа Планка.Якщо теорії відносності ключовою константою є швидкість світла c, то в квантовій механіці ключовою є константа h= 6,63 · 10 -34 Дж · c, відкрита Максом Планком в 1900 р. Фізичний зміст цієї константи стане зрозумілим з наступного викладу. Здебільшого у формулах квантової механіки фігурує так звана наведена константа Планка:

ħ = h/2π= 1,05 · 10 -34 Дж × c= 6,58 · 10 -22 МеВ · c.

У багатьох явищах важливу роль відіграє величина ħc= 1,97 · 10 -11 МеВ · див.

4.2. Спін електрона.Почнемо з широко відомого наївного порівняння атома із планетною системою. Планети обертаються навколо Сонця та навколо власної осі. Подібно до цього, електрони обертаються навколо ядра і навколо власної осі. Обертання електрона по орбіті характеризують орбітальним кутовим імпульсом. L(його часто й не зовсім правильно називають орбітальним кутовим моментом). Обертання електрона навколо власної осі характеризують власним кутовим імпульсом - спином S. Виявилося, що у всіх електронів у світі спин дорівнює (1/2) ħ . Для порівняння зазначимо, що «спин» Землі дорівнює 6 · 10 33 м 2 · кг / c = 6 · 10 67 ħ .

4.3. Атом водню.Насправді атом це планетна система, а електрон не звичайна частка, що рухається орбітою. Електрон, як і всі інші елементарні частинки, зовсім не є частинкою в тому життєвому значенні цього слова, який передбачає, що частка повинна рухатися певною траєкторією. У найпростішому атомі - атомі водню, якщо він знаходиться в своєму основному стані, тобто не збуджений, електрон нагадує швидше сферичну хмарку радіусом порядку 0,5 · 10 -10 м. У міру збудження атома, електрон переходить у більш високі стани , що мають все більший розмір.

4.4. Квантові числа електронів.Без урахування спина рух електрона в атомі характеризують двома квантовими числами: головним квантовим числом nта орбітальним квантовим числом l, причому n ≥ l. Якщо l= 0, то електрон є сферично симетричною хмарою. Чим більше n, тим більший розмір цієї хмари. Чим більше lтим більше рух електрона схожий на рух класичної частки по орбіті. Енергія зв'язку електрона, що у атомі водню на оболонці з квантовим числом n, дорівнює

де α =e 2/ħc≈ 1/137, a e- Заряд електрона.

4.5. Багатоелектронні атоми.Спін відіграє ключову роль під час заповнення електронних оболонок багатоелектронних атомів. Справа в тому, що два електрони з однаково спрямованим власним обертанням (однаково спрямованими спинами) не можуть перебувати на одній оболонці з цими значеннями nі l. Це заборонено так званим принципом Паулі (1900–1958). Фактично, принцип Паулі визначає періоди Періодичної таблиці елементів Менделєєва (1834–1907).

4.6. Бозони та ферміони.Всі елементарні частинки мають спину. Так, спин фотона дорівнює 1 в одиницях ħ , спин гравітону дорівнює 2. Частинки з цілим спином в одиницях ħ отримали назву бозонів. Частинки із напівцілим спином називають ферміонами. Бозони – колективісти: «вони прагнуть все жити в одній кімнаті», перебувати в одному квантовому стані. У цьому властивості фотонів заснований лазер: все фотони в лазерному пучку мають строго однакові імпульси. Ферміони ж індивідуалісти: кожному з них потрібна окрема квартира. Ця властивість електронів визначає закономірності заповнення електронних оболонок атомів.

4.7. "Квантові кентаври".Елементарні частинки це квантові кентаври: полуниці - напівхвилі. Завдяки своїм хвильовим властивостям квантові кентаври, на відміну від класичних частинок, можуть проходити відразу через дві щілини, створюючи в результаті інтерференційну картину на екрані, що стоїть позаду. Усі спроби вкласти квантових кентаврів у прокрустове ложе понять класичної фізики виявилися безплідними.

4.8. Співвідношення невизначеності.Константа ħ визначає особливості як обертального, а й поступального руху елементарних частинок. Невизначеності положення та імпульсу частинки повинні задовольняти так званим співвідношенням невизначеності Гейзенберга (1901–1976), типу

Аналогічне співвідношення існує для енергії та часу:

4.9. Квантова механіка.І квантування спина, і співвідношення невизначеності є частковими проявами загальних закономірностей квантової механіки, створеної в 20-х роках XX століття. Згідно з квантовою механікою, будь-яка елементарна частка, наприклад, електрон, це одночасно і елементарна частка, і елементарна (одночасткова) хвиля. Причому на відміну від звичайної хвилі, яка є періодичним рухом колосального числа частинок, елементарна хвиля - це новий, невідомий раніше вид руху індивідуальної частки. Елементарна довжина хвилі λ частинки з імпульсом pдорівнює λ = h/|p|, а елементарна частота ν , що відповідає енергії E, дорівнює ν = E/h.

4.10. Квантова теорія поля.Отже, спочатку ми були змушені визнати, що частки можуть бути як завгодно легкими і навіть безмасовими, і що їх швидкості не можуть перевищувати c. Потім ми були змушені визнати, що частинки зовсім не частинки, а своєрідні гібриди частинок та хвиль, поведінка яких поєднується квантом h. Об'єднання теорії відносності та квантової механіки було зроблено Діраком (1902–1984) у 1930 р. і призвело до створення теорії, яка отримала назву квантова теорія поля. Саме ця теорія описує основні властивості матерії.

4.11. Одиниці, в яких c, ħ = 1. Надалі ми, як правило, користуватимемося такими одиницями, в яких за одиницю швидкості прийнято c, а за одиницю кутового імпульсу (дії) - ħ . У цих одиницях усі формули значно спрощуються. Вони, зокрема, розмірності енергії, маси і частоти однакові. Ці одиниці прийняті у фізиці високих енергій, оскільки в ній суттєві квантові та релятивістські явища. У тих випадках, коли треба наголосити на квантовому характері того чи іншого явища, ми явно виписуватимемо ħ . Аналогічно будемо чинити і з c.

4.12. Ейнштейн та квантова механіка*.Ейнштейн, у певному сенсі породивши квантову механіку, не змирився з нею. І до кінця життя намагався побудувати «єдину теорію всього» на основі класичної теорії поля, ігноруючи ħ . Ейнштейн вірив у класичний детермінізм та у неприпустимість випадковості. Він повторював про Бога: Він не грає в кістки. І не міг примиритися з тим, що мить розпаду індивідуальної частинки в принципі передбачити не можна, хоча середній час життя того чи іншого типу частинок передбачається в рамках квантової механіки з безпрецедентною точністю. На жаль, його пристрасті визначили погляди багатьох людей.

5. Діаграми Фейнмана

5.1. Найпростіша діаграма.Взаємодії частинок зручно розглядати за допомогою діаграм, запропонованих Річардом Фейнман (1918-1988) в 1949 р. На рис. 1 наведена найпростіша діаграма Фейнмана, що описує взаємодію електрона та протона шляхом обміну фотоном.

Стрілки малюнку вказують напрям перебігу часу кожної частки.

5.2. Реальні частки.Кожному процес відповідає одна чи кілька діаграм Фейнмана. Зовнішнім лініям на діаграмі відповідають вхідні (до взаємодії) і частинки, що виходять (після взаємодії), які вільні. Їхні 4-імпульси p задовольняють рівнянню

Їх називають реальними частинками та кажуть, що вони знаходяться на масовій поверхні.

5.3. Віртуальні частки.Внутрішні лінії діаграм відповідають часткам, що у віртуальному стані. Для них

Їх називають віртуальними частинками та кажуть, що вони знаходяться поза масовою поверхнею. Поширення віртуальної частки описується математичною величиною, яку називають пропагатором.

Ця загальноприйнята термінологія може наштовхнути новачка на думку, що віртуальні частинки є менш матеріальними, ніж реальні частки. Насправді ж вони однаково матеріальні, але реальні частинки ми сприймаємо як речовину і випромінювання, а віртуальні - переважно як силові поля, хоча ця різниця значною мірою умовно. Важливо, що та сама частка, наприклад, фотон чи електрон, може бути реальної за одних умов і віртуальної - за іншими.

5.4. Вершини.Вершини діаграми описують локальні акти елементарних взаємодій між частинками. У кожній вершині 4-імпульс зберігається. Легко бачити, що якщо в одній вершині зустрічаються три лінії стабільних частинок, то принаймні одна з них має бути віртуальною, тобто повинна перебувати поза масовою поверхнею: «Болівару не знести трьох». (Наприклад, вільний електрон не може випустити вільний фотон і залишитися вільним електроном.)

Дві реальні частинки взаємодіють з відривом, обмінюючись однією чи кількома віртуальними частинками.

5.5. Розповсюдження.Якщо про реальні частки говорять, що вони рухаються, то про віртуальні частки говорять, що вони поширюються (propagate). Термін «поширення» підкреслює те, що у віртуальної частки може бути багато траєкторій, і може бути, що жодна з них не є класичною, як у віртуального фотона з нульовою енергією та ненульовим імпульсом, що описує статичну кулонівську взаємодію.

