Kaikki tentin fysiikan lait. Mitkä ovat fysiikan peruslait? Yksinkertaisin, mutta tärkein laki on energian säilyttämistä ja muuntamista koskeva laki

Istunto lähestyy ja on aika siirtyä teoriasta käytäntöön. Istuimme viikonlopun aikana ja ajattelimme, että monet opiskelijat haluaisivat olevan valikoiman fyysisiä kaavoja. Kuivat kaavat ja selitys: lyhyt, tiivis, ei mitään muuta. Erittäin hyödyllinen asia ongelmien ratkaisemisessa, tiedät. Kyllä, ja tentissä, kun juuri se, mikä oli raa'asti muisteltu edellisenä päivänä, tällainen valinta palvelee erinomaista palvelua.

Suurin osa ongelmista osoitetaan yleensä fysiikan kolmelle suosituimmalle alueelle. se mekaniikka, termodynamiikka ja molekyylifysiikka, sähkö... Otetaan heidät!

Fysiikan dynamiikan, kinematiikan, statiikan peruskaavat

Aloitetaan yksinkertaisimmalla. Hyvä vanhanaikainen suosikki suora ja tasainen liike.

Kinemaattiset kaavat:

Emme tietenkään unohda ympyrän liikettä ja siirrymme sitten eteenpäin dynamiikkaan ja Newtonin lakeihin.

Dynamiikan jälkeen on aika pohtia olosuhteita ruumiiden ja nesteiden tasapainolle, ts. statiikka ja hydrostatiikka

Nyt annamme peruskaavat aiheesta "Työ ja energia". Missä olemme ilman heitä!

Molekyylifysiikan ja termodynamiikan peruskaavat

Viimeistelemme mekaniikan osa tärinä- ja aaltokaavoilla ja siirrymme molekyylifysiikkaan ja termodynamiikkaan.

Tehokkuus, Gay-Lussacin laki, Clapeyron-Mendelejevin yhtälö - kaikki nämä ihanat kaavat on koottu alla.

Muuten! Kaikille lukijoillemme on nyt alennus 10% päällä kaikenlaista työtä.

Fysiikan peruskaavat: sähkö

On aika siirtyä sähköön, vaikka termodynamiikka rakastaa sitä vähemmän. Aloitetaan sähköstatiikalla.

Ja rumputelan alla viimeistelemme Ohmin lain, sähkömagneettisen induktion ja sähkömagneettisten värähtelyjen kaavat.

Siinä kaikki. Tietenkin, koko kaava voitaisiin tuoda esiin, mutta tämä on turhaa. Kun kaavoja on liian paljon, voit helposti sekoittaa ja sulattaa aivot sitten kokonaan. Toivomme, että fysiikan peruskaavojen huijauskoodimme auttavat sinua ratkaisemaan suosikki ongelmasi nopeammin ja tehokkaammin. Ja jos haluat selventää jotain tai et ole löytänyt vaadittua kaavaa: kysy asiantuntijoilta opiskelijapalvelu... Kirjailijoillamme on satoja kaavoja päähänsä ja halkeaman ongelmia, kuten pähkinöitä. Ota yhteyttä, ja pian kaikki tehtävät ovat sinulle liian kovia.

Maapallon tutkijat käyttävät paljon työkaluja kuvatakseen luonnon toimintaa ja yleensäkin. Että he tulevat lakiin ja teorioihin. Mikä on ero? Tieteellinen laki voidaan usein pelkistää matemaattiseen lauseeseen, kuten E \u003d mc²; tämä lausunto perustuu empiirisiin tietoihin ja sen totuus rajoittuu yleensä tiettyihin ehtoihin. E \u003d mc² - valon nopeus tyhjössä.

Tieteellinen teoria pyrkii usein syntetisoimaan tosiasioita tai havaintojen havaintoja tietyistä ilmiöistä. Ja yleensä (mutta ei aina) on olemassa selkeä ja testattavissa oleva lausunto luonnon toiminnasta. Tieteellistä teoriaa ei tarvitse pelkistää yhtälöksi, mutta se edustaa jotain perustavaa laatua olevasta luonnon toiminnasta.

Lait ja teoriat ovat molemmat riippuvaisia \u200b\u200btieteellisen menetelmän peruselementeistä, kuten hypoteesien luominen, kokeiden suorittaminen, empiirisen tiedon löytäminen (tai löytämättä jättäminen) ja johtopäätösten tekeminen. Loppujen lopuksi tutkijoiden on kyettävä toistamaan tulokset, jos kokeesta tulee yleisesti hyväksytyn lain tai teorian perusta.

Tässä artikkelissa tarkastelemme kymmentä tieteellistä lakia ja teorioita, joita voit keventää, vaikka et esimerkiksi esimerkiksi pyyhkäisyelektronimikroskooppia käyttäisi. Aloitetaan räjähdyksellä ja päätetään epävarmuudella.

Jos kannattaa tietää ainakin yksi tieteellinen teoria, anna sen selittää kuinka maailmankaikkeus saavutti nykyisen tilansa (tai ei saavuttanut). Edwin Hubblen, Georges Lemaitre'n ja Albert Einsteinin tutkimukseen perustuen Big Bang -teoria olettaa, että maailmankaikkeus alkoi 14 miljardia vuotta sitten massiivisella laajentumisella. Jossain vaiheessa maailmankaikkeus rajoittui yhteen pisteeseen ja kattoi kaikki nykyisen maailmankaikkeuden aiheet. Tämä liike jatkuu tähän päivään saakka, ja itse maailmankaikkeus laajenee jatkuvasti.

Big Bang -teoria sai laajaa tieteellistä tukea sen jälkeen, kun Arno Penzias ja Robert Wilson löysivät kosmisen mikroaaltotaustan vuonna 1965. Radioteleskoopeilla kaksi tähtitieteilijä havaitsi kosmisen melun tai staattisen melun, joka ei hajota ajan myötä. Muutama tutkija on yhteistyössä Princetonin tutkijan Robert Dicken kanssa vahvistanut Dicken hypoteesin, jonka mukaan alkuperäinen Big Bang jätti taakse matalan tason säteilyn, jota löytyy kaikkialta maailmankaikkeudesta.

Hubblen kosmisen laajentumisen laki

Pidämme Edwin Hubblen sekunnin ajan. Kun suuri masennus oli tulossa 1920-luvulla, Hubble oli edelläkävijä tähtitieteellisessä tutkimuksessa. Hän ei vain todistanut, että Linnunradan lisäksi oli muita galakseja, mutta hän huomasi myös, että nämä galaksit kiirehtivät pois omasta, ja tätä liikettä hän kutsui taantumaksi.

Tämän galaktisen liikkeen nopeuden määrittämiseksi Hubble ehdotti kosmisen laajentumisen lakia, nimeltään Hubblen lakia. Yhtälö näyttää tältä: nopeus \u003d H0 x etäisyys. Nopeus on nopeus, jolla galaksit siirtyvät pois; H0 on Hubble-vakio tai -parametri, joka ilmaisee maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden; etäisyys on yhden galaksin etäisyys siihen, johon vertailu suoritetaan.

Hubble-vakio laskettiin eri arvoilla melko pitkään, mutta tällä hetkellä se on jäätynyt pisteessä 70 km / s megaparseksia kohden. Se ei ole meille niin tärkeää. Tärkeää on, että laki on kätevä tapa mitata galaksin nopeutta suhteessa omaamme. Ja mikä vielä tärkeämpää, laki vahvisti, että maailmankaikkeus koostuu monista galakseista, joiden liike on jäljitettävissä isoon räjähdykseen.

Keplerin planeettaliikkeen lait

Tutkijat ovat vuosisatojen ajan taistelleet toistensa ja uskonnollisten johtajien kanssa planeettojen kiertoradalta, etenkin siitä, pyörivätkö ne auringon ympäri. Kopernicus esitteli 1500-luvulla kiistanalaisen käsityksensä heliosentrisesta aurinkokunnasta, jossa planeetat pyörivät auringon ympäri kuin maa. Ainoastaan \u200b\u200bJohannes Keplerin kanssa, joka veti Tycho Brahen ja muiden tähtitieteilijöiden työtä, syntyi selkeä tieteellinen perusta planeetan liikkeelle.

Keplerin kolme planeetan liikettä koskevaa lakia, jotka muodostettiin 1700-luvun alussa, kuvaavat planeettojen liikkumista Auringon ympärillä. Ensimmäisessä laissa, jota joskus kutsutaan kiertoradaksi, todetaan, että planeetat pyörivät auringon ympäri elliptisellä kiertoradalla. Toinen laki, aluelaki, sanoo, että planeetta aurinkoon yhdistävä linja muodostaa säännöllisin väliajoin yhtä suuret alueet. Toisin sanoen, jos mittaat maapallosta auringosta vedetyn viivan luomaa aluetta ja seuraat maan liikettä 30 päivän ajan, alue on sama riippumatta Maan sijainnista alkuperäyn nähden.

