کلیه قوانین فیزیک برای امتحان. قوانین اساسی فیزیک چیست؟ ساده ترین اما مهمترین قانون ، قانون صرفه جویی و تبدیل انرژی است

جلسه نزدیک می شود و وقت آن است که ما از تئوری به عمل برویم. آخر هفته ، ما نشستیم و فکر کردیم که بسیاری از دانش آموزان دوست دارند مجموعه ای از فرمول های اصلی بدنی را در دسترس داشته باشند. فرمول های خشک با یک توضیح: مختصر ، مختصر ، هیچ چیز اضافی. یک چیز بسیار مفید هنگام حل مشکلات ، می دانید. بله ، و در امتحان ، وقتی دقیقاً همان چیزی که یک روز قبل به طرز وحشیانه ای حفظ شده بود ، چنین انتخابی خدمت عالی می کند.

بیشتر مشکلات معمولاً به سه حوزه محبوب فیزیک اختصاص می یابد. آی تی مکانیک, ترمودینامیک و فیزیک مولکولی, برق... بیایید آنها را بگیریم!

فرمولهای اساسی پویایی فیزیک ، سینماتیک ، استاتیک

بیایید با ساده ترین شروع کنیم. یک حرکت مستقیم و ثابت مورد علاقه به سبک قدیمی.

فرمول های حرکتی:

البته ، حرکت در دایره را فراموش نکنیم و سپس به سراغ پویایی و قوانین نیوتن برویم.

بعد از پویایی ، وقت آن است که شرایط تعادل بدن و مایعات را در نظر بگیریم ، یعنی استاتیک و هیدرواستاتیک

اکنون فرمولهای اساسی را در مورد "کار و انرژی" ارائه خواهیم داد. ما بدون آنها کجا هستیم!

فرمول های اساسی فیزیک مولکولی و ترمودینامیک

بخش مکانیک را با فرمول ارتعاشات و امواج به پایان می رسانیم و به سراغ فیزیک مولکولی و ترمودینامیک می رویم.

کارآیی ، قانون گی-لوساک ، معادله Clapeyron-Mendeleev - همه این فرمولهای دوست داشتنی در زیر جمع آوری شده اند.

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

فرمول های اساسی فیزیک: الکتریسیته

وقت آن است که به برق برویم ، گرچه ترمودینامیک آن را کمتر دوست دارد. بیایید با الکترواستاتیک شروع کنیم.

و با درام زدن ، فرمول های قانون اهم ، القای الکترومغناطیسی و نوسانات الکترومغناطیسی را تمام می کنیم.

همین. البته می توان کوهی 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 فرم Cheat Sheet for Basic Physics Formulas به شما کمک کند تا 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 متخصصان بپرسید خدمات دانشجویی... نویسندگان ما صدها فرمول در سر خود دارند و مانند آجیل مشکلات ترک دارند. با ما تماس بگیرید ، به زودی هر کاری برای شما بسیار سخت خواهد بود.

دانشمندان از سیاره زمین با استفاده از تعداد زیادی ابزار سعی در توصیف نحوه کار طبیعت و به طور کلی دارند. که آنها به قوانین و نظریه ها می رسند. تفاوت در چیست؟ قانون علمی را اغلب می توان به یک عبارت ریاضی مانند E \u003d mc² تقلیل داد. این گفته بر اساس داده های تجربی است و حقیقت آن معمولاً به مجموعه خاصی از شرایط محدود می شود. در مورد E \u003d mc² - سرعت نور در خلا.

نظریه علمی غالباً به دنبال تلفیق مجموعه ای از حقایق یا مشاهدات پدیده های خاص است. و به طور کلی (اما نه همیشه) گزاره ای روشن و قابل آزمایش در مورد نحوه عملکرد طبیعت وجود دارد. اصلاً لازم نیست تئوری علمی را به یک معادله تقلیل دهیم ، اما در واقع چیزی اساسی درباره عملکرد طبیعت را نشان می دهد.

قوانین و نظریه ها هر دو به عناصر اساسی روش علمی مانند ایجاد فرضیه ها ، انجام آزمایش ها ، یافتن (یا پیدا نکردن) داده های تجربی و نتیجه گیری بستگی دارند. از این گذشته ، اگر قرار باشد این آزمایش پایه ای برای یک قانون یا نظریه عمومی پذیرفته شود ، دانشمندان باید بتوانند نتایج را تکرار کنند.

در این مقاله ، ما ده قانون و نظریه علمی را بررسی خواهیم کرد که می توانید آنها را مسواک بزنید ، حتی اگر به عنوان مثال از میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده نکنید. بیایید با یک انفجار شروع کنیم و با عدم اطمینان پایان دهیم.

اگر ارزش شناختن حداقل یک نظریه علمی است ، بگذارید توضیح دهد که چگونه جهان به وضعیت فعلی خود رسیده است (یا نرسیده است). بر اساس تحقیقات ادوین هابل ، ژرژ لمیتر و آلبرت انیشتین ، نظریه بیگ بنگ فرض می کند که جهان 14 میلیارد سال پیش با انبساط گسترده آغاز شده است. در برهه ای از زمان ، جهان به یک نقطه محدود می شد و تمام مواد جهان فعلی را در بر می گرفت. این حرکت تا به امروز ادامه دارد و جهان هستی دائماً در حال گسترش است.

تئوری بیگ بنگ پس از کشف آرنو پنزیاس و رابرت ویلسون پس زمینه مایکروویو کیهانی در سال 1965 مورد حمایت گسترده علمی قرار گرفت. دو ستاره شناس با استفاده از تلسکوپ های رادیویی سر و صدای کیهانی یا استاتیک را کشف کردند که با گذشت زمان از بین نمی رود. با همکاری رابرت دیکه ، محقق پرینستون ، زوج دانشمند این فرضیه را تأیید کردند که بیگ بنگ اصلی اشعه سطح پایین را که در سراسر جهان یافت می شود پشت سر گذاشت.

قانون انبساط کیهانی هابل

بیایید یک ثانیه ادوین هابل را نگه داریم. در حالی که رکود بزرگ در دهه 1920 جریان داشت ، هابل پیشگام تحقیقات نجومی بود. او نه تنها ثابت کرد که کهکشانهای دیگری به غیر از کهکشان راه شیری وجود دارد ، بلکه همچنین دریافت که این کهکشانها از ما کهکشان می کنند و این حرکت را رکود اقتصادی نامید.

برای سنجش سرعت این حرکت کهکشانی ، هابل قانون انبساط کیهانی ، یعنی هابل را پیشنهاد داد. معادله به این شکل است: سرعت \u003d فاصله H0 x. سرعت ، سرعتی است که کهکشان ها از آن دور می شوند H0 ثابت هابل یا پارامتری است که سرعت انبساط جهان را نشان می دهد. فاصله فاصله یک کهکشان تا محلی است که مقایسه با آن انجام شده است.

ثابت هابل برای مدت زمان طولانی در مقادیر مختلف محاسبه می شد ، اما در حال حاضر در یک نقطه 70 کیلومتر بر ثانیه در هر مگاپارسک یخ زده است. برای ما آنقدرها مهم نیست. نکته مهم ، قانون روشی مناسب برای اندازه گیری سرعت کهکشان نسبت به ماست. و از همه مهمتر ، قانون ثابت کرد که جهان از کهکشانهای زیادی تشکیل شده است ، حرکت آنها را می توان در انفجار بزرگ جستجو کرد.

قوانین حرکت سیاره ای کپلر

قرن ها است که دانشمندان با یکدیگر و با رهبران مذهبی در مورد مدار سیارات جنگیده اند ، خصوصاً اینکه این سیارات به دور خورشید می چرخند. در قرن شانزدهم ، کوپرنیک مفهوم بحث برانگیز خود را در مورد منظومه شمسی مسیحی ارائه داد که در آن سیارات بیش از زمین به دور خورشید می چرخند. با این حال ، فقط با یوهانس کپلر ، که به کار تایکو براهه و دیگر منجمان متکی بود ، یک پایه علمی واضح برای حرکت سیارات پدید آمد.

سه قانون حرکت سیاره ای کپلر که در آغاز قرن هفدهم شکل گرفت ، حرکت سیارات به دور خورشید را توصیف می کند. در قانون اول که گاهی اوقات قانون مدار نامیده می شود ، آمده است که سیارات در مدار بیضوی به دور خورشید می چرخند. قانون دوم ، قانون مناطق می گوید خط اتصال سیاره به خورشید در فواصل منظم مناطق مساوی را تشکیل می دهد. به عبارت دیگر ، اگر ناحیه ایجاد شده توسط خطی را که از زمین از خورشید کشیده شده اندازه گیری کرده و حرکت زمین را به مدت 30 روز ردیابی کنید ، بدون توجه به موقعیت زمین نسبت به مبدا ، منطقه یکسان خواهد بود.

قانون سوم ، قانون دوره ها ، به شما امکان می دهد رابطه مشخصی بین دوره مداری یک سیاره و فاصله تا خورشید ایجاد کنید. با تشکر از این قانون ، ما می دانیم که یک سیاره نسبتاً نزدیک به خورشید ، مانند زهره ، مدت مداری بسیار کمتری نسبت به سیارات دور مانند نپتون دارد.

قانون جهانی جاذبه زمین

امروز ممکن است این نظم همه چیز باشد ، اما بیش از 300 سال پیش سر آیزاک نیوتون یک ایده انقلابی ارائه داد: هر دو جسم ، بدون در نظر گرفتن جرم ، بر روی یکدیگر جاذبه جاذبه ایجاد می کنند. این قانون با معادله ای نشان داده می شود که بسیاری از دانش آموزان در کلاس های ارشد فیزیک و ریاضیات با آن روبرو هستند.

F \u003d G × [(m1m2) / r²]

F نیروی جاذبه بین دو جسم است که در نیوتن اندازه گیری می شود. M1 و M2 جرم دو جسم هستند ، در حالی که r فاصله بین آنها است. G ثابت گرانش است که در حال حاضر 6.67384 (80) · 10 − 11 یا N · m² · کیلوگرم calculated2 محاسبه می شود.

مزیت قانون جهانی جاذبه این است که به شما اجازه می دهد جاذبه جاذبه بین هر دو جسم را محاسبه کنید. این توانایی زمانی بسیار مفید است که دانشمندان مثلاً ماهواره ای را به مدار می فرستند یا مسیر ماه را تعیین می کنند.

قوانین نیوتن

در حالی که ما در مورد یکی از بزرگترین دانشمندانی هستیم که تاکنون بر روی زمین زندگی کرده است ، بیایید در مورد سایر قوانین معروف نیوتن صحبت کنیم. سه قانون حرکتی وی بخشی اساسی از فیزیک مدرن را تشکیل می دهد. و مانند بسیاری دیگر از قوانین فیزیک ، آنها از نظر سادگی زیبا هستند.

قانون اول از سه قانون بیان می کند که جسمی در حال حرکت در حرکت است مگر اینکه نیروی خارجی به 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 رابطه ای بین جرم یک جسم (m) و شتاب آن (a) را در قالب معادله F \u003d m x a برقرار می کند. F نیرویی است که در نیوتن اندازه گیری می شود. این نیز یک بردار است ، یعنی دارای یک ملفه جهت دار است. به دلیل شتاب ، نورد توپ در کف در جهت حرکت خود دارای بردار خاصی است و این در هنگام محاسبه نیرو مورد توجه قرار می گیرد.

قانون سوم کاملاً معنی دار است و باید برای شما آشنا باشد: برای هر عملی واکنش یکسانی وجود دارد. یعنی برای هر نیرویی که به جسمی روی سطح وارد شود ، جسم با همان نیرو دفع می شود.

قوانین ترمودینامیک

یک بار فیزیکدان و نویسنده انگلیسی C.P. Snow گفت که غیر دانشمندی که قانون دوم ترمودینامیک را نمی دانست مانند دانشمندی بود که هرگز شکسپیر را نخوانده بود. بیانیه معروف اکنون اسنو بر اهمیت ترمودینامیک و حتی نیاز افراد دور از علم به دانستن آن تأکید کرده است.

ترمودینامیک دانش چگونگی کارکرد انرژی در یک سیستم است ، چه موتور و چه هسته زمین. این را می توان در چندین قانون اساسی خلاصه کرد ، که اسنو به شرح زیر عنوان کرد:

• شما نمی توانید برنده شوید.
• از ضرر و زیان جلوگیری نخواهید کرد.
• نمی توانید بازی را کنار بگذارید.

بگذارید کمی آن را رقم بزنیم. منظور از Snow این بود که شما نمی توانید برنده شوید ، از آنجا که ماده و انرژی صرفه جویی می شود ، شما نمی توانید یکی را بدون از دست دادن دیگری بدست آورید (به عنوان مثال E \u003d mc²). این همچنین بدان معنی است که شما برای راه اندازی موتور نیاز به تأمین گرما دارید ، اما در غیاب سیستم کاملاً بسته ، مقداری گرما ناگزیر به دنیای باز می رود که منجر به قانون دوم خواهد شد.

قانون دوم - ضرر و زیان 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 مکانهایی با غلظت پایین تر تمایل دارد.

سرانجام ، قانون سوم - شما نمی توانید از بازی خارج شوید - در کمترین دما از لحاظ نظری ممکن است اعمال می شود - منفی 273.15 درجه سانتیگراد. وقتی 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 نیز وجود نخواهد داشت. اما در دنیای واقعی رسیدن به صفر مطلق غیرممکن است - فقط خیلی به آن نزدیک شوید.

قدرت ارشمیدس

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

طبق اصل شناوری ارشمیدس ، نیرویی که بر یک جسم غوطه ور یا نیمه غوطه ور وارد می شود برابر است با جرم مایعی که جسم جابجا می کند. این اصل در محاسبات چگالی و همچنین در طراحی زیردریایی ها و سایر شناورهای اقیانوس پیما ضروری است.

تکامل و انتخاب طبیعی

اکنون که برخی از مفاهیم اساسی چگونگی آغاز جهان و چگونگی تأثیر قوانین فیزیکی بر زندگی روزمره ما را تأسیس کردیم ، بیایید توجه خود را به شکل انسان معطوف کرده و نحوه رسیدن به آنجا را بشناسیم. از نظر بیشتر دانشمندان ، تمام زندگی روی زمین یک جد مشترک دارد. اما برای اینکه چنین اختلاف عظیمی بین تمام موجودات زنده ایجاد شود ، برخی از آنها باید به یک گونه جداگانه تبدیل شوند.

به معنای کلی ، این تفاوت در روند تکامل رخ داده است. جمعیت موجودات زنده و صفات آنها سازوکارهایی مانند جهش را پشت سر گذاشته است. کسانی که دارای صفاتی بودند که برای بقا مطلوب تر بودند ، مانند قورباغه های قهوه ای که خود را در باتلاق استتار می کنند ، به طور طبیعی برای بقا انتخاب شدند. این جا اصطلاح انتخاب طبیعی است.

شما می توانید این دو نظریه را چندین بار ضرب کنید ، و درواقع داروین این کار را در قرن نوزدهم انجام داد. تکامل و انتخاب طبیعی ، تنوع گسترده زندگی روی زمین را توضیح می دهد.

نظریه عمومی نسبیت

نظریه عمومی نسبیت آلبرت انیشتین مهمترین کشفی بود که باقی ماند و برای همیشه نوع نگاه ما به جهان را تغییر داد. بزرگترین موفقیت اینشتین ادعای وی مبنی بر مطلق نبودن مکان و زمان بود و گرانش فقط نیرویی نیست که به جسم یا جرم وارد می شود. بلکه گرانش به این واقعیت مربوط می شود که جرم خود فضا و زمان را خم می کند (فضا-زمان).

برای درک این موضوع ، تصور کنید که در حال حرکت در سراسر زمین در یک مسیر مستقیم به سمت شرق هستید ، مثلاً از نیمکره شمالی. بعد از مدتی ، اگر کسی بخواهد مکان شما را به طور دقیق تعیین کند ، شما در جنوب و شرق موقعیت اولیه خود خواهید بود. این به این دلیل است که زمین خمیده است. برای رانندگی مستقیم به سمت شرق ، باید شکل زمین را در نظر بگیرید و کمی از زاویه به سمت شمال حرکت کنید. یک توپ گرد و یک تکه کاغذ را با هم مقایسه کنید.

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

نظریه انیشتین تأثیر زیادی در آینده اخترفیزیک و کیهان شناسی داشت. وی یک ناهنجاری کوچک و غیر منتظره در مدار عطارد را توضیح داد ، نشان داد که چگونه نور ستاره خم می شود و مبانی نظری سیاهچاله ها را بنا نهاد.

اصل عدم اطمینان هایزنبرگ

گسترش تئوری نسبیت انیشتین در مورد چگونگی کارکرد جهان به ما توضیح بیشتری داد و به بنیان گذاری فیزیک کوانتوم کمک کرد ، که منجر به خجالت کاملاً غیر منتظره ای در علوم نظری شد. در سال 1927 ، درک اینکه همه قوانین جهان در یک زمینه خاص انعطاف پذیر است ، منجر به کشف حیرت انگیز دانشمند آلمانی ، ورنر هایزنبرگ شد.

هایزنبرگ با فرض اصل عدم قطعیت خود دریافت که شناخت همزمان دو ویژگی ذره غیرممکن است. می توانید موقعیت الکترون را با درجه دقت بالایی بشناسید ، اما حرکت آن را نمی دانید و بالعکس.

