تمام قوانین فیزیک برای امتحان. قوانین اساسی فیزیک چیست؟ ساده ترین، اما مهم ترین قانون، قانون بقا و تبدیل انرژی است

جلسه نزدیک می شود و زمان آن فرا رسیده است که از تئوری به عمل برویم. در آخر هفته، نشستیم و فکر کردیم که بسیاری از دانش‌آموزان دوست دارند مجموعه‌ای از فرمول‌های فیزیکی اولیه را در اختیار داشته باشند. فرمول های خشک با توضیح: مختصر، مختصر، هیچ چیز اضافی. یک چیز بسیار مفید هنگام حل مشکلات، می دانید. بله، و در امتحان، زمانی که دقیقاً آنچه روز قبل به طرز وحشیانه‌ای حفظ شده بود می‌تواند از سر خود "پرش" کند، چنین انتخابی خدمات عالی را ارائه می‌کند.

بیشتر مسائل معمولاً به سه حوزه محبوب فیزیک اختصاص داده می شود. این مکانیک, ترمودینامیکو فیزیک مولکولی, برق... بیایید آنها را بگیریم!

فرمول های اساسی در فیزیک - دینامیک، سینماتیک، استاتیک

بیایید با ساده ترین شروع کنیم. یک حرکت مستقیم و ثابت مورد علاقه از مد افتاده خوب.

فرمول های سینماتیک:

البته حرکت دایره ای را فراموش نکنیم و سپس به سراغ دینامیک و قوانین نیوتن برویم.

پس از دینامیک، زمان آن است که شرایط تعادل اجسام و مایعات را در نظر بگیریم، یعنی. استاتیک و هیدرواستاتیک

اکنون فرمول های اساسی را در مورد موضوع "کار و انرژی" ارائه می دهیم. ما بدون آنها کجا هستیم!

فرمول های اساسی فیزیک مولکولی و ترمودینامیک

اجازه دهید بخش مکانیک را با فرمول های ارتعاشات و امواج به پایان برسانیم و به سراغ فیزیک مولکولی و ترمودینامیک برویم.

کارایی، قانون گی-لوساک، معادله کلاپیرون مندلیف - همه این فرمول های دوست داشتنی در زیر جمع آوری شده اند.

راستی! اکنون برای همه خوانندگان ما تخفیف در نظر گرفته شده است. 10% بر روی هر نوع کاری.

فرمول های فیزیک پایه: الکتریسیته

زمان آن فرا رسیده که به سراغ الکتریسیته برویم، اگرچه ترمودینامیک آن را کمتر دوست دارد. ما با الکترواستاتیک شروع می کنیم.

و در زیر رول درام، با فرمول های قانون اهم، القای الکترومغناطیسی و نوسانات الکترومغناطیسی پایان می دهیم.

همین. البته می توان یک کوه کامل از فرمول ها را مطرح کرد، اما این بی فایده است. وقتی فرمول های زیادی وجود دارد، می توانید به راحتی گیج شوید و سپس مغز را کاملا ذوب کنید. ما امیدواریم که برگه تقلب ما برای فرمول های فیزیک پایه به شما کمک کند مشکلات مورد علاقه خود را سریعتر و کارآمدتر حل کنید. و اگر می خواهید چیزی را روشن کنید یا فرمول مورد نیاز را پیدا نکردید: از کارشناسان بپرسید خدمات دانشجویی... نویسندگان ما صدها فرمول را در سر خود نگه می دارند و مشکلات را مانند آجیل می شکنند. با ما تماس بگیرید، و به زودی هر کاری برای شما بسیار سخت خواهد بود.

دانشمندان سیاره زمین از ابزارهای زیادی برای توصیف نحوه عملکرد طبیعت و به طور کلی استفاده می کنند. که به قوانین و نظریه ها می رسند. تفاوت در چیست؟ قانون علمی را اغلب می توان به یک عبارت ریاضی مانند E = mc² تقلیل داد. این بیانیه مبتنی بر داده های تجربی است و صدق آن، به عنوان یک قاعده، به مجموعه خاصی از شرایط محدود می شود. در مورد E = mc² - سرعت نور در خلاء.

نظریه علمی اغلب به دنبال ترکیب یک سری از حقایق یا مشاهدات از پدیده های خاص است. و به طور کلی (اما نه همیشه) یک بیانیه واضح و قابل آزمایش در مورد چگونگی عملکرد طبیعت وجود دارد. اصلاً لازم نیست نظریه علمی را به یک معادله تقلیل دهیم، اما در واقع چیزی اساسی در مورد عملکرد طبیعت را نشان می دهد.

قوانین و نظریه ها هر دو به عناصر اساسی روش علمی مانند ایجاد فرضیه، انجام آزمایش، یافتن (یا عدم یافتن) داده های تجربی و نتیجه گیری بستگی دارند. به هر حال، دانشمندان باید بتوانند نتایج را تکرار کنند تا آزمایش به پایه یک قانون یا نظریه عمومی تبدیل شود.

در این مقاله، به ده قانون و نظریه علمی می‌پردازیم که می‌توانید آنها را بررسی کنید، حتی اگر مثلاً اغلب از میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده نکنید. بیایید با یک انفجار شروع کنیم و با عدم اطمینان پایان دهیم.

اگر ارزش دانستن حداقل یک نظریه علمی را دارد، بگذارید توضیح دهد که چگونه جهان به وضعیت فعلی خود رسیده است (یا نرسیده است). بر اساس تحقیقات ادوین هابل، ژرژ لماتر و آلبرت اینشتین، نظریه انفجار بزرگ فرض می‌کند که جهان 14 میلیارد سال پیش با انبساط عظیم آغاز شده است. در مقطعی، جهان در یک نقطه محصور بود و تمام ماده جهان فعلی را در بر می گرفت. این حرکت تا به امروز ادامه دارد و خود جهان دائماً در حال گسترش است.

نظریه بیگ بنگ پس از اینکه آرنو پنزیاس و رابرت ویلسون پس‌زمینه مایکروویو کیهانی را در سال 1965 کشف کردند، حمایت علمی گسترده‌ای به دست آورد. دو ستاره شناس با استفاده از تلسکوپ های رادیویی نویز کیهانی یا ایستا را کشف کردند که در طول زمان از بین نمی رود. با همکاری رابرت دیک، محقق پرینستون، چند دانشمند فرضیه دیک مبنی بر اینکه انفجار بزرگ اولیه تشعشعات سطح پایینی را که می تواند در سراسر جهان یافت می شود، پشت سر بگذارد، تایید کردند.

قانون انبساط کیهانی هابل

بیایید ادوین هابل را برای یک ثانیه نگه داریم. در حالی که رکود بزرگ در دهه 1920 بیداد می کرد، هابل پیشگام تحقیقات نجومی بود. او نه تنها ثابت کرد که غیر از کهکشان راه شیری کهکشان های دیگری نیز وجود دارد، بلکه دریافت که این کهکشان ها در حال دور شدن از کهکشان های ما هستند و این حرکت را رکود نامید.

هابل برای تعیین کمیت سرعت این حرکت کهکشانی، قانون انبساط کیهانی را پیشنهاد کرد که قانون هابل نامیده می شود. معادله به این صورت است: سرعت = H0 x فاصله. سرعت، سرعتی است که کهکشان ها در حال دور شدن هستند. H0 ثابت هابل یا پارامتری است که میزان انبساط جهان را نشان می دهد. فاصله فاصله یک کهکشان تا کهکشانی است که مقایسه با آن انجام شده است.

ثابت هابل برای مدت طولانی در مقادیر مختلف محاسبه شده است، اما در حال حاضر در نقطه 70 کیلومتر بر ثانیه در هر مگاپارسک منجمد شده است. برای ما چندان مهم نیست. نکته مهم این است که قانون روشی مناسب برای اندازه گیری سرعت یک کهکشان نسبت به کهکشان خودمان است. و مهمتر از آن، این قانون ثابت کرد که جهان از کهکشان های زیادی تشکیل شده است، که حرکت آنها را می توان تا بیگ بنگ ردیابی کرد.

قوانین حرکت سیارات کپلر

برای قرن ها، دانشمندان با یکدیگر و با رهبران مذهبی بر سر مدار سیارات، به ویژه اینکه آیا آنها به دور خورشید می چرخند، جنگیده اند. در قرن شانزدهم، کوپرنیک مفهوم بحث برانگیز خود را از منظومه شمسی خورشید مرکزی مطرح کرد که در آن سیارات به جای زمین به دور خورشید می چرخند. با این حال، تنها با یوهانس کپلر، که بر کار تیکو براهه و دیگر ستاره شناسان تکیه داشت، بود که یک مبنای علمی روشن برای حرکت سیارات پدیدار شد.

سه قانون کپلر در مورد حرکت سیارات که در آغاز قرن هفدهم شکل گرفت، حرکت سیارات به دور خورشید را توصیف می کند. قانون اول که گاهی قانون مدارها نامیده می شود، بیان می کند که سیارات در مداری بیضوی به دور خورشید می چرخند. قانون دوم، قانون مساحت ها، می گوید که خطی که سیاره را به خورشید متصل می کند، در فواصل زمانی معین، مناطق مساوی را تشکیل می دهد. به عبارت دیگر، اگر مساحت ایجاد شده توسط خطی که از زمین از خورشید گرفته شده است را اندازه گیری کنید و حرکت زمین را به مدت 30 روز دنبال کنید، بدون توجه به موقعیت زمین نسبت به مبدا، مساحت یکسان خواهد بود.

قانون سوم، قانون تناوب، امکان برقراری رابطه روشن بین دوره مداری یک سیاره و فاصله تا خورشید را فراهم می کند. به لطف این قانون، می دانیم که سیاره ای که نسبتاً نزدیک به خورشید است، مانند زهره، دوره مداری بسیار کوتاه تری نسبت به سیارات دوردست مانند نپتون دارد.

قانون جهانی گرانش

امروزه ممکن است این نظم باشد، اما بیش از 300 سال پیش، آیزاک نیوتن یک ایده انقلابی را ارائه کرد: هر دو جسم، صرف نظر از جرمشان، جاذبه گرانشی بر روی یکدیگر اعمال می کنند. این قانون با معادله ای نشان داده می شود که بسیاری از دانش آموزان در دبیرستان های فیزیک و ریاضی با آن روبرو هستند.

F = G × [(m1m2) / r²]

F نیروی گرانشی بین دو جسم است که بر حسب نیوتن اندازه گیری می شود. M1 و M2 جرم دو جسم هستند، در حالی که r فاصله بین آنهاست. G ثابت گرانشی است که در حال حاضر 6.67384 (80) · 10-11 یا N · m² · kg -2 محاسبه می شود.

مزیت قانون جهانی گرانش این است که به شما امکان می دهد جاذبه گرانشی بین هر دو جسم را محاسبه کنید. این توانایی زمانی بسیار مفید است که دانشمندان، برای مثال، یک ماهواره را به مدار پرتاب کنند یا مسیر ماه را تعیین کنند.

قوانین نیوتن

در حالی که ما در مورد یکی از بزرگترین دانشمندانی هستیم که تاکنون روی زمین زندگی کرده است، اجازه دهید در مورد برخی از قوانین معروف دیگر نیوتن صحبت کنیم. سه قانون حرکت او بخش اساسی فیزیک مدرن را تشکیل می دهد. و مانند بسیاری دیگر از قوانین فیزیک، آنها در سادگی خود زیبا هستند.

اولین قانون از سه قانون بیان می کند که یک جسم در حال حرکت در حرکت باقی می ماند مگر اینکه نیروی خارجی بر آن وارد شود. برای توپی که روی زمین می غلتد، نیروی خارجی می تواند اصطکاک بین توپ و زمین باشد، یا پسری که توپ را در جهت دیگری می زند.

قانون دوم بین جرم یک جسم (m) و شتاب آن (a) به شکل معادله F = m x a رابطه برقرار می کند. F نیروی اندازه گیری شده بر حسب نیوتن است. همچنین بردار است، یعنی یک جزء جهت دار دارد. به دلیل شتاب، توپی که روی زمین می غلتد، بردار خاصی در جهت حرکت خود دارد و در محاسبه نیرو به این امر توجه می شود.

قانون سوم کاملاً معنادار است و باید برای شما آشنا باشد: برای هر عمل یک واکنش برابر وجود دارد. یعنی به ازای هر نیرویی که به جسمی روی سطح وارد می شود، جسم با همان نیرو دفع می شود.

قوانین ترمودینامیک

سی پی اسنو، فیزیکدان و نویسنده بریتانیایی، یک بار گفت که غیر دانشمندی که قانون دوم ترمودینامیک را نمی داند، مانند دانشمندی است که هرگز شکسپیر را نخوانده است. بیانیه معروف اسنو بر اهمیت ترمودینامیک و نیاز حتی افراد دور از علم به دانستن آن تاکید کرد.

ترمودینامیک علم نحوه عملکرد انرژی در یک سیستم است، خواه موتور یا هسته زمین باشد. می توان آن را به چندین قانون اساسی تقلیل داد که اسنو به شرح زیر بیان کرد:

• شما نمی توانید برنده شوید.
• شما از ضرر و زیان اجتناب نخواهید کرد.
• شما نمی توانید بازی را ترک کنید.

بیایید کمی آن را بفهمیم. منظور برف با گفتن اینکه شما نمی توانید برنده شوید این بود که چون ماده و انرژی حفظ می شوند، نمی توانید یکی را بدون از دست دادن دیگری به دست آورید (یعنی E = mc²). همچنین به این معنی است که برای راه اندازی موتور نیاز به تامین گرما دارید، اما در غیاب یک سیستم کاملاً بسته، مقداری گرما به ناچار وارد دنیای باز می شود که منجر به قانون دوم می شود.

قانون دوم - تلفات اجتناب ناپذیر است - به این معنی است که به دلیل افزایش آنتروپی، نمی توانید به حالت انرژی قبلی برگردید. انرژی متمرکز در یک مکان همیشه به مکان هایی با غلظت کمتر تمایل دارد.

در نهایت، قانون سوم - شما نمی توانید از بازی خارج شوید - برای کمترین دمای ممکن از لحاظ نظری - منفی 273.15 درجه سانتیگراد - اعمال می شود. هنگامی که سیستم به صفر مطلق می رسد، حرکت مولکول ها متوقف می شود، به این معنی که آنتروپی به کمترین مقدار خود می رسد و حتی انرژی جنبشی وجود نخواهد داشت. اما در دنیای واقعی، رسیدن به صفر مطلق غیرممکن است - فقط نزدیک شدن به آن.

قدرت ارشمیدس

پس از اینکه ارشمیدس یونان باستان اصل شناوری خود را کشف کرد، ظاهراً فریاد زد "اورکا!" (پیداش کردم!) و برهنه در سراسر سیراکوز دوید. بنابراین افسانه می گوید. این کشف خیلی مهم بود. همچنین، افسانه می گوید که ارشمیدس این اصل را زمانی کشف کرد که متوجه شد آب حمام وقتی بدن در آن غوطه ور می شود بالا می رود.

بر اساس اصل شناوری ارشمیدس، نیروی وارد بر جسم غوطه ور یا نیمه غوطه ور برابر با جرم مایعی است که جسم جابجا می کند. این اصل در محاسبات چگالی و همچنین در طراحی زیردریایی ها و سایر کشتی های اقیانوس پیما ضروری است.

تکامل و انتخاب طبیعی

اکنون که برخی از مفاهیم اساسی در مورد چگونگی شروع جهان و تأثیر قوانین فیزیکی بر زندگی روزمره ما را ایجاد کرده ایم، بیایید توجه خود را به شکل انسان معطوف کنیم و دریابیم که چگونه به آنجا رسیدیم. به گفته بسیاری از دانشمندان، تمام حیات روی زمین یک نیای مشترک دارند. اما برای اینکه چنین تفاوت عظیمی بین همه موجودات زنده ایجاد شود، برخی از آنها باید به گونه ای جداگانه تبدیل می شدند.

در یک مفهوم کلی، این تمایز در فرآیند تکامل رخ داده است. جمعیت موجودات و صفات آنها مکانیسم هایی مانند جهش را پشت سر گذاشته اند. آنهایی که دارای صفات مطلوب تری برای بقا بودند، مانند قورباغه های قهوه ای که خود را به خوبی در باتلاق ها استتار می کنند، به طور طبیعی برای بقا انتخاب شدند. واژه انتخاب طبیعی از اینجا می آید.

شما می توانید این دو نظریه را برای زمان بسیار زیادی ضرب کنید و در واقع داروین این کار را در قرن نوزدهم انجام داد. تکامل و انتخاب طبیعی تنوع گسترده حیات روی زمین را توضیح می دهد.

نظریه نسبیت عام

نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین مهمترین کشفی بود که برای همیشه دیدگاه ما را نسبت به جهان تغییر داد. پیشرفت بزرگ انیشتین این ادعا بود که فضا و زمان مطلق نیستند و گرانش فقط نیرویی نیست که به یک جسم یا جرم وارد شود. بلکه گرانش مربوط به این است که جرم خود فضا و زمان را خم می کند (فضا-زمان).

برای درک این موضوع، تصور کنید که در حال رانندگی در سراسر زمین در یک خط مستقیم به سمت شرق هستید، مثلاً از نیمکره شمالی. پس از مدتی، اگر کسی بخواهد موقعیت مکانی شما را دقیقاً تعیین کند، شما در جنوب و شرق موقعیت شروع خود قرار خواهید گرفت. این به این دلیل است که زمین منحنی است. برای رانندگی مستقیم به سمت شرق، باید شکل زمین را در نظر بگیرید و با زاویه کمی به سمت شمال رانندگی کنید. یک توپ گرد و یک تکه کاغذ را با هم مقایسه کنید.

فضا تقریباً همان چیزی است. به عنوان مثال، برای مسافران موشکی که به دور زمین پرواز می کنند، واضح است که آنها در یک خط مستقیم در فضا پرواز می کنند. اما در واقعیت فضازمان اطراف آنها تحت تأثیر گرانش زمین خم می شود و باعث می شود که همزمان به جلو حرکت کنند و در مدار زمین بمانند.

نظریه انیشتین تأثیر زیادی بر آینده اخترفیزیک و کیهان شناسی داشت. او یک ناهنجاری کوچک و غیرمنتظره را در مدار عطارد توضیح داد، نشان داد که چگونه نور ستاره ها خم می شود، و پایه های نظری سیاهچاله ها را پی ریزی کرد.