Kolmas laki, jaksolaki, antaa sinun luoda selkeän suhteen planeetan kiertoradan ja etäisyyden Auringosta välillä. Tämän lain ansiosta tiedämme, että planeetalla, joka on suhteellisen lähellä aurinkoa, kuten Venuksella, on paljon lyhyempi kiertorata kuin Neptunuksen kaltaisilla kaukaisilla planeetoilla.

Painovoiman universaali laki

Nykyään tämä voi olla asioiden järjestys, mutta yli 300 vuotta sitten Sir Isaac Newton ehdotti vallankumouksellista ajatusta: kaikki kaksi esinettä, riippumatta massastaan, käyttävät toisiinsa painovoimaa. Tätä lakia edustaa yhtälö, jonka monet koululaiset kohtaavat lukion fysiikassa ja matematiikassa.

F \u003d G × [(m1m2) / r²]

F on kahden esineen välinen painovoima, mitattuna newtonissa. M1 ja M2 ovat kahden esineen massat, kun taas r on niiden välinen etäisyys. G on gravitaatiovakio, joka on tällä hetkellä laskettu arvoksi 6,667384 (80) · 10 –11 tai N · m² · kg –2.

Painovoimalaitoksen yleisen lain etuna on, että sen avulla voit laskea painovoiman vetovoiman minkä tahansa kahden esineen välillä. Tämä kyky on erittäin hyödyllinen, kun tutkijat esimerkiksi laukaisevat satelliitin kiertoradalle tai määrittävät kuun kulun.

Newtonin lait

Vaikka olemme aiheesta yksi suurimmista tiedemiehistä, joka on koskaan asunut maan päällä, puhutaanpa muista kuuluisista Newtonin laeista. Hänen kolme liikelakia ovat olennainen osa nykyaikaista fysiikkaa. Ja kuten monet muutkin fysiikan lait, ne ovat tyylikkäät yksinkertaisuudestaan.

Ensimmäinen kolmesta laista toteaa, että liikkuva esine pysyy liikkeessä, ellei ulkoinen voima vaikuta siihen. Lattiassa liikkuvan pallojen ulkoinen voima voi olla kitka pallon ja lattian välillä tai poika, joka iskee pallon toiseen suuntaan.

Toinen laki vahvistaa objektin massan (m) ja sen kiihtyvyyden (a) välisen suhteen yhtälön F \u003d m x a muodossa. F on newtonissa mitattu voima. Se on myös vektori, ts. Siinä on suuntakomponentti. Kiihdytyksestä johtuen lattialla pyörivällä pallalla on erityinen vektori sen liikesuunnassa, ja tämä otetaan huomioon voimaa laskettaessa.

Kolmas laki on melko informatiivinen ja sen pitäisi olla sinulle tuttu: jokaisessa toiminnassa on sama reaktio. Toisin sanoen jokaisesta pinnalla olevaan esineeseen kohdistuvasta voimasta esine hylätään samalla voimalla.

Termodynamiikan lait

Brittiläinen fyysikko ja kirjailija C.P. Snow sanoi kerran, että ei-tiedemies, joka ei tuntenut termodynamiikan toista lakia, oli kuin tiedemies, joka ei ollut koskaan lukenut Shakespearea. Snowin nykyään kuuluisa lausunto korosti termodynamiikan merkitystä ja sitä, että jopa tiedestä kaukana olevien ihmisten on tunnettava se.

Termodynamiikka on tiede siitä, kuinka energia toimii järjestelmässä, olipa se sitten moottori tai maan ydin. Se voidaan kertoa useiksi peruslakeiksi, jotka Snow esitteli seuraavasti:

Et voi voittaa.
Et välttää tappioita.
Et voi lopettaa peliä.

Selvitetään se vähän. Sanomalla, että et voi voittaa, Lumi tarkoitti, että koska aine ja energia ovat säästyneet, et voi saada yhtä menettämättä toista (ts. E \u003d mc²). Se tarkoittaa myös, että joudut toimittamaan lämpöä moottorin käyttämiseen, mutta jos ei ole täysin suljettua järjestelmää, lämpöä väistämättä menee avoimeen maailmaan, mikä johtaa toiseen lakiin.

Toinen laki - tappiot ovat väistämättömiä - tarkoittaa, että kasvavan entropian vuoksi et voi palata edelliseen energiatilaan. Yhdessä paikassa keskittynyt energia pyrkii aina alhaisempaan keskittymispaikkaan.

Kolmas laki - et voi päästä pois pelistä - koskee lopulta alhaisinta teoreettisesti mahdollista lämpötilaa - miinus 273,15 celsiusastetta. Kun järjestelmä saavuttaa absoluuttisen nollan, molekyylien liike pysähtyy, mikä tarkoittaa, että entropia saavuttaa alimman arvon eikä siinä ole edes kineettistä energiaa. Mutta todellisessa maailmassa on mahdotonta saavuttaa absoluuttista nollaa - päästä vain hyvin lähelle sitä.

Archimedeksen vahvuus

Kun antiikin Kreikan Archimedes löysi kelluvuusperiaatteensa, hän väitti huusi "Eureka!" (Löysin sen!) Ja juoksi alasti Syrakusan yli. Joten legenda kertoo. Löytö oli niin tärkeä. Legenda kertoo myös, että Archimedes löysi periaatteen huomaaessaan, että kylpyhuoneen vesi nousee, kun ruumis on upotettu siihen.

Archimedesin kelluvuusperiaatteen mukaan upotettuun tai osittain upotettuun esineeseen vaikuttava voima on yhtä suuri kuin nesteen massa, jonka esine siirtää. Tämä periaate on välttämätön tiheyslaskelmissa ja sukellusveneiden ja muiden merialusten suunnittelussa.

Evolution ja luonnollinen valinta

Nyt kun olemme laatineet joitain peruskäsitteitä siitä, kuinka maailmankaikkeus alkoi ja miten fyysiset lait vaikuttavat päivittäiseen elämäämme, käännetään huomio ihmisen muotoon ja selvitetään miten pääsimme sinne. Useimpien tutkijoiden mukaan kaikella maapallon elämällä on yhteinen esi-isä. Mutta jotta tällainen valtava ero muodostuisi kaikkien elävien organismien välillä, joidenkin niistä piti muuttua erilliseksi lajeksi.

Yleisessä mielessä tämä erottelu on tapahtunut evoluutioprosessissa. Organismien populaatiot ja niiden piirteet ovat käyneet läpi mekanismeja, kuten mutaatioita. Ne, joiden ominaisuudet olivat edullisempia selviytymiselle, kuten ruskeat sammakot, jotka naamioivat itsensä hyvin suolla, valittiin luonnollisesti selviytymiseen. Tästä tulee termi luonnollinen valinta.

Voit kertoa nämä kaksi teoriaa paljon, paljon aikaa, ja itse asiassa Darwin teki sen 1800-luvulla. Evoluutio ja luonnollinen valinta selittävät maapallon elämän valtavan monimuotoisuuden.

Yleinen suhteellisuusteoria

Albert Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria oli ja on edelleen tärkein löytö, joka muutti ikuisesti näkemyksemme maailmankaikkeudesta. Einsteinin suurin läpimurto oli hänen väitteensä, että tila ja aika eivät ole absoluuttisia, eikä painovoima ole vain esineeseen tai massaan kohdistettu voima. Pikemminkin painovoima liittyy tosiasiaan, että massa taipuu itse tilaa ja aikaa (avaruus-aika).

Tämän ymmärtämiseksi kuvittele, että ajat maan päällä suorassa linjassa itään, sanoen pohjoisesta pallonpuoliskosta. Hetken kuluttua, jos joku haluaa selvittää sijaintisi tarkasti, olet paljon etelään ja itään lähtöpaikasta. Tämä johtuu siitä, että maa on kaareva. Ajaaksesi suoraan itään sinun on otettava huomioon maan muoto ja ajettava kulmassa hieman pohjoiseen. Vertaa pyöreää palloa ja pala paperia.

Avaruus on melkein sama asia. Esimerkiksi maapallon ympäri lentävän raketin matkustajille on selvää, että he lentävät avaruudessa suorassa linjassa. Mutta tosiasiassa niiden ympärillä oleva avaruusaika taipuu maapallon painovoiman vaikutuksesta aiheuttaen heidän liikkua samanaikaisesti eteenpäin ja pysyä Maan kiertoradalla.

Einsteinin teorialla oli valtava vaikutus astrofysiikan ja kosmologian tulevaisuuteen. Hän selitti pienen ja odottamattoman poikkeavuuden elohopean kiertoradalla, näytti kuinka tähtivalo taipuu ja loi teoreettisen perustan mustille reikille.