بعداً ، نیلز بور اکتشافی انجام داد که به توضیح اصل هایزنبرگ کمک کرد. بور دریافت که الکترون دارای ویژگیهای ذره و موج است. این مفهوم به عنوان دوگانگی موج-ذره شناخته شد و بنیان فیزیک کوانتوم شد. بنابراین ، وقتی موقعیت الکترون را اندازه می گیریم ، آن را به عنوان ذره ای در یک نقطه مشخص از فضا با طول موج نامشخص تعریف می کنیم. هنگامی که حرکت را اندازه می گیریم ، الکترون را به عنوان موج در نظر می گیریم ، این بدان معناست که می توانیم دامنه طول آن را بدانیم ، اما نه موقعیت.

برگه تقلب با فرمول های فیزیک برای آزمون

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

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

مکانیک

1. فشار P \u003d F / S
2. تراکم ρ \u003d m / V
3. فشار در عمق مایع P \u003d ρ ∙ g ∙ ساعت
4. جاذبه Fт \u003d میلی گرم
5. 5. نیروی Archimedean Fa \u003d ρ w ∙ g ∙ Vт
6. معادله حرکت برای حرکت شتاب یکنواخت

X \u003d X 0+ υ 0 ∙ t + (a ∙ t 2) / 2 S \u003d ( υ 2 -υ 0 2) / 2а S \u003d ( υ +υ 0) ∙ t / 2

1. معادله سرعت برای حرکت شتاب یکنواخت υ =υ 0 + a ∙ t
2. شتاب a \u003d ( υ -υ 0) / t
3. سرعت دایره ای υ \u003d 2πR / T
4. شتاب مرکز گریز a \u003d υ 2 / R
5. رابطه بین دوره و فراوانی ν \u003d 1 / T \u003d ω / 2π
6. قانون دوم نیوتن F \u003d ma
7. قانون هوک Fy \u003d -kx
8. قانون جاذبه جهانی F \u003d G ∙ M ∙ m / R 2
9. وزن جسمی که با شتاب a در حال حرکت است P \u003d m (g + a)
10. وزن جسمی که با شتاب a moving P \u003d m (g-a) حرکت می کند
11. نیروی اصطکاک Ffr \u003d μN
12. حرکت بدن p \u003d m υ
13. Impulsive Force Ft \u003d ∆p
14. لحظه نیرو M \u003d F ∙
15. انرژی بالقوه جسمی که از سطح زمین بالا رفته باشد Ep \u003d mgh
16. انرژی بالقوه یک بدن تغییر شکل الاستیک Ep \u003d kx 2/2
17. انرژی جنبشی بدن Ek \u003d m υ 2 /2
18. کار A \u003d F ∙ S ∙ cosα
19. توان N \u003d A / t \u003d F υ
20. کارایی η \u003d Ap / Az
21. دوره نوسان پاندول ریاضی T \u003d 2π√ℓ / g
22. دوره نوسان آونگ فنر T \u003d 2 π √m / k
23. معادله ارتعاشات هارمونیک X \u003d Xmax ∙ cos ωt
24. رابطه بین طول موج ، سرعت آن و دوره λ \u003d υ تی

فیزیک مولکولی و ترمودینامیک

1. مقدار ماده ν \u003d N / Na
2. جرم مولار М \u003d m / ν
3. چهارشنبه خویشاوند انرژی مولکول های یک گاز تک هسته ای Ek \u003d 3/2 ∙ kT
4. معادله اساسی MKT P \u003d nkT \u003d 1 / 3nm 0 υ 2
5. همجنسگرایان - قانون لوساک (روند ایزوباریک) V / T \u003d ساختار
6. قانون چارلز (روند isochoric) P / T \u003d ساختار
7. رطوبت نسبی φ \u003d P / P 0 ∙ 100٪
8. بین المللی انرژی ایده آل است گاز تک اتمی U \u003d 3/2 ∙ M / μ ∙ RT
9. کار گاز A \u003d P ∙ ΔV
10. قانون بویل - ماریوت (فرآیند همدما) PV \u003d ساختار
11. مقدار گرما در هنگام گرم کردن Q \u003d Cm (T 2-T 1)
12. مقدار گرما در هنگام ذوب Q \u003d λm
13. مقدار گرما در هنگام تبخیر Q \u003d Lm
14. مقدار گرما در هنگام احتراق سوخت Q \u003d qm
15. معادله گاز ایده آل حالت PV \u003d m / M ∙ RT
16. قانون اول ترمودینامیک ΔU \u003d A + Q
17. کارایی موتورهای حرارتی η \u003d (Q 1 - Q 2) / Q 1
18. کارایی ایده آل است. موتورها (چرخه کارنو) η \u003d (T 1 - T 2) / T 1

الکترواستاتیک و الکترودینامیک - فرمول های فیزیک

1. قانون کولن F \u003d k ∙ q 1 ∙ q 2 / R 2
2. قدرت میدان الکتریکی E \u003d F / q
3. کشش برق میدان شارژ نقطه ای E \u003d k ∙ q / R 2
4. چگالی بار سطح σ \u003d q / S
5. کشش برق میدان صفحه بی نهایت E \u003d 2πkσ
6. ثابت دی الکتریک ε \u003d E 0 / E
7. اثر متقابل انرژی اتهامات W \u003d k ∙ q 1 q 2 / R
8. پتانسیل φ \u003d W / q
9. پتانسیل شارژ نقطه φ \u003d k ∙ q / R
10. ولتاژ U \u003d A / q
11. برای یک میدان الکتریکی یکنواخت U \u003d E ∙ d
12. ظرفیت الکتریکی C \u003d q / U
13. ظرفیت الکتریکی خازن تخت C \u003d S ε ∙ε 0 / روز
14. انرژی یک خازن باردار W \u003d qU / 2 \u003d q² / 2С \u003d CU² / 2
15. جریان I \u003d q / t
16. مقاومت رسانا R \u003d ρ ∙ ℓ / S
17. قانون اهم برای بخشی از مدار I \u003d U / R
18. قوانین آخرین. ترکیبات I 1 \u003d I 2 \u003d I ، U 1 + U 2 \u003d U ، R 1 + R 2 \u003d R
19. قوانین موازی اتصال U 1 \u003d U 2 \u003d U ، I 1 + I 2 \u003d I ، 1 / \u200b\u200bR 1 + 1 / R 2 \u003d 1 / R
20. توان جریان الکتریکی P \u003d I ∙ U
21. قانون ژول لنز Q \u003d I 2 Rt
22. قانون اهم برای مدار کامل I \u003d ε / (R + r)
23. جریان اتصال کوتاه (R \u003d 0) I \u003d ε / r
24. بردار القای مغناطیسی B \u003d Fmax / ℓ ∙ I
25. نیروی آمپر Fa \u003d IBℓsin α
26. نیروی لورنتس Fl \u003d Bqυsin α
27. شار مغناطیسی Ф \u003d BSсos α Ф \u003d LI
28. قانون القای الکترومغناطیسی Ei \u003d ΔФ / Δt
29. EMF القای در هادی حرکت Ei \u003d Bℓ υ sinα
30. EMF خود القایی Esi \u003d -L ΔI / Δt
31. انرژی میدان مغناطیسی سیم پیچ Wm \u003d LI 2/2
32. دوره نوسان تعداد کانتور T \u003d 2π ∙ √LC
33. مقاومت القایی X L \u003d ωL \u003d 2πLν
34. مقاومت خازنی Xc \u003d 1 / ωC
35. مقدار موثر جریان Id \u003d Imax / √2 ،
36. مقدار ولتاژ RMS Uд \u003d Umax / √2
37. امپدانس Z \u003d √ (Xc-X L) 2 + R 2

اپتیک

1. قانون شکست نور n 21 \u003d n 2 / n 1 \u003d υ 1 / υ 2
2. ضریب شکست n 21 \u003d sin α / sin γ
3. فرمول لنز نازک 1 / F \u003d 1 / d + 1 / f
4. قدرت نوری لنز D \u003d 1 / F
5. حداکثر تداخل: Δd \u003d kλ ،
6. حداقل دخالت: Δd \u003d (2k + 1) λ / 2
7. شبکه دیفرانسیل d ∙ sin φ \u003d k λ

فیزیک کوانتوم

1. F-la انیشتین برای تأثیر عکس hν \u003d Aout + Ek ، Ek \u003d U s e
2. حاشیه قرمز اثر فوتوالکتریک ν к \u003d Aout / h
3. حرکت فوتونی P \u003d mc \u003d h / λ \u003d E / s

فیزیک هسته ای اتمی

1. "فقط فیزیک ، فقط هاردکور! اتاق زیر شیروانی" ، Pobedinsky D
.

آیا می دانید ساعت چند است؟ چگونه به تئوری رشته رسیدید؟ بزرگترین عنصر شیمیایی در جهان چیست؟ و در اینجا دیمیتری پوبدینسکی ، فیزیکدان ، محبوب است ویدئووبلاگ نویس و نویسنده ثابت "Attic" ، می داند - و می تواند بگوید! آیا جهان های موازی وجود دارند؟ آیا می توانید یک چراغ روشنایی واقعی ایجاد کنید؟ هوش مصنوعی در اولین بوسه چه حسی خواهد داشت؟ سیاهچاله چگونه کار می کند؟ دیمیتری به این س andالات و س questionsالات دیگری پاسخ می دهد که هرکدام از ما توانایی گیج کردن را داریم - به راحتی و در دسترس هر یک از ما. Attic: Science، Technology، Future "یک پروژه علمی و آموزشی از بزرگترین آژانس خبری روسی TASS است. برای 100000 خواننده آنها ، آنها هر روز در مورد علم می نویسند - روسی و نه تنها ، - و همچنین در مورد سخنرانی های جالب علوم محبوب ، نمایشگاه ها ، کتاب ها صحبت می کنند و فیلم ها ، تجارب را نشان می دهد و به س questionsالات علمی (و نه چندان) در مورد واقعیت پیرامون پاسخ می دهد.
2. "تاریخچه مختصر زمان. از انفجار بزرگ تا سیاه چاله ها" ، هاوکینگ ص.
سرگرم کننده و در دسترس است. استیون هاوکینگ فیزیکدان مشهور انگلیسی درباره ماهیت مکان و زمان ، درباره منشأ جهان و سرنوشت احتمالی آن به ما می گوید.
3. "البته شما شوخی می کنید ، آقای فاینمن!" ، فاینمن آر.
او به علاقه خود به شوخی و شوخی عملی مشهور بود ، پرتره های شگفت انگیزی می کشید ، آلات موسیقی عجیب و غریب می نواخت. او که یک سخنران عالی بود ، هر یک از سخنرانی های خود را به یک بازی فکری هیجان انگیز تبدیل می کرد. نه تنها دانشجویان و همكاران مشتاق اجرای وی بودند ، بلكه افرادی كه مشتاق فیزیك بودند نیز مشتاق بودند. زندگینامه این دانشمند بزرگ هیجان انگیزتر از یک رمان ماجراجویانه است. این یکی از معدود کتاب هایی است که برای همیشه در خاطر همه کسانی که آنها را می خوانند باقی خواهد ماند.
4. "فیزیک غیرممکن" ، همانطور که م.
فیزیکدان مشهور میشیو کاکو فناوری ها ، پدیده ها یا دستگاه های ظاهراً غیرقابل تصور را از نظر امکان اجرای آنها در آینده بررسی می کند. دانشمند در مورد آینده نزدیک ما صحبت می کند ، در مورد نحوه کار جهان به زبانی قابل دسترسی صحبت می کند. انفجار بزرگ و سیاهچاله ها ، فازرها و ضد ماده چیست. از کتاب "فیزیک غیرممکن" خواهید آموخت که در قرن بیست و یکم ، در طول زندگی ما ، زمینه های نیرو ، نامرئی ، ذهن خوانی ، ارتباط با تمدن های فرازمینی و حتی حمل و نقل از راه دور و سفرهای بین ستاره ای ممکن است محقق شود.
چرا کتاب ارزش خواندن دارد؟ تا همین اواخر حتی تصور دنیای چیزهای آشنا امروز برای ما دشوار بود. تلفن همراه و اینترنت غیرممکن به نظر می رسید. خواهید فهمید که چه پیش بینی های جسورانه ای از نویسندگان داستان های علمی و نویسندگان فیلم ها درباره آینده پیش روی ما واقع شده است. از کتاب میشیو کاکو ، فیزیکدان آمریکایی و محبوب کننده علم ، در مورد پیچیده ترین پدیده ها و آخرین دستاوردهای علم و فناوری مدرن خواهید آموخت. شما نه تنها آینده بشریت را خواهید دید ، بلکه قوانین اساسی جهان را نیز درک خواهید کرد. متقاعد خواهید شد که هیچ چیز در این دنیا غیرممکن نیست!
5. "زیبایی فیزیک. درک ساختار طبیعت" ، ف.
آیا این حقیقت دارد که زیبایی بر جهان حکمرانی می کند؟ این س throughoutال در طول تاریخ بشر توسط متفکران ، هنرمندان و دانشمندان مطرح شده است. فرانک ویلچک ، برنده نوبل ، تأملات خود را در مورد زیبایی جهان و ایده های علمی در صفحات یک کتاب با شکوه نشان می دهد. گام به گام ، با شروع با ایده های فلاسفه یونان و پایان دادن به تئوری اصلی مدرن در مورد وحدت فعل و انفعالات و جهات توسعه احتمالی آن ، نویسنده ایده های زیبایی و تقارن زیربنای مفاهیم فیزیکی را نشان می دهد. قهرمانان تحقیق وی فیثاغورس ، افلاطون ، نیوتن ، ماکسول و انیشتین هستند. سرانجام ، این امی نوتر است که قوانین حفاظت از تقارن و کهکشان بزرگ فیزیکدانان قرن بیستم را استنباط کرد.
برخلاف بسیاری از محبوبیت ها ، فرانک ویلچک از فرمول ها نمی ترسد و می داند چگونه پیچیده ترین چیزها را روی انگشتان خود نشان دهد و ما را با شوخ طبعی و احساس معجزه آلوده کند.
6. "چرا E \u003d mc2 است؟ و چرا باید مراقبت کنیم" ، coke b. ، Forshaw D.
این کتاب به شما کمک می کند تا نظریه نسبیت را درک کرده و به معنای معروف ترین معادله جهان بپردازید. انیشتین با نظریه خود درباره مکان و زمان ، بنیادی را بنا نهاد که تمام فیزیک مدرن بر اساس آن بنا شده است. امروزه فیزیكدانان با درك طبیعت ، نظریه هایی را ایجاد می كنند كه گاه زندگی ما را به طور بنیادی تغییر می دهد. نحوه انجام این کار در این کتاب شرح داده شده است.
این کتاب برای همه کسانی که به ساختار دنیا علاقه مند هستند مفید خواهد بود.
7. "کوانتوم جهان" ، کک ب. ، Forshow توسط J.
چگونگی کارکرد چیزهایی که نمی توانیم ببینیم.
در این کتاب ، برایان کاکس و جف فروشاو ، دانشمندان مشهور ، مکانیک کوانتوم - یک مدل اساسی از ساختار جهان را به خوانندگان معرفی می کنند. آنها می گویند که چه مشاهداتی فیزیکدانان را به سمت نظریه کوانتوم سوق داده است ، چگونه آن را توسعه داده و چرا دانشمندان ، با وجود همه عجیب و غریب ، تا این حد به آن اطمینان دارند.
این کتاب برای همه علاقه مندان به فیزیک کوانتوم و ساختار جهان در نظر گرفته شده است.
8. "فیزیک. علوم طبیعی در کمیک" ، L. Gonik ، A. Huffman.
قبل از شروع به صحبت کردن با زبان فرمول هایی مانند Feynman و Landau ، باید اصول را یاد بگیرید. این کتاب شما را با روشی سرگرم کننده با پدیده ها و قوانین اساسی جسمی آشنا می کند. ارسطو و گالیله ، نیوتن و ماکسول ، انیشتین و فاینمن نوابغ شناخته شده بشریت هستند که سهم بزرگی در پیشرفت 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 شامل می شود: مکانیک ، برق ، تئوری نسبیت ، الکترودینامیک کوانتوم. قابلیت دستیابی ، همراه با سطح علمی بالایی از ارائه ، موفقیت در مطالعه یکی از جالب ترین رشته ها ، مرتبط نزدیک با سایر زمینه ها و بالاتر از همه با فناوری را تضمین می کند.
9. "نظریه ریسمان و ابعاد پنهان جهان" ، یاو ش. ، نادیس ص.
نظریه رشته های انقلابی ادعا می کند که ما در یک جهان ده بعدی زندگی می کنیم ، اما فقط چهار مورد از این ابعاد قابل درک انسانی هستند. اگر اعتقاد به دانشمندان مدرن باشد ، شش بعد دیگر در یک ساختار شگفت انگیز معروف به منیفولد Kalabi-Yau جمع می شوند.

چه تعداد قوانین فیزیک وجود دارد. قوانین اساسی فیزیک.

قانون صرفه جویی در انرژی می گوید که انرژی بدن هرگز از بین نمی رود یا دوباره ظاهر نمی شود ، فقط می تواند از یک نوع به نوع دیگر تبدیل شود. این قانون جهانی است. در شاخه های مختلف فیزیک ، فرمول بندی خاص خود را دارد. مکانیک کلاسیک قانون صرفه جویی در انرژی مکانیکی را در نظر می گیرد.

کل انرژی مکانیکی یک سیستم بسته از اجسام فیزیکی ، که بین آنها نیروهای محافظه کار عمل می کنند ، یک مقدار ثابت است. به همین ترتیب قانون صرفه جویی در انرژی در مکانیک نیوتنی تدوین می شود.