اصل عدم قطعیت هایزنبرگ

بسط تئوری نسبیت انیشتین به ما اطلاعات بیشتری در مورد نحوه عملکرد جهان داد و به ایجاد زمینه ای برای فیزیک کوانتومی کمک کرد که منجر به سردرگمی کاملاً غیرمنتظره در علم نظری شد. در سال 1927، درک این موضوع که همه قوانین جهان در یک زمینه معین انعطاف پذیر هستند منجر به کشف شگفت انگیز دانشمند آلمانی ورنر هایزنبرگ شد.

هایزنبرگ با فرض اصل عدم قطعیت خود متوجه شد که شناخت همزمان دو ویژگی ذره با دقت بالایی غیرممکن است. شما می توانید موقعیت یک الکترون را با دقت بالایی بشناسید، اما تکانه آن را نه و بالعکس.

بعدها، نیلز بور کشفی کرد که به توضیح اصل هایزنبرگ کمک کرد. بور دریافت که الکترون هم کیفیت ذره و هم موج را دارد. این مفهوم به عنوان دوگانگی موج-ذره شناخته شد و پایه و اساس فیزیک کوانتومی شد. بنابراین، هنگامی که موقعیت یک الکترون را اندازه گیری می کنیم، آن را به عنوان ذره ای در نقطه ای از فضا با طول موج نامشخص تعریف می کنیم. وقتی حرکت اندازه گیری می کنیم، الکترون را به عنوان موج در نظر می گیریم، یعنی می توانیم دامنه طول آن را بدانیم، اما موقعیت را نه.

برگه تقلب با فرمول های فیزیک برای امتحان

و نه تنها (ممکن است به نمرات 7، 8، 9، 10 و 11 نیاز داشته باشد).

اول، تصویری که می تواند به صورت فشرده چاپ شود.

مکانیک

1. فشار P = F / S
2. چگالی ρ = m / V
3. فشار در عمق مایع P = ρ ∙ g ∙ h
4. گرانش Fт = میلی گرم
5. 5. نیروی ارشمیدسی Fa = ρ w ∙ g ∙ Vт
6. معادله حرکت برای حرکت با شتاب یکنواخت

X = X 0 + υ 0 ∙ t + (a ∙ t 2) / 2 S = ( υ 2 -υ 0 2) / 2a S = ( υ +υ 0) ∙ t / 2

1. معادله سرعت برای حرکت با شتاب یکنواخت υ =υ 0 + a ∙ t
2. شتاب a = ( υ -υ 0) / t
3. سرعت دایره ای υ = 2πR / T
4. شتاب مرکزگرا a = υ 2 / ر
5. رابطه بین دوره و فرکانس ν = 1 / T = ω / 2π
6. قانون دوم نیوتن F = ma
7. قانون هوک Fy = -kx
8. قانون گرانش F = G ∙ M ∙ m / R 2
9. وزن جسمی که با شتاب a P = m (g + a) حرکت می کند.
10. وزن جسمی که با شتاب a ↓ P = m (g-a) حرکت می کند
11. نیروی اصطکاک Ffr = µN
12. حرکت بدن p = m υ
13. ضربه نیرو Ft = ∆p
14. ممان نیرو M = F ∙ ℓ
15. انرژی بالقوه یک جسم بلند شده از سطح زمین Ep = mgh
16. انرژی پتانسیل یک جسم تغییر شکل الاستیک Ep = kx 2/2
17. انرژی جنبشی بدن Ek = m υ 2 /2
18. کار A = F ∙ S ∙ cosα
19. توان N = A / t = F ∙ υ
20. کارایی η = Ap / Az
21. دوره نوسان آونگ ریاضی T = 2π√ℓ / گرم
22. دوره نوسان آونگ فنری T = 2 π √m / k
23. معادله ارتعاشات هارمونیک X = Xmax ∙ cos ωt
24. رابطه طول موج، سرعت آن و دوره λ = υ تی

فیزیک مولکولی و ترمودینامیک

1. مقدار ماده ν = N / Na
2. جرم مولی М = m / ν
3. چهارشنبه خویشاوندان انرژی مولکول های یک گاز تک اتمی Ek = 3/2 ∙ kT
4. معادله اصلی MKT P = nkT = 1 / 3nm 0 υ 2
5. گی - قانون لوساک (فرایند همسان) V / T = const
6. قانون چارلز (فرایند ایزوکوریک) P / T = const
7. رطوبت نسبی φ = P / P 0 ∙ 100٪
8. بین المللی انرژی ایده آل است گاز تک اتمی U = 3/2 ∙ M / μ ∙ RT
9. کار گاز A = P ∙ ΔV
10. قانون بویل - ماریوته (فرایند همدما) PV = const
11. مقدار گرما در طول گرمایش Q = سانتی متر (T 2 -T 1)
12. مقدار گرما در حین ذوب Q = λm
13. مقدار گرما در حین تبخیر Q = Lm
14. مقدار گرما در هنگام احتراق سوخت Q = qm
15. معادله گاز ایده آل حالت PV = m / M ∙ RT
16. قانون اول ترمودینامیک ΔU = A + Q
17. راندمان موتورهای حرارتی η = (Q 1 - Q 2) / Q 1
18. بهره وری ایده آل است. موتورها (چرخه کارنو) η = (T 1 - T 2) / T 1

الکترواستاتیک و الکترودینامیک - فرمول های فیزیک

1. قانون کولن F = k ∙ q 1 ∙ q 2 / R 2
2. قدرت میدان الکتریکی E = F / q
3. تنش ایمیل میدان بار نقطه ای E = k ∙ q / R 2
4. چگالی بار سطحی σ = q / S
5. تنش ایمیل میدان صفحه بینهایت E = 2πkσ
6. ثابت دی الکتریک ε = E 0 / E
7. تعامل انرژی بالقوه شارژ W = k ∙ q 1 q 2 / R
8. پتانسیل φ = W / q
9. پتانسیل بار نقطه ای φ = k ∙ q / R
10. ولتاژ U = A / q
11. برای میدان الکتریکی یکنواخت U = E ∙ d
12. ظرفیت الکتریکی C = q / U
13. ظرفیت الکتریکی یک خازن تخت C = S ∙ ε ∙ε 0 / d
14. انرژی یک خازن شارژ شده W = qU / 2 = q² / 2С = CU² / 2
15. فعلی I = q / t
16. مقاومت هادی R = ρ ∙ ℓ / S
17. قانون اهم برای یک بخش از مدار I = U / R
18. قوانین آخرین. ترکیبات I 1 = I 2 = I، U 1 + U 2 = U، R 1 + R 2 = R
19. قوانین موازی ارتباط U 1 = U 2 = U، I 1 + I 2 = I، 1 / ​​R 1 + 1 / R 2 = 1 / R
20. توان جریان الکتریکی P = I ∙ U
21. قانون ژول-لنز Q = I 2 Rt
22. قانون اهم برای مدار کامل I = ε / (R + r)
23. جریان اتصال کوتاه (R = 0) I = ε / r
24. بردار القای مغناطیسی B = Fmax / ℓ ∙ I
25. نیروی آمپر Fa = IBℓsin α
26. نیروی لورنتس Fl = Bqυsin α
27. شار مغناطیسی Ф = BSсos α Ф = LI
28. قانون القای الکترومغناطیسی Ei = ΔΦ / Δt
29. EMF القایی در هادی حرکت Ei = Bℓ υ sinα
30. EMF خود القایی Esi = -L ∙ ΔI / Δt
31. انرژی میدان مغناطیسی سیم پیچ Wm = LI 2/2
32. دوره نوسان تعداد. کانتور T = 2π ∙ √LC
33. مقاومت القایی X L = ωL = 2πLν
34. مقاومت خازنی Xc = 1 / ωC
35. مقدار موثر شناسه فعلی = Imax / √2،
36. مقدار ولتاژ RMS Uд = Umax / √2
37. امپدانس Z = √ (Xc-X L) 2 + R 2

اپتیک

1. قانون شکست نور n 21 = n 2 / n 1 = υ 1 / υ 2
2. ضریب شکست n 21 = sin α / sin γ
3. فرمول لنز نازک 1 / F = 1 / d + 1 / f
4. قدرت نوری لنز D = 1 / F
5. حداکثر تداخل: Δd = kλ،
6. تداخل دقیقه: Δd = (2k + 1) λ / 2
7. شبکه دیفرانسیل d ∙ sin φ = k λ

فیزیک کوانتومی

1. F-la انیشتین برای اثر نوری hν = Aout + Ek، Ek = U s e
2. حاشیه قرمز اثر فوتوالکتریک ν к = Aout / h
3. تکانه فوتون P = mc = h / λ = E / s

فیزیک هسته ای اتمی

1. "فقط فیزیک، فقط هاردکور! اتاق زیر شیروانی"، پوبدینسکی دی
.

میدونی ساعت چنده؟ چگونه به نظریه ریسمان رسیدید؟ بزرگترین عنصر شیمیایی جهان چیست؟ و اینجا دیمیتری پوبدینسکی، فیزیکدان، محبوب است ویدئووبلاگ نویس و نویسنده معمولی "آتتیک" می داند - و می تواند بگوید! آیا جهان های موازی وجود دارند؟ آیا می توانید یک شمشیر نور واقعی بسازید؟ هوش مصنوعی در اولین بوسه چه حسی خواهد داشت؟ سیاهچاله چگونه کار می کند؟ دیمیتری به این سؤالات و سؤالات دیگر پاسخ می دهد که هر یک از ما قادر به گیج کردن آنها هستیم - به راحتی و در دسترس برای هر یک از ما. اتاق زیر شیروانی: علم، فناوری، آینده "یک پروژه علمی و آموزشی از بزرگترین خبرگزاری روسی TASS است. آنها برای 100000 خواننده خود، هر روز در مورد علم می نویسند - روسی و نه تنها، - و همچنین در مورد سخنرانی های علمی محبوب جالب صحبت می کنند. نمایشگاه ها، کتاب ها و فیلم ها، نشان دادن تجربیات و پاسخ به سؤالات علمی (و نه چندان) در مورد واقعیت اطراف.
2. "تاریخ مختصر زمان. از انفجار بزرگ تا سیاهچاله ها"، هاوکینگ ص.
جذاب و در دسترس. فیزیکدان معروف انگلیسی استیون هاوکینگ در مورد ماهیت فضا و زمان، در مورد منشأ جهان و سرنوشت احتمالی آن به ما می گوید.
3. "البته که شوخی می کنی آقای فاینمن!"، فاینمن آر.
او به خاطر علاقه اش به شوخی ها و جوک های عملی، نقاشی پرتره های شگفت انگیز، نواختن آلات موسیقی عجیب و غریب معروف بود. او که یک سخنران عالی بود، هر یک از سخنرانی های خود را به یک بازی فکری هیجان انگیز تبدیل کرد. نه تنها دانش‌آموزان و همکارانش مشتاق اجراهای او بودند، بلکه افرادی که به سادگی به فیزیک علاقه داشتند. زندگی نامه این دانشمند بزرگ هیجان انگیزتر از یک رمان ماجراجویی است. این یکی از معدود کتاب هایی است که برای همیشه در خاطره همه کسانی که آن را خوانده اند باقی می ماند.
4. «فیزیک غیرممکن»، به عنوان م.
فیزیکدان مشهور، میچیو کاکو، فناوری‌ها، پدیده‌ها یا دستگاه‌هایی را بررسی می‌کند که امروزه بعید به نظر می‌رسند، از نقطه نظر امکان اجرای آنها در آینده. این دانشمند که در مورد آینده نزدیک ما صحبت می کند، به زبانی قابل دسترس در مورد نحوه عملکرد جهان صحبت می کند. انفجار بزرگ و سیاهچاله ها، فازرها و پادماده چیست؟ از کتاب "فیزیک غیرممکن" خواهید آموخت که در قرن بیست و یکم، در طول زندگی ما، میدان های نیرو، نامرئی، ذهن خوانی، ارتباط با تمدن های فرازمینی، و حتی انتقال از راه دور و سفر بین ستاره ای ممکن است تحقق یابد.
چرا کتاب ارزش خواندن دارد تا همین اواخر، حتی تصور دنیای امروزی چیزهای آشنا برای ما دشوار بود. تلفن همراه و اینترنت غیرممکن به نظر می رسید. خواهید فهمید که چه پیش بینی های جسورانه نویسندگان داستان های علمی تخیلی و نویسندگان فیلم ها در مورد آینده در مقابل چشمان ما شانس تحقق دارند. از کتاب میچیو کاکو، فیزیکدان آمریکایی و رایج کننده علم، با پیچیده ترین پدیده ها و آخرین دستاوردهای علم و فناوری مدرن آشنا خواهید شد. شما نه تنها آینده بشریت را خواهید دید، بلکه قوانین اساسی جهان را نیز خواهید فهمید. شما متقاعد خواهید شد که هیچ چیز در این دنیا غیر ممکن نیست!
5. «زیبایی فیزیک. درک ساختار طبیعت»، ف.
آیا این درست است که زیبایی بر جهان حاکم است؟ در طول تاریخ بشر، این سوال از سوی اندیشمندان، هنرمندان و دانشمندان مطرح بوده است. فرانک ویلچک، برنده جایزه نوبل، افکار خود را در مورد زیبایی جهان و ایده های علمی در صفحات یک کتاب با مصور باشکوه به اشتراک می گذارد. نویسنده گام به گام، با شروع از ایده های فیلسوفان یونانی و پایان دادن به نظریه اصلی مدرن وحدت فعل و انفعالات و جهت گیری های احتمالی آن، ایده های زیبایی و تقارن زیربنای مفاهیم فیزیکی را نشان می دهد. قهرمانان تحقیقات او فیثاغورث، افلاطون، نیوتن، ماکسول و اینشتین هستند. سرانجام، امی نوتر وجود دارد که قوانین حفاظت را از تقارن ها استنتاج کرد و کهکشان بزرگ فیزیکدانان قرن بیستم.
برخلاف بسیاری از محبوب‌کنندگان، فرانک ویلچک از فرمول‌ها نمی‌ترسه و می‌داند چگونه پیچیده‌ترین چیزها را روی انگشتان خود نشان دهد و ما را به شوخ طبعی و حس معجزه آلوده کند.
6. "چرا E = mc2؟ و چرا باید اهمیت دهیم"، کک بی، فورشاو دی.
این کتاب به شما کمک می کند تا نظریه نسبیت را درک کنید و به معنای معروف ترین معادله جهان برسید. انیشتین با تئوری خود در مورد مکان و زمان، شالوده ای را پایه گذاری کرد که تمام فیزیک مدرن بر آن استوار است. امروزه فیزیکدانان در تلاش برای درک طبیعت، نظریه هایی را ایجاد می کنند که گاهی اوقات زندگی ما را به طور اساسی تغییر می دهد. نحوه انجام این کار در این کتاب توضیح داده شده است.
این کتاب برای همه کسانی که به ساختار جهان علاقه مند هستند مفید خواهد بود.
7. «جهان کوانتومی»، کک بی، فورشاو جی.
چگونه چیزهایی کار می کنند که ما نمی توانیم ببینیم.
در این کتاب، دانشمندان مشهور برایان کاکس و جف فورشاو خوانندگان را با مکانیک کوانتومی - مدل اساسی ساختار جهان - آشنا می کنند. آنها می گویند که چه مشاهداتی فیزیکدانان را به نظریه کوانتومی سوق داد، چگونه آن را توسعه داد و چرا دانشمندان، با وجود همه چیزهای عجیب و غریب آن، تا این حد به آن اطمینان دارند.
این کتاب برای همه کسانی که به فیزیک کوانتومی و ساختار جهان علاقه دارند در نظر گرفته شده است.
8. "فیزیک. علوم طبیعی در کمیک"، L. Gonik، A. Huffman.
قبل از شروع صحبت کردن به زبان فرمول هایی مانند فاینمن و لاندو، باید اصول اولیه را یاد بگیرید. این کتاب به شیوه ای سرگرم کننده شما را با پدیده ها و قوانین اساسی فیزیکی آشنا می کند. ارسطو و گالیله، نیوتن و ماکسول، اینشتین و فاینمن نابغه های شناخته شده بشر هستند که سهم بزرگی در توسعه فیزیک داشته اند، و این راهنمای منحصر به فرد توضیح می دهد که از چه چیزی تشکیل شده است. این طیف گسترده ای از موضوعات را پوشش می دهد: مکانیک، الکتریسیته، نظریه نسبیت، الکترودینامیک کوانتومی. دسترسی، همراه با سطح علمی بالایی از ارائه، موفقیت در مطالعه یکی از جالب ترین رشته ها را تضمین می کند که ارتباط نزدیکی با سایر زمینه ها، و بالاتر از همه با فناوری دارد.
9. «نظریه ریسمان و ابعاد پنهان جهان»، یاو ش.، نادیس ص.
نظریه ریسمان انقلابی ادعا می کند که ما در یک جهان ده بعدی زندگی می کنیم، اما تنها چهار بعد از آن برای انسان قابل خواندن است. اگر دانشمندان مدرن را باور کنیم، شش بعد دیگر در ساختاری شگفت‌انگیز به نام منیفولد Kalabi-Yau جمع می‌شوند.

چقدر قانون فیزیک وجود دارد. قوانین اساسی فیزیک.

قانون بقای انرژی بیان می کند که انرژی بدن هرگز از بین نمی رود و دوباره ظاهر نمی شود، فقط می تواند از نوعی به نوع دیگر تبدیل شود. این قانون جهانی است. در شاخه های مختلف فیزیک، فرمول خاص خود را دارد. مکانیک کلاسیک قانون بقای انرژی مکانیکی را در نظر می گیرد.

انرژی مکانیکی کل یک سیستم بسته از اجسام فیزیکی، که بین آنها نیروهای محافظه کار عمل می کنند، یک مقدار ثابت است. قانون بقای انرژی در مکانیک نیوتنی به این صورت است.

بسته یا منزوی به یک سیستم فیزیکی گفته می شود که تحت تأثیر نیروهای خارجی قرار نمی گیرد. با فضای اطراف انرژی مبادله نمی کند و انرژی خودش که دارد بدون تغییر می ماند یعنی حفظ می شود. در چنین سیستمی فقط نیروهای درونی عمل می کنند و اجسام با یکدیگر تعامل دارند. در آن فقط تبدیل انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی و بالعکس می تواند رخ دهد.

ساده ترین نمونه سیستم بسته، تفنگ تک تیرانداز و گلوله است.