5.6. Античастинки.Чудовою властивістю фейнманівських діаграм є те, що вони описують як частинки, так і відповідні античастинки. При цьому античастка виглядає, як частка, що рухається назад за часом. На рис. 2 наведена діаграма, що зображує народження протона та антипротону при анігіляції електрона та позитрону.

Рух назад за часом однаково застосовується і до ферміонів, і до бозонів. Воно робить непотрібною інтерпретацію позитронів як незаповнених станів у морі електронів з негативною енергією, до якої вдався Дірак, коли 1930 р. ввів поняття античастинки.

5.7. Швінгер та діаграми Фейнмана.Швінгер (1918-1994), якому обчислювальні труднощі були байдуже, діаграм Фейнмана не любив і дещо зверхньо писав про них: «Як комп'ютерний чіп у нещодавні роки, діаграма Фейнмана несла обчислення в маси». На жаль, до найширших мас, на відміну чіпа, діаграми Фейнмана не дійшли.

5.8. Фейнман та діаграми Фейнмана.З незрозумілих причин діаграми Фейнмана не дійшли навіть знаменитих «Фейнманівських лекцій з фізики». Я переконаний, що їх необхідно довести до учнів середньої школи, пояснюючи їм основні ідеї фізики елементарних частинок. Це найпростіший погляд на мікросвіт і світ загалом. Якщо школяр має поняття потенційної енергії (наприклад, законом Ньютона, чи законом Кулона), то діаграми Фейнмана дозволяють йому отримувати вираз цієї потенційної енергії.

5.9. Віртуальні частки та фізичні силові поля.Фейнманівські діаграми - це найпростіша мова квантової теорії поля. (Принаймні у тих випадках, коли взаємодія не дуже сильна і можна користуватися теорією обурень.) У більшості книг з квантової теорії поля частки розглядаються як квантові збудження полів, що потребує знайомства з формалізмом вторинного квантування. На мові діаграм Фейнмана поля замінюються віртуальними частинками.

Елементарні частинки мають і корпускулярні, і хвильові властивості. Причому в реальному стані вони є частинками матерії, а у віртуальному стані вони є переносниками сил між матеріальними об'єктами. Після введення віртуальних частинок поняття сили стає непотрібним, а з поняттям поля, якщо з ним не було знайомства раніше, можливо, слід знайомитись після того, як освоєно поняття віртуальної частки.

5.10. Елементарні взаємодії*. Елементарні акти випромінювання та поглинання віртуальних частинок (вершини) характеризуються такими константами взаємодії, як електричний заряд e у разі фотона, слабкі заряди e/sin θ Wу разі W-бозону та e/sin θ W cos θ Wу разі Z-бозону (де θ W- Кут Вайнберга), колірний заряд gу разі глюонів і величина √Gу випадку гравітону, де G- Константа Ньютона. (Див. гл. 6–10). Електромагнітна взаємодія розглянута нижче в гл. 7. Слабка взаємодія - в гол. 8. Сильне - у гол. 9.

А почнемо ми в наступній гол. 6 з гравітаційної взаємодії.

6. Гравітаційна взаємодія

6.1. Гравітони.Я почну з частинок, які поки не відкриті і, напевно, не будуть відкриті в найближчому майбутньому. Це частинки гравітаційного поля – гравітони. Не відкриті поки не лише гравітони, а й гравітаційні хвилі (і це в той час, як електромагнітні хвилі буквально пронизують наше життя). Це пов'язано з тим, що з низьких енергіях гравітаційне взаємодія дуже слабко. Як побачимо, теорія гравітонів дозволяє зрозуміти всі відомі властивості гравітаційного взаємодії.

6.2. Обмін гравітонами.На мові діаграм Фейнмана гравітаційна взаємодія двох тіл здійснюється обміном віртуальними гравітонами між елементарними частинками, що складають ці тіла. На рис. 3 гравітон випускається часткою з 4-імпульсом p 1 і поглинається іншою часткою з 4-імпульсом p 2 . Через збереження 4-імпульсу, q=p 1 − p′ 1 =p′ 2 −p 2 , де q - 4-імпульс гравітону.

Поширення віртуального гравітону (йому, як і будь-якій віртуальній частинці відповідає пропагатор) зображено на малюнку пружинкою.

6.3. Атом водню у гравітаційному полі Землі.На рис. 4 зображена сума діаграм, на яких атом водню з 4-імпульсом p 1 обмінюється гравітонами з усіма атомами Землі, що мають сумарний 4-імпульс p 2 . І в цьому випадку q = p 1 − p′ 1 = p′ 2 − p 2 де q - сумарний 4-імпульс віртуальних гравітонів.

6.4. Про масу атома.Надалі при розгляді гравітаційної взаємодії ми нехтуватимемо масою електрона в порівнянні з масою протона, а також нехтуватимемо різницею мас протона і нейтрону та енергією зв'язку нуклонів в атомних ядрах. Отже, маса атома це приблизно сума мас нуклонів в атомному ядрі.

6.5. Коефіціент посилення*. Число нуклонів Землі N E ≈ 3,6·10 51 дорівнює добутку числа нуклонів в одному грамі земної речовини, тобто числа Авогадро N A ≈ 6·10 23 на масу Землі в грамах ≈ 6·10 27 . Тому діаграма рис. 4 являє собою суму 3,6 10 51 діаграм рис. 3, що зазначено потовщенням ліній Землі та віртуальних гравітонів на рис. 4. Крім того, "гравітонна пружина", на відміну від пропагатора одного гравітону, зроблена на рис. 4 сірої. Вона містить 3,6 · 10 51 гравітонів.

6.6. Яблуко Ньютон в гравітаційному полі Землі.На рис. 5 всі атоми яблука, що володіють сумарним 4-імпульсом p 1 взаємодіють з усіма атомами Землі, що володіють сумарним 4-імпульсом p 2 .

6.7. Число діаграм*. Нагадаю, що один грам звичайної речовини містить N A = 6 10 23 нуклонів. Число нуклонів у 100-грамовому яблуку N a = 100 N A = 6 · 10 25 . Маса Землі 6·10 27 г, і, отже, число нуклонів Землі N E = 3,6 · 10 51 . Зрозуміло, потовщення ліній на рис. 5 ні в якому разі не відповідає величезному числу нуклонів яблука N a , нуклонів Землі N E і набагато більшому, просто фантастичному числу фейнманівських діаграм N d = N a N E = 2,2 · 10 77 . Адже кожен нуклон яблука взаємодіє із кожним нуклоном Землі. Щоб підкреслити величезне число діаграм, пружина на рис. 5 зроблена темною.

Хоча взаємодія гравітону з окремою елементарною часткою дуже мало, сума діаграм для всіх нуклонів Землі створює значне тяжіння, яке ми відчуваємо. Універсальна гравітація притягує Місяць до Землі, їх обох до Сонця, всі зірки в нашій Галактиці та всі галактики одна до одної.

6.8. Фейнманівська амплітуда та її фур'є-образ***.

Фейнманівській діаграмі гравітаційної взаємодії двох повільних тіл з масами m 1 та m 2 відповідає фейнманівська амплітуда

де G- Константа Ньютона, a q- 3-імпульс, що переноситься віртуальними гравітонами. (Величина 1/q 2, де q- 4-імпульс, називається гравітонним пропагатором. У разі повільних тіл енергія практично не передається і тому q 2 = −q 2 .)

Щоб перейти від імпульсного простору до конфігураційного (координатного), треба взяти фур'є-образ амплітуди A( q)

Величина A( r) дає потенційну енергію гравітаційної взаємодії нерелятивістських частинок та визначає рух релятивістської частки у статичному гравітаційному полі.

6.9. Потенціал Ньютона*. Потенційна енергія двох тіл з масою m 1 і m 2 дорівнює

де G- Константа Ньютона, a r- Відстань між тілами.

Ця енергія міститься у «пружині» віртуальних гравітонів на рис. 5. Взаємодія, потенціал якої спадає як 1/ r, називається далекодіючим. Використовуючи фур'є-перетворення, можна побачити, що гравітація - далекодіюча, тому що гравітон безмасів.

6.10. Потенціал типу потенціалу Юкави**. Справді, якби гравітон мав ненульову масу m, то фейнманівська амплітуда для обміну їм мала б вигляд

і їй відповідав би потенціал типу потенціалу Юкави з радіусом дії r ≈ 1/m:

6.11. Про потенційну енергію**. У нерелятивістській механіці Ньютона кінетична енергія частки залежить від її швидкості (імпульсу), а потенційна лише від її координат, тобто від становища у просторі. У релятивістській механіці зберегти таку вимогу не можна, оскільки сама взаємодія часток часто залежить від їх швидкостей (імпульсів) і, отже, від кінетичної енергії. Однак для звичайних, досить слабких гравітаційних полів зміна кінетичної енергії частки мало порівняно з її повною енергією, і тому цю зміну можна знехтувати. Повну енергію нерелятивістської частки у слабкому гравітаційному полі можна записати як ε = E kin + E 0 + U.