بسته یا منزوی ، یک سیستم فیزیکی در نظر گرفته می شود که تحت تأثیر نیروهای خارجی قرار نمی گیرد. انرژی را با فضای اطراف مبادله نمی کند و انرژی خودش که در اختیار دارد ، بدون تغییر باقی می ماند ، یعنی حفظ می شود. در چنین سیستمی فقط نیروهای داخلی 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 ، اسلحه تیرانداز و گلوله است.

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

انرژی های حفظ و انتقال این قانون یک قانون کلی از طبیعت است: انرژی هر سیستم بسته برای تمام فرآیندهای رخ داده در سیستم ثابت می ماند (صرفه جویی می شود). انرژی فقط می تواند از یک فرم به شکل دیگر تبدیل شود و بین قسمتهای سیستم توزیع مجدد شود. برای یک سیستم باز ، افزایش (کاهش) انرژی آن برابر با کاهش (افزایش) انرژی بدن ها و زمینه های فیزیکی است که با آن تعامل دارند.

قانون ARCHIMEDES - قانون هیدرواستاتیک و هیدرواستاتیک: نیرویی شناور بر روی جسمی غوطه ور در مایع یا گاز ، به صورت عمودی به سمت بالا هدایت می شود ، عددی برابر با وزن مایع یا گاز جابجا شده توسط بدن است و در مرکز ثقل قسمت غوطه ور بدن اعمال می شود. FA \u003d gV ، جایی که r تراکم مایع یا گاز است ، V حجم قسمت غوطه ور بدن است. در غیر این صورت ، می توان آن را به صورت زیر فرمول بندی کرد: بدن غوطه ور در مایع یا گاز به اندازه وزن مایعات (یا گاز) جابجا شده توسط آن وزن خود را از دست می دهد. سپس P \u003d mg - FA گرم دیگر را باز کرد. ارشمیدس دانشمند در سال 212 قبل از میلاد مسیح. این اساس تئوری بدنهای شنا است.

قانون جاذبه جهانی قانون جاذبه نیوتن است: همه اجسام با نیرویی متناسب با محصول توده های این اجسام و متناسب معکوس با مربع فاصله بین آنها جذب یکدیگر می شوند: ، جایی که M و m جرم اجسام متقابل هستند ، R فاصله بین این اجسام است ، G گرانش است ثابت (در SI G \u003d 6.67.10-11N.m2 / kg2.

GALILEYA اصل نسبیت ، اصل مکانیکی نسبیت - اصل مکانیک کلاسیک: در هر فریم مرجع اینرسی ، همه پدیده های مکانیکی در همان شرایط به همان روش پیش می روند. چهارشنبه اصل نسبیت.

قانون هوک - قانونی که طبق آن تغییر شکل های الاستیک مستقیماً با تأثیرات خارجی ایجاد کننده آنها متناسب است.

قانون حفاظت از ایمپلس قانون مکانیک است: انگیزه هر سیستم بسته برای تمام فرایندهای رخ داده در سیستم ثابت می ماند (حفظ می شود) و فقط در نتیجه تعامل آنها می تواند بین قسمتهای سیستم توزیع شود.

قوانین نیوتون سه قانونی است که در مکانیک کلاسیک نیوتنی بنا نهاده شده است. قانون اول (قانون اینرسی): اگر ماده های دیگر به آن عمل نکنند یا عملکرد این اجسام جبران شود ، یک ماده مهم در حالت حرکت یا استراحت مستقیم و یکنواخت قرار دارد. قانون دوم (قانون اساسی پویایی): شتاب دریافت شده توسط بدن مستقیماً متناسب با نتیجه تمام نیروهایی است که بر روی بدن وارد می شوند و متناسب عکس با جرم بدن است (). قانون سوم: دو نقطه مادی با نیروهایی از همان طبیعت ، از نظر اندازه برابر و از جهت مخالف در امتداد خط مستقیم اتصال این نقاط با یکدیگر تعامل دارند.

اصل ارتباط - یکی از فرضیه های نظریه نسبیت است که ادعا می کند در هر فریم مرجع اینرسی تمام پدیده های فیزیکی (مکانیکی ، الکترومغناطیسی و غیره) تحت شرایط یکسان به همان روش پیش می روند. آیا تعمیم اصل نسبیت نسبت به همه پدیده های جسمی (به جز نیروی جاذبه) توسط گالیله است.

قانون ثابت بودن ترکیب ماده.

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

قانون ثابت بودن ترکیب برای برتولیدها (ترکیبات با ترکیب متغیر) صدق نمی کند. 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 فرم دقیق تری Fe (Feo) نوشته شده است

قانون جاذبه جهانی. شرح قانون جاذبه جهانی

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

همانطور که مشاهده می شود ، این ثابت بسیار ناچیز است ، بنابراین نیروهای جاذبه بین اجسام با جرم های کوچک نیز کوچک هستند و عملاً احساس نمی شوند. با این حال ، حرکت اجسام کیهانی به طور کامل توسط گرانش تعیین می شود. وجود جاذبه جهانی یا به تعبیری تعامل گرانشی توضیح می دهد که زمین و سیارات چه چیزی "در آن نگه داشته شده اند" و چرا آنها در امتداد مسیرهای خاصی به دور خورشید حرکت می کنند و از آن دور نمی شوند. قانون جاذبه به شما اجازه می دهد بسیاری از مشخصات اجرام آسمانی - جرم سیارات ، ستاره ها ، کهکشان ها و حتی سیاهچاله ها را تعیین کنید. این قانون محاسبه مدار سیارات را با دقت بسیار زیاد و ایجاد یک مدل ریاضی از جهان امکان پذیر می سازد.

با استفاده از قانون جاذبه جهانی می توانید سرعت های کیهانی را نیز محاسبه کنید. به عنوان مثال ، حداقل سرعتی که جسمی به صورت افقی بالای سطح زمین حرکت می کند روی آن نمی افتد بلکه در یک مدار دایره ای حرکت می کند - 9/7 کیلومتر بر ثانیه (اولین سرعت کیهانی). برای ترک زمین ، یعنی بر جاذبه جاذبه خود غلبه کنید ، بدن باید دارای سرعت 11.2 کیلومتر در ثانیه باشد (سرعت دوم کیهانی).

گرانش یکی از شگفت انگیزترین پدیده های طبیعی است. در غیاب نیروهای گرانشی ، وجود جهان غیرممکن است ، جهان حتی نمی تواند ظهور کند. گرانش مسئول بسیاری از فرایندهای جهان است - تولد آن ، وجود نظم به جای هرج و مرج. ماهیت گرانش هنوز کاملاً حل نشده است. تاکنون هیچ کس نتوانسته است سازوکار و الگوی مناسبی از کنش متقابل گرانشی ایجاد کند.

قانون (نیرو) ارشمیدس - یک نیروی شناور بر روی جسمی غوطه ور در مایع یا گاز برابر است با وزن مایع یا گاز جابجا شده توسط این بدن.

فرم انتگرال

نیروی Archimedean همیشه مخالف گرانش است ، بنابراین وزن بدن در مایع یا گاز همیشه کمتر از وزن این بدن در خلا است.

اگر بدن روی سطح شناور باشد یا به طور یکنواخت به سمت بالا یا پایین حرکت کند ، آنگاه نیروی شنا (که به آن نیروی ارشمیدسی نیز گفته می شود) از نظر اندازه (و از جهت مخالف) برابر با نیروی جاذبه ای است که بر حجم مایع (گاز) جابجا شده توسط بدن تأثیر می گذارد و به مرکز ثقل این حجم وارد می شود ...

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

در صورت نبود میدان جاذبه (نیروی جاذبه) ، یعنی در حالت بی وزنی ، قانون ارشمیدس کار نمی کند. فضانوردان به اندازه کافی با این پدیده آشنا هستند. به طور خاص ، در گرانش صفر ، هیچ پدیده ای از همرفت (حرکت طبیعی هوا در فضا) وجود ندارد ، بنابراین ، به عنوان مثال ، خنک کننده هوا و تهویه محفظه های زندگی فضاپیماها توسط طرفداران مجبور می شوند

مدل استاندارد فعلی فیزیک ذرات مکانیزمی بی اثر است که از مجموعه ناچیزی از مواد تشکیل شده است. اما ، علی رغم منحصر به فرد بودن ظاهری ، جهان ما تنها یکی از بی شمار جهان های ممکن است. ما کوچکترین ایده ای نداریم که چرا این پیکربندی خاص 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 (مانند جرم و بار الکترون) در مدل استاندارد گنجانده شده است. به نظر می رسد مقادیر این "پارامترهای آزاد" معنای عمیقی ندارند. از یک طرف ، فیزیک ذرات نمونه ای از ظرافت است. از طرف دیگر ، این فقط یک نظریه زیباست.

اگر دنیای ما فقط یکی از بسیاری دنیاست ، پس با دنیاهای جایگزین چه کار کنیم؟ دیدگاه فعلی کاملاً مخالف ایده انیشتین از یک جهان بی نظیر است. فیزیکدانان مدرن فضای عظیمی از احتمالات را پوشش می دهند و سعی می کنند منطق ارتباطات آن را درک کنند. آنها از جویندگان طلا ، به جغرافی دانان و زمین شناسان تبدیل شده اند و از این منظره نقشه برداری می کنند و به طور دقیق نیروهای شکل دهنده آن را مطالعه می کنند.

یک نقطه عطف در این روند ، تولد نظریه ریسمان بود. در حال حاضر او تنها نامزد عنوان "تئوری همه چیز" است. خبر خوب این است که هیچ پارامتر آزاد در تئوری رشته وجود ندارد. هیچ تردیدی وجود ندارد که کدام نظریه ریسمان جهان ما را توصیف می کند ، زیرا منحصر به فرد است. عدم وجود عملکردهای اضافی منجر به عواقب اساسی می شود. همه اعداد در طبیعت باید توسط خود فیزیک تعیین شود. اینها "ثابت طبیعت" نیستند ، بلکه متغیرهایی هستند که از معادلات بدست آمده اند (بعضی اوقات ، هرچند فوق العاده پیچیده).

خبر بد آقایان فضای راه حل برای نظریه رشته ها گسترده و پیچیده است. این برای فیزیک طبیعی است. به طور سنتی ، قوانین اساسی بر اساس معادلات ریاضی و راه حل های این معادلات تفکیک می شوند. معمولاً چندین قانون و تعداد بی نهایت راه حل وجود دارد. بیایید قوانین نیوتن را بگیریم. آنها واضح و ظریف هستند ، اما طیف باورنکردنی گسترده ای از پدیده ها را توصیف می کنند ، از سیب در حال سقوط تا مدار ماه. با دانستن وضعیت اولیه سیستم ، می توان از این قوانین برای توصیف وضعیت آن در لحظه بعدی استفاده کرد. ما انتظار یا خواستار راه حلی جهانی برای توصیف همه چیز نیستیم.

1.1 حاشیه نویسیقوانین نظریه نسبیت و مکانیک کوانتوم ، که براساس آنها حرکت و تعامل ذرات بنیادی ماده اتفاق می افتد ، شکل گیری و ظهور الگوهای وسیع ترین طیف پدیده مورد مطالعه علوم مختلف طبیعی را از پیش تعیین می کند. این قوانین زیربنای فن آوری های پیشرفته مدرن است و تا حد زیادی وضعیت و توسعه تمدن ما را تعیین می کند. بنابراین ، آشنایی با اصول فیزیک بنیادی نه تنها برای دانش آموزان ، بلکه برای دانش آموزان نیز ضروری است. داشتن فعالانه دانش اولیه در مورد ساختار جهان برای شخصی که وارد زندگی می شود لازم است تا بتواند جایگاه خود را در این جهان پیدا کند و تحصیلات خود را با موفقیت ادامه دهد.

1.2 مشکل اصلی این گزارش چیست؟این خطاب هم به متخصصان فیزیک ذرات و هم به مخاطبان بسیار گسترده تری خطاب می شود: فیزیکدانان غیر ذره ای ، ریاضی دانان ، شیمی دانان ، زیست شناسان ، مهندسان نیرو ، اقتصاددانان ، فیلسوفان ، زبان شناسان ، ... برای اینکه دقیق تر شوم ، باید از اصطلاحات استفاده کنم و فرمولهای فیزیک بنیادی. برای درک شدن ، من باید دائماً این اصطلاحات و فرمول ها را توضیح دهم. اگر فیزیک ذرات تخصص شما نیست ، ابتدا فقط بخشهایی را بخوانید که عنوان آنها با ستاره مشخص نشده است. سپس بخشهایی را با یک * ، دو ** و در آخر سه قسمت *** بخوانید. من در حین سخنرانی موفق شدم در مورد بسیاری از بخشهای بدون ستاره صحبت کنم ، اما وقت بقیه نبود.

1.3 فیزیک ذرات بنیادی.فیزیک ذرات پایه و اساس همه علوم طبیعی است. وی کوچکترین ذرات ماده و قوانین اساسی حرکات و فعل و انفعالات آنها را مطالعه می کند. در نهایت ، این الگوها هستند که رفتار همه اجسام را در زمین و آسمان تعیین می کنند. فیزیک ذرات با مفاهیمی اساسی مانند مکان و زمان سروکار دارد. موضوع؛ انرژی ، حرکت و جرم چرخش. (اکثر خوانندگان تصوری از مکان و زمان دارند ، شاید آنها در مورد ارتباط بین جرم و انرژی چیزی شنیده باشند و ایده ای نداشته باشند که انگیزه با آن چه ارتباطی دارد ، و به سختی در مورد مهمترین نقش چرخش در فیزیک حدس می زنند. آنها هنوز نمی توانند در مورد اینکه ماده را بنامند توافق کنند. فیزیک ذرات در قرن 20 ایجاد شد. ایجاد آن با ایجاد دو تا از بزرگترین نظریه های تاریخ بشریت پیوندی ناگسستنی دارد: نظریه نسبیت و مکانیک کوانتوم. ثابت های اصلی این نظریه ها سرعت نور است ج و ثابت پلانک ساعت.

1.4. نظریه نسبیت.نظریه نسبیت خاص ، که در آغاز قرن 20 بوجود آمد ، سنتز تعدادی از علوم را که پدیده های کلاسیک مانند الکتریسیته ، مغناطیس و اپتیک را مطالعه می کردند ، تکمیل کرد و مکانیکی را با سرعت اجسام قابل مقایسه با سرعت نور ایجاد کرد. (مکانیک غیر نسبی کلاسیک نیوتن با سرعت سروکار داشت v<<ج.) سپس در سال 1915 نظریه عمومی نسبیت ایجاد شد ، که برای توصیف فعل و انفعالات گرانشی با در نظر گرفتن محدود بودن سرعت نور طراحی شده است. ج.

1.5 مکانیک کوانتومی.مکانیک کوانتوم که در دهه 1920 ایجاد شد ، ساختار و خواص اتم ها را از نظر خصوصیات ذره ای موج دو الکترون توضیح داد. وی طیف وسیعی از پدیده های شیمیایی مرتبط با برهم کنش اتم ها و مولکول ها را توضیح داد. و مجاز به توصیف فرایندهای انتشار و جذب نور است. برای درک اطلاعاتی که نور خورشید و ستارگان برای ما به ارمغان می آورد.

1.6 نظریه میدان کوانتومی.یکسان سازی نظریه نسبیت و مکانیک کوانتوم منجر به ایجاد نظریه میدان کوانتومی شد ، که توصیف مهمترین خصوصیات ماده را با درجه دقت بالایی امکان پذیر می کند. نظریه میدان کوانتومی البته برای توضیح برای دانش آموزان بسیار پیچیده است. اما در اواسط قرن بیستم ، یک زبان تصویری از نمودارهای فاینمن در آن پدید آمد ، که درک بسیاری از جنبه های نظریه میدان کوانتومی را کاملاً ساده می کند. یکی از اهداف اصلی این گفتار این است که نشان دهد چگونه طیف گسترده ای از پدیده ها را می توان با کمک نمودارهای فاینمن به راحتی درک کرد. در این مورد ، من با جزئیات بیشتری در مورد مسائلی صحبت خواهم کرد که همه متخصصان تئوری میدان کوانتومی آن را نمی دانند (به عنوان مثال ، در رابطه بین گرانش کلاسیک و کوانتوم) ، و فقط در مورد موضوعاتی که در ادبیات علوم عامیانه مورد بحث قرار گرفته اند ، صرف نظر می کنم.

1.7 هویت ذرات بنیادی.ذرات بنیادی را کوچکترین ذرات غیر قابل تقسیم ماده می نامند که کل جهان از آنها ساخته شده است. شگفت انگیزترین خاصیتی که این ذرات را از ذرات غیر بنیادی معمولی متمایز می کند ، به عنوان مثال دانه های شن و ماسه ، این است که تمام ذرات بنیادی از همان نوع ، به عنوان مثال ، تمام الکترونهای جهان کاملاً (!) یکسان هستند - یکسان هستند. در نتیجه ، ساده ترین حالتهای مقید شده آنها - اتمها و ساده ترین مولکولها - با یکدیگر یکسان هستند.

1.8 شش ذره ابتدایی.برای درک فرایندهای اصلی در حال انجام روی زمین و خورشید ، در یک تقریب اول ، کافی است فرایندهایی را که شش ذره در آن شرکت می کنند ، درک کنید: یک الکترون ه، پروتون پ، نوترون n و یک نوترینو الکترون ν e ، و همچنین یک فوتون γ و یک گراویتون g̃. چهار ذره اول دارای چرخش 1/2 ، چرخش یک فوتون 1 و چرخش یک گراویتون 2 است. (ذرات با چرخش عدد صحیح بوزون نامیده می شوند ، ذرات با چرخش نیم عدد صحیح فرمیون نامیده می شوند. جزئیات بیشتر در مورد چرخش در زیر بحث خواهد شد.) پروتون ها و نوترون ها معمولاً نوکلئون نامیده می شوند ، زیرا از آنها هسته های اتمی ساخته شده اند و هسته در انگلیسی هسته است. الکترون و نوترینو لپتون نامیده می شوند. آنها فعل و انفعالات هسته ای قوی ندارند.