قوانین فیزیک که همه باید بدانند. قوانین اساسی فیزیک (دوره مدرسه).

انرژی های بقای و دگرگونی یک قانون یک قانون کلی طبیعت است: انرژی هر سیستم بسته برای تمام فرآیندهای رخ داده در سیستم ثابت (حفظ شده) باقی می ماند. انرژی فقط می تواند از شکلی به شکل دیگر تبدیل شود و بین بخش های سیستم توزیع شود. برای یک سیستم باز، افزایش (کاهش) در انرژی آن برابر است با کاهش (افزایش) انرژی اجسام و میدان های فیزیکی که با آن تعامل دارند.

قانون آرشیمدا - قانون آب و هوا: یک نیروی شناور بر جسم غوطه ور در یک مایع یا گاز وارد می شود که به صورت عمودی به سمت بالا هدایت می شود و از نظر عددی برابر با وزن مایع یا گاز جابجا شده توسط بدن است و در مرکز اعمال می شود. گرانش قسمت زیر آب بدن FA = gV، جایی که r چگالی مایع یا گاز است، V حجم قسمت زیر آب بدن است. در غیر این صورت، می توان آن را به صورت زیر فرموله کرد: جسم غوطه ور در یک مایع یا گاز به اندازه وزن مایع (یا گاز) جابجا شده توسط آن وزن خود را از دست می دهد. سپس P = mg - FA باز گرم دیگر. دانشمند ارشمیدس در سال 212. قبل از میلاد مسیح. این اساس نظریه بدن شناگر است.

قانون گرانش جهانی قانون گرانش نیوتن است: همه اجسام با نیرویی به یکدیگر جذب می شوند که مستقیماً با حاصلضرب جرم این اجسام متناسب است و با مجذور فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد: که در آن M و m جرم هستند. از اجسام متقابل، R فاصله بین این اجسام است، G ثابت گرانشی است (در SI G = 6.67.10-11N.m2 / kg2.

اصل نسبیت گالیلیا، اصل مکانیکی نسبیت - اصل مکانیک کلاسیک: در هر چارچوب مرجع اینرسی، همه پدیده های مکانیکی در شرایط یکسان به یک شکل پیش می روند. چهارشنبه اصل نسبیت

قانون HOOK - قانونی که طبق آن تغییر شکل های الاستیک با تأثیرات خارجی ایجاد کننده آنها نسبت مستقیم دارد.

قانون حفظ تکانه یک قانون مکانیک است: تکانه هر سیستم بسته برای تمام فرآیندهایی که در سیستم اتفاق می‌افتند ثابت می‌ماند (حفظ می‌شود) و تنها می‌تواند در نتیجه تعامل آنها بین بخش‌های سیستم توزیع شود.

قوانین نیوتن سه قانون اساسی مکانیک کلاسیک نیوتنی هستند. قانون اول (قانون اینرسی): یک نقطه مادی در حالت حرکت یا سکون مستقیم و یکنواخت است، اگر اجسام دیگر روی آن عمل نکنند یا عمل این اجسام جبران شود. قانون دوم (قانون پایه دینامیک): شتاب دریافتی توسط جسم با برآیند تمام نیروهای وارد بر جسم نسبت مستقیم دارد و با جرم بدن نسبت معکوس دارد (). قانون سوم: دو نقطه مادی توسط نیروهایی با ماهیت یکسان، از نظر قدر مساوی و در جهت مخالف در امتداد خط مستقیمی که این نقاط را به هم متصل می کند، با یکدیگر تعامل دارند ().

اصل نسبیت - یکی از فرضیه های نظریه نسبیت است که ادعا می کند در هر چارچوب مرجع اینرسی، همه پدیده های فیزیکی (مکانیکی، الکترومغناطیسی و غیره) در شرایط یکسان به یک شکل پیش می روند. تعمیم اصل نسبیت گالیله به همه پدیده های فیزیکی (به جز گرانش) است.

قانون ثبات ترکیب ماده.

قانون ثبات ترکیب (JL Proust، 1801 - 1808) - هر ترکیب شیمیایی خالص مشخصی، صرف نظر از روش تهیه آن، از همان عناصر شیمیایی تشکیل شده است و نسبت جرم آنها ثابت است و اعداد نسبی اتم های آنها به صورت اعداد کامل بیان می شود. این یکی از قوانین اساسی شیمی است.

قانون ثبات ترکیب برای برتولیدها (ترکیبات دارای ترکیب متغیر) ارضا نمی شود. با این حال، برای سادگی، ترکیب بسیاری از برتولیدها به طور معمول به صورت ثابت نوشته می شود. به عنوان مثال، ترکیب اکسید آهن (II) به عنوان FeO (به جای فرمول دقیق تر Fe) نوشته می شود.

قانون جاذبه جهانی. شرح قانون گرانش جهانی

ضریب ثابت گرانشی است. در سیستم SI، ثابت گرانشی مهم است:

این ثابت، همانطور که مشاهده می شود، بسیار کوچک است، بنابراین نیروهای گرانش بین اجسام با جرم های کوچک نیز کوچک است و عملاً احساس نمی شود. با این حال، حرکت اجسام کیهانی به طور کامل توسط گرانش تعیین می شود. وجود گرانش جهانی یا به عبارت دیگر تعامل گرانشی توضیح می‌دهد که زمین و سیارات روی چه چیزی «نگه‌دارند» و چرا آنها در طول مسیرهای خاصی به دور خورشید حرکت می‌کنند و از آن دور نمی‌شوند. قانون گرانش تعیین بسیاری از ویژگی های اجرام آسمانی - توده های سیارات، ستارگان، کهکشان ها و حتی سیاهچاله ها را ممکن می سازد. این قانون امکان محاسبه مدار سیارات را با دقت بسیار بالا و ایجاد یک مدل ریاضی از کیهان فراهم می کند.

با استفاده از قانون گرانش جهانی، می توان سرعت های کیهانی را نیز محاسبه کرد. به عنوان مثال، حداقل سرعتی که در آن جسمی که به صورت افقی بالای سطح زمین حرکت می کند، روی آن نمی افتد، اما در مدار دایره ای حرکت می کند - 7.9 کیلومتر در ثانیه (اولین سرعت کیهانی). برای ترک زمین، یعنی. برای غلبه بر جاذبه گرانشی خود، بدن باید سرعت 11.2 کیلومتر در ثانیه (دومین سرعت کیهانی) داشته باشد.

جاذبه یکی از شگفت انگیزترین پدیده های طبیعی است. در غیاب نیروهای گرانشی، وجود کیهان غیرممکن بود، کیهان حتی نمی توانست بوجود بیاید. گرانش مسئول بسیاری از فرآیندها در جهان است - تولد آن، وجود نظم به جای هرج و مرج. ماهیت گرانش هنوز کاملاً حل نشده است. تاکنون هیچ کس نتوانسته مکانیسم و ​​مدل مناسبی از تعامل گرانشی ایجاد کند.

قانون ارشمیدس (نیروی) - یک نیروی شناور بر روی جسم غوطه ور در یک مایع یا گاز، برابر با وزن مایع یا گاز جابجا شده توسط این جسم عمل می کند.

به صورت یکپارچه

نیروی ارشمیدسی همیشه مخالف نیروی گرانش است، بنابراین وزن جسم در مایع یا گاز همیشه کمتر از وزن این جسم در خلاء است.

اگر جسم روی سطح شناور باشد یا به طور یکنواخت به سمت بالا یا پایین حرکت کند، آنگاه نیروی شناوری (که نیروی ارشمیدسی نیز نامیده می شود) از نظر بزرگی (و در جهت مخالف) با نیروی گرانشی است که بر حجم مایع (گاز) جابجا شده است. بدن، و به مرکز ثقل این حجم اعمال می شود ...

در مورد اجسامی که در گاز هستند، مثلاً در هوا، سپس برای یافتن نیروی بالابر (نیروی ارشمیدس)، باید چگالی مایع را با چگالی گاز جایگزین کنید. به عنوان مثال، یک بالون با هلیوم به دلیل اینکه چگالی هلیوم کمتر از چگالی هوا است، به سمت بالا پرواز می کند.

در غیاب میدان گرانشی (نیروی گرانشی)، یعنی در حالت بی وزنی، قانون ارشمیدس کار نمی کند. فضانوردان کاملاً با این پدیده آشنا هستند. به طور خاص، در گرانش صفر، هیچ پدیده همرفتی (حرکت طبیعی هوا در فضا) وجود ندارد، بنابراین، به عنوان مثال، خنک کننده و تهویه هوای محفظه های زندگی فضاپیماها توسط فن ها انجام می شود.

مدل استاندارد فعلی فیزیک ذرات یک مکانیسم کند است که از مجموعه ناچیزی از مواد تشکیل شده است. اما، با وجود منحصر به فرد بودن ظاهری، جهان ما تنها یکی از تعداد بی شماری از جهان های ممکن است. ما کوچکترین ایده ای نداریم که چرا این پیکربندی خاص از ذرات و نیروهای وارد بر آنها اساس نظم جهانی ما است.

چرا شش "طعم" کوارک، سه "نسل" نوترینو و یک ذره هیگز وجود دارد؟ علاوه بر این، نوزده ثابت فیزیکی اساسی (به عنوان مثال، جرم و بار یک الکترون) در مدل استاندارد گنجانده شده است. به نظر می رسد مقادیر این "پارامترهای رایگان" معنای عمیقی ندارند. از یک سو، فیزیک ذرات نمونه ای از ظرافت است. از سوی دیگر، این فقط یک نظریه زیبا است.

اگر دنیای ما تنها یکی از بسیاری از جهان‌هاست، پس با جهان‌های بدیل چه کنیم؟ دیدگاه کنونی کاملاً مخالف ایده انیشتین از یک جهان منحصر به فرد است. فیزیکدانان مدرن فضای عظیمی از احتمالات را پوشش می دهند و سعی می کنند منطق ارتباطات متقابل آن را درک کنند. از کاوشگران طلا، آنها به جغرافیدانان و زمین شناسان تبدیل شده اند و نقشه های چشم انداز و بررسی دقیق نیروهایی که آن را شکل داده اند، انجام می دهند.

نقطه عطف در این فرآیند تولد نظریه ریسمان بود. او در حال حاضر تنها کاندیدای عنوان "نظریه همه چیز" است. خبر خوب این است که هیچ پارامتر رایگان در نظریه ریسمان وجود ندارد. هیچ سوالی وجود ندارد که کدام نظریه ریسمان جهان ما را توصیف می کند، زیرا منحصر به فرد است. عدم وجود هر گونه عملکرد اضافی منجر به عواقب اساسی می شود. تمام اعداد در طبیعت باید توسط خود فیزیک تعیین شوند. اینها «ثابتهای طبیعت» نیستند، بلکه صرفاً متغیرهایی هستند که از معادلات (گاهی به طرز باورنکردنی پیچیده) مشتق شده اند.

خبر بد آقایان فضای راه حل برای نظریه ریسمان وسیع و پیچیده است. این برای فیزیک طبیعی است. به طور سنتی، قوانین اساسی بر اساس معادلات ریاضی و بر اساس حل این معادلات متمایز می شوند. معمولاً چندین قانون و بی نهایت راه حل وجود دارد. قوانین نیوتن را در نظر بگیرید. آنها واضح و ظریف هستند، اما طیف فوق العاده وسیعی از پدیده ها را توصیف می کنند، از سقوط سیب گرفته تا مدار ماه. با دانستن وضعیت اولیه سیستم، می توان از این قوانین برای توصیف وضعیت آن در لحظه بعد استفاده کرد. ما انتظار یا تقاضای یک راه حل یکسان و مناسب را نداریم.

1.1. حاشیه نویسی.قوانین نظریه نسبیت و مکانیک کوانتومی، که بر اساس آنها حرکت و تعامل ذرات بنیادی ماده رخ می دهد، شکل گیری و ظهور الگوهای وسیع ترین طیف پدیده های مورد مطالعه توسط علوم طبیعی مختلف را از پیش تعیین می کند. این قوانین زیربنای فناوری های پیشرفته مدرن هستند و تا حد زیادی وضعیت و توسعه تمدن ما را تعیین می کنند. بنابراین آشنایی با مبانی فیزیک بنیادی نه تنها برای دانش آموزان، بلکه برای دانش آموزان نیز ضروری است. داشتن فعال دانش اولیه در مورد ساختار جهان برای فردی که وارد زندگی می شود لازم است تا جایگاه خود را در این جهان بیابد و تحصیلات خود را با موفقیت ادامه دهد.

1.2. سختی اصلی این گزارش چیست.این خطاب هم به متخصصان در زمینه فیزیک ذرات و هم برای مخاطبان بسیار گسترده تر است: فیزیکدانانی که با ذرات ابتدایی سروکار ندارند، ریاضیدانان، شیمیدانان، زیست شناسان، مهندسان قدرت، اقتصاددانان، فیلسوفان، زبان شناسان، و... برای اینکه به اندازه کافی دقیق باشیم. ، باید از اصطلاحات و فرمول های فیزیک بنیادی استفاده کنم. برای درک شدن، باید دائماً این اصطلاحات و فرمول ها را توضیح دهم. اگر فیزیک ذرات تخصص شما نیست، ابتدا فقط آن بخش هایی را بخوانید که عنوان آنها با ستاره مشخص نشده است. سپس سعی کنید بخش ها را با یک ستاره *، دو ** و در نهایت سه *** بخوانید. من موفق شدم در طول سخنرانی در مورد بیشتر بخش ها بدون ستاره صحبت کنم و برای بقیه فرصتی وجود نداشت.

1.3. فیزیک ذرات بنیادی.فیزیک ذرات پایه و اساس همه علوم طبیعی است. او کوچکترین ذرات ماده و قوانین اساسی حرکات و فعل و انفعالات آنها را مطالعه می کند. در نهایت، این الگوها هستند که رفتار همه اجرام روی زمین و آسمان را تعیین می کنند. فیزیک ذرات با مفاهیم اساسی مانند فضا و زمان سر و کار دارد. موضوع؛ انرژی، تکانه و جرم؛ چرخش. (بیشتر خوانندگان تصوری از فضا و زمان دارند، شاید آنها در مورد ارتباط بین جرم و انرژی شنیده باشند و نمی دانند انگیزه چه ربطی به آن دارد، و به سختی در مورد مهم ترین نقش اسپین در فیزیک حدس می زنند. متخصصان.) فیزیک ذرات در قرن بیستم ایجاد شد. ایجاد آن به طور جدایی ناپذیری با خلق دو تا از بزرگترین نظریه ها در تاریخ بشریت مرتبط است: نظریه نسبیت و مکانیک کوانتومی. ثابت های کلیدی این نظریه ها سرعت نور است جو ثابت پلانک ساعت.

1.4. نظریه نسبیت.نظریه نسبیت خاص، که در آغاز قرن بیستم مطرح شد، سنتز تعدادی از علوم را تکمیل کرد که پدیده های کلاسیکی مانند الکتریسیته، مغناطیس و اپتیک را مورد مطالعه قرار دادند و مکانیک را با سرعت اجسام قابل مقایسه با سرعت نور ایجاد کردند. (مکانیک کلاسیک غیر نسبیتی نیوتن با سرعت ها سر و کار داشت v<<ج.) سپس در سال 1915 نظریه نسبیت عام ایجاد شد که برای توصیف برهمکنش های گرانشی با در نظر گرفتن محدود بودن سرعت نور طراحی شد. ج.

1.5. مکانیک کوانتومی.مکانیک کوانتومی که در دهه 1920 ایجاد شد، ساختار و خواص اتم ها را بر اساس خواص موج-ذره دوگانه الکترون ها توضیح داد. او طیف وسیعی از پدیده های شیمیایی مرتبط با برهمکنش اتم ها و مولکول ها را توضیح داد. و اجازه می دهد تا فرآیندهای گسیل و جذب نور توسط آنها را شرح دهد. اطلاعاتی را که نور خورشید و ستارگان برای ما به ارمغان می آورد را درک کنید.

1.6. نظریه میدان کوانتومییکی شدن نظریه نسبیت و مکانیک کوانتومی منجر به ایجاد نظریه میدان کوانتومی شد که این امکان را فراهم می کند تا مهمترین خواص ماده را با دقت بالایی توصیف کنیم. البته نظریه میدان کوانتومی آنقدر پیچیده است که بتوان آن را برای دانش‌آموزان توضیح داد. اما در اواسط قرن بیستم، زبان بصری نمودارهای فاینمن در آن ظاهر شد که درک بسیاری از جنبه‌های نظریه میدان کوانتومی را به طور اساسی ساده می‌کند. یکی از اهداف اصلی این سخنرانی نشان دادن این است که چگونه می توان طیف وسیعی از پدیده ها را با استفاده از نمودارهای فاینمن به راحتی درک کرد. در این مورد، من با جزئیات بیشتر در مورد سؤالاتی صحبت خواهم کرد که برای همه متخصصان نظریه میدان کوانتومی (مثلاً در مورد رابطه بین گرانش کلاسیک و کوانتومی) ناشناخته هستند، و من فقط از موضوعاتی که به طور گسترده در مورد بحث عمومی مورد بحث قرار می گیرند کوتاهی می کنم. ادبیات علمی

1.7. شناسایی ذرات بنیادیذرات بنیادی به کوچکترین ذرات غیرقابل تقسیم ماده گفته می شود که تمام جهان از آنها ساخته شده است. شگفت‌انگیزترین خاصیتی که این ذرات را از ذرات غیر ابتدایی معمولی، به عنوان مثال، دانه‌های شن یا دانه‌ها متمایز می‌کند، این است که همه ذرات بنیادی از یک نوع، برای مثال، همه الکترون‌های جهان کاملاً (!) یکسان هستند - همسان. و در نتیجه، ساده ترین حالت های محدود آنها - اتم ها و ساده ترین مولکول ها - با یکدیگر یکسان هستند.

1.8. شش ذره بنیادیبرای درک فرآیندهای اصلی روی زمین و خورشید، در اولین تقریب کافی است فرآیندهایی را که شش ذره در آن شرکت می‌کنند، درک کنیم: یک الکترون. ه، پروتون پ، نوترون nو یک الکترون نوترینو ν e، و همچنین یک فوتون γ و یک گراویتون g̃. چهار ذره اول دارای اسپین 1/2، اسپین فوتون 1، و اسپین گراویتون 2 است. در زیر مورد بحث قرار خواهد گرفت.) پروتون ها و نوترون ها را معمولاً نوکلئون می نامند، زیرا هسته های اتمی ساخته شده اند و هسته در انگلیسی هسته است. الکترون ها و نوترینوها را لپتون می نامند. آنها فعل و انفعالات هسته ای قوی ندارند.