Heisenbergin epävarmuusperiaate

Einsteinin suhteellisuusteorian jatke kertoi meille enemmän kuinka maailmankaikkeus toimii ja auttoi luomaan perustan kvanttifysiikalle, mikä johti täysin odottamattomaan hämmennykseen teoreettisessa tieteessä. Vuonna 1927 ymmärtäminen, että kaikki maailmankaikkeuden lait ovat tietyssä tilanteessa joustavia, johti saksalaisen tutkijan Werner Heisenbergin hämmästyttävään löytöyn.

Epävarmuusperiaatteensa postuloimiseksi Heisenberg huomasi, että hiukkasen kahta ominaisuutta ei voida samanaikaisesti tietää korkealla tarkkuudella. Voit tietää elektronin sijainnin suurella tarkkuudella, mutta ei sen vauhtia, ja päinvastoin.

Myöhemmin Niels Bohr teki löytön, joka auttoi selittämään Heisenbergin periaatetta. Bohr havaitsi, että elektronilla on sekä hiukkasen että aallon ominaisuudet. Käsite tuli tunnetuksi aaltohiukkasten kaksinaisuutena ja siitä tuli kvanttifysiikan perusta. Siksi, kun mittaamme elektronin sijaintia, määrittelemme sen partikkeliksi tietyssä avaruuspisteessä määrittelemättömällä aallonpituudella. Mittaamalla vauhtia käsittelemme elektronia aallona, \u200b\u200bmikä tarkoittaa, että voimme tietää sen pituuden amplitudin, mutta et sen sijaintia.

Huijata arkki fysiikan kaavoilla tenttiä varten

eikä vain (7, 8, 9, 10 ja 11 luokkaa voidaan tarvita).

Ensinnäkin kuva, joka voidaan tulostaa pienikokoisena.

Mekaniikka

Paine P \u003d F / S
Tiheys ρ \u003d m / V
Paine nesteen syvyydessä P \u003d ρ ∙ g ∙ h
Painovoima Fт \u003d mg
5. Archimedean voima Fa \u003d ρ w ∙ g ∙ Vт
Liikkeen yhtälö tasaisesti kiihdytetylle liikkeelle

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

Nopeuden yhtälö tasaisesti kiihdytetylle liikkeelle υ =υ 0 + a ∙ t
Kiihtyvyys a \u003d ( υ -υ 0) / t
Pyöreä nopeus υ \u003d 2πR / T
Centripetaalinen kiihtyvyys a \u003d υ 2 / R
Jakson ja taajuuden välinen suhde ν \u003d 1 / T \u003d ω / 2π
II Newtonin laki F \u003d ma
Hooken laki Fy \u003d -kx
Painovoima F \u003d G ∙ M ∙ m / R 2
Kiihdytyksellä liikkuvan kehon paino a P \u003d m (g + a)
Kiihdytyksellä liikkuvan ruumiin paino a ↓ P \u003d m (g-a)
Kitkavoima Ffr \u003d µN
Kehon vauhti p \u003d m υ
Voimaimpulssi Ft \u003d ∆p
Voimamomentti M \u003d F ∙ ℓ
Maan yläpuolelle nostetun kehon potentiaalienergia Ep \u003d mgh
Elastisesti muodonmuutoskappaleen potentiaalienergia Ep \u003d kx 2/2
Kehon kineettinen energia Ek \u003d m υ 2 /2
Työ A \u003d F ∙ S ∙ cosα
Teho N \u003d A / t \u003d F ∙ υ
Tehokkuus η \u003d Ap / Az
Matemaattisen heilurin värähtelyjakso on T \u003d 2π√ℓ / g
Jousen heilurin värähtelyjakso T \u003d 2 π √m / k
Harmonisten värähtelyjen yhtälö X \u003d Xmax ∙ cos ωt
Aallonpituuden, nopeuden ja ajan suhde λ \u003d υ T

Molekyylifysiikka ja termodynamiikka

Aineen määrä ν \u003d ei / ei
Moolimassa М \u003d m / ν
vihkiä sukulaiset. monatomisen kaasun molekyylien energia Ek \u003d 3/2 ∙ kT
MKT: n perusyhtälö P \u003d nkT \u003d 1 / 3nm 0 υ 2
Gay - Lussac -laki (isobarinen prosessi) V / T \u003d const
Kaarlen laki (isokorinen prosessi) P / T \u003d const
Suhteellinen kosteus φ \u003d P / P 0 ∙ 100%
Int. energia on ihanteellinen. monatominen kaasu U \u003d 3/2 ∙ M / µ ∙ RT
Kaasutyö A \u003d P ∙ ΔV
Boylen laki - Mariotte (isoterminen prosessi) PV \u003d const
Lämmön määrä lämmityksen aikana Q \u003d Cm (T 2-T 1)
Lämpömäärä sulamisen aikana Q \u003d λm
Lämpömäärä höyrystymisen aikana Q \u003d Lm
Lämpömäärä polttoaineen palamisen aikana Q \u003d qm
Tilan PV ihanteellinen kaasuyhtälö \u003d m / M ∙ RT
Termodynamiikan ensimmäinen laki ΔU \u003d A + Q
Lämpömoottorien hyötysuhde η \u003d (Q 1 - Q 2) / Q 1
Tehokkuus on ihanteellinen. moottorit (carnot-sykli) η \u003d (T 1 - T 2) / T 1

Sähköstatiikka ja sähköodynamiikka - fysiikan kaavat

Coulombin laki F \u003d k ∙ q 1 ∙ q 2 / R 2
Sähkökentän voimakkuus E \u003d F / q
Sähköjännitys pistevarauksen kenttä E \u003d k ∙ q / R 2
Pintavarauksen tiheys σ \u003d q / S
Sähköjännitys äärettömän tason kenttä E \u003d 2πkσ
Dielektrisyysvakio ε \u003d E 0 / E
Mahdollinen energian vuorovaikutus. varaukset W \u003d k ∙ q 1 q 2 / R
Mahdollisuus φ \u003d W / q
Pistevarauspotentiaali φ \u003d k ∙ q / R
Jännite U \u003d A / q
Yhtenäiselle sähkökentälle U \u003d E ∙ d
Sähkökapasiteetti C \u003d q / U
Litteän kondensaattorin sähköinen kapasiteetti C \u003d S ∙ ε ∙ε 0 / d
Ladatun kondensaattorin energia W \u003d qU / 2 \u003d q² / 2С \u003d CU² / 2
Virta I \u003d q / t
Johdinresistanssi R \u003d ρ ∙ ℓ / S
Ohmin laki piirin osalle I \u003d U / R
Viimeisen lait. yhdisteet I1 \u003d I2 \u003d I, U1 + U2 \u003d U, R1 + R2 \u003d R
Rinnakkaislait Conn. U 1 \u003d U 2 \u003d U, I 1 + I 2 \u003d I, 1 / R 1 + 1 / R 2 \u003d 1 / R
Sähkövirran teho P \u003d I ∙ U
Joule-Lenzin laki Q \u003d I 2 Rt
Ohmin laki koko piirille I \u003d ε / (R + r)
Oikosulkuvirta (R \u003d 0) I \u003d ε / r
Magneettisen induktion vektori B \u003d Fmax / ℓ ∙ I
Amperevoima Fa \u003d IBℓsin α
Lorentzin voima Fl \u003d Bqυsin α
Magneettinen flux Ф \u003d BSсos α Ф \u003d LI
Sähkömagneettisen induktion laki Ei \u003d ΔФ / Δt
Induktion EMF liikkeenjohtimessa Ei \u003d Bℓ υ sinα
Itseinduktion EMF Esi \u003d -L ∙ ΔI / Δt
Kelan magneettikenttäenergia Wm \u003d LI 2/2
Oskillointijakso kpl. ääriviiva T \u003d 2π ∙ √LC
Induktiivinen vastus X L \u003d ωL \u003d 2πLν
Kapasitiivinen vastus Xc \u003d 1 / ωC
Virran Id efektiivinen arvo \u003d Imax / √2,
RMS-jännitearvo Uд \u003d Umax / √2
Impedanssi Z \u003d √ (Xc-X L) 2 + R2

Optiikka

Valon taittumislaki n 21 \u003d n 2 / n 1 \u003d υ 1 / υ 2
Taitekerroin n 21 \u003d sin α / sin γ
Ohut linssikaava 1 / F \u003d 1 / d + 1 / f
Linssin optinen teho D \u003d 1 / F
suurin häiriö: Δd \u003d kλ,
min häiriöt: Δd \u003d (2k + 1) λ / 2
Tasaushila d ∙ sin φ \u003d k λ

Kvanttifysiikka

F-la Einstein kuvanvaikutteelle hν \u003d Aout + Ek, Ek \u003d U s e
Valosähkön punainen reuna ν к \u003d Aout / h
Fotonimomentti P \u003d mc \u003d h / λ \u003d E / s

Atominen ydinfysiikka

1. "Vain fysiikka, vain kova! Ullakko", Pobedinsky D
.