به دلیل فعل و انفعال بسیار ضعیف جاذبه ها ، مشاهده gravitons های جداگانه غیرممکن است ، اما از طریق همین ذرات است که جاذبه در طبیعت انجام می شود. همانگونه که فعل و انفعالات الکترومغناطیسی از طریق فوتون انجام می شود.

1.9 ضد ذراتالکترون ، پروتون و نوترون اصطلاحاً ضد ذره دارند: پوزیترون ، آنتی پروتون و آنتی نوترون. آنها بخشی از ماده عادی نیستند ، زیرا هنگام ملاقات با ذرات مربوطه ، آنها به واکنش های تخریب متقابل - نابودی وارد می شوند. بنابراین ، یک الکترون و یک پوزیترون به دو یا سه فوتون نابود می شوند. فوتون و گراویتون واقعاً ذرات خنثی هستند: آنها با ذرات ضد همزمانی آنها مطابقت دارند. اینکه آیا نوترینو یک ذره واقعاً خنثی است هنوز مشخص نیست.

1.10 هسته ها و کوارک ها.در اواسط قرن 20 ، مشخص شد که نوکلئونها از ذرات بنیادی بیشتری تشکیل شده اند - کوارکهای دو نوع ، که نشانگر تو و د: پ = uud, n = ddu... فعل و انفعال بین کوارک ها توسط گلوئون ها انجام می شود. آنتی انکلونها از ضد عوارض تشکیل شده اند.

1.11 سه نسل فرمیون.همراه با تو, د, ه, ν eدو گروه دیگر (یا همانطور که می گویند ، نسل ها) کوارک و لپتون کشف و بررسی شدند: ج, s، μ ، ν μ و تی, ب، τ، ν τ. این ذرات بخشی از ماده معمولی نیستند ، زیرا ناپایدار هستند و به سرعت به ذرات سبک تر نسل اول متلاشی می شوند. اما آنها در لحظات اولیه جهان نقش مهمی داشتند.

برای درک حتی کاملتر و عمیق تر از طبیعت ، حتی ذرات بیشتری با خواص حتی غیرمعمول تر نیز لازم هستند. اما ، شاید در آینده ، همه این تنوع به چند موجود ساده و زیبا کاهش یابد.

1.12. هادرونبه خانواده متعددی از ذرات متشکل از کوارک ها و / یا آنتی کوارک ها و گلوئون ها هادرون گفته می شود. همه هادرون ها ، به استثنای نوکلئون ها ، ناپایدار هستند و بنابراین جزئی از ماده معمولی نیستند.

اغلب ، از هادرون ها به عنوان ذرات بنیادی نیز یاد می شود ، زیرا نمی توان آنها را به کوارک های آزاد و گلوئون ها تقسیم کرد. (این همان کاری است که من انجام دادم ، و پروتون و نوترون را به شش ذره ابتدایی ارجاع دادم.) اگر همه هادرون ها ابتدایی در نظر گرفته شوند ، تعداد ذرات بنیادی صدها 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 اجازه می دهد تا ، در چارچوب به اصطلاح "مدل استاندارد ذرات بنیادی" ، تمام فرآیندهای شناخته شده تاکنون رخ داده در طبیعت را در نتیجه فعل و انفعالات گرانشی ، الکترومغناطیسی ، ضعیف و قوی توصیف کند. اما برای درک چگونگی عملکرد دو قطعه اول ، چهار ذره کافی است: فوتون ، گراویتون ، الکترون و پروتون. علاوه بر این ، این واقعیت که پروتون از آن تشکیل شده است تو- و د- کوارک ها و گلوئون ها ناچیز است. مطمئناً ، بدون فعل و انفعالات ضعیف و قوی ، درک چگونگی تنظیم هسته های اتمی و چگونگی کار خورشید غیرممکن است. اما چگونگی چیدمان پوسته های اتمی ، که کلیه خصوصیات شیمیایی عناصر را تعیین می کند ، نحوه کار برق و نحوه قرارگیری کهکشان ها را می توان درک کرد.

1.14 فراتر از معلومات.امروزه ما می دانیم که ذرات و فعل و انفعالات مدل استاندارد ، گنجینه های طبیعت را از بین نمی برد.

مشخص شد که اتمها و یونهای معمولی فقط کمتر از 20٪ از کل مواد موجود در جهان را تشکیل می دهند و بیش از 80٪ آنها اصطلاحاً ماده تاریک هستند که هنوز ماهیت آنها مشخص نیست. رایج ترین عقیده این است که ماده تاریک از ابر ذرات تشکیل شده است. این احتمال وجود دارد که از ذرات آینه تشکیل شده باشد.

جالب تر اینکه همه مواد ، چه مرئی (روشن) و چه تاریک ، فقط یک چهارم کل انرژی جهان را حمل می کنند. سه چهارم متعلق به اصطلاحاً انرژی تاریک است.

1.15 ذرات بنیادی "ه تا حدی "اساسی هستند.وقتی معلم من ایساک یاکوولویچ پومرنچوک می خواست بر اهمیت یک سوال تأکید کند ، گفت که سوال e تا حدی مهم است. البته ، بیشتر علوم طبیعی ، نه فقط فیزیک ذرات ، اساسی هستند. به عنوان مثال ، فیزیک ماده چگال از قوانین اساسی پیروی می کند که می تواند بدون کشف چگونگی پیروی از قوانین فیزیک ذرات بنیادی مورد استفاده قرار گیرد. اما قوانین نظریه نسبیت و مکانیک کوانتوم " ه تا حدی اساسی "به این معنا که هیچ یک از قوانین کلی کمتر نمی توانند با آنها تناقض داشته باشند.

1.16 قوانین اساسیتمام فرآیندهای موجود در طبیعت در نتیجه فعل و انفعالات محلی و حرکات (انتشار) ذرات بنیادی اتفاق می افتد. قوانین اساسی حاکم بر این حرکات و تعاملات بسیار غیر معمول و بسیار ساده است. آنها بر اساس مفهوم تقارن و این اصل بنا شده اند که هر آنچه با تقارن مغایرت نداشته باشد می تواند و باید اتفاق بیفتد. در زیر ، با استفاده از زبان نمودارهای فاینمن ، نحوه تحقق این امر در فعل و انفعالات گرانشی ، الکترومغناطیسی ، ضعیف و قوی ذرات را ردیابی خواهیم کرد.

2. ذرات و زندگی

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

کارمند ITEP A. A. Abrikosov Jr. اخیراً برای من نوشت: "یکی از اهداف گزارش شما متقاعد کردن مخاطبان زیادی در مورد نیاز به آموزش گسترده تر فیزیک مدرن است. اگر چنین است ، شاید ارزش داشته باشد که به چند نمونه روزمره اشاره کنیم. منظور من موارد زیر است:

ما در جهانی زندگی می کنیم که حتی در سطح روزمره نیز بدون مکانیک کوانتوم (QM) و نظریه نسبیت (TO) غیرقابل تصور است. تلفن های همراه ، رایانه ها ، همه وسایل الکترونیکی مدرن ، نیازی به ذکر نیست چراغ قوه های LED ، لیزرهای نیمه رسانا (از جمله اشاره گرها) ، نمایشگرهای LCD اساساً دستگاه های کوانتومی هستند. توضیح چگونگی عملکرد آنها بدون مفاهیم اساسی CM غیرممکن است. چگونه می توانید آنها را بدون ذکر تونل توضیح دهید؟

مثال دوم ، شاید من از شما می دانم. ناوبری های ماهواره ای از قبل در هر دهمین اتومبیل نصب شده اند. دقت همگام سازی ساعت در شبکه ماهواره ای کمتر از 10 − 8 نیست (این مربوط به خطای نظم متر در محلی سازی یک جسم در سطح زمین است). چنین صحتی مستلزم در نظر گرفتن اصلاحات TO ساعت در ماهواره در حال حرکت است. آنها می گویند که مهندسان نمی توانستند آن را باور کنند ، بنابراین اولین دستگاه ها برنامه ای مضاعف داشتند: با و بدون در نظر گرفتن اصلاحات. همانطور که مشخص است ، اولین برنامه بهتر کار می کند. در اینجا آزمون تئوری نسبیت در سطح روزمره است.

البته چت تلفنی ، رانندگی با ماشین و کوبیدن کلیدهای رایانه بدون علم بالا امکان پذیر است. اما دانشگاهیان به سختی اصرار دارند که جغرافیا آموزش ندهند ، زیرا "تاکسی وجود دارد".

و سپس آنها به مدت 5 سال با دانش آموزان و سپس با دانشجویان در مورد نکات مادی و نسبیت گالیله صحبت می کنند ، و ناگهان ، بدون هیچ دلیل مشخص ، اعلام می کنند که "این کاملاً درست نیست".

تغییر از دنیای بصری نیوتنی به جهانی کوانتومی حتی در انستیتوی فیزیکوتکنیک دشوار است. مال شما ، AAA. "

2.2. درباره فیزیک و آموزش بنیادی.متأسفانه ، سیستم آموزش مدرن برای یک قرن کامل از فیزیک بنیادی مدرن عقب مانده است. و اکثریت مردم (از جمله اکثر کارگران علمی) هیچ تصوری از آن تصویر (نقشه) شگفت آور واضح و ساده از جهان ندارند ، که توسط فیزیک ذرات بنیادی ایجاد شده است. این نقشه پیمایش در همه 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 کوانتوم می توانند و باید مبنایی برای آموزش همه دروس علوم طبیعی نه تنها در آموزش عالی ، بلکه در دوره متوسطه و حتی دبستان نیز باشند. از این گذشته ، مفاهیم کاملاً جدید در کودکی به راحتی تسلط پیدا می کنند. کودک به راحتی بر زبان تسلط دارد ، با تلفن همراه تسلط دارد. بسیاری از کودکان در عرض چند ثانیه مکعب روبیک را به حالت اولیه خود برمی گردانند و حتی یک روز برای من کافی نیست.

بنابراین در آینده هیچ غافلگیر کننده ناخوشایندی وجود ندارد ، لازم است که یک جهان بینی مناسب در مهد کودک ایجاد کنیم. ثابت ها ج و ساعت باید به ابزار دانش کودکان تبدیل شود.

2.3 درباره ریاضیات.ریاضیات - ملکه و خادم همه علوم - مطمئناً باید به عنوان ابزار اصلی دانش عمل کند. او مفاهیم اساسی مانند حقیقت ، زیبایی ، تقارن ، نظم را می دهد. مفاهیم صفر و بی نهایت. ریاضیات به شما یاد می دهد که فکر کنید و حساب کنید. فیزیک بنیادی بدون ریاضیات غیر قابل تصور است. آموزش بدون ریاضیات غیر قابل تصور است. البته ، ممکن است مطالعه تئوری گروه در مدرسه خیلی زود باشد ، اما آموزش ارزش حقیقت ، زیبایی ، تقارن و نظم (و در عین حال برخی اختلالات) ضروری است.

درک انتقال از اعداد واقعی (واقعی) (ساده ، منطقی ، غیر منطقی) به اعداد خیالی و پیچیده بسیار مهم است. اعداد هایپرکامپلکس (کواترنیون ها و اوکتونیون ها) را باید فقط دانش آموزانی بخوانند که می خواهند در زمینه ریاضیات و فیزیک نظری کار کنند. به عنوان مثال در کارم هرگز از هشت پا استفاده نکرده ام. اما من می دانم که آنها درک امیدوارکننده ترین ، از نظر بسیاری از فیزیکدانان نظری ، گروه تقارن انحصاری E 8 را آسان 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 ، مشکلات خاص خود را دارند. اما داشتن یک نقشه کلی از جهان و درک اینکه نقاط خالی زیادی از موارد ناشناخته در این نقشه وجود دارد بسیار مهم است. درک این نکته بسیار مهم است که علم یک دگم استخوان بندی نشده نیست ، بلکه یک فرایند زنده برای نزدیک شدن به حقیقت در بسیاری از نقاط نقشه جهان است. نزدیک شدن به حقیقت یک فرایند مجانبی است.

2.5 درباره تقلیل گرایی واقعی و مبتذل.این تصور که ساختارهای پیچیده تر در طبیعت از ساختارهای پیچیده کمتری و در نهایت از ساده ترین عناصر تشکیل شده اند ، معمولاً تقلیل گرایی نامیده می شود. از این نظر ، آنچه من سعی می کنم شما را متقاعد کنم تقلیل گرایی است. اما تقلیل گرایی مبتذل ، که ادعا می کند همه علوم را می توان به فیزیک ذرات بنیادی تقلیل داد ، کاملاً غیرقابل قبول است. در هر سطح پیچیدگی که به طور فزاینده ای بالاتر است ، الگوهای خاص آن شکل می گیرد و ظهور می کند. برای اینکه یک زیست شناس خوب باشید نیازی به دانستن فیزیک ذرات نیست. اما برای درک جایگاه و نقش آن در نظام علوم ، برای درک نقش اصلی ثابت ها ج و ساعت لازم به هر حال ، علم به عنوان یک کل ارگانیسم واحدی است.

2.6 در مورد علوم انسانی و علوم اجتماعی.درک کلی از ساختار جهان برای اقتصاد ، تاریخ و علوم شناختی مانند علوم زبان و فلسفه بسیار مهم است. و بالعکس - این علوم برای بنیادی ترین فیزیک ، که به طور مداوم مفاهیم اساسی خود را اصلاح می کند ، بسیار مهم هستند. این امر با توجه به نظریه نسبیت ، که اکنون به آن رجوع می کنم ، مشاهده خواهد شد. بخصوص در مورد علوم حقوقی خواهم گفت ، که برای رونق (و نه ذکر بقا) علوم طبیعی بسیار مهم هستند. من متقاعد شده ام که قوانین اجتماعی نباید مغایر با قوانین اساسی طبیعت باشند. قوانین بشری نباید با قوانین الهی طبیعت مغایرت داشته باشد.

2.7 میکرو ، ماکرو ، کاسمو.دنیای عادی ما از چیزهای بزرگ ، اما نه غول آسا ، معمولاً عالم کلان نامیده می شود. دنیای اجرام آسمانی را می توان جهان کیهان و جهان ذرات اتمی و زیر اتمی را عالم صغیر نامید. (از آنجا که اندازه اتمها در مرتبه 10 − 10 متر است ، منظور از عالم كوچك اجسامي است كه حداقل 4 يا حتي 10 مرتبه اندازه كوچكتر از يك ميكومتر و 1-7 مرتبه اندازه كوچكتر از يك نانومتر باشد. منطقه مدرن نانو در جاده از ميكرو قرار دارد در قرن XX ، به اصطلاح مدل استاندارد ذرات بنیادی ساخته شد ، که درک ساده و واضح بسیاری از قوانین کلان و جهان بر اساس قوانین خرد را امکان پذیر می سازد.

2.8 مدلهای مامدل ها در فیزیک نظری با کنار گذاشتن شرایط نامربوط ساخته می شوند. به عنوان مثال ، در فیزیک اتمی و هسته ای ، فعل و انفعالات گرانشی ذرات ناچیز است و می توان آنها را نادیده گرفت. چنین الگویی از جهان در نظریه خاص نسبیت جای می گیرد. این مدل دارای اتم ، مولکول ، اجسام متراکم ، ... شتاب دهنده ها و برخورد کننده ها است ، اما خورشید و ستاره ندارد.

چنین مدلی احتمالاً در مقیاس های بسیار بزرگ که جاذبه ضروری است اشتباه است.

البته وجود زمین (و به تبع آن جاذبه زمین) برای وجود CERN ضروری است ، اما برای درک اکثریت قریب به اتفاق آزمایشات انجام شده در CERN (به استثنای جستجوی در برخورد دهنده برای "سیاهچاله های" میکروسکوپی) ، گرانش ناچیز است.

2.9 تعداد سفارشات.یکی از مشکلات درک خصوصیات ذرات بنیادی با این واقعیت همراه است که آنها بسیار کوچک هستند و تعداد زیادی از آنها وجود دارد. یک قاشق آب حاوی تعداد زیادی اتم است (حدود 10 23). تعداد ستارگان در قسمت مرئی جهان خیلی کمتر نیست. از اعداد بزرگ نترسید. پس از همه ، اداره آنها دشوار نیست ، زیرا ضرب اعداد عمدتا به جمع ترتیب آنها کاهش می یابد: 1 \u003d 10 0 ، 10 \u003d 10 1 ، 100 \u003d 10 2. 10 را در 100 ضرب کنید تا 10 به دست آورید 1 + 2 \u003d 10 3 \u003d 1000.

2.10 یک قطره روغن.اگر یک قطره روغن با حجم 1 میلی لیتر روی سطح آب ریخته شود ، آنگاه به یک نقطه رنگین کمان با مساحت چندین متر مربع و ضخامت حدود صد نانومتر گسترش می یابد. این فقط سه مرتبه بزرگتر از اندازه یک اتم است. و ضخامت فیلم حباب صابون در باریک ترین مکان ها به اندازه اندازه مولکول ها است.

2.11 ژولییک باتری قلمی معمولی ولتاژ 1.5 ولت (V) دارد و شامل ذخیره انرژی الکتریکی 10 4 ژول (J) است. بگذارید یادآوری کنم که 1 J \u003d 1 کولن × 1 V و همچنین 1 J \u003d kg m 2 / s 2 و شتاب جاذبه حدود 10 m / s 2 است. بنابراین 1 ژول 1 کیلوگرم تا ارتفاع 10 سانتی متر و 10 4 J 100 کیلوگرم در 10 متر بلند می کند. انرژی زیادی توسط آسانسور برای بالا بردن دانش آموز به طبقه دهم مصرف می شود. این مقدار برق در باتری است.