به دلیل برهم کنش بسیار ضعیف گراویتون ها، مشاهده گراویتون های منفرد غیرممکن است، اما از طریق همین ذرات است که گرانش در طبیعت انجام می شود. همانطور که فعل و انفعالات الکترومغناطیسی توسط فوتون ها انجام می شود.

1.9. ضد ذراتالکترون، پروتون و نوترون دارای به اصطلاح ضد ذرات هستند: پوزیترون، پادپروتون و ضد نوترون. آنها بخشی از ماده معمولی نیستند، زیرا هنگامی که با ذرات مربوطه ملاقات می کنند، وارد واکنش های تخریب متقابل می شوند - نابودی. بنابراین، یک الکترون و یک پوزیترون به دو یا سه فوتون نابود می شوند. فوتون و گراویتون ذرات واقعاً خنثی هستند: آنها با پادذرات خود منطبق هستند. اینکه نوترینو واقعاً یک ذره خنثی است یا نه هنوز ناشناخته است.

1.10. نوکلئون ها و کوارک هادر اواسط قرن بیستم، معلوم شد که خود نوکلئون ها از ذرات بنیادی بیشتری تشکیل شده اند - کوارک های دو نوع، که نشان دهنده توو د: پ = uud, n = ddu... برهمکنش بین کوارک ها توسط گلوئون ها انجام می شود. آنتی نوکلئون ها از آنتی کوارک ها تشکیل شده اند.

1.11. سه نسل فرمیون.همچنین تو, د, ه, ν eدو گروه دیگر (یا همانطور که می گویند نسل) کوارک ها و لپتون ها کشف و مورد مطالعه قرار گرفتند: ج, س، μ، ν μ و تی, ب, τ, ν τ. این ذرات در ترکیب ماده معمولی قرار نمی گیرند، زیرا ناپایدار هستند و به سرعت به ذرات سبک تر نسل اول تجزیه می شوند. اما آنها نقش مهمی در لحظات اولیه کیهان داشتند.

برای درک حتی کامل تر و عمیق تر از طبیعت، ذرات حتی بیشتر با خواص غیر معمول تر مورد نیاز است. اما شاید در آینده این همه تنوع به چند موجود ساده و زیبا تقلیل یابد.

1.12. هادرون هاخانواده متعددی از ذرات که از کوارک ها و/یا آنتی کوارک ها و گلوئون ها تشکیل شده اند هادرون نامیده می شوند. همه هادرون ها، به استثنای نوکلئون ها، ناپایدار هستند و بنابراین بخشی از ماده معمولی نیستند.

اغلب، هادرون ها به عنوان ذرات بنیادی نیز شناخته می شوند، زیرا نمی توانند به کوارک ها و گلوئون های آزاد تجزیه شوند. (این کاری است که من انجام دادم و پروتون و نوترون را به شش ذره ابتدایی اول ارجاع دادم.) اگر همه هادرون ها ابتدایی در نظر گرفته شوند، تعداد ذرات بنیادی به صدها عدد اندازه گیری می شود.

1.13. مدل استاندارد و چهار نوع تعامل.همانطور که در زیر توضیح داده خواهد شد، ذرات بنیادی ذکر شده در بالا، در چارچوب به اصطلاح "مدل استاندارد ذرات بنیادی" اجازه می دهند تا تمام فرآیندهای شناخته شده ای را که در طبیعت در نتیجه گرانش، الکترومغناطیسی، ضعیف و تعاملات قوی اما برای درک نحوه عملکرد دو مورد اول، چهار ذره کافی است: یک فوتون، یک گراویتون، یک الکترون و یک پروتون. علاوه بر این، این واقعیت که پروتون از تو- و د-کوارک ها و گلوئون ها ناچیز هستند. البته، بدون فعل و انفعالات ضعیف و قوی، نمی‌توان فهمید نه هسته‌های اتم چگونه چیده شده‌اند و نه خورشید ما چگونه کار می‌کند. اما این که پوسته های اتمی که تمام خواص شیمیایی عناصر را تعیین می کنند، چگونه چیده شده اند، چگونه الکتریسیته کار می کند و چگونه کهکشان ها چیده شده اند، قابل درک است.

1.14. فراتر از شناخته شده.امروزه می دانیم که ذرات و فعل و انفعالات مدل استاندارد، گنجینه های طبیعت را از بین نمی برند.

ثابت شده است که اتم‌ها و یون‌های معمولی تنها کمتر از 20 درصد از کل ماده جهان را تشکیل می‌دهند و بیش از 80 درصد آن را ماده تاریک تشکیل می‌دهند که ماهیت آن هنوز ناشناخته است. رایج ترین باور این است که ماده تاریک از ابر ذرات تشکیل شده است. ممکن است از ذرات آینه ای تشکیل شده باشد.

جالب تر از آن این است که همه مواد، اعم از مرئی (نور) و تاریک، تنها یک چهارم کل انرژی جهان را حمل می کنند. سه چهارم متعلق به به اصطلاح انرژی تاریک است.

1.15. ذرات بنیادی "ه تا حدی ” اساسی هستند.وقتی معلم من ایزاک یاکولوویچ پومرانچوک می خواست بر اهمیت یک سوال تاکید کند، گفت که سوال e تا حدی مهم است. البته بیشتر علوم طبیعی، نه فقط فیزیک ذرات، بنیادی هستند. به عنوان مثال، فیزیک ماده متراکم از قوانین اساسی پیروی می کند که می توان بدون فهمیدن اینکه چگونه از قوانین فیزیک ذرات بنیادی پیروی می کنند، استفاده کرد. اما قوانین نظریه نسبیت و مکانیک کوانتومی " هتا حدی اساسی "به این معنا که هیچ یک از قوانین کمتر عمومی نمی تواند با آنها در تضاد باشد.

1.16. قوانین اساسیتمام فرآیندها در طبیعت در نتیجه فعل و انفعالات و حرکات محلی (تکثیر) ذرات بنیادی رخ می دهند. قوانین اساسی حاکم بر این حرکات و فعل و انفعالات بسیار غیر معمول و بسیار ساده هستند. آنها مبتنی بر مفهوم تقارن و این اصل هستند که هر چیزی که با تقارن منافات نداشته باشد، می تواند و باید اتفاق بیفتد. در زیر، با استفاده از زبان نمودارهای فاینمن، چگونگی تحقق این امر در برهمکنش های گرانشی، الکترومغناطیسی، ضعیف و قوی ذرات را ردیابی خواهیم کرد.

2. ذرات و حیات

2.1. درباره تمدن و فرهنگیکی از اعضای خارجی آکادمی علوم روسیه والنتین تلگدی (1922-2006) توضیح داد: "اگر WC (کمد آب) یک تمدن است، پس توانایی استفاده از آن فرهنگ است."

کارمند ITEP A. A. Abrikosov Jr. اخیراً برای من نوشت: «یکی از اهداف گزارش شما متقاعد کردن مخاطبان بالا به لزوم آموزش گسترده فیزیک مدرن است. اگر چنین است، پس شاید ارزش ذکر چند مثال از زندگی روزمره را داشته باشد. منظورم موارد زیر است:

ما در جهانی زندگی می کنیم که حتی در سطح روزمره، بدون مکانیک کوانتومی (QM) و نظریه نسبیت (TO) قابل تصور نیست. تلفن‌های همراه، رایانه‌ها، تمام لوازم الکترونیکی مدرن، بدون ذکر چراغ‌های LED، لیزرهای نیمه‌رسانا (از جمله اشاره‌گر)، نمایشگرهای LCD اساساً دستگاه‌های کوانتومی هستند. توضیح نحوه کار آنها بدون مفاهیم اولیه CM غیرممکن است. چگونه می توانید آنها را بدون ذکر تونل توضیح دهید؟

مثال دوم را شاید از شما می دانم. ناوبرهای ماهواره ای در حال حاضر در هر 10 ماشین نصب شده است. دقت همگام سازی ساعت در شبکه ماهواره ای کمتر از 10-8 نیست (این مربوط به خطای مرتبه یک متر در محلی سازی یک شی در سطح زمین است). چنین دقتی مستلزم در نظر گرفتن اصلاحات TO در ساعت در یک ماهواره متحرک است. آنها می گویند مهندسان نمی توانند آن را باور کنند، بنابراین اولین دستگاه ها یک برنامه دوگانه داشتند: با و بدون در نظر گرفتن اصلاحات. همانطور که مشخص است، برنامه اول بهتر کار می کند. در اینجا آزمونی از نظریه نسبیت در سطح روزمره وجود دارد.

البته چت با تلفن، رانندگی با ماشین و زدن کلید کامپیوتر بدون علم بالا امکان پذیر است. اما دانشگاهیان به سختی باید اصرار کنند که جغرافیا تدریس نشود، زیرا "کابی هایی وجود دارد".

و سپس با دانش‌آموزان و سپس با دانش‌آموزان به مدت پنج سال در مورد نکات مادی و نسبیت گالیله صحبت می‌کنند و ناگهان، بدون هیچ دلیل مشخصی، اعلام می‌کنند که این «کاملاً درست نیست».

بازسازی از دنیای نیوتنی بصری به دنیای کوانتومی حتی در موسسه فیزیکوتکنیک دشوار است. مال شما، AAA."

2.2. درباره فیزیک اساسی و آموزش و پرورش.متأسفانه، سیستم آموزشی مدرن برای یک قرن تمام از فیزیک بنیادی مدرن عقب مانده است. و اکثریت مردم (از جمله اکثر دانشمندان) هیچ ایده ای در مورد آن تصویر (نقشه) شگفت آور واضح و ساده از جهان که توسط فیزیک ذرات بنیادی ایجاد شده است ندارند. این نقشه پیمایش در تمام علوم طبیعی را بسیار آسان می کند. هدف گزارش من این است که شما را متقاعد کنم که برخی از عناصر (مفاهیم) فیزیک ذرات ابتدایی، نظریه نسبیت و نظریه کوانتومی می توانند و باید مبنایی برای تدریس همه دروس علوم طبیعی نه تنها در آموزش عالی، بلکه در دوره متوسطه و متوسطه باشند. حتی دبستان از این گذشته ، مفاهیم اساساً جدید به راحتی در دوران کودکی تسلط پیدا می کنند. کودک به راحتی به زبان مسلط می شود، با تلفن همراه مسلط می شود. خیلی از بچه ها در عرض چند ثانیه مکعب روبیک را به حالت اولیه برمی گردانند و حتی یک روز هم برای من کافی نیست.

به طوری که در آینده هیچ شگفتی ناخوشایندی وجود نداشته باشد، لازم است یک جهان بینی کافی در مهد کودک ایجاد شود. ثابت ها جو ساعتباید به ابزار دانش برای کودکان تبدیل شود.

2.3. در مورد ریاضیاتریاضیات - ملکه و خدمتگزار همه علوم - قطعا باید به عنوان ابزار اصلی دانش عمل کند. او مفاهیم اساسی مانند حقیقت، زیبایی، تقارن، نظم را ارائه می دهد. مفاهیم صفر و بی نهایت ریاضیات به شما می آموزد که فکر کنید و بشمارید. فیزیک بنیادی بدون ریاضیات غیرممکن است. آموزش بدون ریاضیات غیرممکن است. البته شاید برای مطالعه نظریه گروهی در مدرسه خیلی زود باشد، اما آموزش ارزش صدق، زیبایی، تقارن و نظم (و در عین حال مقداری بی نظمی) ضروری است.

درک انتقال از اعداد واقعی (واقعی) (ساده، گویا، غیرمنطقی) به اعداد خیالی و پیچیده بسیار مهم است. اعداد ابرمختلط (کواترنیون و اکتونیون) را احتمالا فقط آن دسته از دانش آموزانی باید مطالعه کنند که می خواهند در زمینه ریاضیات و فیزیک نظری کار کنند. مثلاً در کارم از اکتونیون استفاده نکرده ام. اما من می دانم که آنها درک امیدوار کننده ترین، به گفته بسیاری از فیزیکدانان نظری، گروه تقارن انحصاری E 8 را آسان تر می کنند.

2.4. درباره جهان بینی و علوم طبیعی.درک قوانین اساسی حاکم بر جهان در همه علوم طبیعی ضروری است. البته فیزیک حالت جامد، شیمی، زیست شناسی، علوم زمین، نجوم مفاهیم، ​​روش ها، مسائل خاص خود را دارند. اما داشتن یک نقشه کلی از جهان و درک اینکه نقاط خالی زیادی از ناشناخته ها در این نقشه وجود دارد بسیار مهم است. درک این نکته بسیار مهم است که علم یک دگم استخوان بندی شده نیست، بلکه فرآیندی زنده برای نزدیک شدن به حقیقت در بسیاری از نقاط نقشه جهان است. نزدیک شدن به حقیقت یک فرآیند مجانبی است.

2.5. درباره تقلیل گرایی واقعی و مبتذل.این ایده که ساختارهای پیچیده‌تر در طبیعت از ساختارهای کمتر پیچیده‌تر و در نهایت از ساده‌ترین عناصر تشکیل شده‌اند، معمولاً تقلیل‌گرایی نامیده می‌شود. از این نظر، آنچه من سعی دارم شما را در مورد آن متقاعد کنم تقلیل گرایی است. اما تقلیل گرایی مبتذل که ادعا می کند همه علوم را می توان به فیزیک ذرات بنیادی تقلیل داد، مطلقاً غیرقابل قبول است. در هر سطحی از پیچیدگی که به طور فزاینده‌ای افزایش می‌یابد، الگوهای خاص خودش شکل می‌گیرد و ظهور می‌کند. برای اینکه یک زیست شناس خوب باشید نیازی به دانستن فیزیک ذرات ندارید. اما برای درک جایگاه و نقش آن در نظام علوم، نقش کلیدی ثابت ها را درک کنیم جو ساعتلازم است. به هر حال، علم در کل یک موجود زنده است.

2.6. در مورد علوم انسانی و اجتماعی.درک کلی از ساختار جهان برای اقتصاد، برای تاریخ، و برای علوم شناختی، مانند علوم زبان، و برای فلسفه بسیار مهم است. و بالعکس - این علوم برای اساسی ترین فیزیک که دائماً مفاهیم اساسی خود را اصلاح می کند بسیار مهم هستند. این از بررسی نظریه نسبیت، که اکنون به آن می پردازم، دیده می شود. من به ویژه در مورد علوم حقوقی خواهم گفت که برای رونق (بدون ذکر بقا) علوم طبیعی بسیار مهم است. من متقاعد شده ام که قوانین اجتماعی نباید با قوانین اساسی طبیعت در تضاد باشد. قوانین انسانی نباید با قوانین الهی طبیعت در تضاد باشد.

2.7. میکرو، ماکرو، کیهان.دنیای معمولی ما از چیزهای بزرگ، اما نه غول پیکر، معمولاً جهان کلان نامیده می شود. عالم اجرام سماوی را می توان عالم کیهان و عالم ذرات اتمی و زیراتمی را عالم صغیر نامید. (از آنجایی که اندازه اتم ها در حد 10-10 متر است، جهان کوچک به معنای اجسامی است که حداقل 4 یا حتی 10 مرتبه قدر کوچکتر از یک میکرومتر، و 1-7 مرتبه قدر کوچکتر از یک نانومتر هستند. منطقه نانو در جاده میکرو به ماکرو قرار دارد.) در قرن بیستم، مدل استاندارد ذرات بنیادی ساخته شد که به شما اجازه می دهد تا به سادگی و به وضوح بسیاری از قوانین ماکرو و کیهان را بر اساس قوانین درک کنید. از میکرو

2.8. مدل های مامدل‌ها در فیزیک نظری با کنار گذاشتن شرایط نامربوط ساخته می‌شوند. بنابراین، برای مثال، در فیزیک اتمی و هسته ای، برهمکنش های گرانشی ذرات ناچیز است، و می توان آنها را نادیده گرفت. چنین مدلی از جهان در تئوری نسبیت خاص قرار می گیرد. این مدل دارای اتم ها، مولکول ها، اجسام متراکم، ... شتاب دهنده ها و برخورد کننده ها است، اما خورشید و ستاره ندارد.

چنین مدلی احتمالاً در مقیاس های بسیار بزرگ که گرانش قابل توجه است نادرست است.

البته، وجود زمین (و در نتیجه، گرانش) برای وجود سرن ضروری است، اما برای درک اکثریت قریب به اتفاق آزمایش‌های انجام شده در سرن (به جز جستجو در برخورد دهنده برای یافتن «سیاه‌چاله‌های» میکروسکوپی)، گرانش. ناچیز است

2.9. دستورات قدر.یکی از مشکلات درک خواص ذرات بنیادی با این واقعیت است که آنها بسیار کوچک هستند و تعداد زیادی از آنها وجود دارد. یک قاشق آب حاوی تعداد زیادی اتم (حدود 10 23) است. تعداد ستارگان در قسمت مرئی کیهان خیلی کمتر نیست. شما نباید از اعداد بزرگ ترسید. از این گذشته ، مقابله با آنها دشوار نیست ، زیرا ضرب اعداد عمدتاً به جمع ترتیب آنها کاهش می یابد: 1 = 10 0 ، 10 = 10 1 ، 100 = 10 2. 10 را در 100 ضرب کنید تا 10 1 + 2 = 10 3 = 1000 بدست آورید.

2.10. یک قطره روغناگر یک قطره روغن به حجم 1 میلی لیتر روی سطح آب بریزد، در یک نقطه رنگین کمانی به مساحت چند متر مربع و ضخامت حدود صد نانومتر پخش می شود. این تنها سه مرتبه بزرگتر از اندازه یک اتم است. و ضخامت لایه حباب صابون در نازک ترین مکان ها به اندازه مولکول ها است.

2.11. جولی هایک باتری AA معمولی دارای ولتاژ 1.5 ولت (V) و دارای ذخیره انرژی الکتریکی 104 ژول (J) است. اجازه دهید به شما یادآوری کنم که 1 J = 1 کولن × 1 V و همچنین 1 J = کیلوگرم متر مربع / ثانیه 2 و شتاب گرانش حدود 10 متر بر ثانیه 2 است. بنابراین 1 ژول وزن 1 کیلوگرم را به ارتفاع 10 سانتی متر می برد و 10 4 ژول 100 کیلوگرم را در 10 متر بلند می کند. انرژی زیادی برای بالا بردن دانش آموز به طبقه دهم توسط آسانسور مصرف می شود. این مقدار انرژی در باتری است.