Tiedätkö mikä aika on? Kuinka keksit jousiteorian? Mikä on suurin kemiallinen alkuaine maailmassa? Ja tässä on fyysikko Dmitri Pobedinsky, suosittu video-blogger ja "Attic" säännöllinen kirjoittaja, osaa - ja osaa kertoa! Onko rinnakkaisia \u200b\u200bmaailmankaikkeuksia olemassa? Pystytkö valmistamaan oikean valonheittimen? Kuinka tekoäly tuntuu ensimmäisellä suudelmalla? Kuinka musta aukko toimii? Dmitry vastaa näihin ja muihin kysymyksiin, joita kuka tahansa meistä pystyy hämmentämään - helposti ja helposti jokaiselle meistä. Attic: Science, Technology, Future "on Venäjän suurimman uutistoimiston TASSin tiede- ja koulutusprojekti. 100 000 lukijalleen he kirjoittavat joka päivä tieteestä - venäläisestä ja ei vain -, ja puhuvat myös mielenkiintoisista populaaritieteen luennoista, näyttelyistä, kirjoista ja elokuvia, näytä kokemuksia ja vastaa tieteellisiin (ja ei niin) ympäröivää todellisuutta koskeviin kysymyksiin.
2. "Lyhyt aikahistoria. Isosta räjähdyksestä mustiin reikiin", Hawking p.
Hauska ja saavutettavissa. Kuuluisa englantilainen fyysikko Stephen Hawking kertoo meille tilan ja ajan luonteesta, maailmankaikkeuden alkuperästä ja sen mahdollisesta kohtalosta.
3. "Tietysti teet tosissasi, herra Feynman!", Feynman R.
Hänet tunnettiin vitseille ja käytännöllisille vitseille, hän maalasi uskomattomia muotokuvia, soitti eksoottisia soittimia. Erinomainen puhuja, hän muutti jokaisen luennoistaan \u200b\u200bjännittävän älypelin. Hänen esityksiensä lisäksi opiskelijat ja kollegat olivat innokkaita myös fysiikkaan kiinnostuneita ihmisiä. Suuren tiedemiehen omaelämäkerta on jännittävämpi kuin seikkailuromaani. Tämä on yksi harvoista teoksista, jotka pysyvät ikuisesti kaikkien lukeneiden muistoissa.
4. "Mahdoton fysiikka", kuten M.
Tunnettu fyysikko Michio Kaku tutkii näennäisesti epätodennäköisiä tekniikoita, ilmiöitä tai laitteita niiden mahdollisuuden toteuttamiseksi tulevaisuudessa. Lähitulevaisuudestamme tutkija puhuu helposti käytettävällä kielellä maailmankaikkeuden toiminnasta. Mikä on iso bang ja mustat aukot, vaiheita ja antimateriaa. Kirjasta "Mahdoton fysiikka" opit, että jo 21. vuosisadalla, elämämme aikana, voimavoimat, näkymättömyys, mielenlukeminen, kommunikointi maapallon ulkopuolisten sivilisaatioiden kanssa ja jopa teleportaatio ja tähtienvälinen matka voivat toteutua.
Miksi kirja on lukemisen arvoinen. Viime aikoihin saakka meille oli vaikea edes kuvitella nykypäivän tuttuja asioita. Matkapuhelin ja Internet näyttivät mahdottomilta. Saat selville, mitkä tieteiskirjailijoiden ja elokuvien kirjoittajien rohkeat ennusteet tulevaisuudesta saavat mahdollisuuden totta meidän silmiemme edessä. Amerikkalaisen fyysikon ja tieteen popularisoijan Michio Kakun kirjasta opit modernin tieteen ja tekniikan monimutkaisimpiin ilmiöihin ja viimeisimpiin saavutuksiin. Näet ei vain ihmiskunnan tulevaisuuden, vaan ymmärrät myös maailmankaikkeuden peruslakit. Olet vakuuttunut siitä, että mikään ei ole mahdotonta tässä maailmassa!
5. "Fysiikan kauneus. Luonnon rakenteen ymmärtäminen", F.
Onko totta, että kauneus hallitsee maailmaa? Ajattelijat, taiteilijat ja tutkijat ovat kysyneet tätä kysymystä koko ihmiskunnan historian ajan. Nobel-palkinnon saaja Frank Wilczek kertoo miettineensä maailmankaikkeuden kauneudesta ja tieteellisistä ideoista upeasti kuvatun kirjan sivuilla. Askel askeleelta, aloittaen kreikkalaisten filosofien ideoilta ja päättyen moderniin pääteoriaan vuorovaikutusten yhdistämisestä ja sen todennäköisen kehityksen suunnista, kirjailija näyttää fyysisten käsitteiden taustalla olevat kauneuden ja symmetrian ideat. Hänen tutkimuksensa sankarit ovat Pythagoras, Platon, Newton, Maxwell ja Einstein. Lopuksi, tämä on Emmy Noether, joka päätteli säilyttämislakit symmetriasta, ja 1900-luvun fyysikkojen suuri galaksi.
Toisin kuin monet suosittelijat, Frank Wilczek ei pelkää kaavoja ja osaa näyttää vaikeimmat asiat sorminsa tartuttaen meidät huumorilla ja ihmeen tunteella.
6. "miksi E \u003d mc2? Ja miksi meidän pitäisi välittää", koksi b., Forshaw D.
Tämä kirja auttaa sinua ymmärtämään suhteellisuusteorian ja pääsemään maailman kuuluisimman yhtälön merkitykseen. Avaruus- ja aikateoriansa avulla Einstein loi perustan, johon kaikki nykyfysiikka perustuu. Yrittäessään ymmärtää luontoa, fyysikot luovat nykyäänkin teorioita, jotka muuttavat joskus radikaalisti elämäämme. Kuinka he tekevät sen, se kuvataan tässä kirjassa.
Kirja on hyödyllinen kaikille, jotka ovat kiinnostuneita maailman rakenteesta.
7. "Quantum Universe", koksi b., Forshow, kirjoittanut J.
Kuinka asiat toimivat, ettemme näe.
Tässä kirjassa tunnetut tutkijat Brian Cox ja Jeff Forshaw esittelevät lukijoita kvantimekaniikasta - perustavanlaatuisesta mallista maailman rakenteelle. He kertovat, mitkä havainnot johtivat fyysikoita kvantiteoriaan, miten se kehitettiin ja miksi tutkijat ovat sen omituisuudesta huolimatta niin varmoja siitä.
Kirja on tarkoitettu kaikille, jotka ovat kiinnostuneita kvanttifysiikasta ja maailmankaikkeuden rakenteesta.
8. "Fysiikka. Luonnontiede sarjakuvissa", L. Gonik, A. Huffman.
Ennen kuin aloitat puhumaan kaavojen kieltä, kuten Feynman ja Landau, sinun on opittava perusteet. Tämä kirja esittelee sinulle fyysiset perusilmiöt ja lait hauskalla tavalla. Aristoteles ja Galileo, Newton ja Maxwell, Einstein ja Feynman ovat ihmiskunnan tunnustettuja neroja, jotka ovat antaneet valtavan panoksen fysiikan kehitykseen, ja tämä ainutlaatuinen oppikirja selittää mistä se koostuu. Se kattaa laajan aihealueen: mekaniikka, sähkö, suhteellisuusteoria, kvantielektrodynamiikka. Saavutettavuus yhdistettynä korkeaan tieteelliseen esitystapaan takaa menestyksen tutkimalla yhtä mielenkiintoisimmista tieteenaloista, jotka liittyvät läheisesti muihin aloihin ja ennen kaikkea tekniikkaan.
9. "Jousiteoria ja maailmankaikkeuden piilotetut ulottuvuudet", Yau Sh., Nadis p.
Vallankumouksellinen jousiteoria väittää, että elämme kymmenenulotteisessa universumissa, mutta vain neljä näistä ulottuvuuksista on ihmisille ymmärrettäviä. Jos nykyaikaisia \u200b\u200btutkijoita uskotaan, muut kuusi ulottuvuutta rullataan hämmästyttävään rakenteeseen, joka tunnetaan nimellä Kalabi-Yau jako.

Kuinka monta fysiikan lakia on. FYSIIKAN PERUSLAKIT.

Energian säilyttämistä koskevassa laissa todetaan, että kehon energia ei koskaan katoa eikä ilmesty enää, se voi muuttua vain yhdestä tyypistä toiseen. Tämä laki on universaali. Fysiikan eri aloilla sillä on oma formulaationsa. Klassinen mekaniikka huomioi mekaanisen energian säilyvyyslain.