2.12 الکترون ولتواحد انرژی در فیزیک ذرات بنیادی الکترون ولت (eV) است: انرژی 1 eV توسط 1 الکترون حاصل می شود که اختلاف پتانسیل 1 ولت را پشت سر گذاشته است. از آنجا که 6.24 · 10 18 الکترون در یک کولن وجود دارد ، بنابراین 1 J \u003d 6.24 · 10 18 eV.

1 keV \u003d 10 3 eV ، 1 MeV \u003d 10 6 eV ، 1 GeV \u003d 10 9 eV ، 1 TeV \u003d 10 12 eV.

بگذارید یادآوری کنم که انرژی یک پروتون در برخورد دهنده بزرگ هادرونی در CERN باید برابر با 7 TeV باشد.

3. درباره نظریه نسبیت

3.1 سیستم های مرجعما همه آزمایشات خود را در چارچوب مرجع یا این توصیف می کنیم. سیستم مرجع می تواند آزمایشگاه ، قطار ، ماهواره زمین ، مرکز کهکشان باشد .... هر ذره ای که مثلاً در شتاب دهنده ذرات پرواز می کند ، می تواند یک سیستم مرجع باشد. از آنجا که همه این سیستم ها نسبت به یکدیگر حرکت می کنند ، بنابراین همه آزمایشات در آنها یکسان به نظر نمی رسند. علاوه بر این ، اثر گرانشی نزدیکترین اجسام جرم در آنها متفاوت است. در نظر گرفتن این اختلافات است که محتوای اصلی نظریه نسبیت را تشکیل می دهد.

3.2 کشتی گالیله.گالیله اصل نسبیت را فرموله كرد و انواع آزمایشات را در كابین یك كشتی كه به راحتی قایقرانی داشت توصیف كرد. اگر پنجره ها پرده ای باشند ، با کمک این آزمایشات نمی توان فهمید که کشتی با چه سرعتی حرکت می کند و ایستاده نیست. انیشتین آزمایشاتی را با سرعت محدود نور به این کابین اضافه کرد. اگر از پنجره بیرون نگاه نکنید ، نمی توانید سرعت کشتی را بدانید. اما اگر به ساحل نگاه کنید ، می توانید.

3.3 ستاره های دور *.منطقی است که چنین چهارچوب مرجعی تعیین شود که افراد بتوانند نتایج تجربیات خود را بدون توجه به اینکه در کجا قرار دارند ، فرموله کنند. برای چنین چارچوب مرجع جهانی ، سیستمی که ستارگان دور در آن ساکن هستند مدتهاست پذیرفته شده است. و نسبتاً اخیراً (نیم قرن پیش) حتی اختروشهای دورتر نیز کشف شد و مشخص شد که پس زمینه مایکروویو باقیمانده باید در این سیستم ایزوتروپ باشد.

3.4 در جستجوی یک چارچوب مرجع جهانی *.اساساً ، کل تاریخ نجوم پیشرفتی است به سمت یک چارچوب مرجع جهانی به طور فزاینده. از انسان محور ، جایی که یک انسان در مرکز است ، تا ژئوسنتریک ، جایی که زمین در حال استراحت است در مرکز (بطلمیوس ، 87-165) ، تا هلیوسنترک ، جایی که خورشید در مرکز آن قرار دارد (کوپرنیک ، 1473-1543) ، تا کهکشان ، که در آن مرکز کهکشان ما قرار دارد ، تا سحابی ، جایی که سیستم سحابی ها - خوشه های کهکشان قرار دارد ، به پس زمینه ، جایی که زمینه مایکروویو کیهانی ایزوتروپیک است. با این وجود 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 های کره های آسمانی" ، که در سال 1543 منتشر شده است ، گفته شده است: "تمام حرکاتی که خورشید متوجه آن می شود چیز خاصی برای آن نیست ، بلکه مربوط به زمین و کره ماست که همراه آن مانند هر سیاره دیگری به دور خورشید می چرخیم. بنابراین ، زمین چندین حرکت دارد. حرکتهای به ظاهر جلو و عقب سیارات مربوط به آنها نیست بلکه مربوط به زمین است. بنابراین ، حرکت او به تنهایی برای توضیح تعداد بی نظمی قابل مشاهده در آسمان کافی است. "

کوپرنیک و کپلر (1530-1630) توصیف پدیدارشناسی ساده ای از حرکت شناسی این حرکات ارائه دادند. گالیله (1664–1564) و نیوتن (1727–1643) پویایی خود را توضیح دادند.

3.6 مکان و زمان جهانی *.مختصات مکانی و زمان را که به چارچوب مرجع جهانی ارجاع داده می شود ، می توان جهانی یا مطلق در هماهنگی کامل با نظریه نسبیت نامید. تأکید فقط بر این نکته مهم است که انتخاب این سیستم توسط ناظران محلی انجام شده و توافق می شود. هر چارچوب مرجعی که به نسبت چارچوب جهانی به جلو حرکت می کند اینرسی است: در آن حرکت آزاد یکنواخت و مستقیم است.

3.7 "نظریه عدم تحقق"*. توجه داشته باشید که هم آلبرت انیشتین (1895-1955) و هم ماکس پلانک (1858-1947) (که اصطلاح "نظریه نسبیت" را در سال 1907 معرفی کرد ، و آن را نظریه مطرح شده توسط انیشتین در سال 1905 خواند) معتقد بودند که اصطلاح "نظریه" عدم تحقق "می تواند ماهیت آن را با دقت بیشتری منعکس کند. اما ، ظاهراً ، در آغاز قرن 20 ، تأکید بر نسبیت مفاهیمی مانند زمان و همزمان در قاب مرجع اینرسی برابر از اهمیت بیشتری برخوردار بود تا اینکه یکی از این سیستم ها را جدا کنیم. از اهمیت بیشتری برخوردار بود که با پنجره های پرده دار کابین گالیله ، کشف سرعت کشتی غیرممکن بود. اما اکنون وقت آن است که پرده ها را باز کرده و به ساحل نگاه کنیم. در این حالت ، مطمئناً ، تمام الگوهای ایجاد شده با پرده های بسته ثابت نخواهند ماند.

3.8 نامه به چیمر*. در سال 1921 ، انیشتین در نامه ای به ای. اما به گفته انیشتین ، تغییر آن به ویژه به دلیل گسترده بودن ، خیلی دیر است. این نامه در جلد دوازدهم جلد 25 جلدی "آثار جمع آوری شده انیشتین" منتشر شده در پاییز 2009 ، چاپ شده در پرینستون.

3.9 حداکثر سرعت در طبیعت.ثابت کلیدی تئوری نسبیت ، سرعت نور است ج \u003d 300،000 کیلومتر در ثانیه \u003d 3 × 10 8 متر در ثانیه (دقیقتر، ج \u003d 299 792 458 متر بر ثانیه و این عدد اکنون مبنای تعریف متر است.) این سرعت حداکثر سرعت انتشار هر سیگنال در طبیعت است. قدر بسیاری از دستورات از سرعت اجسام عظیم است که هر روز با آنها سر و کار داریم. این ارزش بزرگ و غیرمعمول آن است که در درک محتوای اصلی نظریه نسبیت دخالت می کند. به ذراتی که با سرعت نظم سرعت نور حرکت می کنند نسبی گرایی گفته می شود.

3.10 انرژی ، حرکت و سرعت.حرکت آزاد یک ذره با انرژی ذره مشخص می شود E و انگیزه او پ... طبق نظریه نسبیت ، سرعت یک ذره v با فرمول تعریف شده است

یکی از دلایل اصلی سردرگمی اصطلاحی مورد بحث در بخش Sec. 3.14 ، در این واقعیت نهفته است که هنگام ایجاد نظریه نسبیت ، آنها سعی در حفظ ارتباط نیوتنی بین حرکت و سرعت داشتند پ = مترv، که با تئوری نسبیت مغایرت دارد.

3.11 وزن.جرم ذره متر با فرمول تعریف شده است

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

به طرز عجیبی ، اولین تک نگاری درباره نظریه نسبیت ، که در آن فرمول (2) ظاهر شد ، فقط در سال 1941 منتشر شد. این "نظریه های میدانی" توسط L. Landau (1908–1968) و E. Lifshitz (1915–1985) بود. من آن را در هیچ یک از آثار اینشتین پیدا نکرده ام. این کتاب در کتاب قابل توجه "نظریه نسبیت" نوشته W. Pauli (1900-1958) ، منتشر شده در 1921 وجود ندارد. اما معادله موج نسبی گرایانه حاوی این فرمول در کتاب "اصول مکانیک کوانتوم" نوشته P. Dirac ( 1902-1984) ، و حتی پیش از این در مقالات سال 1926 توسط O. Klein (1894-1977) و V. Fock (1898-1974).

3.12 فوتون بدون جرم.اگر جرم ذره صفر باشد ، یعنی ذره فاقد جرم باشد ، از فرمول (1) و (2) نتیجه می شود که سرعت آن در هر قاب مرجع ج... از آنجا که جرم ذره ای از نور - یک فوتون - آنقدر کوچک است که قابل تشخیص نیست ، به طور کلی پذیرفته می شود که برابر با صفر باشد و ج سرعت نور است.

3.13 انرژی را استراحت دهید.اگر جرم ذره غیر صفر باشد ، فریم مرجع را در نظر می گیریم که در آن ذره آزاد استراحت کرده و در آن قرار دارد v = 0, پ \u003d 0. چنین قاب مرجعی ، قاب استراحت ذره نامیده می شود و انرژی ذره در این قاب ، انرژی استراحت نامیده می شود و نشان داده می شود E 0... از فرمول (2) نتیجه می شود

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 صورت "معروف ترین فرمول" نوشته می شود E \u003d مک 2"، حذف شاخص صفر انرژی باقی مانده ، که منجر به سو numerous تفاهم و سردرگمی می شود. از این گذشته ، این "فرمول معروف" انرژی و جرم را مشخص می کند ، که با تئوری نسبیت به طور کلی و فرمول (2) به طور خاص مغایرت دارد. این منجر به یک تصور غلط گسترده می شود که بر اساس نظریه نسبیت ، جرم یک بدن ظاهراً با افزایش سرعت آن افزایش می یابد. در سالهای اخیر ، آکادمی آموزش و پرورش روسیه اقدامات زیادی را برای از بین بردن این باور غلط انجام داده است.

3.15 واحد سرعت*. در نظریه نسبیت ، که با سرعتی قابل مقایسه با سرعت نور سروکار دارد ، طبیعی است که انتخاب شود ج به عنوان یک واحد سرعت این انتخاب همه فرمول ها را ساده می کند ، از ج/ج\u003d 1 ، و در آنها باید قرار داده شود ج \u003d 1. در این حالت ، سرعت به یک کمیت بدون بعد تبدیل می شود ، فاصله بعد زمان دارد و جرم بعد انرژی.

در فیزیک ذرات ابتدایی ، جرم ذرات معمولاً در الکترون ولت - eV و مشتقات آنها اندازه گیری می شوند (به بخش 2.14 مراجعه کنید). جرم الکترون در حدود 0.5 MeV ، جرم پروتون در حدود 1 GeV ، جرم سنگین ترین کوارک در حدود 170 GeV و جرم نوترینو در حدود کسرهای EV است.

3.16 فواصل نجومی*. در نجوم ، فاصله ها در سالهای نوری اندازه گیری می شوند. قسمت مرئی جهان حدود 14 میلیارد سال نوری است. این عدد اگر آن را با زمان 10 − 24 ثانیه مقایسه کنیم ، در طی آن نور فاصله ای از اندازه پروتون را طی می کند ، حتی احساس قویتری ایجاد می کند. و نظریه نسبیت در تمام این دامنه عظیم کار می کند.

3.17 دنیای مینکوفسکی.هرمان مینکوفسکی (1909-1864) در سال 1908 ، چند ماه قبل از مرگ نابهنگام خود ، به نبوت گفت: "دیدگاه های مربوط به مکان و زمان ، که قصد دارم قبل از شما توسعه دهم ، به صورت تجربی - فیزیکی مطرح شد. این قدرت آنهاست. روند آنها رادیکال است. از این پس ، خود فضا و زمان باید به داستان تبدیل شوند و فقط نوعی از ترکیب هر دو باید استقلال را حفظ کند. "

یک قرن بعد ، ما می دانیم که زمان و مکان به داستان تبدیل نشده است ، اما ایده مینکوفسکی توصیف حرکات و فعل و انفعالات ذرات ماده را به راحتی امکان پذیر می کند.

3.18 دنیای چهار بعدی*. در واحدهایی که ج \u003d 1 ، ایده جهان مینکوفسکی به ویژه زیبا به نظر می رسد ، که زمان و فضای سه بعدی را به یک جهان چهار بعدی واحد متحد می کند. انرژی و تکانه به یک بردار چهار بعدی واحد ترکیب می شوند و جرم مطابق با معادله (2) به عنوان طول شبه اقلیدسی این 4 بردار انرژی-حرکت است. پ = E, پ:

خط سیر چهار بعدی در جهان مینکوفسکی خط جهان و به نقاط منفرد نقاط جهان گفته می شود.

3.19. وابستگی ساعت به سرعت آن**. مشاهدات متعدد نشان می دهد که ساعت ها در حالت استراحت نسبت به قاب اینرسی سریع ترین عملکرد را دارند. حرکت محدود در چارچوب مرجع اینرسی سرعت پیشرفت آنها را کاهش می دهد. هرچه سریعتر در فضا حرکت کنند ، به مرور زمان کندتر می شوند. کاهش سرعت در چارچوب مرجع جهانی مطلق است (بخشهای 3.1-3.8 را ببینید). معیار آن نسبت است E / m، که غالباً با حرف γ نشان داده می شود.

3.20 میون در یک شتاب دهنده حلقه و در حالت استراحت**. وجود این کاهش سرعت را به وضوح می توان با مقایسه طول عمر یک میون در حالت استراحت و یک میون که در یک شتاب دهنده حلقه می چرخد \u200b\u200b، مشاهده کرد. این واقعیت که در یک شتاب دهنده یک میون کاملاً آزاد حرکت نمی کند ، بلکه دارای شتاب گریز از مرکز است ω 2 Rجایی که ω فرکانس شعاعی انقلاب است ، و R - شعاع مدار ، فقط یک اصلاح ناچیز می کند ، از آنجا که E / ω 2 R \u003d ER 1. حرکت در یک دایره ، و نه در یک خط مستقیم ، برای مقایسه مستقیم میون چرخان با میون در حالت استراحت کاملاً ضروری است. اما با توجه به میزان پیری یک میون متحرک ، یک قوس دایره با شعاع کاملاً بزرگ از خط مستقیم قابل تشخیص نیست. این سرعت با نگرش تعیین می شود E / m... (تأکید می کنم که طبق نظریه خاص نسبیت ، چارچوب مرجعی که یک میون چرخان در آن در حالت استراحت است ، بی اثر نیست.

3.21. آرک و آکورد**. از نظر مشاهده گر در حال استراحت در یک چارچوب مرجع اینرسی ، قوس دایره ای از شعاع به اندازه کافی بزرگ و وتر آن عملاً قابل تشخیص نیست: حرکت در امتداد قوس تقریباً لخت است. از دید یک مشاهده گر در حال استراحت نسبت به میونی که در یک دایره پرواز می کند ، حرکت آن اساساً بی حرکت نیست. از این گذشته ، سرعت آن در نیم دور تغییر می کند. (برای یک ناظر متحرک ، ستاره های دور به هیچ وجه ثابت نیستند. کل جهان برای او نامتقارن است: ستاره های مقابل آبی و پشت قرمز هستند. در حالی که برای ما همه یکسان هستند - طلایی ، زیرا سرعت منظومه شمسی کم است.) و غیر اینرسی این ناظر خود را نشان می دهد این واقعیت که با حرکت میون در شتاب دهنده حلقه ، صورت های فلکی در جلو و پشت تغییر می کنند. ما نمی توانیم یک ثابت و یک مشاهده گر متحرک را معادل بدانیم ، زیرا اولی هیچ شتابی را تجربه نمی کند و دومی برای بازگشت به محل جلسه باید آن را تجربه کند.

3.22 نسبیت عام**. فیزیکدانان نظری که به زبان نسبیت عام (GR) عادت کرده اند اصرار دارند که همه چارچوب های مرجع برابر هستند. نه تنها اینرسی ، بلکه تسریع شده است. آن فضا-زمان خودش کج است. در این حالت ، فعل و انفعال گرانشی متوقف می شود همان فعل و انفعال فیزیکی همان الکترومغناطیسی ، ضعیف و قوی است ، اما به یک جلوه انحصاری از فضای منحنی تبدیل می شود. در نتیجه ، به نظر می رسد که تمام فیزیک آنها به دو قسمت تقسیم شده است. اگر از این واقعیت پیش برویم که شتاب همیشه ناشی از برهم کنش است ، نسبی نیست بلکه مطلق است ، در این صورت فیزیک یکپارچه و ساده می شود.

3.23 لنکوماستفاده از کلمات "نسبیت" و "نسبی گرایی" در رابطه با سرعت نور شبیه نام تئاتر "لنکوم" یا روزنامه "Moskovsky Komsomolets" است که فقط از نظر شجره نامه با کومسومول مرتبط است. این پارادوکس های زبانی است. سرعت نور در خلاiness نسبی نیست. مطلق است فیزیکدانان فقط به کمک زبان شناسان نیاز دارند.