2.12. الکترون ولتواحد انرژی در فیزیک ذرات بنیادی الکترون ولت (eV) است: انرژی 1 eV توسط 1 الکترون به دست می آید که اختلاف پتانسیل 1 ولت را پشت سر گذاشته است. از آنجایی که در یک کولن 6.24 · 10 18 الکترون وجود دارد، پس 1 J = 6.24 · 10 18 eV.

1 کو = 10 3 الکترون ولت، 1 مگا الکترون ولت = 10 6 الکترون ولت، 1 گیگا ولت = 10 9 ولت، 1 ترا ولت = 10 12 ولت.

اجازه دهید یادآوری کنم که انرژی یک پروتون در برخورد دهنده بزرگ هادرون در سرن باید برابر با 7 TeV باشد.

3. درباره نظریه نسبیت

3.1. سیستم های مرجعما تمام آزمایشات خود را در یک چارچوب مرجع توصیف می کنیم. سیستم مرجع می تواند آزمایشگاه، قطار، ماهواره زمین، مرکز کهکشان و ... باشد. یک سیستم مرجع می تواند هر ذره ای باشد که به عنوان مثال در یک شتاب دهنده ذرات پرواز می کند. از آنجایی که همه این سیستم ها نسبت به یکدیگر حرکت می کنند، پس همه آزمایش ها در آنها یکسان به نظر نمی رسند. علاوه بر این، اثر گرانشی نزدیکترین اجرام پرجرم در آنها متفاوت است. توجه به این تفاوت ها است که محتوای اصلی نظریه نسبیت را تشکیل می دهد.

3.2. کشتی گالیلهگالیله اصل نسبیت را فرموله کرد و انواع آزمایشات را در کابین یک کشتی آرام توصیف کرد. اگر پنجره ها پرده باشند، با کمک این آزمایش ها نمی توان فهمید که کشتی با چه سرعتی حرکت می کند و آیا ایستاده نیست یا خیر. انیشتین آزمایش هایی با سرعت محدود نور به این کابین اضافه کرد. اگر از پنجره به بیرون نگاه نکنید، نمی توانید سرعت کشتی را بدانید. اما اگر به ساحل نگاه کنید، می توانید.

3.3. ستاره های دور *.معقول است که چارچوب مرجعی را تعیین کنیم که افراد بتوانند نتایج تجربیات خود را بدون توجه به جایی که هستند، بر اساس آن فرموله کنند. برای چنین چارچوب مرجع جهانی، سیستمی که در آن ستارگان دور ساکن هستند، مدتهاست که در نظر گرفته شده است. و نسبتاً اخیراً (نیم قرن پیش) اختروشهای حتی دورتر نیز کشف شد و معلوم شد که پس‌زمینه مایکروویو باقیمانده باید در این سیستم همسانگرد باشد.

3.4. در جستجوی یک چارچوب مرجع جهانی *.اساساً، کل تاریخ نجوم پیشرفتی به سوی یک چارچوب مرجع جهانی است که به طور فزاینده ای جهانی می شود. از انسان‌مرکزی، جایی که یک شخص در مرکز وجود دارد، تا ژئومرکزی، که در آن زمین آرام در مرکز قرار دارد (بطلمیوس، 87-165)، تا خورشید مرکزی، جایی که خورشید در مرکز قرار دارد (کوپرنیک، 1473-1543)، تا کهکشان مرکزی، جایی که مرکز کهکشان ما قرار دارد، به سحابی، جایی که سیستم سحابی ها - خوشه های کهکشان قرار دارد، به پس زمینه، جایی که پس زمینه مایکروویو کیهانی همسانگرد است. با این حال، ضروری است که سرعت این فریم های مرجع در مقایسه با سرعت نور کم باشد.

3.5. کوپرنیک، کپلر، گالیله، نیوتن *.در کتاب نیکلاس کوپرنیک «درباره چرخش کرات آسمانی» که در سال 1543 منتشر شد، آمده است: «تمام حرکاتی که خورشید متوجه آن می شود مختص آن نیست، بلکه متعلق به زمین و کره ما است، همراه با آن. ما مانند هر سیاره دیگری به دور خورشید می چرخیم. بنابراین، زمین دارای چندین حرکت است. حرکت ظاهری رو به جلو و عقب سیارات متعلق به آنها نیست، بلکه به زمین تعلق دارد. بنابراین، حرکت او به تنهایی برای توضیح تعداد زیادی از بی نظمی های قابل مشاهده در آسمان کافی است.

کوپرنیک و کپلر (1571-1630) توصیف پدیدارشناختی ساده ای از سینماتیک این حرکات ارائه کردند. گالیله (1564-1642) و نیوتن (1643-1727) پویایی خود را توضیح دادند.

3.6. مکان و زمان جهانی *.مختصات مکانی و زمان که به چارچوب مرجع جهانی اطلاق می شود را می توان در هماهنگی کامل با نظریه نسبیت کلی یا مطلق نامید. تنها تاکید بر این نکته حائز اهمیت است که انتخاب این سیستم توسط ناظران محلی انجام شده و مورد توافق است. هر چارچوب مرجعی که نسبت به قاب جهانی به جلو حرکت می کند، اینرسی است: در آن، حرکت آزاد یکنواخت و مستقیم است.

3.7. "نظریه عدم تغییر"*. توجه داشته باشید که هم آلبرت انیشتین (1955-1879) و هم ماکس پلانک (1947-1858) (که اصطلاح "نظریه نسبیت" را در سال 1907 معرفی کرد و آن را نظریه ارائه شده توسط انیشتین در سال 1905 نامید) معتقد بودند که اصطلاح "تئوری عدم تغییر". می تواند ماهیت آن را با دقت بیشتری منعکس کند. اما ظاهراً در آغاز قرن بیستم، تأکید بر نسبیت مفاهیمی مانند زمان و همزمانی در چارچوب‌های مرجع اینرسی مساوی از جدا کردن یکی از این سیستم‌ها مهم‌تر بود. مهم‌تر این بود که با پنجره‌های پرده‌دار کابین گالیله، تشخیص سرعت کشتی غیرممکن بود. اما اکنون وقت آن است که پرده ها را باز کنیم و به ساحل نگاه کنیم. در عین حال، البته، تمام الگوهای ایجاد شده با پرده های بسته، تزلزل ناپذیر می مانند.

3.8. نامه ای به چیمر*. در سال 1921، انیشتین در نامه ای به ای. چیمر، نویسنده کتاب نامه های فلسفی، نوشت: "در مورد اصطلاح "نظریه نسبیت"، "اعتراف می کنم که مایه تاسف است و منجر به سوء تفاهم های فلسفی می شود." اما برای تغییر آن، به گفته انیشتین، بسیار دیر است، به ویژه، زیرا گسترده است. این نامه در جلد 12 از 25 جلدی "مجموعه آثار انیشتین" منتشر شده در پاییز 2009 در پرینستون منتشر شده است.

3.9. حداکثر سرعت در طبیعتثابت کلیدی نظریه نسبیت سرعت نور است ج= 300000 کیلومتر بر ثانیه = 3 × 10 8 متر بر ثانیه. (دقیقتر، ج= 299 792 458 m / s. و این عدد اکنون زیربنای تعریف متر است.) این سرعت حداکثر سرعت انتشار هر سیگنال در طبیعت است. این سرعت بسیار سریعتر از سرعت اجرام عظیمی است که ما هر روز با آنها سر و کار داریم. این ارزش غیرعادی بزرگ آن است که با درک محتوای اصلی نظریه نسبیت تداخل دارد. ذراتی که با سرعتی برابر با سرعت نور حرکت می کنند، نسبیتی نامیده می شوند.

3.10. انرژی، تکانه و سرعت.حرکت آزاد یک ذره با انرژی ذره مشخص می شود Eو انگیزه او پ... طبق نظریه نسبیت، سرعت یک ذره vبا فرمول تعریف می شود

یکی از دلایل اصلی سردرگمی اصطلاحات مورد بحث در Sec. 3.14، این است که هنگام ایجاد نظریه نسبیت، آنها سعی کردند ارتباط نیوتنی بین تکانه و سرعت را حفظ کنند. پ = مترv، که با نظریه نسبیت در تضاد است.

3.11. وزن.جرم ذرات متربا فرمول تعریف می شود

در حالی که انرژی و تکانه یک ذره به چارچوب مرجع، قدر جرم آن بستگی دارد متربه چارچوب مرجع بستگی ندارد. ثابت است. فرمول های (1) و (2) در نظریه نسبیت اساسی هستند.

به اندازه کافی عجیب، اولین تک نگاری در مورد نظریه نسبیت، که در آن فرمول (2) ظاهر شد، تنها در سال 1941 منتشر شد. . من آن را در هیچ یک از آثار انیشتین نیافتم. همچنین در کتاب قابل توجه «نظریه نسبیت» اثر W. Pauli (1900-1958) که در سال 1921 منتشر شد، وجود ندارد. اما معادله موج نسبیتی حاوی این فرمول در کتاب «اصول مکانیک کوانتومی» نوشته پی دیراک بود. در سال 1930 (1902-1984) و حتی قبل از آن در مقالات 1926 توسط O. Klein (1894-1977) و W. Fock (1898-1974) منتشر شد.

3.12. فوتون بدون جرماگر جرم ذره صفر باشد، یعنی ذره بی جرم باشد، از فرمول های (1) و (2) نتیجه می شود که در هر چارچوب مرجع، سرعت آن برابر است با ج... از آنجایی که جرم یک ذره نور - فوتون - آنقدر کوچک است که نمی توان آن را تشخیص داد، به طور کلی پذیرفته شده است که برابر با صفر است و جسرعت نور است

3.13. انرژی استراحتاگر جرم ذره با صفر متفاوت باشد، چارچوب مرجعی را در نظر می گیریم که در آن ذره آزاد در حالت سکون و در آن قرار دارد. v = 0, پ= 0. چنین چارچوب مرجعی را قاب استراحت ذره می نامند و انرژی ذره در این قاب را انرژی سکون می نامند و نشان می دهند. E 0... از فرمول (2) نتیجه می شود که

این فرمول بیانگر رابطه بین انرژی استراحت یک ذره عظیم و جرم آن است که توسط انیشتین در سال 1905 کشف شد.

3.14. "معروف ترین فرمول."متأسفانه، اغلب فرمول انیشتین به شکل «معروف ترین فرمول» نوشته می شود E = mc 2” حذف شاخص صفر انرژی استراحت که منجر به سوء تفاهم ها و سردرگمی های متعدد می شود. به هر حال، این "فرمول معروف" انرژی و جرم را مشخص می کند که با نظریه نسبیت به طور عام و فرمول (2) به طور خاص در تضاد است. از آن یک تصور غلط گسترده ناشی می شود که جرم یک جسم، طبق نظریه نسبیت، ظاهراً با افزایش سرعت آن افزایش می یابد. در سال های اخیر، آکادمی آموزش روسیه اقدامات زیادی برای از بین بردن این تصور غلط انجام داده است.

3.15. واحد سرعت*. در تئوری نسبیت که به سرعت های قابل مقایسه با سرعت نور می پردازد، انتخاب طبیعی است. جبه عنوان واحد سرعت این انتخاب همه فرمول ها را ساده می کند، زیرا ج/ج= 1، و در آنها باید قرار داد ج= 1. در این صورت سرعت به کمیتی بی بعد تبدیل می شود، مسافت دارای بعد زمان و جرم دارای بعد انرژی است.

در فیزیک ذرات ابتدایی، جرم ذرات معمولاً با الکترون ولت - eV و مشتقات آنها اندازه گیری می شود (به بخش 2.14 مراجعه کنید). جرم الکترون حدود 0.5 مگا الکترون ولت، جرم پروتون حدود 1 گیگا ولت، جرم سنگین ترین کوارک حدود 170 گیگا ولت و جرم نوترینو حدود کسری از الکترون ولت است.

3.16. فاصله های نجومی*. در نجوم، فاصله ها با سال نوری اندازه گیری می شود. بخش قابل مشاهده کیهان حدود 14 میلیارد سال نوری وسعت دارد. اگر این عدد را با زمان 10-24 ثانیه مقایسه کنیم که در طی آن نور مسافتی به اندازه یک پروتون را طی می کند، تأثیر حتی قوی تری ایجاد می کند. و در تمام این محدوده عظیم، نظریه نسبیت کار می کند.

3.17. دنیای مینکوفسکیدر سال 1908، چند ماه قبل از مرگ نابهنگام خود، هرمان مینکوفسکی (1864-1909) به طور پیشگوئی گفت: "دیدگاه هایی درباره مکان و زمان که من قصد دارم در برابر شما ایجاد کنم، بر اساس تجربی فیزیکی پدید آمدند. این نقطه قوت آنهاست. روند آنها رادیکال است. از این به بعد، خود فضا و زمان باید به داستان تبدیل شوند و فقط نوعی ترکیب خاص از هر دو باید همچنان استقلال خود را حفظ کند.»

یک قرن بعد، می دانیم که زمان و مکان به داستان تبدیل نشده اند، اما ایده مینکوفسکی توصیف بسیار ساده حرکات و برهم کنش ذرات ماده را امکان پذیر کرد.

3.18. دنیای چهار بعدی*. در واحدهایی که در آن ج= 1، ایده دنیای Minkowski بسیار زیبا به نظر می رسد، که زمان و فضای سه بعدی را در یک جهان چهار بعدی واحد متحد می کند. در این حالت، انرژی و تکانه در یک بردار چهار بعدی منفرد ترکیب می شوند و جرم مطابق با رابطه (2) به عنوان طول شبه اقلیدسی این 4 بردار انرژی-تکانه عمل می کند. پ = E, پ:

خط سیر چهار بعدی در دنیای مینکوفسکی خط جهان و نقاط منفرد را نقاط جهان می نامند.

3.19. وابستگی مسیر ساعت به سرعت آن**. مشاهدات متعدد نشان می‌دهد که ساعت‌ها زمانی که نسبت به قاب اینرسی در حالت سکون هستند، سریع‌ترین عملکرد را دارند. حرکت محدود در سیستم مرجع اینرسی پیشرفت آنها را کند می کند. هرچه سریعتر در فضا حرکت کنند، در زمان کندتر می شوند. کاهش سرعت در چارچوب مرجع جهانی مطلق است (به بخش‌های 3.1-3.8 مراجعه کنید). معیار آن نسبت است E/m، که اغلب با حرف γ نشان داده می شود.

3.20. میون ها در یک شتاب دهنده حلقه ای و در حالت استراحت**. وجود این کاهش سرعت را می توان با مقایسه طول عمر یک میون در حالت سکون و یک میون در حال چرخش در یک شتاب دهنده حلقه به وضوح مشاهده کرد. این واقعیت که در یک شتاب دهنده، یک میون کاملا آزادانه حرکت نمی کند، بلکه دارای شتاب مرکزگرا است. ω 2 R، جایی که ω فرکانس شعاعی انقلاب است و آرشعاع مدار است، فقط یک تصحیح ناچیز می دهد، زیرا E / ω 2 R = ER>> 1. حرکت در یک دایره، و نه در یک خط مستقیم، برای مقایسه مستقیم یک میون در حال چرخش با یک میون در حالت استراحت کاملا ضروری است. اما با توجه به سرعت پیری یک میون متحرک، یک قوس دایره ای با شعاع به اندازه کافی بزرگ از یک خط مستقیم قابل تشخیص نیست. این سرعت توسط نگرش تعیین می شود E/m... (تاکید می کنم که طبق نظریه نسبیت خاص، چارچوب مرجعی که میون در حال چرخش در آن ساکن است، اینرسی نیست.)

3.21. قوس و وتر**. از دیدگاه ناظری که در چارچوب مرجع اینرسی قرار دارد، قوس دایره ای با شعاع به اندازه کافی بزرگ و وتر آن عملاً قابل تشخیص نیستند: حرکت در امتداد قوس تقریباً اینرسی است. از نقطه نظر یک ناظر در حال سکون نسبت به میونی که در یک دایره پرواز می کند، حرکت آن اساساً اینرسی نیست. از این گذشته ، سرعت آن در نیم پیچ تغییر می کند. (برای یک ناظر متحرک، ستارگان دور به هیچ وجه ساکن نیستند. کل جهان برای او نامتقارن است: ستارگان جلو آبی و پشت سر قرمز هستند. در حالی که برای ما همه آنها یکسان هستند - طلایی، زیرا سرعت منظومه شمسی کم است.) و عدم اینرسی این ناظر خود را در این واقعیت نشان می دهد که صورت فلکی جلو و پشت با حرکت میون در شتاب دهنده حلقه تغییر می کند. ما نمی‌توانیم ناظر ساکن و متحرک را معادل هم بدانیم، زیرا اولی هیچ شتابی را تجربه نمی‌کند و دومی برای بازگشت به محل ملاقات باید آن را تجربه کند.

3.22. نسبیت عام**. فیزیکدانان نظری که به زبان نسبیت عام (GR) عادت دارند اصرار دارند که همه چارچوب های مرجع برابر هستند. نه تنها اینرسی، بلکه شتاب نیز دارد. آن فضا-زمان خودش کج است. در این حالت، برهمکنش گرانشی از همان برهمکنش فیزیکی الکترومغناطیسی، ضعیف و قوی، متوقف می‌شود و به مظهر انحصاری فضای منحنی تبدیل می‌شود. در نتیجه، تمام فیزیک برای آنها، همانطور که بود، به دو بخش تقسیم می شود. اگر از این واقعیت پیش برویم که شتاب همیشه ناشی از کنش متقابل است، که نسبی نیست، بلکه مطلق است، آنگاه فیزیک یکپارچه و ساده می شود.

3.23. Lenkom.استفاده از کلمات "نسبیت" و "نسبی‌گرایی" در رابطه با سرعت نور شبیه به نام تئاتر "لنکوم" یا روزنامه "مسکوفسکی کومسومولتس" است که فقط از نظر تبارشناسی به کومسومول مربوط می شود. اینها پارادوکس های زبانی هستند. سرعت نور در پوچی نسبی نیست. مطلق است. فیزیکدانان فقط به کمک زبان شناسان نیاز دارند.