6.12. Універсальність гравітації.На відміну від усіх інших взаємодій, гравітація має чудову властивість універсальності. Взаємодія гравітону з будь-якою частинкою не залежить від властивостей цієї частки, а залежить тільки від величини енергії, якою частка володіє. Якщо ця частка повільна, то її енергія спокою E 0 = mc 2, Укладена в її масі, набагато перевищує її кінетичну енергію. І тому гравітаційне взаємодія пропорційно її масі. Але для досить швидкої частки її кінетична енергія набагато більша за її масу. І тут її гравітаційне взаємодія від маси мало залежить і пропорційно її кінетичної енергії.

6.13. Спін гравітону та універсальність гравітації**. Точніше, випромінювання гравітону пропорційно не просто енергії, а тензору енергії-імпульсу частки. А це, у свою чергу, обумовлено тим, що спин гравітону дорівнює двом. Нехай4-імпульс частки до випромінювання гравітону був p 1 , а післявипускання p 2 . Тоді імпульс гравітону дорівнює q = p 1 − p 2 . Якщо ввести позначення p = p 1 + p 2 , то вершина випромінювання гравітону матиме вигляд

де h α - хвильова функція гравітону.

6.14. Взаємодія гравітону з фотоном**. Особливо це видно на прикладі фотона, маса якого дорівнює нулю. Експериментально доведено, що коли фотон летить із нижнього поверху будівлі на верхній поверх, його імпульс зменшується під дією тяжіння Землі. Доведено також, що промінь світла далекої зірки відхиляється гравітаційним тяжінням Сонця.

6.15. Взаємодія фотону із Землею**. На рис. 6 показаний обмін гравітонами між Землею та фотоном. Цей малюнок умовно є сумою малюнків гравітонних обмінів фотона з усіма нуклонами Землі. На ньому земна вершина виходить із нуклонною множенням на число нуклонів у Землі N E c відповідною заміною 4-імпульсу нуклону на 4-імпульс Землі (див. рис. 3).

6.16. Взаємодія гравітону з гравітоном***. Оскільки гравітони несуть енергію, вони самі повинні випускати та поглинати гравітони. Окремих реальних гравітонів ми не бачили і ніколи не побачимо. Проте взаємодія між віртуальними гравітонами призводить до спостеріганих ефектів.

6.17. Вікова прецесія Меркурія**. Однак цей внесок проявляється у прецесії перигелія орбіти Меркурія. Вікова прецесія Меркурія описується сумою однопетлевих гравітонних діаграм тяжіння Меркурія до Сонця (рис. 8).

6.18. Коефіцієнт посилення для Меркурія**. Ставлення мас Меркурія та Землі дорівнює 0,055. Так що кількість нуклонів у Меркурії N M = 0,055 N E= 2 · 10 50 . Маса Сонця M S= 2·10 33 р. Отже число нуклонів у Сонці N S = N A M S= 1,2 · 10 57 . А число діаграм, що описують гравітаційну взаємодію нуклонів Меркурія та Сонця, N dM= 2,4 · 10 107 .

Якщо потенційна енергія тяжіння Меркурія до Сонця дорівнює U = GM S M M/r, то після врахування поправки, що обговорюється, на взаємодію віртуальних гравітонів один з одним вона множиться на коефіцієнт 1 − 3 GM S/r. Ми бачимо, що виправлення до потенційної енергії становить −3 G 2 M S 2 M M /r 2.

6.19. Орбіта Меркурія**. Радіус орбіти Меркурія a= 58 · 10 6 км. Період обігу 88 земних діб. Ексцентриситет орбіти e= 0,21. Через обговорювану поправку за один оборот велика піввісь орбіти повертається на кут 6π GM S/a(1 − e 2), тобто близько однієї десятої кутової секунди, а за 100 земних років повертається на 43 "".

6.20. Гравітаційний лембовський зсув**. Кожен, хто вивчав квантову електродинаміку, відразу побачить, що рис. 7 схожа на трикутну діаграму, що описує зсув частоти (енергії) рівня 2 S 1/2 щодо рівня 2 P 1/2 в атомі водню (там трикутник складається з однієї фотонної та двох електронних ліній). Цей зрушення виміряли в 1947 р. Лемб і Різерфорд і встановили, що він дорівнює 1060 МГц (1,06 ГГц).

Цей вимір поклав початок ланцюгової реакції теоретичних та експериментальних робіт, що призвели до створення квантової електродинаміки та фейнманівських діаграм. Частота прецесії Меркурія на 25 порядків менша.

6.21. Класичний чи квантовий ефект?**. Добре відомо, що лембовський зсув енергії рівня – це суто квантовий ефект, тоді як прецесія Меркурія – суто класичний ефект. Як вони можуть описуватися схожими фейнмановскими діаграмами?

Щоб відповісти на це питання, слід згадати співвідношення E = ħω і врахувати, що перетворення Фур'є під час переходу від імпульсного простору до конфігураційного в розд. 6.8 містить e iqr / ħ . Крім того, слід врахувати, що в електромагнітному трикутнику лембовського зсуву лише одна лінія безмасової частки (фотону), а дві інші – це пропагатори електрона. Тому характерні відстані у ньому визначаються масою електрона (комптонівської довжиною хвилі електрона). А в трикутнику прецесії Меркурія є два пропагатори безмасової частки (гравітону). Ця обставина, обумовлена ​​тригравітонною вершиною, і призводить до того, що гравітаційний трикутник дає внесок на незрівнянно більших відстанях, ніж електромагнітний. У цьому порівнянні проявляється потужність квантової теорії поля у методі фейнманівських діаграм, що дозволяють просто розуміти і розраховувати широке коло явищ як квантових, так і класичних.

7. Електромагнітна взаємодія

7.1. Електрична взаємодія.Електрична взаємодія частинок здійснюється обміном віртуальними фотонами, як у рис. 1, 9.

Фотони, як і гравітони, також безмасові частинки. Так що електрична взаємодія теж далекоглядна:

Чому ж воно не настільки універсальне, як гравітація?

7.2. Позитивні та негативні заряди.По-перше, тому, що є електричні заряди двох знаків. І по-друге, тому що існують нейтральні частинки, які взагалі не мають електричного заряду (нейтрон, нейтрино, фотон...). Частинки із зарядами протилежних знаків, як електрон та протон, притягуються одна до одної. Частинки з однаковими зарядами відштовхуються. В результаті атоми і ті тіла, що складаються з них, в основному електронейтральні.

7.3. Нейтральні частки.Нейтрон містить u-кварк із зарядом +2 e/3 і два d-кварка із зарядом − e/3. Отже, сумарний заряд нейтрону дорівнює нулю. (Нагадаємо, що протон містить два u-кварка та один d-кварк.) Істинно елементарними частинками, що не мають електричного заряду, є фотон, гравітон, нейтрино, Z-бозон та бозон Хіггса.

7.4. Кулонівський потенціал.Потенційна енергія тяжіння електрона та протона, що знаходяться на відстані rодин від одного, дорівнює

7.5. Магнітна взаємодія.Магнітна взаємодія є не настільки далекоючою, як електрична. Воно спадає як 1/ r 3 . Воно залежить як від відстані між двома магнітами, а й від взаємної орієнтації. Добре відомий приклад – взаємодія стрілки компаса із полем магнітного диполя Землі. Потенційна енергія взаємодії двох магнітних диполів μ 1 та μ 2 дорівнює

де n = r/r.

7.6. Електромагнітна взаємодія.Найбільшим досягненням XIX століття було відкриття того, що електричні та магнітні сили - це два різні прояви однієї і тієї ж електромагнітної сили. У 1821 р. М. Фарадей (1791-1867) досліджував взаємодію магніту та провідника зі струмом. Через десятиліття він встановив закони електромагнітної індукції за взаємодії двох провідників. У наступні роки він ввів поняття електромагнітного поля та висловив ідею про електромагнітну природу світла. У 1870-х Дж. Максвелл (1831-1879) усвідомив, що електромагнітна взаємодія відповідальна за широкий клас оптичних явищ: випромінювання, перетворення та поглинання світла, і написав рівняння, що описують електромагнітне поле. Незабаром Г. Герц (1857-1894) відкрив радіохвилі, а Ст Рентген (1845-1923) - Х-промені. Вся наша цивілізація ґрунтується на проявах електромагнітних взаємодій.

7.7. Об'єднання теорії відносності та квантової механіки.Найважливішим етапом у розвитку фізики був 1928 рік, коли з'явилася стаття П. Дірака (1902-1984), в якій він запропонував квантове та релятивістське рівняння для електрона. Це рівняння містило магнітний момент електрона і вказувало існування античастинки електрона - позитрона, відкритого кілька років. Після цього квантова механіка і теорія відносності об'єдналися в квантову теорію поля.

Те, що електромагнітні взаємодії викликані випромінюванням і поглинанням віртуальних фотонів, стало цілком ясно лише у середині ХХ століття з появою діаграм Фейнмана, т. е. по тому, як чітко сформувалося поняття віртуальної частки.