4. درباره نظریه کوانتوم

4.1 ثابت پلانک.اگر در تئوری نسبیت ثابت کلید سرعت نور است ج، سپس در مکانیک کوانتوم ثابت کلید است ساعت \u003d 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 به اصطلاح کاهش یافته پلانک در فرمول های مکانیک کوانتوم ظاهر می شود:

ħ = h / 2π \u003d 1.05 10 −34 J ج \u003d 6.58 · 10 − 22 MeV · ثانیه

در بسیاری از پدیده ها ، کمیت .c \u003d 1.97 · 10 − 11 MeV · سانتی متر.

4.2 چرخش الکترون.بیایید با مقایسه ساده لوحانه یک اتم با یک سیستم سیاره ای شروع کنیم. سیارات به دور خورشید و به دور محور خود می چرخند. به همین ترتیب ، الکترون ها به دور هسته و اطراف محور خود می چرخند. چرخش مداری الکترون با حرکت زاویه ای مداری مشخص می شود ل (غالباً و بطور صحیح به آن مومنتوم زاویه ای مداری گفته نمی شود). چرخش الکترون به دور محور خود با چرخش زاویه ای خاص خود مشخص می شود S... معلوم شد که تمام الکترونهای جهان چرخش برابر با (1/2) دارند ħ ... برای مقایسه ، توجه داریم که "چرخش" زمین 6 · 10 33 متر مربع · کیلوگرم بر ثانیه \u003d 6 · 10 67 است ħ .

4.3 اتم هیدروژن.در حقیقت ، یک اتم یک سیستم سیاره ای نیست ، و یک الکترون یک ذره معمولی نیست که در مدار حرکت می کند. الکترون ، مانند تمام ذرات بنیادی دیگر ، به معنای روزمره کلمه اصلاً ذره ای نیست ، و این بدان معناست که یک ذره باید در امتداد یک مسیر خاص حرکت کند. در ساده ترین اتم - اتم هیدروژن ، اگر در حالت پایه باشد ، یعنی هیجان زده نباشد ، الکترون بیشتر شبیه ابری کروی با شعاع تقریباً 0.5 · 10 − 10 متر است. با برانگیخته شدن اتم ، الکترون به حالات بالاتر می رود افزایش اندازه

4.4 تعداد کوانتوم الکترون.بدون در نظر گرفتن چرخش ، حرکت الکترون در یک اتم با دو عدد کوانتوم مشخص می شود: عدد اصلی کوانتوم n و عدد کوانتومی مداری من، و n ≥ من... اگر یک من \u003d 0 ، سپس الکترون یک ابر متقارن کروی است. هرچه n بزرگتر باشد ، اندازه این ابر بزرگتر است. بیشتر من، هر چه حرکت الکترون بیشتر شبیه حرکت ذره ای کلاسیک در مدار آن باشد. انرژی اتصال الکترون در یک اتم هیدروژن روی پوسته ای با تعداد کوانتوم n، برابر است

جایی که α = e 2/.c ≈ 1/137 ، الف ه بار الکترون است.

4.5 اتم های چند الکترون.اسپین در پر کردن پوسته های الکترون از اتم های بسیاری از الکترون نقش اساسی دارد. واقعیت این است که دو الکترون با چرخش مناسب یکسان (چرخش های یکسان) نمی توانند با مقادیر داده شده در یک پوسته باشند n و من... این به اصطلاح اصل پائولی (19500 تا 1900) ممنوع است. اساساً ، اصل پائولی دوره های جدول تناوبی عناصر مندلیف را تعیین می کند (1907-1834).

4.6 بوزون و فرمیون.تمام ذرات بنیادی چرخش دارند. بنابراین ، چرخش یک فوتون 1 واحد است ħ ، چرخش گراویتون 2 است. ذرات با عدد صحیح می چرخند ħ نام بوزون ها را دریافت کرد. به ذرات با چرخش نیم عدد صحیح فرمونی گفته می شود. بوسون ها جمع گرایان هستند: "همه آنها تلاش می کنند در یک اتاق زندگی کنند" ، تا در یک حالت کوانتومی یکسان باشند. لیزر بر اساس این خاصیت فوتون ها ساخته شده است: تمام فوتون های موجود در پرتوی لیزر دقیقاً لحظه یکسانی دارند. فرمیون فردگرا هستند: "هر یک از آنها به یک آپارتمان جداگانه احتیاج دارند." این خاصیت الکترون ، قاعده های پر شدن پوسته های الکترون از اتم ها را تعیین می کند.

4.7 "سانتاورهای کوانتومی".ذرات ابتدایی مانند سانتاورهای کوانتومی هستند: نیمه ذرات - نیمه موج ها. سانتاورهای کوانتومی به دلیل خواص موجی که دارند ، برخلاف ذرات کلاسیک ، می توانند از طریق دو شکاف همزمان عبور کنند و الگوی تداخلی در صفحه پشت ایجاد کنند. تمام تلاش ها برای جا دادن سانتاورهای کوانتومی در بستر Procrustean از مفاهیم فیزیک کلاسیک ثابت نشده است.

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

رابطه مشابهی برای انرژی و زمان وجود دارد:

4.9 مکانیک کوانتومی.روابط کوانتاسیون و عدم قطعیت هر دو تجلی خاصی از قوانین کلی مکانیک کوانتوم هستند که در دهه 1920 ایجاد شده اند. طبق مکانیک کوانتوم ، هر ذره ابتدایی ، به عنوان مثال یک الکترون ، هم یک ذره ابتدایی است و هم یک موج ابتدایی (یک ذره) است. علاوه بر این ، برخلاف یک موج معمولی ، که یک حرکت دوره ای از تعداد عظیم ذرات است ، یک موج ابتدایی نوعی حرکت جدید و قبلاً ناشناخته یک ذره منفرد است. طول موج ابتدایی λ یک ذره با حرکت پ برابر با λ \u003d است ساعت/|پ| ، و فرکانس ابتدایی ν مربوط به انرژی E، برابر است ν \u003d E / h.

4.10 نظریه میدان کوانتومی.بنابراین ، در ابتدا ما مجبور شدیم بپذیریم که ذرات می توانند خودسرانه سبک و حتی بدون جرم باشند و سرعت آنها نمی تواند بیش از ج... سپس مجبور شدیم بپذیریم که ذرات اصلاً ذرات نیستند ، بلکه ترکیبی خاص از ذرات و امواج هستند که رفتار آنها با یک کوانتوم ترکیب می شود ساعت... یکسان سازی نظریه نسبیت و مکانیک کوانتوم توسط دیراک (1984-1902) در سال 1930 انجام شد و منجر به ایجاد نظریه ای شد که تئوری میدان کوانتوم نامیده می شد. این نظریه است که خصوصیات اساسی ماده را توصیف می کند.

4.11 واحدهایی که در آنها ج, ħ = 1. در ادامه ، ما قاعدتاً از چنین واحدهایی استفاده خواهیم کرد که واحد سرعت در آنها گرفته شده است ج، و در هر واحد ضربه زاویه ای (عمل) - ħ ... در این واحدها ، همه فرمول ها بسیار ساده شده اند. به ویژه در آنها ابعاد انرژی ، جرم و فرکانس یکسان است. این واحدها در فیزیک پر انرژی پذیرفته می شوند ، زیرا پدیده های کوانتومی و نسبی در آن ضروری هستند. در مواردی که لازم است بر ماهیت کوانتومی این یا آن پدیده تأکید کنیم ، ما صریحاً آن را خواهیم نوشت ħ ... ما نیز همین کار را خواهیم کرد ج.

4.12 انیشتین و مکانیک کوانتوم *.انیشتین ، به تعبیری مکانیک کوانتوم را به دنیا آورد ، با آن کنار نیامد. و تا پایان عمر خود سعی کرد "تئوری واحد در مورد همه چیز" را بر اساس نظریه میدان کلاسیک بسازد ، ħ ... اینشتین به جبرگرایی کلاسیک و غیرقابل قبول بودن شانس اعتقاد داشت. وی درباره خدا تکرار کرد: "او تاس بازی نمی کند." و او نمی توانست با این واقعیت کنار بیاید که در اصل ، لحظه پوسیدگی یک ذره منفرد قابل پیش بینی نیست ، اگرچه متوسط \u200b\u200bطول عمر یک نوع ذره خاص در چارچوب مکانیک کوانتوم با دقت بی سابقه ای پیش بینی شده است. متأسفانه ، اعتیاد وی دیدگاه بسیاری از افراد را تعیین کرده است.

5. نمودارهای فاینمن

5.1 ساده ترین نمودار.در نظر گرفتن فعل و انفعالات ذرات با استفاده از نمودارهای پیشنهادی ریچارد فاینمن (1918–1988) در سال 1949 راحت است. در شکل. 1 ساده ترین نمودار فاینمن را نشان می دهد که برهم کنش الکترون و پروتون از طریق تبادل فوتون را توصیف می کند.

پیکان های شکل جهت جریان زمان برای هر ذره را نشان می دهد.

5.2 ذرات واقعی.هر فرآیند مربوط به یک یا چند نمودار فاینمن است. خطوط خارجی موجود در نمودار مربوط به ذرات ورودی (قبل از تعامل) و خروجی (پس از تعامل) هستند که رایگان هستند. p 4 لحظه ای آنها معادله را برآورده می کند

آنها ذرات واقعی نامیده می شوند و گفته می شود روی پوسته جرم هستند.

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

آنها ذرات مجازی نامیده می شوند و گفته می شود پوسته ای خارج از جرم هستند. تکثیر یک ذره مجازی توسط یک مقدار ریاضی به نام propagator توصیف می شود.

این اصطلاحات رایج ممکن است یک مبتدی را به این فکر بیندازد که ذرات مجازی از ذرات واقعی ماده کمتری هستند. در واقعیت ، آنها به همان اندازه مادی هستند ، اما ما ذرات واقعی را به عنوان ماده و تابش ، و ذرات مجازی - عمدتا به عنوان میدان های نیرو ، تصور می کنیم ، گرچه این تفاوت تا حد زیادی دلخواه است. مهم است که یک ذره ، به عنوان مثال یک فوتون یا یک الکترون ، در برخی شرایط می تواند واقعی و در برخی دیگر مجازی باشد.

5.4 رگه ها.رئوس نمودار اقدامات محلی فعل و انفعالات اولیه بین ذرات را توصیف می کند. در هر راس ، 4 حرکت ذخیره می شود. به راحتی می توان فهمید که اگر سه خط ذره 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 بماند).

دو ذره واقعی در فاصله متقابل ، یک یا چند ذره مجازی را رد و بدل می کنند.

5.5 گسترش.اگر گفته می شود ذرات واقعی در حال حرکت هستند ، گفته می شود ذرات مجازی منتشر می شوند. اصطلاح "انتشار" بر این واقعیت تأکید دارد 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 تعامل ساکن کولن را توصیف می کند.

5.6 ضد ذراتویژگی قابل توجه نمودارهای فاینمن این است که آنها ذرات و ذرات مربوطه را به روشی واحد توصیف می کنند. در این حالت ، آنتی ذره مانند ذره ای است که از نظر زمان به عقب حرکت می کند. در شکل 2 یک نمودار را نشان می دهد که تولید پروتون و آنتی پروتون را در هنگام نابودی الکترون و پوزیترون نشان می دهد.

حرکت رو به عقب در زمان برای فرمیون ها و بوزون ها به یک اندازه قابل استفاده است. تفسیر پوزیترونها به حالتهای پر نشده در دریایی از الکترونها با انرژی منفی ، غیر ضروری است ، زیرا دیراک هنگام معرفی مفهوم ضد ذره در سال 1930 به آنها متوسل شد.

5.7 نمودارهای شوینگر و فاینمن.شوینگر (1918–1994) ، كه به دشواریهای محاسباتی اهمیتی نمی داد ، نمودارهای فاینمن را دوست نداشت و در مورد آنها تا حدودی تسلیم آمیز می نوشت: "مانند یك تراشه رایانه ای در سالهای اخیر ، نمودار فاینمن محاسبات را برای توده ها انجام می داد." متأسفانه ، نمودارهای فاینمن برخلاف تراشه به گسترده ترین توده ها نرسیدند.

5.8 نمودارهای فاینمن و فاینمن.به دلایل نامعلوم ، نمودارهای فاینمن حتی به "سخنرانی های فاینمن درباره فیزیک" معروف نرسیدند. من مطمئن هستم که باید آنها را برای دانش آموزان دبیرستان آورد ، و ایده های اساسی فیزیک ذرات را برای آنها توضیح داد. این ساده ترین نگاه به عالم صغیر و به طور کلی جهان است. اگر دانش آموزی مفهوم انرژی پتانسیل را می داند (به عنوان مثال قانون نیوتن یا قانون کولن) ، نمودارهای فاینمن به او اجازه می دهند عبارتی برای این انرژی بالقوه بدست آورد.

5.9 ذرات مجازی و زمینه های نیروی فیزیکی.نمودارهای فاینمن ساده ترین زبان تئوری میدان کوانتومی هستند. (حداقل در مواردی که کنش متقابل چندان قوی نیست و می توان از تئوری اغتشاش استفاده کرد.) در بیشتر کتابهای مربوط به تئوری میدان کوانتومی ، ذرات به عنوان تحریکات کوانتومی زمینه ها در نظر گرفته می شوند ، که این امر مستلزم آشنایی با فرمالیسم کوانتیزاسیون ثانویه است. در زبان نمودارهای فاینمن ، قسمتها با ذرات مجازی جایگزین می شوند.

ذرات ابتدایی هم خاصیت بدن و هم موج دارند. علاوه بر این ، در حالت واقعی ، آنها ذرات ماده هستند و در حالت مجازی ، آنها همچنین ناقل نیروهایی بین اشیا material مادی هستند. پس از معرفی ذرات مجازی ، مفهوم نیرو غیر ضروری می شود و مفهوم یک زمینه ، اگر قبلاً با آن آشنا نبوده اید ، احتمالاً باید پس از تسلط بر مفهوم ذره مجازی ، آشنا شوید.

5.10 فعل و انفعالات ابتدایی*. اعمال ابتدایی انتشار و جذب ذرات مجازی (راس) با ثابتهای متقابل مانند بار الکتریکی در مورد فوتون ، بارهای ضعیف مشخص می شود e / sin θ W در مورد بوزون W و e / sin θ W cos θ W در مورد Z-boson (جایی که θ W - زاویه وینبرگ) ، بار رنگی g در مورد گلوئون ها و مقدار آن G در مورد یک گراویتون ، کجا G ثابت نیوتن است. (به بخش 6-10 مراجعه کنید.) در زیر در مورد تعامل الکترومغناطیسی بحث شده است. 7. تعامل ضعیف - در Ch. 8. قوی - در ch. نه.

در فصل بعدی شروع خواهیم کرد. 6 با تعامل گرانشی.

6. 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 هستند - گراویتون ها. نه تنها جاذبه ها هنوز کشف نشده اند ، بلکه امواج گرانشی نیز کشف شده اند (و این همزمان با نفوذ امواج الکترومغناطیسی به معنای واقعی کلمه در زندگی ماست). این به دلیل این واقعیت است که در انرژی های کم تعامل گرانشی بسیار ضعیف است. همانطور که خواهیم دید ، تئوری جاذبه ها به ما اجازه می دهد تا تمام خصوصیات شناخته شده فعل و انفعال گرانش را درک کنیم.

6.2 تبادل جاذبه ها.در زبان نمودارهای فاینمن ، تعامل 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 مومن p 1 ساطع می شود و توسط ذره دیگری با 4 مومنت p 2 جذب می شود. q \u003d p 1 - p ′ 1 \u003d p ′ 2 −p 2 ، که در آن q 4 حرکت گراویتون است.

تکثیر یک گراویتون مجازی (مانند هر ذره مجازی ، مایع پخش کننده به آن پاسخ می دهد) در شکل توسط یک فنر نشان داده شده است.

6.3 اتم هیدروژن در میدان جاذبه زمین.در شکل 4 مجموع نمودارهایی را نشان می دهد که در آن یک اتم هیدروژن با یک مومنتوم 4 p 1 با تمام اتمهای کره زمین که مجموعاً دارای 4 تکانه p2 هستند ، گراویتون مبادله می کند. و در این حالت q \u003d p 1 - p ′ 1 \u003d p ′ 2 - p 2 ، جایی که q مجموع 4 تکانه گرانون های مجازی است.

6.4 در مورد جرم یک اتم.در ادامه ، هنگام بررسی فعل و انفعال گرانشی ، ما از جرم الکترون در مقایسه با جرم پروتون غافل می شویم ، و همچنین از اختلاف بین جرم های پروتون و نوترون و انرژی اتصال هسته های هسته ای غافل می شویم. بنابراین جرم یک اتم تقریباً مجموع جرم هسته های هسته هسته ای است.

6.5 کسب کردن*. تعداد نوکلئون های زمین N E 6 3.6 · 10 51 برابر است با حاصل تعداد تعداد هسته های یک گرم ماده زمینی ، یعنی عدد آووگادرو N A ≈ 6 · 10 23 ، توسط جرم زمین در گرم ≈ 6 · 10 27. بنابراین ، نمودار در شکل 4 مجموع 3.6 · 10 51 نمودار در شکل است. 3 ، که با ضخیم شدن خطوط زمین و جاذبه های مجازی در شکل مشخص شده است. 4- علاوه بر این ، "چشمه گراویتون" ، در مقابل با 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 جاذبه زمین.در شکل 5 ، تمام اتمهای سیب با 4 تکانه p 1 در تعامل با تمام اتمهای کره با مجموع 4 تکانه p 2 هستند.