4. درباره نظریه کوانتومی

4.1. ثابت پلانکاگر در نظریه نسبیت ثابت کلیدی سرعت نور است ج، پس در مکانیک کوانتومی ثابت کلیدی است ساعت= 6.63 · 10-34 J · s، کشف شده توسط ماکس پلانک در سال 1900. معنای فیزیکی این ثابت از ارائه بعدی مشخص خواهد شد. در بیشتر موارد، ثابت پلانک کاهش یافته در فرمول های مکانیک کوانتومی ظاهر می شود:

ħ = h / 2π= 1.05 10-34 J × ج= 6.58 · 10-22 MeV · s.

در بسیاری از پدیده ها، کمیت نقش مهمی ایفا می کند ħc= 1.97 · 10-11 MeV · سانتی متر.

4.2. اسپین یک الکترونبیایید با مقایسه ساده لوحانه معروف یک اتم با یک منظومه سیاره ای شروع کنیم. سیارات به دور خورشید و حول محور خود می چرخند. به همین ترتیب، الکترون ها حول هسته و حول محور خود می چرخند. چرخش مداری یک الکترون با تکانه زاویه ای مداری مشخص می شود L(اغلب و به درستی آن را تکانه زاویه ای مداری می نامند). چرخش یک الکترون حول محور خود با تکانه زاویه ای خود - اسپین مشخص می شود. اس... مشخص شد که تمام الکترون های جهان دارای اسپین برابر با (1/2) هستند. ħ ... برای مقایسه، توجه داشته باشید که "چرخش" زمین 6 · 10 33 m 2 · kg / s = 6 · 10 67 است. ħ .

4.3. اتم هیدروژندر واقع یک اتم یک منظومه سیاره ای نیست و یک الکترون یک ذره معمولی نیست که در مداری حرکت کند. یک الکترون، مانند همه ذرات بنیادی دیگر، اصلاً یک ذره به معنای روزمره کلمه نیست، که به این معنی است که یک ذره باید در یک مسیر مشخص حرکت کند. در ساده ترین اتم - اتم هیدروژن، اگر در حالت پایه خود باشد، یعنی برانگیخته نشده باشد، الکترون بیشتر شبیه یک ابر کروی با شعاع حدود 0.5 · 10-10 متر است. همانطور که اتم برانگیخته می شود، الکترون با افزایش اندازه به حالت های بالاتر منتقل می شود.

4.4. اعداد کوانتومی الکترون هابدون توجه به اسپین، حرکت یک الکترون در اتم با دو عدد کوانتومی مشخص می شود: عدد کوانتومی اصلی. nو عدد کوانتومی مداری ل، و n ≥ ل... اگر ل= 0، سپس الکترون یک ابر کروی متقارن است. هر چه n بزرگتر باشد، اندازه این ابر بزرگتر است. بیشتر ل، حرکت یک الکترون بیشتر شبیه حرکت یک ذره کلاسیک در مدارش است. انرژی اتصال یک الکترون در اتم هیدروژن روی پوسته ای با عدد کوانتومی n، برابر است با

جایی که α =e 2/ħc≈ 1/137، الف هبار الکترون است.

4.5. اتم های چند الکترونیاسپین نقش کلیدی در پر کردن لایه‌های الکترونی اتم‌های چند الکترونی دارد. واقعیت این است که دو الکترون با چرخش مناسب با جهت یکسان (اسپین های مستقیم) نمی توانند با مقادیر داده شده روی یک پوسته باشند. nو ل... این توسط به اصطلاح اصل پائولی (1900-1958) ممنوع است. اساساً، اصل پائولی دوره های جدول تناوبی عناصر مندلیف (1834-1907) را تعیین می کند.

4.6. بوزون ها و فرمیون هاهمه ذرات بنیادی دارای اسپین هستند. بنابراین، اسپین یک فوتون 1 واحد است ħ ، اسپین گراویتون 2 است. ذرات با اسپین عدد صحیح بر حسب واحد ħ نام بوزون ها را دریافت کرد. ذراتی که دارای اسپین نیمه صحیح هستند فرمیون نامیده می شوند. بوزون ها جمع گرا هستند: "همه آنها تلاش می کنند در یک اتاق زندگی کنند"، تا در یک حالت کوانتومی باشند. لیزر بر اساس این خاصیت فوتون ها است: تمام فوتون های یک پرتو لیزر دقیقاً لحظه لحظه یکسانی دارند. فرمیون ها فردگرا هستند: "هر یک از آنها به یک آپارتمان جداگانه نیاز دارند." این خاصیت الکترون ها نظم پر شدن لایه های الکترونی اتم ها را تعیین می کند.

4.7. "قنطورس کوانتومی".ذرات بنیادی مانند قنطورس کوانتومی هستند: نیم ذرات - نیمه موج. قنطورس های کوانتومی به دلیل ویژگی های موجی خود، برخلاف ذرات کلاسیک، می توانند همزمان از دو شکاف عبور کنند و یک الگوی تداخلی در صفحه پشت ایجاد کنند. تمام تلاش‌ها برای جا دادن قنطورس‌های کوانتومی در بستر پروکروستی مفاهیم فیزیک کلاسیک بی‌ثمر بوده است.

4.8. روابط عدم قطعیتمقدار ثابت ħ ویژگی های نه تنها حرکت چرخشی، بلکه حرکت انتقالی ذرات بنیادی را نیز تعیین می کند. عدم قطعیت در موقعیت و تکانه یک ذره باید به اصطلاح روابط عدم قطعیت هایزنبرگ (1901-1976) را برآورده کند.

یک رابطه مشابه برای انرژی و زمان وجود دارد:

4.9. مکانیک کوانتومی.هر دو کوانتیزاسیون اسپین و روابط عدم قطعیت تجلی خاصی از قوانین کلی مکانیک کوانتومی هستند که در دهه 1920 ایجاد شدند. بر اساس مکانیک کوانتومی، هر ذره بنیادی، به عنوان مثال، یک الکترون، هم یک ذره بنیادی و هم یک موج بنیادی (یک ذره) است. علاوه بر این، بر خلاف یک موج معمولی، که حرکت تناوبی تعداد عظیمی از ذرات است، یک موج ابتدایی یک نوع حرکت جدید و قبلا ناشناخته از یک ذره است. طول موج ابتدایی λ ذره با تکانه پبرابر λ = است ساعت/|پ|، و فرکانس ابتدایی ν مربوط به انرژی E، برابر است با ν = E/h.

4.10. نظریه میدان کوانتومیبنابراین، در ابتدا مجبور شدیم بپذیریم که ذرات می توانند خودسرانه سبک و حتی بدون جرم باشند و سرعت آنها نمی تواند از ج... سپس مجبور شدیم بپذیریم که ذرات به هیچ وجه ذرات نیستند، بلکه هیبریدهای عجیبی از ذرات و امواج هستند که رفتار آنها توسط یک کوانتوم ترکیب شده است. ساعت... یکسان سازی نظریه نسبیت و مکانیک کوانتومی توسط دیراک (1902-1984) در سال 1930 انجام شد و منجر به ایجاد نظریه ای شد که نظریه میدان کوانتومی نامیده شد. این نظریه است که ویژگی های اساسی ماده را توصیف می کند.

4.11. واحدهایی که در آن ج, ħ = 1. در ادامه، ما به عنوان یک قاعده از واحدهایی استفاده می کنیم که در آنها واحد سرعت به عنوان در نظر گرفته می شود جو در واحد ضربه زاویه ای (عمل) - ħ ... در این واحدها همه فرمول ها بسیار ساده شده اند. در آنها، به ویژه، ابعاد انرژی، جرم و فرکانس یکسان است. این واحدها در فیزیک انرژی بالا پذیرفته شده اند، زیرا پدیده های کوانتومی و نسبیتی در آن ضروری هستند. در مواردی که نیاز به تأکید بر ماهیت کوانتومی این یا آن پدیده باشد، به صراحت می نویسیم. ħ ... ما همین کار را با ج.

4.12. انیشتین و مکانیک کوانتومی *.انیشتین، به یک معنا که مکانیک کوانتومی را به دنیا آورد، با آن آشتی نکرد. و تا پایان عمر تلاش کرد تا بر اساس نظریه کلاسیک میدان، «نظریه یکپارچه همه چیز» بسازد. ħ ... اینشتین به جبر کلاسیک و غیرقابل قبول بودن شانس اعتقاد داشت. درباره خدا تکرار می کرد: «تاس نمی زند». و او نتوانست با این واقعیت کنار بیاید که در اصل لحظه فروپاشی یک ذره منفرد را نمی توان پیش بینی کرد، اگرچه میانگین طول عمر یک نوع خاص از ذره با دقت بی سابقه ای در چارچوب مکانیک کوانتومی پیش بینی می شود. متأسفانه اعتیاد او دیدگاه بسیاری از مردم را تعیین کرده است.

5. نمودارهای فاینمن

5.1. ساده ترین نموداردر نظر گرفتن فعل و انفعالات ذرات با استفاده از نمودارهای پیشنهاد شده توسط ریچارد فاینمن (1918-1988) در سال 1949 راحت است. در شکل. شکل 1 ساده ترین نمودار فاینمن را نشان می دهد که برهمکنش یک الکترون و یک پروتون را از طریق تبادل یک فوتون توصیف می کند.

فلش های شکل نشان دهنده جهت جریان زمان برای هر ذره است.

5.2. ذرات واقعیهر فرآیند دارای یک یا چند نمودار فاینمن است. خطوط خارجی در نمودار مربوط به ذرات ورودی (قبل از تعامل) و خروجی (بعد از تعامل) هستند که آزاد هستند. p 4 لحظه ای آنها معادله را برآورده می کند

آنها ذرات واقعی نامیده می شوند و گفته می شود که روی پوسته جرمی قرار دارند.

5.3. ذرات مجازیخطوط داخلی نمودارها با ذرات در حالت مجازی مطابقت دارد. برای آنها

آنها ذرات مجازی نامیده می شوند و گفته می شود که پوسته بدون جرم هستند. انتشار یک ذره مجازی توسط یک کمیت ریاضی به نام انتشار دهنده توصیف می شود.

این اصطلاح رایج ممکن است یک مبتدی را به این فکر بیندازد که ذرات مجازی نسبت به ذرات واقعی مواد کمتری دارند. در واقعیت، آنها به همان اندازه مادی هستند، اما ما ذرات واقعی را به عنوان ماده و تشعشع، و ذرات مجازی را - عمدتاً به عنوان میدان نیرو، درک می کنیم، اگرچه این تفاوت تا حد زیادی دلخواه است. مهم این است که همان ذره، مثلاً یک فوتون یا یک الکترون، در برخی شرایط واقعی و در برخی شرایط مجازی باشد.

5.4. رگه ها.رئوس نمودار، اعمال محلی برهمکنش های بنیادی بین ذرات را توصیف می کند. در هر رأس، 4 تکانه ذخیره می شود. به راحتی می توان فهمید که اگر سه خط از ذرات پایدار در یک راس به هم برسند، حداقل یکی از آنها باید مجازی باشد، یعنی باید خارج از پوسته جرم باشد: "بولیوار نمی تواند سه را تخریب کند." (به عنوان مثال، یک الکترون آزاد نمی تواند یک فوتون آزاد ساطع کند و یک الکترون آزاد باقی می ماند.)

دو ذره واقعی در فاصله ای با یکدیگر تعامل دارند و یک یا چند ذره مجازی را با هم تبادل می کنند.

5.5. در حال گسترش.اگر گفته شود ذرات واقعی در حال حرکت هستند، گفته می شود که ذرات مجازی منتشر می شوند. اصطلاح "انتشار" بر این واقعیت تأکید می کند که یک ذره مجازی می تواند مسیرهای زیادی داشته باشد، و ممکن است هیچ یک از آنها کلاسیک نباشد، مانند یک فوتون مجازی با انرژی صفر و تکانه غیر صفر، که برهمکنش کولن ایستا را توصیف می کند.

5.6. ضد ذراتویژگی قابل توجه نمودارهای فاینمن این است که هم ذرات و هم پادذرات مربوطه را به صورت یکپارچه توصیف می کنند. در این حالت، پادذره مانند ذره ای به نظر می رسد که در زمان به عقب حرکت می کند. در شکل شکل 2 نموداری را نشان می دهد که تولید یک پروتون و یک پادپروتون را در طی نابودی یک الکترون و یک پوزیترون نشان می دهد.

حرکت رو به عقب در زمان به همان اندازه برای فرمیون ها و بوزون ها قابل استفاده است. تفسیر پوزیترون ها به عنوان حالت های پر نشده در دریایی از الکترون های دارای انرژی منفی که دیراک در سال 1930 با معرفی مفهوم پادذره به آن متوسل شد، غیرضروری می کند.

5.7. نمودارهای شوینگر و فاینمنشوینگر (1918-1994)، که به مشکلات محاسباتی اهمیت نمی داد، نمودارهای فاینمن را دوست نداشت و تا حدودی در مورد آنها نوشت: "مانند یک تراشه کامپیوتری در سال های اخیر، نمودار فاینمن محاسبات را به توده ها منتقل می کند." متأسفانه نمودارهای فاینمن بر خلاف تراشه به وسیع ترین توده ها نرسیدند.

5.8. نمودارهای فاینمن و فاینمنبه دلایلی نامعلوم، نمودارهای فاینمن حتی به «سخنرانی های فاینمن در فیزیک» معروف هم نرسیدند. من متقاعد شده‌ام که آنها باید برای دانش‌آموزان دبیرستانی آورده شوند و ایده‌های اساسی فیزیک ذرات را برای آنها توضیح دهند. این ساده ترین دیدگاه از عالم صغیر و به طور کلی جهان است. اگر دانش آموزی مفهوم انرژی پتانسیل را بداند (مثلا قانون نیوتن یا قانون کولمب)، نمودارهای فاینمن به او اجازه می دهد تا بیانی برای این انرژی پتانسیل به دست آورد.

5.9. ذرات مجازی و میدان های نیروی فیزیکینمودارهای فاینمن ساده ترین زبان نظریه میدان کوانتومی است. (حداقل در مواردی که اندرکنش خیلی قوی نیست و می توان از تئوری اغتشاش استفاده کرد.) در اکثر کتاب های نظریه میدان کوانتومی ذرات به عنوان برانگیختگی کوانتومی میدان ها در نظر گرفته می شوند که این امر مستلزم آشنایی با فرمالیسم کوانتیزاسیون ثانویه است. در زبان نمودارهای فاینمن، فیلدها با ذرات مجازی جایگزین می شوند.

ذرات بنیادی هم خاصیت جسمی و هم خاصیت موجی دارند. علاوه بر این، در حالت واقعی آنها ذرات ماده هستند و در حالت مجازی نیز حامل نیروها بین اجسام مادی هستند. پس از معرفی ذرات مجازی، مفهوم نیرو غیر ضروری می شود و مفهوم میدان، اگر قبلاً با آن آشنا نبوده اید، ممکن است پس از تسلط بر مفهوم ذره مجازی نیاز به آشنایی داشته باشید.

5.10. تعاملات ابتدایی*. اعمال اولیه گسیل و جذب ذرات مجازی (رأس) با ثابت های برهمکنشی مانند بار الکتریکی e در مورد فوتون، بارهای ضعیف مشخص می شوند. e / sin θ Wدر مورد بوزون W و e / sin θ W cos θ Wدر مورد بوزون Z (که در آن θ W- زاویه واینبرگ)، شارژ رنگ gدر مورد گلوئون ها و کمیت √Gدر مورد گراویتون، که در آن جیثابت نیوتن است. (به فصل 6-10 مراجعه کنید.) برهمکنش الکترومغناطیسی در زیر در فصل مورد بحث قرار گرفته است. 7. تعامل ضعیف - در چ. 8. قوی - در فصل. 9.

و در فصل بعدی شروع می کنیم. 6 با برهمکنش گرانشی.

6. برهم کنش گرانشی

6.1. گراویتون هامن با ذراتی شروع می کنم که هنوز کشف نشده اند و مطمئناً در آینده قابل پیش بینی کشف نخواهند شد. اینها ذرات میدان گرانشی - گراویتون ها هستند. نه تنها گراویتون ها، بلکه امواج گرانشی نیز کشف نشده اند (و این در زمانی است که امواج الکترومغناطیسی به معنای واقعی کلمه به زندگی ما نفوذ می کنند). این به دلیل این واقعیت است که در انرژی های پایین برهمکنش گرانشی بسیار ضعیف است. همانطور که خواهیم دید، نظریه گراویتون ها به ما اجازه می دهد تا تمام خواص شناخته شده برهم کنش گرانشی را درک کنیم.

6.2. تبادل گراویتون هابه زبان نمودارهای فاینمن، برهمکنش گرانشی دو جسم با تبادل گراویتون های مجازی بین ذرات بنیادی تشکیل دهنده این اجسام انجام می شود. در شکل 3 گراویتون توسط ذره ای با 4 تکانه p 1 ساطع می شود و توسط ذره دیگری با 4 تکانه p 2 جذب می شود. به دلیل پایستگی 4 تکانه، q = p 1 - p ′ 1 = p 2 −p 2، که در آن q 4 تکانه گراویتون است.

انتشار گراویتون مجازی (مانند هر ذره مجازی، انتشار دهنده به آن پاسخ می دهد) در شکل توسط یک فنر نشان داده شده است.

6.3. اتم هیدروژن در میدان گرانشی زمین.در شکل شکل 4 مجموع نمودارهایی را نشان می دهد که در آنها یک اتم هیدروژن با 4 تکانه p 1، گراویتون ها را با تمام اتم های زمین مبادله می کند که در مجموع دارای 4 تکانه p 2 هستند. و در این مورد q = p 1 - p ′ 1 = p 2 - p 2، که q مجموع 4 تکانه گراویتون های مجازی است.

6.4. در مورد جرم یک اتمدر ادامه، هنگام بررسی برهمکنش گرانشی، جرم الکترون را در مقایسه با جرم پروتون نادیده می گیریم و همچنین از تفاوت بین جرم پروتون و نوترون و انرژی اتصال نوکلئون ها در هسته اتم غفلت می کنیم. . بنابراین جرم یک اتم تقریباً مجموع جرم نوکلئون های یک هسته اتم است.

6.5. کسب کردن*. تعداد نوکلئون های زمین NE ≈ 3.6 · 10 51 برابر است با حاصل ضرب تعداد نوکلئون های موجود در یک گرم ماده زمینی، یعنی عدد آووگادرو NA ≈ 6 · 10 23، با جرم زمین در گرم ≈ 6 · 10 27. بنابراین، نمودار در شکل. 4 حاصل جمع 3.6 · 10 51 نمودار در شکل. 3 که با ضخیم شدن خطوط زمین و گراویتون های مجازی در شکل 1 نشان داده شده است. 4. علاوه بر این، "چشمه گراویتون"، بر خلاف انتشار دهنده یک گراویتون، در شکل نشان داده شده است. 4 خاکستری. به نظر می رسد حاوی 3.6 · 10 51 گراویتون باشد.