8. Слабка взаємодія

8.1. Ядерні взаємодії.На початку XX століття були відкриті атом та його ядро ​​та α -, β - І γ -Промені, що випускаються радіоактивними ядрами. Як виявилося, γ -Промені - це фотони дуже високої енергії, β -промені - це високоенергійні електрони, α -Промені - ядра гелію. Це призвело до відкриття двох нових типів взаємодій - сильного та слабкого. На відміну від гравітаційної та електромагнітної взаємодій, сильна та слабка взаємодії є короткодіючими.

Надалі було встановлено, що вони відповідальні за перетворення водню на гелій у нашому Сонці та інших зірках.

8.2. Заряджені струми*. Слабка взаємодія відповідальна за перетворення нейтрону в протон з випромінюванням електрона та електронного антинейтрино. В основі великого класу процесів слабкої взаємодії лежать перетворення кварків одного типу на кварки іншого типу з випромінюванням (або поглинанням) віртуальних. W-бозонів: u, c, t ↔ d, s, b. Аналогічно при випромінюванні та поглинанні W-бозонів відбуваються переходи між зарядженими лептонами та відповідними нейтрино:

e ↔ ν e, μ ↔ ν μ , τ ↔ ν τ. У рівній мірі відбуваються переходи типу dˉu ↔ Wта eˉν e ↔ W. У всіх цих переходах за участю W-бозонів беруть участь звані заряджені струми, змінюють на одиницю заряди лептонів і кварків. Слабка взаємодія заряджених струмів короткодіє, вона описується потенціалом Юкави e −mWr /r, так що ефективний радіус у нього r ≈ 1/m W.

8.3. Нейтральні струми*. У 1970-х роках були відкриті процеси слабкої взаємодії нейтрино, електронів та нуклонів, зумовлені так званими нейтральними струмами. У 1980-х роках було експериментально встановлено, що взаємодії заряджених струмів відбуваються шляхом обміну W-бозонами, а взаємодії нейтральних струмів - шляхом обміну Z-бозонів.

8.4. Порушення P- І CP-парності*. У другій половині 1950-х років було відкрито порушення просторової парності Pта зарядової парності Cу слабких взаємодіях. У 1964 р. було відкрито слабкі розпади, що порушують збереження CP-симетрії. Нині механізм порушення CP-симетрії вивчається в розпадах мезонів, що містять b-Кварки.

8.5. Осциляція нейтрино*. Останні два десятиліття увага фізиків прикута до вимірювань, які проводяться на підземних кілотонних детекторах у Каміока (Японія) та Садбері (Канада). Ці виміри показали, що між трьома сортами нейтрино ν e, ν μ, ν τвідбуваються у вакуумі взаємні переходи (осциляція). Природа цих осциляцій з'ясовується.

8.6. Електрослабка взаємодія.У 1960-х роках була сформульована теорія, згідно з якою електромагнітна та слабка взаємодії є різними проявами єдиної електрослабкої взаємодії. Якби мала місце строга електрослабка симетрія, то маси W- І Z-бозонів були б рівні нулю подібно до маси фотона.

8.7. Порушення електрослабкої симетрії.У рамках стандартної моделі бозон Хіггса порушує електрослабку симетрію і пояснює таким чином, чому фотон безмасів, а слабкі бозони масивні. Він же дає маси лептонам, кваркам та самому собі.

8.8. Що треба дізнатися про хіґґса.Однією з основних завдань Великого адронного колайдера LHC є відкриття бозона Хіггса (який називають просто хіггс і позначають hабо H) та подальше встановлення його властивостей. Насамперед вимір його взаємодій з W- І Z-бозонами, з фотонами, а також його самовзаємодії, тобто вивчення вершин, що містять три і чотири хіггса: h 3 і h 4 і його взаємодії з лептонами і кварками, особливо з топ-кварком. У межах Стандартної моделі всім цих взаємодій існують чіткі прогнози. Їхня експериментальна перевірка представляє дуже великий інтерес з погляду пошуків «нової фізики» за межами Стандартної моделі.

8.9. А якщо хігса немає?Якщо ж виявиться, що в інтервалі мас близько декількох сотень ГеВ хіггс не існує, то це означатиме, що при енергіях вище ТеВ лежить нова, абсолютно незвідана область, де взаємодії W- І Z-бозонів стають непертурбативно сильними, т. е. що неспроможні описуватися теорією обурень. Дослідження цієї галузі принесуть багато сюрпризів.

8.10. Лептонні колайдери майбутнього.Для виконання всієї цієї програми досліджень на додаток до LHC, можливо, доведеться побудувати лептонні колайдери:

ILC (International Linear Collider) з енергією зіткнення 0,5 ТеВ,

або CLIC (Compact Linear Collider) з енергією зіткнення 1 ТеВ,

або MC (Muon Collider) з енергією зіткнення 3 ТЕВ.

8.11. Лінійні електрон-позитронні колайдери. ILC - Міжнародний лінійний колайдер, у якому повинні зіштовхуватися електрони з позитронами, і навіть фотонис фотонами. Рішення про його будівництво може бути прийнято тільки після того, як стане ясно, чи існує хіггс і якого маса. Одне з пропонованих місць будівництва ILC – околиці Дубни. CLIC - Компактний лінійний колайдерелектронів та позитронів. Проект розробляється у ЦЕРН.

8.12. Мюйонний колайдер.МС - Мюонний колайдер був вперше задуманий Г. І. Будкер (1918-1977). У 1999 р. у Сан-Франциско відбулася п'ята Міжнародна конференція «Фізичний потенціал та розвиток мюонних колайдерів та нейтринних фабрик». В даний час проект МС розробляється у Ферміївській національній лабораторії і може бути здійснений через 20 років.

9. Сильна взаємодія

9.1. Глюони та кварки.Сильна взаємодія тримає нуклони (протони та нейтрони) усередині ядра. В його основі взаємодія глюонів з кварками та взаємодія глюонів з глюонами. Саме самодія глюонів призводить до того, що незважаючи на те, що маса глюону дорівнює нулю, так само, як рівні нулю маси фотона і гравітону, обмін глюонами не призводить до глюонної дальнодії, подібної до фотонної і гравітонної. Більше того, воно призводить до відсутності вільних глюонів та кварків. Це пов'язано з тим, що сума одноглюонних обмінів замінюється глюонної трубкою чи ниткою. Взаємодія нуклонів в ядрі подібна до сил Ван-дер-Ваальса між нейтральними атомами.

9.2. Конфайнмент та асимптотична свобода.Явище невилітання глюонів та кварків з адронів називають словом конфайнмент. Зворотною стороною динаміки, що призводить до конфайнменту, є те, що на дуже малих відстанях глибоко всередині адронів взаємодія між глюонами і кварками поступово спадає. Кварки стають вільними на малих відстанях. Це називають терміном асимптотична свобода.

9.3. Кольори кварків.Явище конфайнмента є наслідком те, що кожен із шести кварків існує у вигляді трьох «колірних» різновидів. Кварки зазвичай «розмальовують» у жовтий, синій та червоний кольори. Антикварки розфарбовують у додаткові кольори: фіолетовий, оранжевий, зелений. Всі ці кольори позначають своєрідні заряди кварків - «багатомірні аналоги» електричного заряду, відповідальні за сильні взаємодії. Зрозуміло, ніякого зв'язку, крім метафоричного, між кольорами кварків та звичайними оптичними кольорами немає.

9.4. Кольори глюонів.Ще більш численне сімейство кольорових глюонів: їх вісім, з яких два ідентичні своїм античастинкам, а решта шість - ні. Взаємодії колірних зарядів описуються квантовою хромодинамікою та визначають властивості протона, нейтрону, всіх атомних ядер та властивості всіх адронів. Те, що глюони несуть заряди кольорів, призводить до явища конфайнменту глюонів і кварків, що полягає в тому, що кольорові глюони і кварки не можуть вирватися з адронів. Ядерні сили між безбарвними (білими) адронами є слабкими відлуннями могутніх колірних взаємодій всередині адронів. Це схоже на дещицю молекулярних зв'язків у порівнянні з внутрішньоатомними.

9.5. Маси адронів.Маси адронів взагалі та нуклонів зокрема обумовлені глюонною самодіяльністю. Таким чином, маса всієї видимої речовини, що становить 4–5% енергії Всесвіту, обумовлена ​​саме самодіяльністю глюонів.

10. Стандартна модель та за її межами

10.1. 18 частин Стандартної моделі.Усі відомі фундаментальні частинки природно розпадаються на три групи:

6 лептонів(Спин 1/2):
3 нейтрино: ν e, ν μ , ν τ ;
3 заряджених лептонів: e, μ , τ ;
6 кварків(Спин 1/2):
u,c, t,
d, s, b;
6 бозонів:
g̃ - гравітон (спин 2),
γ , W, Z, g- глюони (спин 1),
h- Хіггс (спин 0).

10.2. За межами стандартної моделі. 96% енергії Всесвіту знаходиться за межами Стандартної моделі та чекає свого відкриття та вивчення. Є кілька основних припущень про те, як може виглядати нова фізика (див. нижче 10.3–10.6).

10.3. Велике об'єднання.Об'єднанню сильного і електрослабкого взаємодії присвячено дуже багато робіт, переважно теоретичних. У більшості з них передбачається, що воно відбувається при енергіях 10 16 ГеВ. Таке об'єднання має призводити до розпаду протона.