Fysikaalisten kappaleiden suljetun järjestelmän mekaaninen kokonaisenergia, jonka välillä konservatiiviset voimat toimivat, on vakioarvo. Näin muotoillaan Newtonin mekaniikan energiansäästölaki.

Suljettuna tai eristettynä pidetään fyysisenä järjestelmänä, johon ulkoiset voimat eivät vaikuta. Se ei vaihda energiaa ympäröivän tilan kanssa, ja oma energia, jota sillä on, pysyy muuttumattomana, ts. Se säilyy. Tällaisessa järjestelmässä vain sisäiset voimat toimivat ja kehot ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Se voi muuttaa potentiaalienergian vain kineettiseksi energiaksi ja päinvastoin.

Yksinkertaisin esimerkki suljetusta järjestelmästä on ampujakivääri ja luoti.

Fysiikan lait, jotka kaikkien tulisi tietää. FYSIIKAN PERUSLAKIT (koulukurssi).

SÄILYTTÄMISEN JA MUUTTAMISEN ENERGIAAT LAKI on yleinen luontolaki: kaikkien suljettujen järjestelmien energia kaikissa järjestelmässä tapahtuvissa prosesseissa pysyy vakiona (konservoituneena). Energia voi muuttua vain yhdestä muodosta toiseen ja jakaa uudelleen järjestelmän osien välillä. Avoimen järjestelmän osalta sen energian lisäys (lasku) on yhtä suuri kuin sen kanssa vuorovaikutuksessa olevien kehojen ja fyysisten kenttien energian väheneminen (lisääntyminen).

ARHIMEDA-LAKI - vesi- ja aerostaattista lakia: nesteeseen tai kaasuun upotettuun kappaleeseen kohdistuva kelluva voima kohdistuu pystysuoraan ylöspäin, joka on numeerisesti yhtä suuri kuin ruumiin siirtämän nesteen tai kaasun paino ja jota käytetään upotetun kehon osan painopisteessä. FA \u003d gV, missä r on nesteen tai kaasun tiheys, V on upotetun kehon osan tilavuus. Muutoin se voidaan formuloida seuraavasti: nesteeseen tai kaasuun upotettu kappale menettää painoaan yhtä paljon kuin sen siirtämä neste (tai kaasu) painaa. Sitten P \u003d mg - FA Muu gr. tutkija Archimedes vuonna 212. BC. Se on uimaelinten teorian perusta.

MAAILMAN GRAVIITTISUUSLAITU on Newtonin painolaki: kaikki ruumiit vetoavat toisiinsa voimalla, joka on suoraan verrannollinen näiden kappaleiden massojen tulokseen ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön: missä M ja m ovat vuorovaikuttavien kappaleiden massat, R on näiden kappaleiden välinen etäisyys, G on gravitaatio vakio (SI G \u003d 6,67,10-11N.m2 / kg2).

GALILEA-SUHTEELLISUUDEN PERIAATE, mekaaninen suhteellisuusteoria - klassisen mekaniikan periaate: kaikissa inertioissa referenssikehyksissä kaikki mekaaniset ilmiöt etenevät samalla tavalla samoissa olosuhteissa. vihkiä suhteellisuusteoria.

Koukkulaki - laki, jonka mukaan joustavat muodonmuutokset ovat suoraan verrannollisia niitä aiheuttaviin ulkoisiin vaikutuksiin.

IMPULSISUOJAUSLAITI on mekaniikan laki: minkä tahansa suljetun järjestelmän impulssi kaikissa järjestelmässä tapahtuvissa prosesseissa pysyy vakiona (konservoituneena) ja sitä voidaan jakaa uudelleen vain järjestelmän osien välillä niiden vuorovaikutuksen seurauksena.

Newtonin lait ovat kolme Newtonin klassisen mekaniikan perustana olevaa lakia. 1. laki (hitauslaki): aineellinen piste on suoraviivaisen ja tasaisen liikkeen tai lepoaseman tilassa, jos muut elimet eivät toimi siinä tai näiden elinten toiminta korvataan. Toinen laki (dynamiikan peruslaki): Kehon vastaanottama kiihtyvyys on suoraan verrannollinen kaikkien kehoon vaikuttavien voimien tulokseen ja käänteisesti verrannollinen kehon massaan (). Kolmas laki: Kaksi aineellista pistettä ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa saman luontaisilla voimilla, samansuuruisilla ja vastakkaisella suunnalla näitä pisteitä yhdistävän suoran suuntaisesti ().

SUHTEELLISUUSPERIAATE - yksi suhteellisuusteorian postulaateista, väittäen, että kaikissa inertioissa referenssikehyksissä kaikki fyysiset (mekaaniset, sähkömagneettiset jne.) Ilmiöt samoissa olosuhteissa etenevät samalla tavalla. Onko Galileon suhteellisuusperiaatteen yleistäminen kaikille fyysisille ilmiöille (painovoimaa lukuun ottamatta).

Aineen koostumuksen pysyvyyden laki.

Koostumuksen pysyvyyslaki (J.L. Proust, 1801 - 1808) - mikä tahansa määritelty kemiallisesti puhdas yhdiste, riippumatta sen valmistusmenetelmästä, koostuu samoista kemiallisista elementeistä ja niiden massojen suhteet ovat vakioita, ja niiden atomien suhteelliset luvut ilmaistaan \u200b\u200bkokonaisuutena numeroita. Tämä on yksi kemian peruslakeista.

Koostumuksen pysyvyyslakia ei noudateta bertholideilla (koostumuksilla, joilla on vaihteleva koostumus). Kuitenkin yksinkertaisuuden vuoksi useiden berthollidien koostumus kirjataan tavanomaisesti vakiona. Esimerkiksi rauta (II) oksidin koostumus kirjoitetaan nimellä FeO (tarkemman kaavan Fe sijasta)

Yleisen painovoiman laki. Kuvaus yleisen painovoiman laista

Kerroin on gravitaatiovakio. SI-järjestelmässä painovoimavakio on tärkeä:

Tämä vakio, kuten voidaan nähdä, on hyvin pieni, joten myös pienten massaisten kappaleiden väliset painovoimat ovat pieniä ja niitä ei käytännössä tunneta. Painovoima määrittelee kuitenkin täysin kosmisten kappaleiden liikkeen. Universaalin painovoiman tai toisin sanoen painovoiman vuorovaikutuksen läsnäolo selittää, mitä maapallo ja planeetat "pitävät" ja miksi ne liikkuvat auringon ympäri tiettyjä ratoja pitkin eivätkä lentä siitä pois. Painovoimalaki antaa mahdollisuuden määrittää taivaankappaleiden monia ominaisuuksia - planeettojen, tähtijen, galaksien ja jopa mustien reikien massoja. Tämä laki antaa mahdollisuuden laskea planeettojen kiertoradat erittäin tarkasti ja luoda matemaattisen mallin maailmankaikkeudesta.

Voit laskea myös kosmiset nopeudet käyttämällä yleisen painovoiman lakia. Esimerkiksi pienin nopeus, jolla vaakatasossa maapallon yläpuolella liikkuva ruumis ei putoa sitä kohti, vaan liikkuu pyöreällä kiertoradalla - 7,9 km / s (ensimmäinen kosminen nopeus). Maasta poistumiseksi, ts. voittaakseen painovoimansa, kehon nopeuden on oltava 11,2 km / s (toinen kosminen nopeus).

Painovoima on yksi hämmästyttävimmistä luonnonilmiöistä. Ilman gravitaatiovoimia maailmankaikkeuden olemassaolo olisi mahdotonta, maailmankaikkeus ei voisi edes syntyä. Painovoima on vastuussa monista maailmankaikkeuden prosesseista - sen syntymästä, järjestyksen olemassaolosta kaaoksen sijasta. Painovoiman luonne on edelleen täysin ratkaisematta. Tähän mennessä kukaan ei ole pystynyt kehittämään kunnollista mekanismia ja mallia gravitaation vuorovaikutuksesta.

Archimedesin laki (voima) - Nesteeseen tai kaasuun upotettuun kehoon kohdistuva kelluva voima on yhtä suuri kuin tämän ruumiin syrjäyttämän nesteen tai kaasun paino.

Integral muoto

Archimedean voima on aina suunnattu vastakkain painovoiman kanssa, joten nesteessä tai kaasussa olevan ruumiin paino on aina pienempi kuin tämän ruumiin paino tyhjiössä.

Jos vartalo kelluu pinnalla tai liikkuu tasaisesti ylös tai alas, silloin nostovoima (jota kutsutaan myös Archimedean-voimaksi) on suurelta osin sama (ja suuntaan nähden vastakkainen) painovoimaan, joka vaikuttaa kehon siirtämän nesteen (kaasun) tilavuuteen, ja kohdistetaan tämän tilavuuden painopisteeseen. ...