6.6. سیب نیوتن در میدان گرانشی زمین.در شکل 5، تمام اتم های سیب با کل 4 تکانه p 1 با تمام اتم های زمین با کل 4 تکانه p 2 برهم کنش دارند.

6.7. تعداد نمودارها*. اجازه دهید یادآوری کنم که یک گرم ماده معمولی حاوی N A = 6 · 10 23 نوکلئون است. تعداد نوکلئون های یک سیب 100 گرمی N a = 100N A = 6 · 10 25. جرم زمین 6 · 10 27 گرم است و در نتیجه تعداد نوکلئون های زمین N E = 3.6 · 10 51 است. البته ضخیم شدن خطوط در شکل. 5 به هیچ وجه با تعداد زیاد نوکلئون های سیب N a، نوکلئون های زمین N E و تعداد بسیار بزرگتر و به سادگی خارق العاده نمودارهای فاینمن N d = N a N E = 2.2 · 10 77 مطابقت ندارد. از این گذشته، هر نوکلئون سیب با هر نوکلئون زمین تعامل دارد. برای تأکید بر تعداد عظیم نمودارها، فنر در شکل. 5 تاریک می شود.

اگرچه برهمکنش یک گراویتون با یک ذره بنیادی منفرد بسیار کم است، مجموع نمودارها برای همه نوکلئون های زمین جاذبه قابل توجهی ایجاد می کند که ما آن را احساس می کنیم. گرانش جهانی ماه را به سمت زمین می کشد، هر دو آنها را به سمت خورشید، تمام ستاره های کهکشان ما و همه کهکشان ها را به سمت یکدیگر می کشاند.

6.8. دامنه فاینمن و تبدیل فوریه آن***.

نمودار فاینمن از برهمکنش گرانشی دو جسم کند با جرم m 1 و m 2 با دامنه فاینمن مطابقت دارد.

جایی که جیثابت نیوتن است، a q- 3 تکانه حمل شده توسط گراویتون های مجازی. (کمیت 1 / q 2، جایی که q- 4 تکانه، به نام انتشار دهنده گراویتون. در مورد اجسام کند عملا انرژی منتقل نمی شود و بنابراین q 2 = −q 2 .)

برای عبور از فضای تکانه به فضای پیکربندی (مختصات)، باید تبدیل فوریه دامنه A را گرفت ( q)

مقدار A ( r) انرژی پتانسیل برهمکنش گرانشی ذرات غیرنسبیتی را به دست می دهد و حرکت یک ذره نسبیتی را در میدان گرانشی ساکن تعیین می کند.

6.9. پتانسیل نیوتن*. انرژی پتانسیل دو جسم با جرم m 1 و m 2 است

جایی که جیثابت نیوتن است، a r- فاصله بین اجسام

این انرژی در "چشمه" گراویتون های مجازی در شکل 1 وجود دارد. 5. تعاملی که پتانسیل آن 1 / کاهش می یابد r، دوربرد نامیده می شود. با استفاده از تبدیل فوریه، می توان دریافت که گرانش برد بلندی دارد زیرا گراویتون بدون جرم است.

6.10. پتانسیلی مانند پتانسیل یوکاوا**. در واقع، اگر گراویتون جرمی غیر صفر داشته باشد متر، سپس دامنه فاینمن برای مبادله شکل خواهد داشت

و با پتانسیلی مانند پتانسیل یوکاوا با شعاع عمل مطابقت دارد r ≈ 1/متر:

6.11. در مورد انرژی بالقوه**. در مکانیک نیوتنی غیرنسبیتی، انرژی جنبشی یک ذره به سرعت (تکانه) آن بستگی دارد و انرژی پتانسیل فقط به مختصات آن، یعنی به موقعیت آن در فضا بستگی دارد. در مکانیک نسبیتی، چنین الزامی را نمی توان حفظ کرد، زیرا برهم کنش ذرات اغلب به سرعت آنها (ممانتا) و در نتیجه به انرژی جنبشی بستگی دارد. با این حال، برای میدان های گرانشی معمولی و به اندازه کافی ضعیف، تغییر در انرژی جنبشی یک ذره در مقایسه با انرژی کل آن ناچیز است و بنابراین می توان از این تغییر چشم پوشی کرد. انرژی کل یک ذره غیرنسبیتی در یک میدان گرانشی ضعیف را می توان به صورت ε = نوشت Eخویشاوند + E 0 + U.

6.12. جهانی بودن گرانش.بر خلاف تمام فعل و انفعالات دیگر، گرانش دارای ویژگی قابل توجه تطبیق پذیری است. برهمکنش گراویتون با هیچ ذره ای به خواص این ذره بستگی ندارد، بلکه تنها به مقدار انرژی آن ذره بستگی دارد. اگر این ذره کند است، پس انرژی استراحت آن است E 0 = mc 2جرم موجود در آن بسیار بیشتر از انرژی جنبشی آن است. و بنابراین، برهمکنش گرانشی آن با جرم آن متناسب است. اما برای یک ذره به اندازه کافی سریع، انرژی جنبشی آن بسیار بیشتر از جرم آن است. در این حالت، برهمکنش گرانشی آن عملاً به جرم بستگی ندارد و با انرژی جنبشی آن متناسب است.

6.13. چرخش گراویتون و جهانی بودن گرانش**. به طور دقیق تر، گسیل یک گراویتون نه فقط با انرژی، بلکه با تانسور انرژی- تکانه ذره متناسب است. و این به نوبه خود به این دلیل است که اسپین گراویتون برابر با دو است. فرض کنید 4 تکانه ذره قبل از گسیل گراویتون باشد پ 1، و پس از انتشار پ 2. سپس تکانه گراویتون است q = پ 1 − پ 2. اگر نام را وارد کنید پ = پ 1 + پ 2، سپس راس انتشار گراویتون شکل خواهد گرفت

که در آن h αβ تابع موج گراویتون است.

6.14. برهمکنش گراویتون با فوتون**. این امر به ویژه در مثال فوتونی که جرم آن برابر با صفر است مشهود است. به طور تجربی ثابت شده است که وقتی یک فوتون از طبقه پایین ساختمان به طبقه بالا پرواز می کند، تحت تأثیر گرانش زمین، تکانه آن کاهش می یابد. همچنین ثابت شده است که یک پرتو نور از یک ستاره دور توسط جاذبه گرانشی خورشید منحرف می شود.

6.15. برهمکنش فوتون با زمین**. در شکل 6 مبادله گراویتون ها بین زمین و فوتون را نشان می دهد. این رقم معمولاً مجموع ارقام تبادل گراویتون یک فوتون با تمام نوکلئون های زمین است. روی آن، بالای زمین از نوکلئون یک با ضرب در تعداد نوکلئون های زمین N E با جایگزینی متناظر 4 تکانه یک نوکلئون با 4 تکانه زمین به دست می آید (شکل 3 را ببینید).

6.16. برهمکنش گراویتون با گراویتون***. از آنجایی که گراویتون ها حامل انرژی هستند، خودشان باید گراویتون ها را ساطع و جذب کنند. ما گراویتون های واقعی را ندیده ایم و هرگز نخواهیم دید. با این وجود، برهمکنش بین گراویتون های مجازی منجر به اثرات مشاهده شده می شود.در نگاه اول، سهم سه گراویتون مجازی در برهمکنش گرانشی دو نوکلئون برای تشخیص بسیار کم است (شکل 7 را ببینید).

6.17. حرکت سکولار عطارد**. با این حال، این سهم در تقدم حضیض مدار عطارد آشکار می شود. حرکت سکولار عطارد با مجموع نمودارهای گراویتون یک حلقه ای از جاذبه عطارد به خورشید توصیف می شود (شکل 8).

6.18. سود برای عطارد**. نسبت جرمی عطارد و زمین 0.055 است. بنابراین تعداد نوکلئون های عطارد برابر است N M = 0,055 N E= 2 10 50. جرم خورشید خانم= 2 10 33 گرم بنابراین تعداد نوکلئون های خورشید N S = N A M S= 1.2 10 57. و تعداد نمودارهایی که برهمکنش گرانشی نوکلئون‌های عطارد و خورشید را توصیف می‌کنند، N dM= 2.4 10 107.

اگر انرژی پتانسیل جذب عطارد به خورشید برابر باشد U = جنرال موتورز اس ام ام/r، سپس پس از در نظر گرفتن تصحیح مورد بحث برای برهمکنش گراویتون های مجازی با یکدیگر، در ضریب 1 - 3 ضرب می شود. جنرال موتورز اس/r... می بینیم که تصحیح انرژی پتانسیل 3- است G 2 M S 2 M M / r 2.

6.19. مدار جیوه**. شعاع مداری عطارد آ= 58 10 6 کیلومتر. دوره مداری 88 روز زمینی است. خروج از مرکز مداری ه= 0.21. با توجه به اصلاح مورد بحث، در یک دور، محور نیمه اصلی مدار در یک زاویه 6π می چرخد. جنرال موتورز اس/آ(1 − ه 2) یعنی حدود یک دهم قوس ثانیه و در 100 سال زمینی 43 "" می چرخد.

6.20. جابجایی بره گرانشی**. هرکسی که الکترودینامیک کوانتومی را مطالعه کرده باشد، فوراً می بیند که نمودار در شکل. 7 شبیه یک نمودار مثلثی است که تغییر فرکانس (انرژی) سطح 2 را توصیف می کند. اس 1/2 نسبت به سطح 2 پ 1/2 در اتم هیدروژن (مثلث آنجا از یک فوتون و دو خط الکترونی تشکیل شده است). این تغییر در سال 1947 توسط لمب و رادرفورد اندازه گیری شد و 1060 مگاهرتز (1.06 گیگاهرتز) بود.

این اندازه گیری یک واکنش زنجیره ای از کارهای تئوری و تجربی را آغاز کرد که منجر به ایجاد الکترودینامیک کوانتومی و نمودارهای فاینمن شد. فرکانس سبقت عطارد 25 مرتبه قدر کمتر است.

6.21. اثر کلاسیک یا کوانتومی؟**. به خوبی شناخته شده است که تغییر سطح انرژی بره یک اثر صرفا کوانتومی است، در حالی که تقدیم عطارد یک اثر کاملا کلاسیک است. چگونه می توان آنها را با نمودارهای مشابه فاینمن توصیف کرد؟

برای پاسخ به این سوال، باید نسبت را به خاطر داشت E = ħω و در نظر بگیرید که تبدیل فوریه در انتقال از فضای تکانه به فضای پیکربندی در ثانیه. 6.8 شامل e منqr / ħ ... علاوه بر این، باید در نظر گرفت که در مثلث الکترومغناطیسی شیفت بره تنها یک خط از یک ذره بدون جرم (فوتون) وجود دارد و دو خط دیگر انتشار دهنده الکترون هستند. بنابراین، فواصل مشخصه در آن با جرم الکترون (طول موج کامپتون الکترون) تعیین می شود. و در مثلث تقدم عطارد دو انتشار دهنده یک ذره بی جرم (گراویتون) وجود دارد. این شرایط، به دلیل راس سه گرانشی، منجر به این واقعیت می شود که مثلث گرانشی در فواصل غیرقابل مقایسه بیشتر از مثلث الکترومغناطیسی نقش دارد. این مقایسه قدرت نظریه میدان کوانتومی را در روش نمودارهای فاینمن آشکار می کند که درک و محاسبه طیف گسترده ای از پدیده ها، اعم از کوانتومی و کلاسیک را آسان می کند.

7. اندرکنش الکترومغناطیسی

7.1. برهمکنش الکتریکیبرهمکنش الکتریکی ذرات با مبادله فوتون های مجازی انجام می شود، همانطور که در شکل. نوزده.

فوتون ها مانند گراویتون ها نیز ذرات بدون جرم هستند. بنابراین تعامل الکتریکی نیز دوربرد است:

چرا به اندازه گرانش جهانی نیست؟

7.2. بارهای مثبت و منفی.اول، زیرا بارهای الکتریکی از دو علامت وجود دارد. و ثانیاً، زیرا ذرات خنثی وجود دارند که اصلاً بار الکتریکی ندارند (نوترون، نوترینو، فوتون ...). ذرات با بارهای دارای علائم متضاد، مانند الکترون و پروتون، به یکدیگر جذب می شوند. ذرات با بارهای یکسان دفع می شوند. در نتیجه، اتم ها و اجسام متشکل از آنها عمدتاً از نظر الکتریکی خنثی هستند.

7.3. ذرات خنثینوترون حاوی تو-کوارک با شارژ +2 ه/ 3 و دو د-کوارک با شارژ - ه/ 3. بنابراین بار کل نوترون صفر است. (به یاد بیاورید که یک پروتون دارای دو است تو-کوارک و یک د- کوارک.) ذرات واقعاً بنیادی که بار الکتریکی ندارند فوتون، گراویتون، نوترینو، زبوزون و بوزون هیگز.

7.4. پتانسیل کولنانرژی پتانسیل جذب یک الکترون و یک پروتون که در یک فاصله قرار دارند rاز یکدیگر برابر است

7.5. برهم کنش مغناطیسیفعل و انفعالات مغناطیسی به اندازه تعامل الکتریکی دوربرد نیست. به صورت 1 می افتد / r 3. این نه تنها به فاصله بین دو آهنربا، بلکه به جهت گیری متقابل آنها نیز بستگی دارد. یک مثال معروف، برهمکنش یک سوزن قطب نما با میدان دوقطبی مغناطیسی زمین است. انرژی بالقوه برهمکنش دو دوقطبی مغناطیسی μ 1 و μ 2 برابر است

جایی که n = r/r.

7.6. برهمکنش الکترومغناطیسیبزرگترین دستاورد قرن نوزدهم کشف این بود که نیروهای الکتریکی و مغناطیسی دو تجلی متفاوت از یک نیروی الکترومغناطیسی هستند. در سال 1821 M. Faraday (1791-1867) برهمکنش آهنربا و هادی با جریان را بررسی کرد. یک دهه بعد، او قوانین القای الکترومغناطیسی را هنگامی که دو رسانا برهم کنش می کنند، وضع کرد. در سالهای بعد، او مفهوم میدان الکترومغناطیسی را معرفی کرد و ایده ماهیت الکترومغناطیسی نور را بیان کرد. در دهه 1870، جی. ماکسول (1831-1879) متوجه شد که برهمکنش الکترومغناطیسی مسئول طبقه وسیعی از پدیده‌های نوری است: گسیل، تبدیل و جذب نور، و معادلاتی نوشت که میدان الکترومغناطیسی را توصیف می‌کند. به زودی G. Hertz (1857-1894) امواج رادیویی را کشف کرد و W. Roentgen (1845-1923) اشعه ایکس را کشف کرد. تمام تمدن ما بر تجلیات فعل و انفعالات الکترومغناطیسی استوار است.

7.7. ترکیب نظریه نسبیت و مکانیک کوانتومی.مهمترین مرحله در توسعه فیزیک سال 1928 بود، زمانی که مقاله ای توسط پی دیراک (1902-1984) ظاهر شد که در آن او معادله کوانتومی و نسبیتی برای الکترون پیشنهاد کرد. این معادله حاوی گشتاور مغناطیسی الکترون بود و وجود پادذره الکترون - پوزیترون را که چند سال بعد کشف شد، نشان داد. پس از آن، مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت در نظریه میدان کوانتومی ادغام شدند.

این واقعیت که فعل و انفعالات الکترومغناطیسی ناشی از گسیل و جذب فوتون های مجازی است، تنها در اواسط قرن بیستم با ظهور نمودارهای فاینمن، یعنی پس از اینکه مفهوم ذره مجازی به وضوح شکل گرفت، کاملاً مشخص شد.

8. تعامل ضعیف

8.1. فعل و انفعالات هسته ایدر آغاز قرن بیستم، اتم و هسته آن و α -, β - و γ -پرتوهای ساطع شده از هسته های رادیواکتیو. آنطور که مشخص شد، γ -پرتوها فوتون هایی با انرژی بسیار بالا هستند، β - پرتوها الکترون های پر انرژی هستند، α - پرتوها - هسته هلیوم. این منجر به کشف دو نوع جدید تعامل - قوی و ضعیف شد. بر خلاف برهمکنش های گرانشی و الکترومغناطیسی، برهمکنش های قوی و ضعیف کوتاه برد هستند.

بعدها مشخص شد که آنها مسئول تبدیل هیدروژن به هلیوم در خورشید و سایر ستارگان هستند.

8.2. جریان های باردار*. برهمکنش ضعیف مسئول تبدیل یک نوترون به پروتون با گسیل یک الکترون و یک الکترون پادنوترینو است. دسته بزرگی از فرآیندهای برهمکنش ضعیف مبتنی بر تبدیل کوارک های یک نوع به کوارک های نوع دیگر با انتشار (یا جذب) مجازی است. دبلیو-بوزون ها: تو, ج, تی ↔ د, س, ب... به طور مشابه برای انتشار و جذب دبلیوبوزون‌ها، انتقال بین لپتون‌های باردار و نوترینوهای مربوطه رخ می‌دهد:

ه ↔ ν ه، μ ↔ ν μ , τ ↔ ν τ. انتقال از نوع dˉu ↔ دبلیوو eˉν e ↔ دبلیو... در تمام این گذرگاه ها شامل دبلیوبوزون ها، جریان های به اصطلاح باردار درگیر هستند که بار لپتون ها و کوارک ها را یک بار تغییر می دهند. اندرکنش ضعیف جریان های باردار کوتاه برد است، که با پتانسیل یوکاوا توصیف می شود e-mWr/rبنابراین شعاع مؤثر آن است r ≈ 1/m W.