10.4. Суперсиметричні частинки.Згідно ідеї суперсиметрії, що вперше зародилася у ФІАН, у кожної «нашої» частинки є суперпартнер, спин якого відрізняється на 1/2: 6 скварків і 6 слептонів зі спином 0, хіггсіно, фотино, вино і зино зі спином 1/2, гравітіно зі спином 3/2. Маси цих суперпартнерів повинні бути значно більшими, ніж у наших частинок. Інакше їх давно відкрили б. Деякі із суперпартнерів, можливо, будуть відкриті, коли запрацює Великий адронний колайдер.

10.5. Суперструни.Розвиває гіпотезу про суперсиметрію гіпотеза про існування суперструн, які живуть на дуже малих відстанях близько 10 -33 см і відповідають їм енергіях 1019 ГеВ. Багато фізиків-теоретиків сподіваються, що саме на основі уявлень про суперструни вдасться побудувати єдину теорію всіх взаємодій, що не містить вільних параметрів.

10.6. Дзеркальні частки.Згідно ідеї про дзеркальну матерію, яка вперше зародилася в ІТЕФ, у кожної нашої частки є дзеркальний двійник, і існує дзеркальний світ, який лише дуже слабко пов'язаний з нашим світом.

10.7. Темна матерія.Тільки 4–5% усієї енергії у Всесвіті існує у вигляді маси звичайної речовини. Близько 20% енергії всесвіту укладено в так званій темній матерії, що складається, як вважають, із суперчасток, або дзеркальних частинок, або якихось інших невідомих частинок. Якщо частинки темної матерії набагато важче звичайних частинок і якщо, зіштовхуючись один з одним у космосі, вони анігілюють у звичайні фотони, ці фотони високої енергії можуть бути зареєстровані спеціальними детекторами в космосі і на Землі. З'ясування природи темної матерії є одним із основних завдань фізики.

10.8. Темна енергія.Але переважна частина енергії Всесвіту (порядку 75%) обумовлена ​​так званою темною енергією. Вона «розлита» по вакууму і розштовхує скупчення галактик. Її природа поки що незрозуміла.

11. Елементарні частинки в Росії та світі

11.1. Указ Президента РФ. 30 вересня 2009 р. було видано Указ Президента РФ «Про додаткові заходи щодо реалізації пілотного проекту створення Національного дослідницького центру “Курчатівський інститут”». Указ передбачає участь у проекті наступних організацій: Петербурзького інституту ядерної фізики, Інституту фізики високих енергій та Інституту теоретичної та експериментальної фізики. Указ передбачає також «включення зазначеної установи, як найбільш значущої установи науки, до відомчої структури видатків федерального бюджету як головний розпорядник бюджетних коштів». Цей Указ може сприяти поверненню фізики елементарних частинок до пріоритетних напрямів розвитку науки нашій країні.

11.2. Слухання у Конгресі США 1. 1 жовтня 2009 р. відбулися слухання у підкомітеті з енергії та навколишнього середовища комітету з науки та технології Палати представників США на тему «Дослідження природи матерії, енергії, простору та часу». Асигнування Департаменту енергії на цю програму у 2009 р. становлять 795,7 млн. доларів. Професор Гарвардського університету Ліза Рендалл виклала погляди на матерію, енергію та походження Всесвіту з погляду майбутньої теорії струн. Директор Ферміївської національної лабораторії (Батавія) П'єр Оддоне розповів про стан фізики частинок у США, і зокрема, про майбутнє завершення роботи Теватрона та початок спільної роботи ФНАЛ та підземної лабораторії DUSEL з вивчення властивостей нейтрино та рідкісних процесів. Він наголосив на важливості участі американських фізиків у проектах з фізики високих енергій у Європі (LHC), Японії (JPARC), Китаї (ВЕРС) та міжнародному космічному проекті (GLAST, названому нещодавно ім'ям Фермі).

11.3. Слухання у Конгресі США 2.Директор Національної Лабораторії імені Джеферсона Х'ю Монтгомері говорив про вклад цієї Лабораторії в ядерну фізику, в прискорювальні технології та в освітні програми. Директор наукового відділу з фізики високих енергій Департаменту енергії Денніс Ковар розповів про три основні напрямки з фізики високих енергій:

1) прискорювальні дослідження при максимальних енергіях,

2) прискорювальні дослідження при максимальних інтенсивностях,

3) наземні та супутникові дослідження космосу з метою з'ясування природи темної матерії та темної енергії,

та трьох основних напрямках з ядерної фізики:

1) вивчення сильних взаємодій кварків та глюонів,

2) вивчення того, як з протонів та нейтронів утворилися атомні ядра,

3) вивчення слабких взаємодій за участю нейтрино.

12. Про фундаментальну науку

12.1. Що таке основоположна наука.Зі викладеного вище тексту ясно, що я, як і більшість науковців, називаю фундаментальною наукою ту частину науки, яка встановлює найбільш фундаментальні закони природи. Ці закони лежать у фундаменті піраміди науки чи окремих її поверхів. Вони визначають довгостроковий розвиток цивілізації. Існують, однак, люди, які фундаментальною наукою називають ті розділи науки, які мають найбільший безпосередній вплив на миттєві досягнення у розвитку цивілізації. Мені особисто здається, що ці розділи та напрямки краще називати прикладною наукою.

12.2. Коріння та плоди.Якщо фундаментальну науку можна порівняти з корінням дерева, прикладну можна порівняти з його плодами. Такі найважливіші технологічні прориви, як створення мобільних телефонів чи оптоволоконного зв'язку, це плоди науки.

12.3. А. І. Герцен про науку.У 1845 р. Олександр Іванович Герцен (1812–1870) опублікував у журналі «Вітчизняні записки» чудові «Листи вивчення природи». Наприкінці першого листа він написав: «Наука здається важкою не тому, щоб вона була справді важка, а тому, що інакше не дійдеш її простоти, як пробившись крізь темряву готових понять, що заважають прямо бачити. Нехай вхідні вперед знають, що весь арсенал іржавих і негідних знарядь, що дісталися нам у спадок від схоластики, негідний, що треба пожертвувати поза наукою складеними поглядами, що, не відкинувши все напівбрехні, Якими для зрозумілості одягають напівістини, не можна увійти до науки, не можна дійти цілої істини».

12.4. Про скорочення шкільних програм.Сучасні програми з фізики в школі цілком можуть включити активне володіння елементами теорії елементарних частинок, теорії відносності і квантової механіки, якщо скоротити в них ті розділи, які мають в основному описовий характер і збільшують «ерудицію» дитини, а не розуміння навколишнього світу і вміння жити та творити.

12.5. Висновок.Було б правильно, щоб Президія РАН наголосила на важливості раннього прилучення молоді до світогляду, заснованого на досягненнях теорії відносності та квантової механіки, та доручила Комісіям Президії РАН за підручниками (голова - віце-президент В.В. Козлов) та за освітою (голова - віце -Президент В. А. Садовничий) підготувати пропозиції щодо вдосконалення викладання сучасної фундаментальної фізики в середній та вищій школі.

Опис

Для того, щоб якийсь зв'язок міг бути названий фізичним законом, він повинен задовольняти такі вимоги:

• Емпірична підтвердженість. Фізичний закон вважається вірним, якщо підтверджений багаторазовими експериментами.
• Універсальність. Закон має бути справедливим для великої кількості об'єктів. В ідеалі – для всіх об'єктів у Всесвіті.
• Стійкість. Фізичні закони не змінюються з часом, хоч і можуть визнаватись наближеннями до більш точних законів.

Фізичні закони, як правило, виражаються у вигляді короткого словесного затвердження або компактної математичної формули:

Приклади

Основна стаття: Список фізичних законів

Одними з найвідоміших фізичних законів є:

Закони-принципи

Деякі фізичні закони мають універсальний характері і за своєю суттю є визначеннями. Такі закони часто називають принципами. До них відносяться, наприклад, другий закон Ньютона (визначення сили), закон збереження енергії (визначення енергії), принцип найменшої дії (визначення дії) та ін.

Закони-наслідки симетрій

Частина фізичних законів є простими наслідками деяких симетрій, що у системі. Так, закони збереження відповідно до теореми Нетер є наслідками симетрії простору та часу. А принцип Паулі, наприклад, є наслідком ідентичності електронів (антисиметричність їхньої хвильової функції щодо перестановки частинок).

Приблизність законів

Усі фізичні закони є наслідком емпіричних спостережень і вірні з тією точністю , з якою вірні експериментальні спостереження. Це обмеження не дозволяє стверджувати, що будь-який із законів має абсолютний характер. Відомо, частина законів свідомо є абсолютно точними, а є наближення до точнішим. Так, закони Ньютона справедливі лише досить масивних тіл, які рухаються зі швидкостями, значно меншими швидкості світла . Більш точними є закони квантової механіки та спеціальної теорії відносності. Однак, і вони, у свою чергу, є наближеннями більш точних рівнянь квантової теорії поля .

Див. також

Примітки

Wikimedia Foundation. 2010 .