Mitä tulee esimerkiksi kaasussa oleviin kappaleisiin, esimerkiksi ilmassa, nostovoiman (Archimedes 'Force) löytämiseksi sinun on korvattava nesteen tiheys kaasun tiheydellä. Esimerkiksi ilmapallo, jossa on helium, lentää ylöspäin johtuen siitä, että heliumin tiheys on pienempi kuin ilman tiheys.

Painovoimakentän (gravitaatiovoiman) puuttuessa, toisin sanoen painottomuuden tilassa, Archimedesin laki ei toimi. Astronautit tuntevat tämän ilmiön riittävän hyvin. Erityisesti nollapainossa ei ole konvektio-ilmiötä (luonnollinen ilman liikkuminen avaruudessa), joten esimerkiksi puhaltimet pakottavat avaruusaluksen olohuoneiden ilmanjäähdytyksen ja ilmanvaihdon

Hiukkasfysiikan nykyinen vakiomalli on pysähtynyt mekanismi, joka koostuu vähäisestä ainesosien joukosta. Mutta näennäisestä ainutlaatuisuudesta huolimatta universumimme on vain yksi lukemattomista mahdollisista maailmoista. Meillä ei ole yhtään käsitystä siitä, miksi tämä hiukkaskokoonpano ja niitä käyttävät voimat ovat maailmanjärjestyksemme perusta.

Miksi kvarkeista on kuusi "makua", kolme "sukupolvea" neutriinoja ja yksi Higgs-hiukkas? Lisäksi yhdeksäntoista perustavanlaatuista fysikaalista vakioita (kuten elektronin massa ja varaus) sisältyy vakiomalliin. Näyttää siltä, \u200b\u200bettä näiden "vapaiden parametrien" arvoilla ei ole mitään syvää merkitystä. Toisaalta hiukkasfysiikka on esimerkki eleganssista. Toisaalta, se on vain kaunis teoria.

Jos maailmamme on vain yksi monista, niin mitä meillä on vaihtoehtoisilla maailmoilla? Nykyinen näkökulma on ehdoton vastakohta Einsteinin ajatukselle ainutlaatuisesta maailmankaikkeudesta. Nykyaikaiset fyysikot kattavat valtavan todennäköisyystilan ja yrittävät ymmärtää sen yhteyksien logiikan. Kultakatsastajista he ovat kehittyneet maantieteilijöiksi ja geologeiksi, kartoittaen maisemaa ja tutkivat yksityiskohtaisesti maata muokanneet voimat.

Virstanpylväs tässä prosessissa oli joustoteorian synty. Tällä hetkellä hän on ainoa ehdokas otsikkoon "kaiken teoria". Hyvä uutinen on, että jousiteoriassa ei ole ilmaisia \u200b\u200bparametreja. Ei ole kysymys siitä, mikä kieliteoria kuvaa universumiamme, koska se on ainutlaatuinen. Lisätoimintojen puuttuminen johtaa radikaaleihin seurauksiin. Kaikki luonnossa olevat numerot on määritettävä fysiikan itse. Nämä eivät ole "luonnon vakioita", vaan yksinkertaisesti yhtälöistä johdettuja muuttujia (joskus uskomattoman monimutkaisia).

Huonoja uutisia, herrat. Jousiteorian ratkaisutila on laaja ja monimutkainen. Tämä on fysiikan kannalta normaalia. Perinteisesti erotetaan peruslait, jotka perustuvat matemaattisiin yhtälöihin ja näiden yhtälöiden ratkaisuihin. Yleensä on olemassa useita lakeja ja rajaton määrä ratkaisuja. Otetaanpa Newtonin lait. Ne ovat teräviä ja tyylikkäitä, mutta kuvaavat kuitenkin uskomattoman laajaa joukkoa ilmiöitä pudottavasta omenasta kuun kiertoradalle. Tietäen järjestelmän alkuperäisen tilan, näitä lakeja voidaan käyttää kuvaamaan järjestelmän tilaa seuraavana hetkellä. Emme odota tai vaadi universaalia ratkaisua, joka kuvailisi kaikkea.

1.1. Huomautusta.Suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan lait, joiden mukaan aineen alkuainehiukkasten liike ja vuorovaikutus tapahtuvat, määräävät säännöllisyyden muodostumisen ja ilmestymisen useimmissa luonnontieteissä tutkituissa ilmiöissä. Nämä lait ovat nykyaikaisen huipputeknologian perustana ja määräävät suurelta osin sivilisaatiomme tilan ja kehityksen. Siksi tutustuminen perusfysiikan perusteisiin on välttämätöntä paitsi opiskelijoille myös koululaisille. Elämään alkavalle henkilölle on välttämätöntä aktiivinen perustietojen hallintaa maailman rakenteesta löytääkseen paikkansa maailmassa ja jatkaakseen opintojaan menestyksekkäästi.

1.2. Mikä on tämän mietinnön suurin vaikeus.Se on osoitettu sekä hiukkasfysiikan asiantuntijoille että paljon laajemmalle yleisölle: ei-hiukkasfyysikoille, matemaatikoille, kemisteille, biologille, energiainsinöörille, taloustieteilijöille, filosofille, kielitieteilijälle ... Jotta voin olla riittävän tarkka, minun on käytettävä termejä ja perusfysiikan kaavat. Minun on ymmärrettävä, että minun on jatkuvasti selitettävä nämä termit ja kaavat. Jos hiukkasfysiikka ei ole erikoisuuttasi, lue ensin vain ne kohdat, joiden otsikoita ei ole merkitty tähdellä. Yritä sitten lukea osiot yhdellä tähdellä *, kahdella ** ja lopulta kolmella ***. Onnistuin puhumaan luennon aikana suurimmasta osasta ilman tähtiä, mutta muille ei ollut aikaa.

1.3. Alkuainehiukkasten fysiikka.Hiukkasfysiikka on kaikkien luonnontieteiden perusta. Hän tutkii pienimpiä ainehiukkasia sekä niiden liikkeiden ja vuorovaikutuksen peruslakia. Viime kädessä nämä mallit määrittävät kaikkien esineiden käyttäytymisen maapallolla ja taivaalla. Hiukkasfysiikka käsittelee sellaisia \u200b\u200bperuskäsitteitä kuin tila ja aika; merkitystä; energia, vauhti ja massa; spin. (Useimmilla lukijoilla on idea huoneesta ja ajasta, kenties he ovat kuulleet massan ja energian välisestä suhteesta eikä heillä ole aavistustakaan, mitä impulssilla on sen kanssa, ja tuskin arvataan spinin tärkeimmästä roolista fysiikassa. hiukkasfysiikka luotiin 1900-luvulla. Sen luominen liittyy erottamattomasti ihmiskunnan historian kahden suurimman teorian: relatiivisuuden teorian ja kvantimekaniikan luomiseen. Näiden teorioiden avainvakiot ovat valon nopeus c ja Planckin vakio h.

1.4. Suhteellisuusteoria.Erityinen suhteellisuusteoria, joka syntyi 1900-luvun alussa, saattoi päätökseen useiden tieteiden synteesin, jotka tutkivat sellaisia \u200b\u200bklassisia ilmiöitä kuin sähkö, magnetiikka ja optiikka, luomalla mekaniikkaa kehon nopeudella, joka on verrattavissa valon nopeuteen. (Newtonin klassinen epärelativistinen mekaniikka käsitteli nopeuksia v<<c.) Sitten, vuonna 1915, luotiin yleinen suhteellisuusteoria, jonka tarkoituksena oli kuvata painovoimavuorovaikutuksia ottaen huomioon valon nopeuden lopullisuus c.

1.5. Kvanttimekaniikka.1920-luvulla luotu kvanttimekaniikka selitti atomien rakennetta ja ominaisuuksia elektronienla. Hän selitti valtavan määrän kemiallisia ilmiöitä, jotka liittyvät atomien ja molekyylien vuorovaikutukseen. Ja se antoi mahdollisuuden kuvata niiden aiheuttamat valon säteily- ja absorptioprosessit. Ymmärrä tiedot, jotka aurinko ja tähdet valaisevat meille.

1.6. Kvanttikenttäteoria.Suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan yhdistäminen johti kvanttikenttäteoriaan, joka mahdollistaa aineen tärkeimpien ominaisuuksien kuvaamisen suurella tarkkuudella. Kvanttikenttäteoria on tietysti liian monimutkainen selittääkseen koululaisille. Mutta 1900-luvun puolivälissä siihen syntyi visuaalinen Feynman-kaavioiden kieli, joka yksinkertaistaa radikaalisti kvanttikenttäteorian monien näkökohtien ymmärtämistä. Yksi tämän keskustelun päätavoitteista on osoittaa, kuinka laaja joukko ilmiöitä voidaan ymmärtää helposti Feynman-kaavioiden avulla. Tällöin asun yksityiskohtaisemmin kysymyksiin, joita kaikki kvanttikenttäteorian asiantuntijat eivät tiedä (esimerkiksi klassisen ja kvanttigravitaation välisestä suhteesta), ja aion vain asioista, joista keskustellaan laajalti kansantieteellisessä kirjallisuudessa.