6.7 تعداد نمودارها*. بگذارید یادآوری کنم که یک گرم ماده معمولی شامل N A \u003d 6 · 1023 نوکلئون است. تعداد نوکلئونهای یک سیب 100 گرمی N a \u003d 100N A \u003d 6 · 10 25. جرم زمین 6 · 10 27 گرم است و بنابراین تعداد هسته های زمین N E \u003d 6/3 · 10 51 است. البته ، ضخیم شدن خطوط در شکل 5 به هیچ وجه با تعداد زیادی از نوکلئونهای سیب N a ، نوکلئونهای زمین N E و تعداد بسیار بزرگتر و بسیار خارق العاده نمودارهای فاینمن مطابقت ندارد N d \u003d N a N E \u003d 2.2 · 10 77. به هر حال ، هر هسته سیب با هر هسته هسته زمین ارتباط برقرار می کند. برای تأکید بر تعداد عظیم نمودارها ، بهار در شکل است. 5 تیره ساخته شده است.

اگرچه فعل و انفعال گراویتون با یک ذره ابتدایی منفرد بسیار ناچیز است ، اما مجموع نمودارهای مربوط به تمام نوکلئون های زمین ، جاذبه قابل توجهی را ایجاد می کند که احساس می کنیم. جاذبه جهانی ماه را به سمت زمین می کشاند ، هر دو به سمت خورشید ، همه ستاره های کهکشان ما و همه کهکشان ها به یکدیگر.

6.8 دامنه فاینمن و تبدیل فوریه آن***.

نمودار فاینمن برهم کنش گرانشی دو جسم کند با جرم m 1 و m 2 مربوط به دامنه فاینمن است

جایی که G ثابت نیوتن است ، a س - حرکت 3 گام توسط جاذبه های مجازی. (کمیت 1 / q 2جایی که س - 4 حرکت ، به نام پروپاکتور گراویتون. در مورد اجسام کند ، عملاً انرژی منتقل نمی شود و بنابراین q 2 = −س 2 .)

برای عبور از فضای حرکت به فضای پیکربندی (مختصات) ، باید تبدیل فوریه دامنه A را بدست آورد ( س)

مقدار A ( ر) انرژی بالقوه فعل و انفعال گرانشی ذرات غیر نسبی را می دهد و حرکت یک ذره نسبی را در یک میدان گرانشی ثابت تعیین می کند.

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

جایی که G ثابت نیوتن است ، a ر - فاصله بین بدن.

این انرژی در "چشمه" جاذبه های مجازی موجود در شکل موجود است. 5. تعامل ، پتانسیل آن به عنوان 1 کاهش می یابد ر، دوربرد نامیده می شود. با استفاده از تبدیل فوریه ، می توان فهمید که گرانش دوربرد دارد ، زیرا گراویتون بدون جرم است.

6.10 پتانسیل نوع یوکاوا**. در واقع ، اگر گراویتون جرم غیر صفر داشت متر، سپس دامنه فاینمن برای مبادله فرم خواهد داشت

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

6.11 درباره انرژی بالقوه**. در مکانیک نیوتونی غیر نسبی ، انرژی جنبشی ذره به سرعت (تکانه) آن بستگی دارد و انرژی پتانسیل فقط به مختصات آن ، یعنی موقعیت آن در فضا بستگی دارد. در مکانیک نسبی گرایی ، این نیاز نمی تواند حفظ شود ، زیرا تعامل ذرات اغلب به سرعت آنها (گشتاور) و در نتیجه به انرژی جنبشی بستگی دارد. با این حال ، برای میدانهای گرانشی معمولی ، به اندازه کافی ضعیف ، تغییر در انرژی جنبشی یک ذره در مقایسه با انرژی کل آن اندک است و بنابراین می توان از این تغییر غافل شد. انرژی کل یک ذره غیر نسبی در یک میدان گرانشی ضعیف را می توان به شکل ε \u003d نوشت E خویشاوند + E 0 + تو.

6.12 جهانی بودن گرانش.برخلاف سایر فعل و انفعالات ، گرانش دارای ویژگی قابل توجه جهانی بودن است. فعل و انفعال گراویتون با هر ذره به خصوصیات این ذره بستگی ندارد بلکه فقط به میزان انرژی ذره بستگی دارد. اگر این ذره کند است ، پس انرژی استراحت آن است E 0 = مک 2موجود در جرم آن بسیار بیشتر از انرژی جنبشی آن است. و بنابراین ، اثر متقابل گرانشی آن متناسب با جرم آن است. اما برای یک ذره به اندازه کافی سریع ، انرژی جنبشی آن بسیار بیشتر از جرم آن است. در این حالت ، فعل و انفعال گرانشی آن عملا مستقل از جرم است و متناسب با انرژی جنبشی آن است.

6.13 چرخش جاذبه و جهانی جاذبه**. به عبارت دقیق تر ، انتشار یک گراویتون نه فقط با انرژی بلکه با تنسور حرکت انرژی ذره متناسب است. و این ، به نوبه خود ، به این دلیل است که چرخش گراویتون برابر با دو است. اجازه دهید حرکت 4 ذره قبل از انتشار گراویتون باشد پ 1 ، و پس از انتشار پ 2 سپس حرکت گراویتون است س = پ 1 − پ 2 اگر وارد تعیین شوید پ = پ 1 + پ 2 ، سپس راس انتشار graviton شکل خواهد داشت

که در آن h αβ تابع موج graviton است.

6.14 اثر متقابل گراویتون با فوتون**. این امر به ویژه در نمونه فوتونی که جرم آن برابر با صفر است به وضوح دیده می شود. به طور تجربی ثابت شده است که وقتی فوتونی از طبقه پایین ساختمان به طبقه فوقانی پرواز می کند ، تحت تأثیر جاذبه زمین ، حرکت آن کاهش می یابد. همچنین ثابت شده است که پرتوی نوری از یک ستاره دور با جاذبه جاذبه خورشید منحرف می شود.

6.15 برهم کنش فوتون با زمین**. در شکل 6 تبادل جاذبه ها بین زمین و فوتون را نشان می دهد. این شکل به طور متعارف مجموع ارقام تبادل گراویتون یک فوتون با تمام نوکلئونهای زمین است. بر روی آن ، بالای زمین با ضرب در تعداد هسته های موجود در N N با جایگزینی متناوب 4 مومنتوم یک هسته با 4 مومنتوم زمین ، از نوکلئون بدست می آید (شکل 3 را ببینید).

6.16 فعل و انفعال گراویتون با گراویتون***. از آنجا که گراویتون ها انرژی حمل می کنند ، خود آنها باید گراویتون را ساطع کرده و جذب کنند. ما گراویتون واقعی را ندیده ایم و هرگز نخواهیم دید. با این وجود ، فعل و انفعال بین گراویتون های مجازی منجر به تأثیرات مشاهده شده می شود.در نگاه اول ، سه گراویتون مجازی در فعل و انفعال گرانشی دو هسته بسیار کوچک است و قابل تشخیص نیست (شکل 7 را ببینید).

6.17 امتیاز سکولار عطارد**. با این حال ، این سهم در ترجیح پیراهن مدار مدار عطارد آشکار می شود. امتیاز دنیوی عطارد با مجموع نمودارهای یک حلقه ای جاذبه عطارد به خورشید توصیف می شود (شکل 8).

6.18 سود جیوه**. نسبت جرم عطارد و زمین 055/0 است. بنابراین تعداد هسته های موجود در عطارد است N M = 0,055 N E \u003d 2 10 50 توده خورشید اماس \u003d 2 10 33 گرم بنابراین تعداد هسته های خورشید N S \u003d N A M S \u003d 1.2 10 57. و تعداد نمودارهای توصیف کننده تعامل گرانشی هسته های هسته و خورشید ، N dM \u003d 2.4 10 107.

اگر انرژی جذب بالقوه عطارد به خورشید باشد تو = GM S M M/ر، سپس پس از در نظر گرفتن اصلاح مورد بحث برای برهم کنش جاذبه های مجازی با یکدیگر ، در ضریب 1 - 3 ضرب می شود GM S/ر... می بینیم که اصلاح انرژی پتانسیل −3 است G 2 M S 2 M M / r 2.

6.19 مدار جیوه**. شعاع مداری عطارد آ \u003d 58 10 6 کیلومتر. دوره مداری 88 روز زمینی است. خارج از مرکز بودن مداری ه \u003d 0.21. به دلیل اصلاح بحث شده ، محور نیمه اصلی مدار از زاویه 6π می چرخد GM S/آ(1 − ه 2) ، یعنی تقریباً یک دهم قوس ثانیه و در 100 سال زمینی با "43" چرخش می کند.

6.20 شیفت بره جاذبه**. هر کسی که الکترودینامیک کوانتوم را مطالعه کرده است ، بلافاصله می بیند که نمودار در شکل است. 7 مانند نمودار مثلثی است که تغییر فرکانس (انرژی) سطح 2 را توصیف می کند S 1/2 نسبت به سطح 2 پ 1/2 در یک اتم هیدروژن (مثلث آنجا از یک خط فوتون و دو الکترون تشکیل شده است). این تغییر در سال 1947 توسط Lamb و Rutherford اندازه گیری شد و مشخص شد 1060 مگاهرتز (1.06 گیگاهرتز) است.

این اندازه گیری یک واکنش زنجیره ای از کارهای نظری و تجربی را آغاز کرد که منجر به ایجاد الکترودینامیک کوانتوم و نمودارهای فاینمن شد. فرکانس حق امتیاز عطارد 25 مرتبه کمتر است.

6.21. جلوه کلاسیک یا کوانتومی؟**. کاملاً مشهور است که تغییر سطح انرژی بره یک اثر کاملاً کوانتومی است ، در حالی که حق تقدم عطارد صرفاً یک اثر کلاسیک است. چگونه می توان آنها را با نمودارهای مشابه فاینمن توصیف کرد؟

برای پاسخ به این سوال ، باید نسبت را به خاطر بسپارید E = ħω و در نظر بگیرید که تبدیل فوریه در انتقال از فضای حرکت به فضای پیکربندی در Sec. 6.8 حاوی e من qr / ħ ... علاوه بر این ، باید در نظر گرفته شود که در مثلث الکترومغناطیسی تغییر بره فقط یک خط از یک ذره بدون جرم (فوتون) وجود دارد ، و دو نفر دیگر انتشار دهنده الکترون هستند. بنابراین ، فاصله مشخصه در آن توسط جرم الکترون (طول موج کامپتون الکترون) تعیین می شود. و در مثلث ترجیح عطارد دو عامل انتشار یک ذره بدون جرم (گراویتون) وجود دارد. این شرایط ، به دلیل راس سه گرانون ، منجر به این واقعیت می شود که مثلث گرانشی در فواصل غیر قابل مقایسه بیشتر از مثلث الکترومغناطیسی ، سهمی دارد. این مقایسه قدرت تئوری میدان کوانتومی را در روش نمودارهای فاینمن نشان می دهد ، که درک و محاسبه طیف گسترده ای از پدیده ها ، چه کوانتومی و کلاسیک را آسان می کند.

7. برهم کنش الکترومغناطیسی

7.1 تعامل برقبرهم کنش الکتریکی ذرات با تبادل فوتون های مجازی انجام می شود ، همانطور که در شکل نشان داده شده است. نوزده

فوتون ها نیز مانند جاذبه ها ذرات بدون جرم هستند. بنابراین فعل و انفعال الکتریکی نیز دوربرد است:

چرا به اندازه جاذبه جهانی نیست؟

7.2 اتهامات مثبت و منفی.اول ، زیرا بارهای الکتریکی دو علامت وجود دارد. و ثانیا ، زیرا ذرات خنثی وجود دارند که به هیچ وجه بار الکتریکی ندارند (نوترون ، نوترینو ، فوتون ...). ذرات با بارهای نشانه های مخالف ، مانند الکترون و پروتون ، جذب یکدیگر می شوند. ذرات با همان بار دفع می شوند. در نتیجه ، اتمها و اجسام متشکل از آنها عمدتا از نظر الکتریکی خنثی هستند.

7.3 ذرات خنثی.نوترون حاوی توبا شارژ +2 سوار شوید ه/ 3 و دو د- با شارژ سوار شوید - ه/ 3 بنابراین کل بار نوترون صفر است. (به یاد بیاورید که یک پروتون شامل دو ماده است تو-کوارک و یکی دذرات واقعاً اساسی که بار الکتریکی ندارند ، فوتون ، گراویتون ، نوترینو ، ز-بوزون و بوزون هیگز.

7.4 پتانسیل کولن.انرژی احتمالی جذب الکترون و پروتون در فاصله ر از یکدیگر برابر است با

7.5 برهم کنش مغناطیسیفعل و انفعالات مغناطیسی به اندازه تعادل برقی نیست. مثل 1 می افتد ر 3 این امر نه تنها به فاصله بین دو آهن ربا بلکه به جهت گیری متقابل آنها نیز بستگی دارد. یک مثال معروف تعامل یک سوزن قطب نما با میدان دو قطبی مغناطیسی زمین است. انرژی بالقوه برهم کنش دو دو قطبی مغناطیسی μ 1 و μ 2 برابر است

جایی که n = ر/ر.

7.6 برهم کنش الکترومغناطیسی.بزرگترین دستاورد قرن نوزدهم کشف این بود که نیروهای الکتریکی و مغناطیسی دو مظهر مختلف از یک نیروی الکترومغناطیسی یکسان هستند. در سال 1821 م. فارادی (1867-1791) برهمکنش آهنربا و هادی با جریان را بررسی کرد. یک دهه بعد ، او قوانین القای الکترومغناطیسی را هنگام تعامل دو هادی وضع کرد. در سالهای بعدی ، او مفهوم میدان الکترومغناطیسی را مطرح کرد و ایده ماهیت الکترومغناطیسی نور را بیان کرد. در دهه 1870 ، جی ماکسول (1831–1879) فهمید که فعل و انفعالات الکترومغناطیسی مسئول کلاس گسترده ای از پدیده های نوری است: انتشار ، تحول و جذب نور ، و معادلاتی را نوشت که میدان الکترومغناطیسی را توصیف می کند. بزودی G. Hertz (1857-1894) امواج رادیویی را کشف کرد و W. Roentgen (1845-1923) اشعه ایکس را کشف کرد. کل تمدن ما مبتنی بر مظاهر فعل و انفعالات الکترومغناطیسی است.

7.7 تلفیق نظریه نسبیت و مکانیک کوانتوم.مهمترین مرحله در پیشرفت فیزیک 1928 بود ، زمانی که مقاله ای از P. Dirac (1902-1984) ظاهر شد ، که در آن او یک معادله کوانتومی و نسبی را برای الکترون پیشنهاد کرد. این معادله حاوی گشتاور مغناطیسی الکترون بود و وجود ذره الکترون را نشان می داد - پوزیترون ، که چندین سال بعد کشف شد. پس از آن ، مکانیک کوانتوم و نظریه نسبیت در تئوری میدان کوانتوم ادغام شدند.

این واقعیت که فعل و انفعالات الکترومغناطیسی ناشی از انتشار و جذب فوتون های مجازی است ، فقط در اواسط قرن 20 با ظهور نمودارهای فاینمن کاملاً مشخص شد ، یعنی پس از شکل گیری مفهوم ذره مجازی.

8- تعامل ضعیف

8.1 فعل و انفعالات هسته ای.در آغاز قرن 20 ، اتم و هسته آن و α -, β - و γ اشعه های ساطع شده توسط هسته های رادیواکتیو. آنطور که مشخص شد، γ اشعه ها فوتون هایی با انرژی بسیار بالا هستند ، β اشعه ها الکترون های پر انرژی هستند ، α - اشعه - هسته های هلیوم. این امر منجر به کشف دو نوع تعامل جدید - قوی و ضعیف شد. برخلاف فعل و انفعالات گرانشی و الکترومغناطیسی ، فعل و انفعالات قوی و ضعیف کوتاه مدت هستند.

بعداً مشخص شد که آنها مسئول تبدیل هیدروژن به هلیم در خورشید و سایر ستارگان هستند.

8.2 جریانهای شارژ شده*. فعل و انفعالات ضعیف مسئول تبدیل نوترون به پروتون با انتشار الکترون و آنتی نوترینو الکترون است. گروه بزرگی از فرآیندهای تعامل ضعیف مبتنی بر تبدیل کوارک های یک نوع به کوارک های نوع دیگر با انتشار (یا جذب) مجازی است. دبلیو-بزن ها: تو, ج, تی ↔ د, s, ب... به طور مشابه برای انتشار و جذب دبلیوبوزون ، انتقال بین لپتون های باردار و نوترینوهای مربوطه رخ می دهد:

ه ↔ ν e ، μ ↔ ν μ , τ ν τ. انتقال از نوع dˉu ↔ دبلیو و eˉν e دبلیو... در همه این تقاطع ها شامل دبلیو-بزنها ، جریانهای به اصطلاح شارژ شده درگیر هستند و بارهای لپتون و کوارک را با یک تغییر می دهند. فعل و انفعال ضعیف جریان های شارژ کوتاه است ، و توسط پتانسیل یوکاوا توصیف می شود e −mWr / r، بنابراین شعاع موثر آن است ر ≈ 1/متر W.

8.3 جریانهای خنثی*. در دهه 1970 ، فرآیندهای برهم کنش ضعیف نوترینوها ، الکترونها و نوکلئونها ، به دلیل اصطلاحاً جریانهای خنثی ، کشف شد. در دهه 1980 ، به طور آزمایشی مشخص شد که فعل و انفعالات جریان های باردار با مبادله رخ می دهد دبلیوبوزن ها و برهم کنش جریانات خنثی - با تبادل ز-بزن ها.