Дивитись що таке "Закон (фізика)" в інших словниках:

Фізика. 1. Предмет і структура фізики Ф. наука, вивчає найпростіші разом із тим наиб. загальні властивості і закони руху навколишніх об'єктів матеріального світу. Внаслідок цієї спільності немає явищ природи, які мають фіз. властивостей … Фізична енциклопедія

Наука, що вивчає найпростіші і водночас найбільш загальні закономірності явищ природи, св ва і будову матерії та її рухи. Поняття Ф. та її закони лежать в основі всього природознавства. Ф. відноситься до точних наук і вивчає кількостей. Фізична енциклопедія

Закон прямолінійного поширення світла: у прозорому однорідному середовищі світло поширюється прямими лініями. У зв'язку із законом прямолінійного розповсюдження світла з'явилося поняття світловий промінь, яке має геометричний сенс як… … Вікіпедія

ФІЗИКА- ФІЗИКА, наука, що вивчає разом із хімією загальні закони перетворення енергії та матерії. В основі обох наук лежать два основні закони природознавства - закон збереження маси (закон Ломоносова, Лавуазьє) і закон збереження енергії (Р. Майєр, Джауль. Велика медична енциклопедія

Закон Бойля Маріотта один із основних газових законів. Закон названий на честь ірландського фізика, хіміка та філософа Роберта Бойля (1627–1691), який відкрив його у 1662, а також на честь французького фізика Едма Маріотта (1620–1684), який відкрив… … Вікіпедія

Статистична фізика Термодинаміка Молекулярно кінетична теорія Статистики … Вікіпедія

Закон невтрати ентропії: «В ізольованій системі ентропія не зменшується». Якщо в певний момент часу замкнута система перебуває в нерівноважному макроскопічному стані, то в наступні моменти часу найімовірнішим наслідком… … Вікіпедія

Закон зворотного відношення між обсягом та змістом поняття Закон формальної логіки про залежність між змінами обсягу та змісту поняття. Якщо перше поняття ширше другого за обсягом, воно бідніше його за змістом; якщо ж… … Вікіпедія

- (a. explosion physics; н. Physik der Explosion; ф. physique de l explosion; i. fisica de explosion, fisica de estallido, fisica de detonacion) наука, що вивчає явище вибуху та механізм його дії в середовищі. Hарушеніе механіч.… … Геологічна енциклопедія

- (фізика рідкого стану речовини) розділ фізики, в якому вивчаються механічні та фізичні властивості рідин. Статистична теорія рідин є розділом статистичної фізики. Найважливішим результатом є виведення рівнянь.

Жодна сфера людської діяльності не обходиться без точних наук. І як би не були складними людські взаємини, вони теж зводяться до цих законів. пропонує згадати закони фізики, з якими людина стикається та переживає щодня свого життя.

Найпростіший, але найважливіший закон – це Закон збереження та перетворення енергії.

Енергія будь-якої замкнутої системи при всіх процесах, що відбуваються в системі, залишається постійною. А ми з Вами саме у такій замкнутій системі і знаходимося. Тобто. скільки віддамо, стільки й отримаємо. Якщо ми хочемо щось отримати, треба стільки перед тим віддати. І ніяк інакше!

А нам, звичайно ж, хочеться отримувати більшу зарплату, а на роботу при цьому не ходити. Іноді створюється ілюзія, що "дурням щастить" і багатьом щастя звалюється на голову. Вчитайтесь у будь-яку казку. Героям завжди треба долати величезні труднощі! То скупатися у воді холодця, то в окропі.

Чоловіки привертають увагу жінок залицяннями. Жінки у свою чергу піклуються потім про цих чоловіків та дітей. І так далі. Так що, якщо ви хочете щось отримати, постарайтеся спочатку віддати.

Сила дії дорівнює силі протидії.

Цей закон фізики відбиває попередній, у принципі. Якщо людина здійснила негативний вчинок – усвідомлений чи ні – та був отримав відповідь, тобто. протидія. Іноді причина та слідство бувають рознесені у часі, і можна одразу й не зрозуміти, звідки вітер дме. Потрібно, головне, пам'ятати, що нічого просто так не буває.

Закон важеля.

Архімед вигукнув: « Дайте мені точку опори, і я переверну Землю!». Будь-який тягар можна перенести, якщо підібрати правильний важіль. Потрібно завжди прикинути який довжини знадобиться важіль, щоб досягти тієї чи іншої мети і зробити для себе висновок, розставити пріоритети: чи потрібно витрачати стільки сил, щоб створити правильний важіль і пересунути цей тягар або простіше дати спокій і зайнятися іншою діяльністю.

Правило свердла.

Правило у тому, що свідчить про напрямок магнітного поля. Це правило відповідає на вічне запитання: хто винний? І вказує на те, що у всьому, що з нами відбувається, винні ми самі. Як би прикро не було, як би складно не було, як би, на перший погляд несправедливо не було, треба завжди усвідомлювати те, що причиною спочатку були ми самі.

Закон цвяха.

Коли людина хоче забити цвях, вона ж не стукає десь поруч із цвяхом, вона стукає саме по капелюшку цвяха. Але ж цвяхи самі не залазять у стіни. Потрібно завжди підбирати правильний молоток, щоб не розбити цвях кувалдою. І забиваючи, треба розраховувати удар, щоб не погнувся капелюшок. Будьте простіше, дбайте один про одного. Навчіться думати про ближнього.

І, насамкінець, закон Ентропії.

Під ентропією розуміють міру безладдя системи. Іншими словами, що більше хаосу в системі, то більша ентропія. Точне формулювання: при мимовільних процесах, які у системах, ентропія завжди зростає. Як правило, всі мимовільні процеси необоротні. Вони призводять до реальних змін у системі, і повернути її до початкового стану без витрати енергії неможливо. При цьому не можна точно повторити (на всі 100%) її вихідний стан.

Щоб краще усвідомити, про який порядок і безладдя йдеться, поставимо досвід. Насипаємо у скляну банку чорних та білих дробинок. Спочатку насипаємо чорних, потім білих. Дробинки розташовуватимуться у два шари: знизу чорний, зверху білий – все впорядковано. Потім кілька разів струсимо банку. Дробинки поступово перемішуються. І скільки б ми потім не трусили цю банку, нам навряд чи вдасться досягти, щоб дробинки знову розташувалися в два шари. Ось вона, ентропія у дії!

Стан, коли дробинки були розташовані у два шари, вважається впорядкованим. Стан, коли дробинки рівномірно перемішані, вважається безладним. Щоб повернутися в упорядкований стан, потрібне практично диво! Або повторна копітка робота з дробинками. А щоб навести хаос у банку, майже не потрібні зусилля.

Автомобільне колесо. Коли він накачений, у ньому надлишок вільної енергії. Колесо може їхати, отже, воно працює. Це порядок. А якщо проколоти колесо? Тиск у ньому впаде, вільна енергія «піде» в довкілля (розсіється), і працювати таке колесо вже не зможе. Це — хаос. Щоб відновити систему у вихідний стан, тобто. навести лад, потрібно провести чималу роботу: заклеїти камеру, змонтувати колесо, накачати його і т.д., після чого це знову потрібна річ, яка здатна приносити користь.

Тепло передається від гарячого тіла холодному, а чи не навпаки. Зворотний процес теоретично можливий, а практично ніхто не візьметься це робити, оскільки будуть потрібні колосальні зусилля, спеціальні установки та обладнання.

Також і у суспільстві. Люди старіють. Вдома руйнуються. Скелі осідають у морі. Галактики розбігаються. До безладдя мимоволі прагне будь-яка навколишня дійсність.

Однак люди часто говорять про безладдя як про свободу: « Ні, ми не хочемо порядку! Дайте нам таку свободу, щоб кожен міг робити те, що хоче!Але коли кожен робить, що хоче, це не свобода – це хаос. У наш час багато хто вихваляє безлад, пропагує анархію - словом, все те, що руйнує і поділяє. Але свобода – не в хаосі, свобода саме в порядку.

Упорядковуючи своє життя, людина створює собі запас вільної енергії, яку потім реалізує здійснення своїх планів: роботу, навчання, відпочинок, творчість, спорт тощо. - Іншими словами, протистоїть ентропії. Інакше як би ми змогли накопичити за останні 250 років стільки матеріальних цінностей?!

Ентропія – це міра безладдя, міра незворотного розсіювання енергії. Чим більша ентропія, тим більше безладдя. Будинок, у якому ніхто не живе, занепадає. Залізо з часом іржавіє, автомобіль старіє. Відносини, про збереження яких ніхто не дбає, руйнуються. Так і все інше в нашому житті абсолютно все!

Природний стан природи не рівновага, а зростання ентропії. Цей закон невблаганно працює і в житті однієї людини. Йому нічого не треба робити, щоб його ентропія зростала, це відбувається мимоволі за законом природи. Щоб знизити ентропію (безлад), треба докласти чимало зусиль. Це свого роду ляпас позитивним до дуру людям (під лежачий камінь та вода не тече), яких досить багато!

Підтримка успіху потребує постійних зусиль. Якщо ми не розвиваємось, то ми деградуємо. І щоб зберегти те, що в нас було раніше, ми маємо сьогодні зробити більше, ніж робили вчора. Речі можна утримувати в порядку і навіть покращити: якщо фарба на будинку вицвіла, його можна пофарбувати заново, причому ще красивіше, ніж раніше.