8.3. جریان های خنثی*. در دهه 1970، فرآیندهای برهمکنش ضعیف نوترینوها، الکترون ها و نوکلئون ها به دلیل جریان های به اصطلاح خنثی کشف شد. در دهه 1980، به طور تجربی ثابت شد که برهمکنش بین جریان های باردار از طریق مبادله اتفاق می افتد دبلیو-بوزون ها و برهمکنش جریان های خنثی - با تبادل ز-بوزون ها

8.4. تخلف پ- و CP- برابری*. نقض برابری فضایی در نیمه دوم دهه 1950 کشف شد پو برابری شارژ سیدر تعاملات ضعیف در سال 1964، پوسیدگی های ضعیفی کشف شد که حفاظت را نقض می کند CP-تقارن مکانیسم شکست فعلی CP-تقارن در واپاشی مزون های حاوی ب-کوارک ها

8.5. نوسانات نوترینو*. در دو دهه گذشته، فیزیکدانان توجه خود را بر روی اندازه گیری های انجام شده در آشکارسازهای زیرزمینی کیلوتن در Kamioka (ژاپن) و Sudbury (کانادا) متمرکز کرده اند. این اندازه گیری ها نشان داد که بین سه نوع نوترینو ν e، ν μ، ν τانتقال متقابل (نوسانات) در خلاء رخ می دهد. ماهیت این نوسانات در حال بررسی است.

8.6. برهمکنش ضعیف الکتریسیتهدر دهه 1960، نظریه ای تدوین شد که بر اساس آن برهمکنش های الکترومغناطیسی و ضعیف، مظاهر مختلف یک برهمکنش الکتروضعیف واحد هستند. اگر تقارن ضعیف الکتریسیته صورت گرفته بود، پس توده ها دبلیو- و زبوزون ها مانند جرم فوتون صفر خواهند بود.

8.7. شکستن تقارن ضعیف الکتریکیدر مدل استاندارد، بوزون هیگز تقارن ضعیف الکتریکی را می شکند و به این ترتیب توضیح می دهد که چرا فوتون بی جرم است و بوزون های ضعیف جرم دارند. او همچنین به لپتون ها، کوارک ها و خودش جرم می دهد.

8.8. آنچه باید در مورد هیگز بدانیدیکی از وظایف اصلی برخورد دهنده هادرون بزرگ LHC، کشف بوزون هیگز است (که به سادگی هیگز نامیده می شود و نشان داده می شود. ساعتیا اچ) و پس از آن استقرار خواص آن. اول از همه، اندازه گیری تعامل آن با دبلیو- و ز-بوزون‌ها، با فوتون‌ها، و همچنین برهم‌کنش خود، یعنی مطالعه رئوس حاوی سه و چهار هیگز: h 3 و h 4، و برهم‌کنش‌های آن با لپتون‌ها و کوارک‌ها، به‌ویژه با کوارک بالایی. در مدل استاندارد، پیش‌بینی‌های واضحی برای همه این تعاملات وجود دارد. راستی‌آزمایی تجربی آنها از نقطه نظر جستجوی «فیزیک جدید» خارج از مدل استاندارد بسیار مورد توجه است.

8.9. و اگر هیگز وجود نداشته باشد؟اگر معلوم شود که هیگز در محدوده جرمی چند صد گیگا الکترون ولت وجود ندارد، این بدان معناست که در انرژی های بالاتر از TeV یک منطقه کاملاً ناشناخته جدید وجود دارد که در آن فعل و انفعالات وجود دارد. دبلیو- و ز-بوزون ها بدون اغتشاش قوی می شوند، یعنی نمی توان آنها را با تئوری اغتشاش توصیف کرد. تحقیقات در این زمینه شگفتی های بسیاری را به همراه خواهد داشت.

8.10. برخورد دهنده های لپتون در آیندهبرای انجام کل این برنامه تحقیقاتی، علاوه بر LHC، ممکن است نیاز به ساخت برخورد دهنده های لپتون باشد:

برخورد دهنده خطی بین المللی ILC با انرژی برخورد 0.5 TeV،

یا CLIC (برخورد کننده خطی فشرده) با انرژی برخورد 1 TeV،

یا MC (Muon Collider) با انرژی برخورد 3 TeV.

8.11. برخورد دهنده های خطی الکترون-پوزیترون. ILC - برخورد دهنده خطی بین المللی، که در آن الکترون ها باید با پوزیترون ها و همچنین فوتون ها با فوتون ها برخورد کنند. تصمیم در مورد ساخت آن تنها پس از مشخص شدن وجود هیگز و چه جرمی قابل انجام است. یکی از مکان های پیشنهادی برای ساخت و ساز ILC، حومه شهر دوبنا است. CLIC - برخورد دهنده خطی فشرده الکترون ها و پوزیترون ها. این پروژه در سرن در حال توسعه است.

8.12. برخورد دهنده میون.ام اس - برخورد دهنده میون اولین بار توسط GI Budker (1918-1977) تصور شد. در سال 1999، پنجمین کنفرانس بین المللی "پتانسیل فیزیکی و توسعه برخورد دهنده های میون و کارخانه های نوترینو" در سانفرانسیسکو برگزار شد. در حال حاضر پروژه ام اس در آزمایشگاه ملی فرمی در حال توسعه است و تا 20 سال آینده قابل اجراست.

9. تعامل قوی

9.1. گلوئون ها و کوارک هابرهم کنش قوی، نوکلئون ها (پروتون ها و نوترون ها) را در داخل هسته نگه می دارد. بر اساس برهمکنش گلوئون ها با کوارک ها و برهم کنش گلوئون ها با گلوئون ها است. این خود کنش گلوئون ها است که منجر به این واقعیت می شود که علیرغم اینکه جرم گلوئون صفر است، همانطور که جرم فوتون و گراویتون برابر با صفر است، تبادل گلوئون ها به طولانی منجر نمی شود. عملکرد گلوئون محدوده، مشابه فوتون و گراویتون. علاوه بر این، منجر به عدم وجود گلوئون ها و کوارک های آزاد می شود. این به این دلیل است که مجموع تبادلات یک گلوئون با یک لوله یا نخ گلوئون جایگزین می شود. برهمکنش نوکلئون ها در هسته مشابه نیروهای واندروالسی بین اتم های خنثی است.

9.2. حبس و آزادی مجانبی.پدیده محصور شدن گلوئون ها و کوارک ها از هادرون ها را محبوس می گویند. جنبه منفی دینامیک منجر به محصور شدن این است که در فواصل بسیار کوچک در عمق هادرون ها، برهمکنش بین گلوئون ها و کوارک ها به تدریج کاهش می یابد. به نظر می رسد کوارک ها در فواصل کوتاه آزاد می شوند. این پدیده آزادی مجانبی نامیده می شود.

9.3. رنگ های کوارکیپدیده محصور شدن نتیجه این واقعیت است که هر یک از شش کوارک، همانطور که بود، در قالب سه نوع "رنگی" وجود دارند. کوارک ها معمولا به رنگ های زرد، آبی و قرمز هستند. آنتی کوارک ها در رنگ های اضافی رنگ می شوند: بنفش، نارنجی، سبز. همه این رنگ ها بارهای عجیب و غریب کوارک ها را مشخص می کنند - "آنالوگ های چند بعدی" بار الکتریکی که مسئول فعل و انفعالات قوی هستند. البته هیچ ارتباطی به جز استعاری بین رنگ کوارک ها و رنگ های نوری معمولی وجود ندارد.

9.4. رنگ گلوئون هاتعداد خانواده گلوئون‌های رنگی بسیار بیشتر است: هشت مورد از آنها وجود دارد که دو تای آن‌ها مشابه پادذره‌هایشان هستند و شش تای دیگر مشابه نیستند. فعل و انفعالات بارهای رنگی توسط کرومودینامیک کوانتومی توصیف می شود و خواص پروتون، نوترون، تمام هسته های اتمی و خواص همه هادرون ها را تعیین می کند. این واقعیت که گلوئون ها حامل بارهای رنگی هستند منجر به پدیده محصور شدن گلوئون و کوارک می شود، به این معنی که گلوئون ها و کوارک های رنگی نمی توانند از هادرون ها فرار کنند. نیروهای هسته ای بین هادرون های بی رنگ (سفید) پژواک ضعیفی از برهمکنش های رنگی قدرتمند در هادرون ها هستند. این شبیه به کوچکی پیوندهای مولکولی در مقایسه با پیوندهای درون اتمی است.

9.5. توده های هادرونتوده هادرون ها به طور کلی و نوکلئون ها به طور خاص به دلیل خود کنش گلوئون هستند. بنابراین، جرم تمام مواد مرئی، که 4 تا 5 درصد انرژی جهان را تشکیل می دهد، دقیقاً به دلیل خود کنش گلوئون ها است.

10. مدل استاندارد و فراتر از آن

10.1. 18 ذره از مدل استاندارد.همه ذرات بنیادی شناخته شده به طور طبیعی به سه گروه تقسیم می شوند:

6 لپتون(چرخش 1/2):
3 نوترینو: ν ه، ν μ , ν τ ;
3 لپتون شارژ شده: ه, μ , τ ;
6 کوارک(چرخش 1/2):
تو,ج, تی,
د, س, ب;
6 بوزون:
g - گراویتون (چرخش 2)،
γ , دبلیو, ز, g- گلوئون (اسپین 1)،
ساعت- هیگز (چرخش 0).

10.2. خارج از مدل استاندارد 96 درصد انرژی کیهان خارج از مدل استاندارد است و منتظر کشف و مطالعه است. برخی مفروضات اساسی در مورد اینکه فیزیک جدید ممکن است چگونه باشد وجود دارد (به پاراگراف های 10.3-10.6 زیر مراجعه کنید).

10.3. اتحاد عالیتعداد زیادی از آثار، عمدتاً نظری، به یکپارچه سازی تعاملات قوی و ضعیف اختصاص داده شده است. اکثر آنها تصور می کنند که در انرژی های مرتبه 10 16 گیگا ولت رخ می دهد. چنین ترکیبی باید منجر به فروپاشی یک پروتون شود.

10.4. ذرات فوق متقارنبر اساس ایده ابرتقارن، که برای اولین بار در FIAN پدیدار شد، هر ذره "ما" یک ابر شریک دارد که اسپین آن 1/2 متفاوت است: 6 اسکوارک و 6 اسلپتون با اسپین 0، هیگزینو، فوتینو، شراب و زینو با اسپین 1. /2، گراویتینو با چرخش 3/2. جرم این ابر شرکا باید بطور قابل ملاحظه ای بزرگتر از جرم ذرات ما باشد. در غیر این صورت آنها مدتها پیش کشف شده بودند. برخی از شرکای فوق‌العاده ممکن است با فعال شدن برخورد دهنده بزرگ هادرون باز شوند.

10.5. ابر رشته هافرضیه ابرتقارن فرضیه وجود ابررشته‌هایی را ایجاد می‌کند که در فواصل بسیار کوچک از مرتبه 33-10 سانتی‌متر و انرژی‌های مربوطه 1019 گیگا ولت زندگی می‌کنند. بسیاری از فیزیکدانان نظری امیدوارند که بر اساس مفهوم ابررشته‌ها می‌توان نظریه‌ای یکپارچه از همه برهمکنش‌ها ساخت که شامل پارامترهای آزاد نباشد.

10.6. ذرات اسپکولار.بر اساس ایده ماده آینه ای، که برای اولین بار در ITEP پدیدار شد، هر یک از ذرات ما دارای دو آینه ای هستند و یک جهان آینه ای وجود دارد که فقط بسیار ضعیف با جهان ما مرتبط است.

10.7. ماده تاریکتنها 4 تا 5 درصد از کل انرژی در کیهان به شکل جرم ماده معمولی وجود دارد. حدود 20 درصد از انرژی کیهان در ماده به اصطلاح تاریک قرار دارد که تصور می شود از ابرذرات یا ذرات آینه ای یا برخی ذرات ناشناخته دیگر تشکیل شده است. اگر ذرات ماده تاریک بسیار سنگین‌تر از ذرات معمولی باشند و اگر در فضا با یکدیگر برخورد کنند، به فوتون‌های معمولی تبدیل شوند، این فوتون‌های پرانرژی می‌توانند توسط آشکارسازهای ویژه در فضا و زمین ثبت شوند. روشن کردن ماهیت ماده تاریک یکی از وظایف اصلی فیزیک است.

10.8. انرژی تاریک.اما بخش بزرگی از انرژی کیهان (حدود 75٪) ناشی از به اصطلاح انرژی تاریک است. در خلاء «ریخته می شود» و خوشه های کهکشانی را کنار می زند. ماهیت آن هنوز درک نشده است.

11. ذرات بنیادی در روسیه و جهان

11.1. فرمان رئیس جمهور فدراسیون روسیه.در 30 سپتامبر 2009، فرمان رئیس جمهور فدراسیون روسیه "در مورد اقدامات اضافی برای اجرای یک پروژه آزمایشی برای ایجاد مرکز تحقیقات ملی" موسسه کورچاتوف" صادر شد. این فرمان مشارکت در پروژه سازمان های زیر را فراهم می کند: موسسه فیزیک هسته ای سنت پترزبورگ، موسسه فیزیک انرژی بالا و موسسه فیزیک نظری و تجربی. این فرمان همچنین "شامل این موسسه، به عنوان مهم ترین موسسه علمی، در ساختار بخش هزینه های بودجه فدرال به عنوان مدیر اصلی بودجه بودجه" را پیش بینی می کند. این فرمان می تواند به بازگشت فیزیک ذرات بنیادی به تعدادی از جهت های اولویت دار در توسعه علم در کشور ما کمک کند.

11.2. جلسات استماع در کنگره ایالات متحده 1.در 1 اکتبر 2009، یک جلسه استماع در کمیته فرعی انرژی و محیط زیست کمیته علم و فناوری مجلس نمایندگان ایالات متحده با موضوع "تحقیق در ماهیت ماده، انرژی، فضا و زمان" برگزار شد. بودجه وزارت انرژی در سال 2009 برای این برنامه 795.7 میلیون دلار است. لیزا رندال، استاد دانشگاه هاروارد، دیدگاه‌های ماده، انرژی و منشأ جهان را بر اساس نظریه ریسمان آینده بیان کرد. پیر اودونه، مدیر آزمایشگاه ملی فرمی (باتاویا) در مورد وضعیت فیزیک ذرات در ایالات متحده، و به ویژه، تکمیل آتی Tevatron و آغاز کار مشترک FNAL و آزمایشگاه زیرزمینی DUSEL برای مطالعه صحبت کرد. خواص نوترینوها و فرآیندهای نادر وی بر اهمیت مشارکت فیزیکدانان آمریکایی در پروژه های فیزیک با انرژی بالا در اروپا (LHC)، ژاپن (JPARC)، چین (PERC) و پروژه فضایی بین المللی (GLAST که اخیراً به نام فرمی نامگذاری شده است) تاکید کرد.

11.3. جلسات استماع در کنگره آمریکا 2.هیو مونتگومری، مدیر آزمایشگاه ملی جفرسون در مورد کمک های این آزمایشگاه به فیزیک هسته ای، فناوری شتاب دهنده ها و برنامه های آموزشی صحبت کرد. دنیس کوار، مدیر بخش علوم فیزیک انرژی بالا در بخش انرژی، در مورد سه حوزه اصلی فیزیک انرژی بالا صحبت کرد:

1) مطالعات شتاب دهنده در حداکثر انرژی،

2) مطالعات شتاب دهنده در حداکثر شدت،

3) اکتشاف زمینی و ماهواره ای در فضا به منظور روشن شدن ماهیت ماده تاریک و انرژی تاریک،

و سه حوزه اصلی فیزیک هسته ای:

1) مطالعه برهمکنش های قوی کوارک ها و گلوئون ها،

2) مطالعه چگونگی تشکیل هسته های اتمی از پروتون ها و نوترون ها،

3) مطالعه برهمکنش های ضعیف با مشارکت نوترینوها.

12. درباره علم اصول

12.1. علم بنیادی چیست.از متن بالا مشخص می‌شود که من، مانند اکثر محققان علمی، علم بنیادی را بخشی از علم می‌دانم که بنیادی‌ترین قوانین طبیعت را تعیین می‌کند. این قوانین در شالوده هرم علم یا طبقات جداگانه آن نهفته است. آنها توسعه دراز مدت تمدن را تعیین می کنند. با این حال، افرادی هستند که علوم بنیادی را آن دسته از شاخه‌های علوم می‌نامند که بیشترین تأثیر مستقیم را بر دستاوردهای لحظه‌ای در توسعه تمدن دارند. به نظر من شخصاً این بخش ها و گرایش ها را بهتر است علم کاربردی نامید.

12.2. ریشه و میوه.اگر بتوان علم اصول را به ریشه درخت تشبیه کرد، علم کاربردی را با میوه های آن مقایسه کرد. پیشرفت‌های بزرگ فناوری مانند تلفن‌های همراه یا ارتباطات فیبر نوری ثمره علم هستند.

12.3. A. I. Herzen در مورد علم.در سال 1845، الکساندر ایوانوویچ هرزن (1812-1870) نامه قابل توجهی در مورد مطالعه طبیعت در مجله Otechestvennye Zapiski منتشر کرد. او در پایان نامه اول نوشت: «علم دشوار به نظر می رسد، نه به این دلیل که واقعاً دشوار بود، بلکه به این دلیل که در غیر این صورت به سادگی آن نمی رسید، چگونه می توان تاریکی را با آن مفاهیم آماده ای که مانع دیدن شما می شود، شکست. به طور مستقیم. بگذارید کسانی که جلو می آیند بدانند که کل زرادخانه ابزار زنگ زده و غیرقابل استفاده به ارث رسیده از مکتب بیهوده است، که باید دیدگاه های شکل گرفته خارج از علم را قربانی کرد، بدون اینکه همه چیز را کنار بگذاریم. نیمه دروغ، که برای وضوح، لباس نیمه حقیقتشما نمی توانید وارد علم شوید، نمی توانید به تمام حقیقت برسید.»

12.4. در مورد کاهش برنامه های مدرسه.برنامه های فیزیک مدرن در مدرسه ممکن است شامل تسلط فعال بر عناصر تئوری ذرات بنیادی، نظریه نسبیت و مکانیک کوانتومی باشد، اگر بخش هایی را در آنها کاهش دهید که عمدتاً توصیفی هستند و "دانش" و عدم درک کودک را افزایش می دهند. از دنیای اطراف و توانایی زندگی و خلقت.

12.5. نتیجه.درست است که هیئت رئیسه آکادمی علوم روسیه به اهمیت آشنایی اولیه جوانان با جهان بینی مبتنی بر دستاوردهای نظریه نسبیت و مکانیک کوانتومی توجه کند و به کمیسیون های هیئت رئیسه RAS در مورد کتاب های درسی (به ریاست توسط VV -President V. A. Sadovnichy) برای تهیه پیشنهادهایی برای بهبود آموزش فیزیک بنیادی مدرن در مدارس متوسطه و عالی.