8.4 تخلف پ- و CP- برابری*. نقض برابری فضایی در نیمه دوم دهه 1950 کشف شد پ و برابری را شارژ کنید ج در تعاملات ضعیف در سال 1964 ، پوسیدگی ضعیفی کشف شد که حفاظت را نقض می کند CP-تقارن مکانیسم شکستن فعلی CPتقارن در پوسیدگی مزونهای حاوی بررسی می شود ب-لک می زند.

8.5 نوسانات نوترینو*. طی دو دهه گذشته ، توجه فیزیكدانان به اندازه گیری های انجام شده در ردیاب های كیلوتون زیرزمینی در كامیوكا (ژاپن) و سودبری (كانادا) معطوف شده است. این اندازه گیری ها نشان داد که بین سه نوع نوترینو وجود دارد ν e، ν μ، ν τ انتقال متقابل (نوسانات) در خلا رخ می دهد. ماهیت این نوسانات در حال بررسی است.

8.6 تعامل الکتروضعیف.در دهه 1960 نظریه ای تنظیم شد که بر اساس آن فعل و انفعالات الکترومغناطیسی و ضعیف نمودهای متفاوتی از یک برهم کنش الکتریکی ضعیف هستند. اگر تقارن دقیق ضعف الکتریکی اتفاق بیفتد ، پس توده ها دبلیو- و زبوزن ها مانند جرم فوتون صفر خواهند بود.

8.7 شکست تقارن الکتروایک.در مدل استاندارد ، بوزون هیگز تقارن الکتروضعف را می شکند و بنابراین توضیح می دهد که چرا فوتون فاقد جرم است و بوزون های ضعیف نیز جرم دارند. همچنین به لپتون ، کوارک و خودش توده می دهد.

8.8 آنچه باید درباره هیگز بدانید.یکی از وظایف اصلی برخورد دهنده بزرگ هادرونی LHC کشف بوزون هیگز است (که به سادگی هیگز نامیده می شود و نشان داده می شود) ساعت یا ح) و ایجاد خصوصیات بعدی آن. اول از همه ، اندازه گیری تعاملات آن با دبلیو- و زبوزونها ، با فوتونها ، و همچنین تعامل خود با آن ، یعنی مطالعه رئوس حاوی سه و چهار هیگ: h 3 و h 4 ، و فعل و انفعالات آن با لپتون ها و کوارک ها ، به ویژه با کوارک بالا. پیش بینی های روشنی برای همه این تعاملات در مدل استاندارد وجود دارد. تأیید آزمایشی آنها از نظر جستجوی "فیزیک جدید" خارج از مدل استاندارد بسیار مورد توجه است.

8.9 و اگر هیچ هیگز وجود ندارد؟اگر معلوم شود که هیگز در محدوده جرم نظم چند صد GeV وجود ندارد ، این بدان معنی است که در انرژی های بالاتر از TeV ، یک منطقه کاملاً ناشناخته جدید واقع شده است که در آن فعل و انفعالات دبلیو- و ز-بوزن ها به صورت غیرآزارآوری قوی می شوند ، به عنوان مثال ، آنها را نمی توان با تئوری آشفتگی توصیف کرد. تحقیقات در این زمینه شگفتی های بسیاری را به همراه خواهد داشت.

8.10 برخورد لپتون از آینده.برای انجام این کل برنامه تحقیقاتی ، علاوه بر LHC ، ممکن است لازم باشد که برخورد دهنده های لپتون نیز ساخته شود:

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

یا CLIC (برخورد دهنده خطی جمع و جور) با انرژی برخورد 1 TeV ،

یا MC (برخوردگر میون) با انرژی برخورد 3 TeV.

8.11 برخورد دهنده های الکترون-پوزیترون خطی.ILC - برخورد دهنده خطی بین المللی ، که در آن الکترون ها باید با پوزیترون ها و همچنین فوتون ها با فوتون برخورد کنند. تصمیم گیری در مورد ساخت آن تنها پس از مشخص شدن وجود هیگز و میزان جرم می تواند انجام شود. یکی از سایت های پیشنهادی ساخت و ساز برای ILC ، حومه دوبنا است. CLIC - برخورد دهنده خطی فشرده الکترون و پوزیترون. این پروژه در CERN در حال توسعه است.

8.12 برخورد میونMS - برخورد میون برای اولین بار توسط GI Budker (1918-1977) تصور شد. در سال 1999 ، سانفرانسیسکو میزبان پنجمین کنفرانس بین المللی "پتانسیل جسمی و توسعه برخورد دهنده های میون و کارخانه های نوترینو" بود. در حال حاضر ، پروژه MS در آزمایشگاه ملی فرمی در حال توسعه است و می تواند در مدت 20 سال اجرا شود.

9. تعامل قوی

9.1 گلون و کوارکفعل و انفعالات قوی ، نوکلئون ها (پروتون ها و نوترون ها) را در داخل هسته نگه می دارد. این بر اساس فعل و انفعال گلوئونها با کوارکها و برهم کنش گلوئونها با گلوئونها است. این عمل خود گلوئون ها است که منجر به این واقعیت می شود که ، علیرغم صفر بودن جرم یک گلوئون ، همانطور که جرم های فوتون و گراویتون برابر با صفر هستند ، تبادل گلوئون ها منجر به عملکرد گلوئون های دوربرد مشابه فوتون و گراویتون نمی شود. علاوه بر این ، منجر به عدم وجود گلوئون و کوارک آزاد می شود. این به دلیل این واقعیت است که مجموع مبادلات یک گلونی با یک لوله یا نخ گلوئون جایگزین می شود. فعل و انفعال نوکلئونها در هسته مشابه نیروهای ون در والس بین اتمهای خنثی است.

9.2 حصر و آزادی مجانبی.به پدیده حبس شدن گلوئونها و کوارکها از هادرونها حبس گفته می شود. نکته منفی پویایی که منجر به حصر می شود این است که در فواصل بسیار کم در اعماق هادرون ها ، تعامل بین گلوئون ها و کوارک ها به تدریج کاهش می یابد. کوارک ها در فواصل کوتاه آزاد می شوند. این پدیده را آزادی مجانبی می نامند.

9.3 رنگهای کوارک.پدیده حبس نتیجه این واقعیت است که هر یک از شش کوارک ، همانطور که بود ، در قالب سه نوع "رنگ" وجود دارد. کوارک ها معمولاً زرد ، آبی و قرمز رنگ هستند. عتیقه جات در رنگ های اضافی رنگ می شوند: بنفش ، نارنجی ، سبز. همه این رنگ ها نشان دهنده بارهای خاص کوارک ها است - "آنالوگ های چند بعدی" بار الکتریکی ، که مسئول تعاملات قوی هستند. البته هیچ ارتباطی غیر از استعاره بین رنگ کوارک ها و رنگ های نوری معمولی وجود ندارد.

9.4 رنگ های گلوئون.خانواده گلونهای رنگی حتی بیشتر است: هشت مورد از آنها وجود دارد که دو تای آنها با ذرات آنها یکسان است و شش مورد دیگر نه. فعل و انفعالات بارهای رنگی توسط کرومودینامیک کوانتوم توصیف می شود و خصوصیات پروتون ، نوترون ، تمام هسته های اتمی و خصوصیات همه هادرون ها را تعیین می کند. این واقعیت که گلوئون ها دارای بارهای رنگی هستند ، منجر به پدیده حبس گلوئون و کوارک می شود ، به این معنی که گلوئونها و کوارک های رنگی نمی توانند از هادرون فرار کنند. نیروهای هسته ای بین هادرون های بی رنگ (سفید) پژواک کمرنگ فعل و انفعالات رنگی قدرتمند درون هادرون ها هستند. این مشابه کوچک بودن پیوندهای مولکولی در مقایسه با پیوندهای درون اتمی است.

9.5 توده های هادرونی.توده های هادرون به طور کلی و نوکلئون ها به طور خاص به دلیل عملکرد خود گلوئون است. بنابراین ، جرم تمام مواد مرئی ، که 5/4 درصد از انرژی جهان را تشکیل می دهد ، دقیقاً به دلیل عملکرد خود گلونها است.

10. مدل استاندارد و فراتر از آن

10.1 18 ذره از مدل استاندارد.تمام ذرات بنیادی شناخته شده به طور طبیعی در سه گروه قرار می گیرند:

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

10.2 خارج از مدل استاندارد.96٪ از انرژی جهان خارج از مدل استاندارد است و منتظر کشف و بررسی است. برخی از فرضیات اساسی در مورد شکل ظاهری فیزیک جدید وجود دارد (به بندهای 10.3-10.6 در زیر مراجعه کنید).

10.3 وحدت عالیتعداد زیادی از آثار ، عمدتاً تئوریک ، به اتحاد فعل و انفعالات قوی و الکتریکی ضعیف اختصاص یافته است. بیشتر آنها تصور می کنند که در انرژی هایی از حد 10 16 GeV اتفاق می افتد. چنین ترکیبی باید منجر به پوسیدگی پروتون شود.

10.4 ذرات فوق متقارن.با توجه به ایده تقارن فوق العاده ، که برای اولین بار در FIAN ظهور کرد ، هر ذره "ما" دارای یک ابر شریک است که چرخش آن با 1/2 متفاوت است: 6 اسکارک و 6 اسلتون با چرخش 0 ، هیگزینو ، فوتینو ، شراب و زینو با چرخش 1/2 ، گراویتینو با چرخش 3/2. توده های این ابر شرکا باید به طور قابل توجهی بزرگتر از ذرات ما باشند. در غیر این صورت مدتها پیش کشف می شدند. برخی از شرکای فوق العاده ممکن است هنگام فعال شدن برخورد دهنده بزرگ هادرون باز باشند.

10.5 سوپراسترهافرضیه ابر تقارن فرضیه وجود سوپراسترهایی را تشکیل می دهد که در فواصل بسیار کمی از نظم 10 −33 سانتی متر و انرژی های متناظر با 10 19 GeV زندگی می کنند. بسیاری از فیزیکدانان نظری امیدوارند که ساخت تئوری واحدی از همه فعل و انفعالات که حاوی پارامترهای آزاد نیست بر اساس مفهوم ابر ریسمان امکان پذیر باشد.

10.6 ذرات خاصبا توجه به ایده ماده آینه ، که برای اولین بار در ITEP ظهور کرد ، هر یک از ذرات ما دارای یک آینه دو برابر هستند و یک جهان آینه وجود دارد ، که فقط بسیار ضعیف با دنیای ما ارتباط دارد.

10.7 ماده تاریکفقط 4–5٪ از کل انرژی موجود در جهان به صورت توده ای از ماده معمولی وجود دارد. حدود 20٪ از انرژی جهان در ماده به اصطلاح تاریکی موجود است که تصور می شود از ابر ذرات یا ذرات آینه یا برخی دیگر از ذرات ناشناخته تشکیل شده باشد. اگر ذرات ماده تاریک بسیار سنگین تر از ذرات معمولی هستند و اگر در فضا با یکدیگر برخورد کنند ، به فوتون های معمولی نابود می شوند ، این فوتون های با انرژی بالا می توانند توسط ردیاب های ویژه در فضا و زمین ثبت شوند. روشن شدن ماهیت ماده تاریک یکی از اصلی ترین وظایف فیزیک است.

10.8 انرژی تاریک.اما قسمت عمده انرژی جهان (حدود 75٪) به دلیل اصطلاحاً انرژی تاریک است. در خلا خلا "ریخته" می شود و خوشه های کهکشان ها را کنار می زند. ماهیت آن هنوز درک نشده است.

11. ذرات بنیادی در روسیه و جهان

11.1 فرمان رئیس فدراسیون روسیه.در تاریخ 30 سپتامبر 2009 ، فرمان رئیس جمهور فدراسیون روسیه "درباره اقدامات اضافی برای اجرای طرح آزمایشی ایجاد مرکز تحقیقات ملی" موسسه کورچاتوف "صادر شد. این مصوبه مشارکت در پروژه سازمان های زیر را پیش بینی می کند: انستیتوی فیزیک هسته ای سن پترزبورگ ، انستیتوی فیزیک انرژی بالا و انستیتوی فیزیک نظری و تجربی. در این مصوبه همچنین "گنجاندن این م institutionسسه به عنوان مهمترین م institutionسسه علوم در ساختار اداری هزینه های بودجه فدرال به عنوان مدیر اصلی بودجه های بودجه" پیش بینی شده است. این مصوبه می تواند به بازگشت فیزیک ذرات ابتدایی به تعداد جهات اولویت دار در توسعه علوم در کشور ما کمک کند.

11.2 جلسات دادرسی در کنگره ایالات متحده 1.در اول اکتبر 2009 ، جلسه استماع در کمیته فرعی انرژی و محیط زیست کمیته علوم و فناوری مجلس نمایندگان ایالات متحده با موضوع "تحقیق در مورد ماهیت ماده ، انرژی ، فضا و زمان" برگزار شد. اعتبار وزارت انرژی 2009 برای این برنامه 795.7 میلیون دلار است. استاد هاروارد ، لیزا راندال ، دیدگاه های ماده ، انرژی و منشأ جهان را از نظر نظریه رشته های آینده بیان کرد. مدیر آزمایشگاه ملی فرمی (باتاویا) پیر اودون در مورد وضعیت فیزیک ذرات در ایالات متحده و به ویژه در مورد اتمام آینده کار Tevatron و آغاز کار مشترک بین آزمایشگاه زیرزمینی FNAL و DUSEL برای بررسی خصوصیات نوترینوها و فرایندهای نادر صحبت کرد. وی اهمیت مشارکت فیزیكدانان آمریكایی را در پروژه های فیزیك انرژی زیاد در اروپا (LHC) ، ژاپن (JPARC) ، چین (PERC) و پروژه فضایی بین المللی (GLAST كه اخیراً به نام فرمی نامگذاری شده است) برجسته كرد.

11.3 جلسات دادرسی در کنگره آمریکا 2.هیو مونتگومری ، مدیر آزمایشگاه ملی جفرسون ، در مورد سهم آزمایشگاه در فیزیک هسته ای ، فناوری شتاب دهنده و برنامه های آموزشی صحبت کرد. دنیس کوار ، مدیر بخش علوم فیزیک انرژی بالا از گروه انرژی ، در مورد سه زمینه اصلی فیزیک با انرژی بالا صحبت کرد:

1) مطالعات شتاب دهنده در حداکثر انرژی ،

2) مطالعات شتاب دهنده در حداکثر شدت ،

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

و سه حوزه اصلی در فیزیک هسته ای:

1) مطالعه فعل و انفعالات قوی کوارک ها و گلوئون ها ،

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

3) مطالعه تعاملات ضعیف با مشارکت نوترینوها.

12. در مورد علوم بنیادی

12.1 علم بنیادی چیست.از متن بالا مشخص است که من ، مانند اکثر کارگران علمی ، علوم بنیادی را بخشی از علم می دانم که بنیادی ترین قوانین طبیعت را وضع می کند. این قوانین در بنیان هرم علم یا طبقات جداگانه آن نهفته است. آنها توسعه طولانی مدت تمدن را تعیین می کنند. با این وجود ، افرادی هستند که علوم بنیادی را شاخه های علمی می نامند که بیشترین تأثیر مستقیم را در دستاوردهای لحظه ای توسعه تمدن دارند. به نظر من شخصاً به این بخشها و دستورالعملها علم کاربردی گفته می شود.

12.2 ریشه ها و میوه هااگر می توان علم بنیادی را با ریشه های درخت مقایسه کرد ، علم کاربردی را می توان با میوه های آن مقایسه کرد. پیشرفت های عمده فناوری مانند تلفن های همراه یا ارتباطات فیبر نوری از ثمرات این علم است.

12.3 A. I. Herzen در مورد علم.در سال 1845 ، الكساندر ایوانوویچ هرزن (1870-1812) نامه های برجسته درباره مطالعه طبیعت را در مجله Otechestvennye zapiski منتشر كرد. در پایان نامه اول ، وی 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 نخواهید رسید ، چگونه می توان با آن مفاهیم آماده تاریکی را شکست که از دیدن مستقیم شما جلوگیری می کنند. بگذارید کسانی که جلو می آیند بدانند که کل زرادخانه ابزارهای زنگ زده و غیر قابل استفاده که از مکتب شناسی به ارث رسیده است ، بی فایده است ، لازم است که دیدگاه های شکل گرفته خارج از علم را فدا کنیم ، بدون اینکه همه چیز را کنار بگذاریم نیمه دروغ، که برای شفافیت آنها را می پوشند نیمه حقیقت، شما 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 می تواند شامل تسلط فعال بر عناصر نظریه ذرات بنیادی ، نظریه نسبیت و مکانیک کوانتوم باشد ، اگر در آنها بخشهایی را که عمدتا توصیفی هستند و "دانش" کودک را افزایش می دهند کاهش دهید ، و درک درستی از جهان اطراف آنها و توانایی زندگی و خلق کردن.

12.5 نتیجه.درست است که هیئت رئیسه آکادمی علوم روسیه به اهمیت قرار گرفتن زودهنگام جوانان در معرض جهان بینی مبتنی بر دستاوردهای تئوری نسبیت و مکانیک کوانتوم توجه کرده و به هیئت رئیسه کمیسیون های آکادمی علوم روسیه درباره کتاب های درسی (به ریاست معاون رئیس جمهور V.V. Kozlov) و - رئیس جمهور V.A. Sadovnichy) برای تهیه پیشنهاداتی برای بهبود آموزش فیزیک بنیادی مدرن در مدارس متوسطه و عالی.