1.7. Alkuainehiukkasten identiteetti.Alkuainehiukkasiksi kutsutaan pienimpiä jakamattomia ainehiukkasia, joista koko maailma on rakennettu. Upein ominaisuus, joka erottaa nämä hiukkaset tavallisista epäelementaarisista hiukkasista, esimerkiksi hiekanjyvistä tai helmistä, on se, että kaikki saman tyyppiset alkuainehiukkaset, esimerkiksi kaikki universumin elektronit, ovat ehdottomasti (!) Samoja - identtisiä. Ja seurauksena niiden yksinkertaisimmat sitoutuneet tilat - atomit ja yksinkertaisimmat molekyylit - ovat identtisiä toistensa kanssa.

1.8. Kuusi alkuainehiukkasta.Maan ja auringon tärkeimpien prosessien ymmärtämiseksi riittää ymmärtämään ensimmäisessä lähentämisessä prosessit, joihin osallistuu kuusi hiukkasta: elektroni e, protoni p, neutroni n ja elektronineutriino ν e, kuten fotoni y ja graviton g̃. Neljän ensimmäisen hiukkasen spin on 1/2, fotonin spin on 1 ja gravitonin spin on 2. (Hiukkasia, joiden spin on kokonaislukua, kutsutaan bosoneiksi, hiukkasia, joiden spin-puoliluku on nimeltään fermioneiksi. Lisätietoja spinistä käsitellään jäljempänä.) Protoneja ja neutroneja kutsutaan yleensä nukleoneiksi, koska heistä on rakennettu atomiytimiä, ja ydin on englanniksi ydin. Elektronia ja neutriinoa kutsutaan leptoneiksi. Heillä ei ole vahvaa ydinvuorovaikutusta.

Gravitonien erittäin heikon vuorovaikutuksen vuoksi on mahdotonta tarkkailla yksittäisiä gravitoneja, mutta näiden hiukkasten kautta painovoima toteutetaan luonnossa. Aivan kuten sähkömagneettiset vuorovaikutukset toteutetaan fotonien avulla.

1.9. Antihiukkasia.Elektronilla, protonilla ja neutronilla on ns. Antihiukkaset: positroni, antiprotoni ja antineutron. Ne eivät ole osa tavallista ainetta, koska kun he tapaavat vastaavien hiukkasten kanssa, he joutuvat vastavuoroisen tuhoamisen reaktioihin - tuhoamiseen. Joten elektroni ja positroni tuhoutuvat kahdeksi tai kolmeksi fotoniksi. Fotoni ja gravitoni ovat todella neutraaleja hiukkasia: ne ovat samat antihiukkastensa kanssa. Onko neutriino todella neutraali hiukkanen, ei vielä tiedetä.

1.10. Nukleonit ja kvarkit.1900-luvun puolivälissä kävi ilmi, että nukleonit itsessään koostuvat enemmän alkuainehiukkasista - kahden tyyppisistä kvarkeista, jotka kuvaavat u ja d: p = uud, n = dDU... Kvarkkien välinen vuorovaikutus suoritetaan gluoneilla. Antinuklonit koostuvat antiquarkeista.

1.11. Kolme fermionien sukupolvea.Kera u, d, e, ν ekaksi muuta kvarkkien ja leptonien ryhmää (tai kuten sanotaan, sukupolvia) löydettiin ja tutkittiin: c, s, μ, ν μ ja t, b, τ, ν τ. Nämä hiukkaset eivät sisälly tavallisen aineen koostumukseen, koska ne ovat epävakaita ja hajoavat nopeasti ensimmäisen sukupolven kevyemmiksi hiukkasiksi. Mutta heillä oli tärkeä rooli maailmankaikkeuden alkuvaiheissa.

Luonnon entistä täydellisemmäksi ja syvemmäksi ymmärtämiseksi tarvitaan vielä enemmän hiukkasia, joilla on vielä epätavallisempia ominaisuuksia. Mutta ehkä tulevaisuudessa kaikki tämä monimuotoisuus pienenee muutamiin yksinkertaisiin ja kauniisiin kokonaisuuksiin.

1.12. Hadronien.Lukuisia hiukkasryhmiä, jotka koostuvat kvarkeista ja / tai antiikkäristä ja gluoneista, kutsutaan hadroniksi. Kaikki hadronit, nukleoneja lukuun ottamatta, ovat epävakaita ja siksi eivät ole osa tavallista ainetta.

Usein hadroniin viitataan myös alkuainehiukkasina, koska niitä ei voida hajottaa vapaiiksi kvarkeiksi ja gluoneiksi. (Tätä tein, viitaten protoniin ja neutroniin kuuteen ensimmäiseen alkuainepartikkeliin.) Jos kaikkia hadroneja pidetään alkuaineina, niin alkupartikkeleiden määrä mitataan satoina.

1.13. Vakiomalli ja neljä tyyppiä vuorovaikutusta.Kuten jäljempänä selitetään, edellä luetellut alkuainepartikkelit sallivat ns. "Perushiukkasten standardimallin" puitteissa kuvata kaikki tähän mennessä tunnetut prosessit, jotka tapahtuvat luonnossa gravitaation, sähkömagneettisten, heikkojen ja voimakkaiden vuorovaikutusten seurauksena. Mutta ymmärtääksesi, kuinka kaksi ensimmäistä heistä toimivat, riittää neljä hiukkasta: fotoni, gravitoni, elektron ja protoni. Lisäksi tosiasia, että protoni koostuu u- ja d-kvarkit ja gluonit osoittautuvat merkityksettömiksi. Tietysti, ilman heikkoja ja vahvoja vuorovaikutuksia, on mahdotonta ymmärtää, kuinka atomitumat ovat järjestetty tai kuinka aurinko toimii. Mutta voit ymmärtää kuinka atomikuoret, jotka määrittävät elementtien kaikki kemialliset ominaisuudet, miten sähkö toimii ja kuinka galaksit on järjestetty.

1.14. Tunnetun ulkopuolella.Tiedämme jo tänään, että standardimallin hiukkaset ja vuorovaikutukset eivät kata luonnon aarteita.

Todettiin, että tavalliset atomit ja ionit muodostavat vain alle 20% kaikesta maailmankaikkeuden aineesta ja yli 80% on ns. Pimeää ainetta, jonka luonnetta ei vielä tunneta. Yleisin usko on, että tumma aine koostuu superhiukkasista. On mahdollista, että se koostuu peilihiukkasista.

Vieläkin silmiinpistävämpää on, että kaikki aine, sekä näkyvä (valo) että pimeä, kuljettaa vain neljänneksen koko maailmankaikkeuden energiasta. Kolme neljäsosaa kuuluu ns. Pimeään energiaan.

1.15. Alkuainehiukkaset "e jossain määrin ”ovat perustavanlaatuisia.Kun opettajani Isaak Yakovlevich Pomeranchuk halusi korostaa kysymyksen tärkeyttä, hän sanoi, että kysymys e on tärkeä tietyn asteen kannalta. Tietysti suurin osa luonnontieteistä, ei pelkästään hiukkasfysiikan suhteen, ovat perustavanlaatuisia. Esimerkiksi tiivisteainefysiikka noudattaa peruslakia, joita voidaan käyttää selvittämättä, kuinka ne seuraavat hiukkasfysiikan lait. Mutta suhteellisuusteorian ja kvantimekaniikan lait " e jossain määrin perustavanlaatuiseen ”siinä mielessä, että mikään näistä yleisemmistä laeista ei voi olla ristiriidassa niiden kanssa.

1.16. Peruslait.Kaikki luonnossa tapahtuvat prosessit tapahtuvat alkuainehiukkasten paikallisen vuorovaikutuksen ja liikkumisen (etenemisen) seurauksena. Näitä liikkeitä ja vuorovaikutusta säätelevät peruslait ovat hyvin epätavallisia ja hyvin yksinkertaisia. Ne perustuvat symmetrian käsitteeseen ja periaatteeseen, että mitä tahansa, joka ei ole ristiriidassa symmetrian kanssa, voi tapahtua ja sen pitäisi tapahtua. Seuraavaksi, jäljempänä Feynman-kaavioiden kieltä, seuraamme kuinka tämä toteutetaan hiukkasten painovoima-, sähkömagneettisissa, heikoissa ja vahvoissa vuorovaikutuksissa.