Люди повинні намагатися «утихомирити» довільну деструктивну поведінку, яка переважає в сучасному світі повсюдно, намагатися знизити стан хаосу, який ми й розігнали до грандіозних меж. І це фізичний закон, а не просто балаканина про депресію та негативне мислення. Все або розвивається, або деградує.

Живий організм народжується, розвивається і вмирає, і ніхто ніколи не спостерігав, щоб після смерті він оживав, молодшав і повертався у сім'ю чи утробу. Коли кажуть, що минуле ніколи не повертається, то, звичайно, мають на увазі насамперед ці життєві явища. Розвиток організмів задає позитивний напрямок стріли часу, і зміна одного стану системи іншим відбувається завжди в одному напрямку для всіх без винятку процесів.

Валеріан Чупін

Джерело інформації: Чайковські.

Коментарі (3)

Багатство сучасного суспільства приростає, і буде приростати все більшою мірою, насамперед загальною працею. Промисловий капітал став першою історичною формою громадського виробництва, коли інтенсивно почав експлуатуватися загальний працю. Причому спочатку той, який дістався йому задарма. Наука, як зазначив Маркс, нічого не коштувала капіталу. Справді, жоден капіталіст не заплатив винагороду ні Архімеду, ні Кардано, ні Галілею, ні Гюйгенсу, ні Ньютону за практичне використання їхніх ідей. Але саме промисловий капітал у масовому масштабі починає експлуатувати механічну техніку, а тим самим і загальну працю, уречевлену в ній. Маркс До, Енгельс Ф. Соч., Т. 25, ч. 1, с. 116.

ОСНОВНІ ЗАКОНИ ФІЗИКИ

[Механіка | Термодинаміка Електрика Оптика | Атомна фізика]

ЕНЕРГІЇ ЗБЕРЕЖЕННЯ І ПЕРЕТВОРЕННЯ ЗАКОН - загальний закон природи: енергія будь-якої замкненої системи при всіх процесах, що відбуваються в системі, залишається постійною (зберігається). Енергія може лише перетворюватися з однієї форми на іншу і перерозподілятися між частинами системи. Для незамкнутої системи збільшення (зменшення) її енергії дорівнює убутку (зростанню) енергії тіл, що взаємодіють з нею, і фізичних полів.

1. МЕХАНІКА

АРХІМЕДА ЗАКОН - закон гідро- та аеростатики: на тіло, занурене в рідину або газ, діє виштовхувальна сила, спрямована вертикально вгору, численно дорівнює вазі рідини або газу, витісненого тілом, і прикладена в центрі тяжкості зануреної частини тіла. FA= gV, де r - густина рідини або газу, V - обсяг зануреної частини тіла. Інакше можна сформулювати так: тіло, занурене в рідину чи газ, втрачає у своїй вазі стільки, скільки важить витіснена ним рідина (або газ). Тоді P = mg - FA Відкритий ін. вченим Архімедом у 212р. до н.е. Є основою теорії плавання тіл.

Всесвітньої тяжкості Закон - закон тяжіння Ньютона: всі тіла притягуються один до одного з силою прямо пропорційною добутку мас цих тіл і обернено пропорційною квадрату відстані між ними: , де M і m - маси тіл, що взаємодіють, R - відстань між цими тілами, G - гравітаційна постійна (СІ G=6,67.10-11 Н.м2/кг2.

ГАЛІЛЕЯ ПРИНЦИП ВІДНОСНОСТІ, механічний принцип відносності - принцип класичної механіки: у будь-яких інерційних системах відліку всі механічні явища протікають однаково за тих самих умов. Порівн. Відносність принцип.

ГУКА ЗАКОН - закон, згідно з яким пружні деформації прямо пропорційні зовнішнім впливам, що їх викликають.

Імпульс збереження Закон - закон механіки: імпульс будь-якої замкнутої системи при всіх процесах, що відбуваються в системі, залишається постійним (зберігається) і може тільки перерозподілятися між частинами системи в результаті їх взаємодії.

НЬЮТОНА ЗАКОНИ – три закони, що лежать в основі ньютонівської класичної механіки. 1-й закон (закон інерції): матеріальна точка перебуває у стані прямолінійного і рівномірного руху чи спокою, якщо її у дію інші тіла чи дію цих тіл скомпенсовано. 2-й закон (основний закон динаміки): прискорення, отримане тілом, прямо пропорційно рівнодіє всіх сил, що діють на тіло, і обернено пропорційно масі тіла (). 3-й закон: дві матеріальні точки взаємодіють одна з одною силами однієї природи рівними за величиною і протилежними у напрямку вздовж прямої, що з'єднує ці точки ().

ВІДНОСНОСТІ ПРИНЦИП - одне із постулатів відносності теорії, який стверджує, що у будь-яких інерційних системах відліку все фізичні (механічні, електромагнітні та інших.) явища за тих самих умовах протікають однаково. Є узагальненням Галілея принципу відносності попри всі фізичні явища (крім тяжіння).

2. МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА ТА ТЕРМОДИНАМІКА

АВОГАДРО ЗАКОН - один із основних законів ідеальних газів: у рівних обсягах різних газів при однаковій температурі та тиску міститься однакове число молекул. Відкритий у 1811 році італ. фізиком А.Авогадро (1776-1856).

БІЙЛЯ-МАРІОТТА ЗАКОН - один із законів ідеального газу: для даної маси даного газу при постійній температурі твір тиску на об'єм є величина постійна. Формула: pV = const. Описує ізотермічний процес.

ДРУГИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМІКИ - один із основних законів термодинаміки, згідно з яким неможливий періодичний процес єдиним результатом якого є здійснення роботи, еквівалентної кількості теплоти, отриманої від нагрівача. Інше формулювання: неможливий процес, єдиним результатом якого є передача енергії у формі теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого. В.З.Т. висловлює прагнення системи, що складається з великої кількості хаотично рухомих частинок, до мимовільного переходу зі станів менш ймовірних стану більш ймовірні. Забороняє створення вічного двигуна другого роду.

ГЕЙ-ЛЮСАКА ЗАКОН - газовий закон: для даної маси даного газу при постійному тиску відношення обсягу до абсолютної температури є величина постійна, де = 1/273 К-1 - температурний коефіцієнт об'ємного розширення.

ДАЛЬТОНА ЗАКОН - один із основних газових законів: тиск суміші хімічно не взаємодіючих ідеальних газів дорівнює сумі парціальних тисків цих газів.

ПАСКАЛЯ ЗАКОН - основний закон гідростатики: тиск, що виробляється зовнішніми силами на поверхню рідини або газу, передається однаково в усіх напрямках.

ПЕРШИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ - одне із основних законів термодинаміки, є законом збереження енергії для термодинамічної системи: кількість теплоти Q, повідомлене системі, витрачається зміну внутрішньої енергії системи U і здійснення системою роботи A проти зовнішніх сил. Формула: Q = U + A. Лежить основу роботи теплових машин.

ШАРЛЯ ЗАКОН - один із основних газових законів: тиск даної маси ідеального газу при постійному обсязі прямо пропорційно температурі: де p0 - тиск при 00С =1/273,15 К-1 - температурний коефіцієнт тиску.

3. ЕЛЕКТРИЧНІСТЬ І МАГНЕТИЗМ

АМПЕРА ЗАКОН - закон взаємодії двох провідників із струмами; паралельні провідники зі струмами одного напрямку притягуються, а зі струмами протилежного напрямку - відштовхуються. А.З. називають також закон, що визначає силу, що діє у магнітному полі на малий відрізок провідника зі струмом. Відкритий 1820р. А.-М. Ампер.

ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦЯ ЗАКОН - закон, що описує теплову дію електричного струму. Згідно Д. – Л.З. кількість теплоти, що виділяється у провіднику при проходженні по ньому постійного струму, прямо пропорційно квадрату сили струму, опору провідника та часу проходження.

ЗАРЯДА ЗБЕРІГАННЯ ЗАКОН - один із фундаментальних законів природи: алгебраїчна сума електричних зарядів будь-якої електрично ізольованої системи залишається незмінною. В електрично ізольованій системі З.С.З. допускає поява нових заряджених частинок (напр., при електролітичній дисоціації, іонізації газів, народженні пар частка - античастка та ін), але сумарний електричний заряд часток, що з'явилися, завжди повинен дорівнювати нулю.

КУЛОНА ЗАКОН - основний закон електростатики, що виражає залежність сили взаємодії двох нерухомих точкових зарядів від відстані між ними: два нерухомі точкові заряди взаємодіють із силою прямо пропорційною добутку величин цих зарядів і обернено пропорційною квадрату відстані між ними і діелектричної проникності середовища. У СІ має вигляд: . Величина численно дорівнює силі, що діє між двома точковими нерухомими зарядами по 1 Кл кожен, що знаходяться у вакуумі на відстані 1 м один від одного. К.з. є одним із експериментальних обґрунтувань електродинаміки.

ЛІВОЇ РУКИ ПРАВИЛО - правило, що визначає напрямок сили, що діє на провідник, що знаходиться в магнітному полі, зі струмом (або заряджену частинку, що рухається). Воно говорить: якщо ліву руку розмістити так, щоб витягнуті пальці показували напрямок струму (швидкості частинки), а силові лінії магнітного поля (лінії магнітної індукції) входили в долоню, то відставлений великий палець вкаже напрямок сили, що діє на провідник (позитивну частку; у разі негативної частки напрям сили протилежний).

ЛІНЦЯ ПРАВИЛО (ЗАКОН) - правило, що визначає напрямок індукційних струмів, що виникають при електромагнітній індукції. Відповідно до Л.п. індукційний струм має такий напрям, що його власний магнітний потік компенсує зміни зовнішнього магнітного потоку, що викликали цей струм. Л.П. - Наслідок закону збереження енергії.

ОМА ЗАКОН - один з основних законів електричного струму: сила постійного електричного струму на ділянці ланцюга прямо пропорційна напрузі на кінцях цієї ділянки і обернено пропорційна його опору. Справедливий для металевих провідників та електролітів, температура яких підтримується постійною. У разі повного ланцюга формулюється наступним чином: сила постійного електричного струму в ланцюзі прямо пропорційна ЕДС джерела струму і обернено пропорційна повному опору електричного ланцюга.

ПРАВИЙ РУКИ ПРАВИЛО - правило, що визначає 1) напрямок індукційного струму в провіднику, що рухається в магнітному полі: якщо долоня правої руки розташувати так, щоб до неї входили лінії магнітної індукції, а відігнутий великий палець направити по руху

Провідника, то чотири витягнуті пальці покажуть напрямок індукційного струму; 2) напрямок ліній магнітної індукції прямолінійного провідника зі струмом: якщо великий палець правої руки розташувати у напрямку струму, то напрямок обхвату провідника чотирма пальцями покаже напрямок ліній магнітної індукції.

Фарадея закони - основні закони електролізу. Перший закон: маса речовини, що виділився на електроді при проходженні електричного струму, прямо пропорційна кількості електрики (заряду), що пройшла через електроліт (m=kq=kIt). Другий Ф.з.: відношення мас різних речовин, що зазнають хімічних перетворень на електродах при проходженні однакових електричних зарядів через електроліт дорівнює відношенню хімічних еквівалентів. Встановлено 1833-34 р. М. Фарадеєм. Узагальнений закон електролізу має вигляд: , де M – молярна (атомна) маса, z – валентність, F – Фарадея постійна. Ф.П. дорівнює добутку елементарного електричного заряду на постійну Авогадро. F = e.NA. Визначає заряд, проходження якого через електроліт призводить до виділення на електроді 1 молячи одновалентної речовини. F=(96484,56 0,27) Кл./моль. Названо на честь М.Фарадея.

ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ ЗАКОН - закон, що описує явище виникнення електричного поля при зміні магнітного (явище електромагнітної індукції): електрорушійна сила індукції прямо пропорційна швидкості зміни магнітного потоку. p align="justify"> Коефіцієнт пропорційності визначається системою одиниць, знак - Ленца правилом. Формула в СІ: де Ф - зміна магнітного потоку, а t - проміжок часу, протягом якого ця зміна відбулася. Відкритий М. Фарадеєм.

4. ОПТИКА

ГЮЙГЕНСА ПРИНЦИП - метод, що дозволяє визначити положення фронту хвилі будь-якої миті часу. Відповідно до г.п. всі точки, якими проходить фронт хвилі в останній момент часу t, є джерелами вторинних сферичних хвиль, а шукане становище фронту хвилі у час t t збігається з поверхнею, огибающей всі вторинні хвилі. Дозволяє пояснити закони відображення та заломлення світла.

ГЮЙГЕНСА – ФРЕНЕЛЯ – ПРИНЦИП – наближений метод розв'язання задач про поширення хвиль. Г.-Ф. п. говорить: у будь-якій точці, що знаходиться поза довільною замкнутою поверхні, що охоплює точкове джерело світла, світлова хвиля, що збуджується цим джерелом, може бути представлена ​​як результат інтерференції вторинних хвиль, що випромінюються всіма точками зазначеної замкнутої поверхні. Дозволяє вирішувати найпростіші завдання дифракції світла.

ВІДЗНАЧЕННЯ ХВИЛЬ ЗАКОН - промінь падаючий, промінь відбитий і перпендикуляр, відновлений в точку падіння променя, лежать в одній площині, причому кут падіння дорівнює куту заломлення. Закон справедливий для дзеркального відображення.

Переломлення СВІТУ - зміна напряму поширення світла (електромагнітної хвилі) при переході з одного середовища в інше, що відрізняється від першої показником заломлення. Для заломлення виконується закон: падаючий промінь, промінь заломлений і перпендикуляр, відновлений в точку падіння променя, лежать в одній площині, причому для даних двох середовищ відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є величина постійна, звана відносним показником заломлення другої середовища відносно першої.

ПРЯМОЛІНІЙНОГО ПОШИРЕННЯ СВІТЛА ЗАКОН - закон геометричної оптики, що полягає в тому, що в однорідному середовищі світло поширюється прямолінійно. Пояснює, напр., утворення тіні та півтіні.

6. АТОМНА І ЯДЕРНА ФІЗИКА.

БОРА ПОСТУЛАТИ - основні припущення, запроваджені без доказу Н.Бором, і покладені основою БОРА ТЕОРИИ: 1) Атомна система стійка лише у стаціонарних станах, які відповідають дискретної послідовності значень енергії атома. Кожна зміна цієї енергії пов'язана з повним переходом атома з одного стаціонарного стану до іншого. 2) Поглинання та випромінювання енергії атомом відбувається за законом, згідно з яким пов'язане з переходом випромінювання є монохроматичним і має частоту: h = Ei-Ek, де h -Планка постійна, а Ei та Ek - енергії атома в стаціонарних станах

Відповідно до цього закону процес, єдиним результом якого є передача енергії у формі теплоти від холоднішого тіла до більш нагрітого, неможливий без змін у самій системі та навколишньому середовищі.
Другий закон термодинаміки виражає прагнення системи, що складається з великої кількості хаотично рухомих частинок, до мимовільного переходу зі станів менш ймовірних стану більш ймовірні. Забороняє створення вічного двигуна другого роду.
У рівних обсягах ідеальних газів при однаковій температурі та тиску міститься однакове число молекул.
Закон відкрито 1811 р. італійським фізиком А. Авогадро (1776–1856).
Закон взаємодії двох струмів, поточних у провідниках, розташованих на невеликій відстані один від одного говорить: паралельні провідники зі струмами одного напрямку притягуються, а зі струмами протилежного напряму відштовхуються.
Закон відкритий 1820 р. А. М. Ампером.
Закон гідро та аеростатики: на тіло, занурене в рідину або газ, діє виштовхувальна сила, спрямована вертикально вгору, рівна вазі рідини або газу, витісненого тілом, і прикладена в центрі тяжкості зануреної частини тіла. FA = gV, де g - густина рідини або газу, V - обсяг зануреної частини тіла.
Інакше закон можна сформулювати наступним чином: тіло, занурене в рідину чи газ, втрачає у своїй вазі стільки, скільки важить витіснена ним рідина (або газ). Тоді P = mg – FA.
Закон відкритий давньогрецьким вченим Архімедом у 212 р. до н. е. Він є основою теорії плавання тіл.
Один із законів ідеального газу: при постійній температурі тиск тиску газу на його обсяг є величина постійна. pV = const. Описує ізотермічний процес. Закон всесвітнього тяжіння, або закон тяжіння Ньютона: всі тіла притягуються один до одного з силою, прямо пропорційною добутку мас цих тіл і обернено пропорційною квадрату відстані між ними. Відповідно до цього закону пружні деформації твердого тіла прямо пропорційні зовнішнім впливам, що викликають їх. Описує теплову дію електричного струму: кількість теплоти, що виділяється у провіднику при проходженні по ньому постійного струму, прямо пропорційно квадрату сили струму, опору провідника та часу проходження. Відкритий Джоулем і Ленцем незалежно друг від друга ХІХ ст. Основний закон електростатики, що виражає залежність сили взаємодії двох нерухомих точкових зарядів від відстані між ними: два нерухомі точкові заряди взаємодіють з силою, прямо пропорційною добутку величин цих зарядів і обернено пропорційною квадрату відстані між ними і діелектричної проникності середовища, в якому знаходяться заряди. Розмір чисельно дорівнює силі, що діє між двома розташованими у вакуумі на відстані 1 м один від одного точковими нерухомими зарядами по 1 Кл кожен.
Закон Кулона є одним із експериментальних обґрунтувань електродинаміки. Відкритий 1785 р.
Один з основних законів електричного струму: сила постійного електричного струму на ділянці ланцюга прямо пропорційна напрузі на кінцях цієї ділянки і обернено пропорційна його опору. Справедливий для металевих провідників та електролітів, температура яких підтримується постійною. У разі повного ланцюга формулюється наступним чином: сила постійного електричного струму в ланцюзі прямо пропорційна ЕДС джерела струму і обернено пропорційна повному опору електричного ланцюга.

Відкритий 1826 р. Г. С. Омом.