2. Hiukkaset ja elämä

2.1. Tietoja sivilisaatiosta ja kulttuurista.Venäjän tiedeakatemian ulkomaalainen jäsen Valentin Telegdi (1922–2006) selitti: "Jos wc on vesiviljely, se on kulttuurin kyky käyttää sitä."

ITEP: n työntekijä A. A. Abrikosov Jr. kirjoitti minulle äskettäin: ”Yksi raportin tavoitteista on vakuuttaa suuri yleisö tarpeesta opettaa nykyaikaista fysiikkaa laajemmin. Jos on, niin kannattaa ehkä mainita muutama päivittäinen esimerkki. Tarkoitan seuraavaa:

Elämme maailmassa, jota ei voida ajatella myös päivittäisellä tasolla ilman kvantimekaniikkaa (QM) ja suhteellisuusteoriaa (TO). Matkapuhelimet, tietokoneet, kaikki moderni elektroniikka, puhumattakaan LED-taskulampuista, puolijohdelaserista (mukaan lukien osoittimet), LCD-näytöt ovat pääosin kvanttilaitteita. On mahdotonta selittää, kuinka he toimivat ilman CM: n peruskäsitteitä. Kuinka selität ne mainitsemmatta tunnelointia?

Tiedän toisen esimerkin sinulta. Satelliittipaikannimet on asennettu jo jokaiseen 10. autoon. Kellon synkronointitarkkuus satelliittiverkossa on vähintään 10 −8 (tämä vastaa mittarin suuruista virhettä maapallon pinnalla olevan objektin lokalisoinnissa). Tällainen tarkkuus vaatii liikkuvan satelliitin kellon TO-korjausten huomioon ottamista. He sanovat, että insinöörit eivät voineet uskoa sitä, joten ensimmäisillä laitteilla oli kaksinkertainen ohjelma: muutosten kanssa ja ilman niitä. Kuten käy ilmi, ensimmäinen ohjelma toimii paremmin. Tässä on testi suhteellisuusteorian arjesta.

Tietenkin, puhelimella puhelimessa, ajaa autoa ja paukuttaa tietokoneen näppäimiä on mahdollista ilman korkeaa tiedettä. Mutta akateemikkojen pitäisi tuskin kehottaa olematta opettamaan maantiedettä, sillä "on ohjaamoja".

Ja sitten he keskustelevat koululaisten ja sitten opiskelijoiden kanssa viiden vuoden ajan aineellisista seikoista ja Galilean suhteellisuudesta, ja yhtäkkiä, ilman näkyvää syytä, he julistavat, että tämä "ei ole täysin totta".

Newtonin visuaalisesta maailmasta on vaikea rekonstruoida kvantti-maailmaan edes fysioteknisessä instituutissa. Sinun, AAA. "

2.2. Perusfysiikasta ja koulutuksesta.Valitettavasti moderni koulutusjärjestelmä on jäänyt modernin perusfysiikan taakse kokonaisen vuosisadan ajan. Ja suurimmalla osalla ihmisiä (mukaan lukien suurin osa tutkijoista) ei ole aavistustakaan siitä hämmästyttävän selkeästä ja yksinkertaisesta maailmankuvasta (kartasta), jonka on luonut alkuainehiukkasfysiikka. Tämän kartan avulla on paljon helpompaa navigoida kaikissa luonnontieteissä. Mietintöni tarkoituksena on vakuuttaa teille, että jotkut elementtihiukkasfysiikan, suhteellisuusteorian ja kvantiteorian elementit (käsitteet) voivat ja niiden pitäisi tulla perustana kaikkien luonnontieteiden aineiden opettamiselle paitsi korkeakouluissa, myös keskiasteella ja jopa ala-asteella. Loppujen lopuksi perusteellisesti uudet käsitteet hallitaan helpoimmin lapsuudessa. Lapsi hallitsee kielen helposti, hallitsee matkapuhelimella. Monet lapset palauttavat Rubikin kuution alkuperäisessä tilassaan muutamassa sekunnissa, ja edes päivä ei riitä minulle.

Jotta tulevaisuudessa ei olisi epämiellyttäviä yllätyksiä, on tarpeen asettaa riittävä maailmankuva lastentarhaan. vakiot c ja h tulisi tulla lasten tiedon välineiksi.

2.3. Tietoja matematiikasta.Matematiikan - kaikkien tieteiden kuningattaren ja palvelijan - on ehdottomasti oltava tärkein tiedon työkalu. Hän antaa sellaisia \u200b\u200bperuskäsitteitä kuin totuus, kauneus, symmetria, järjestys. Nolla- ja äärettömyyden käsitteet. Matematiikka opettaa sinua ajattelemaan ja laskemaan. Perusfysiikka ei ole mahdollinen ilman matematiikkaa. Koulutus ei ole mahdollinen ilman matematiikkaa. Tietenkin voi olla liian aikaista tutkia ryhmäteoriaa koulussa, mutta on tarpeen opettaa totuuden, kauneuden, symmetrian ja järjestyksen (ja samalla jonkin verran häiriön) arvo.

On erittäin tärkeää ymmärtää siirtyminen todellisista (todellisista) numeroista (yksinkertaiset, rationaaliset, irrationaaliset) kuvitteellisiin ja monimutkaisiin. Hyperkompleksilukuja (kvaternioita ja oktonioneja) pitäisi todennäköisesti tutkia vain ne opiskelijat, jotka haluavat työskennellä matematiikan ja teoreettisen fysiikan alalta. Esimerkiksi työssäni en ole koskaan käyttänyt oktonioita. Mutta tiedän, että niiden avulla on helpompi ymmärtää lupaavimpien, monien teoreettisten fyysikkojen mukaan, yksinoikeuden omaava symmetriaryhmä E 8.

2.4. Tietoja maailmankatsomuksesta ja luonnontieteistä.Maailmanlaajuisten lakien ymmärtäminen on välttämätöntä kaikissa luonnontieteissä. Tietenkin, solid-state-fysiikassa, kemiassa, biologiassa, maatieteissä, tähtitiedessä on omat erityiskonseptinsa, metodinsa, ongelmansa. Mutta on erittäin tärkeää, että meillä on yleinen maailmankartta ja ymmärrys siitä, että tällä kartalla on monia tyhjiä kohtia tuntemattomia. On erittäin tärkeää ymmärtää, että tiede ei ole luutunut dogma, vaan elävä prosessi lähestyä totuutta maailmankartan monissa kohdissa. Totuuteen lähestyminen on asymptoottinen prosessi.

2.5. Tietoja totuudesta ja mautonta reduktionismia.Ajatusta, että monimutkaisempia rakenteita koostuu vähemmän monimutkaisista rakenteista ja viime kädessä yksinkertaisimmista elementeistä, kutsutaan yleisesti reduktionismiksi. Tässä mielessä yritän vakuuttaa teille reduktionismin. Mutta mautonta reduktionismia, jonka mukaan kaikki tieteet voidaan pelkistää perushiukkasten fysiikkaan, ei voida ehdottomasti hyväksyä. Jokaisella yhä korkeammalla monimutkaisuustasolla muodostuu ja syntyy omia malleja. Sinun ei tarvitse tuntea hiukkasfysiikkaa ollaksesi hyvä biologi. Mutta ymmärtää sen paikka ja rooli tiedejärjestelmässä, ymmärtää vakioiden avainrooli c ja h välttämätön. Loppujen lopuksi tiede kokonaisuutena on yksi organismi.

2.6. Humanistiset ja yhteiskuntatieteet.Yleinen käsitys maailman rakenteesta on erittäin tärkeä taloustieteen, historian ja kognitiivisten tieteiden, kuten kielitieteiden, sekä filosofian kannalta. Ja päinvastoin - nämä tieteet ovat erittäin tärkeitä perustavanlaatuiselle fysiikalle, joka jatkuvasti tarkentaa peruskonseptejaan. Tämä näkyy suhteellisuusteorian tarkastelussa, johon nyt käännyn. Sanon erityisesti oikeustieteistä, jotka ovat erittäin tärkeitä luonnontieteiden vauraudelle (puhumattakaan selviytymiselle). Olen vakuuttunut siitä, että sosiaalisten lakien ei pitäisi olla ristiriidassa luonnon perustuslakien kanssa. Ihmislakien ei pitäisi olla ristiriidassa luonnon jumalallisten lakien kanssa.

2.7. Mikro, makro, Cosmo.Tavallista maailmaa, jossa on suuria, mutta ei jättimäisiä asioita, kutsutaan yleensä makrokosmosiksi. Taivaallisten esineiden maailmaa voidaan kutsua kosmimaailmaksi, ja atomien ja subatomien hiukkasten maailmaan kutsutaan mikrokosmosta. (Koska atomien koko on luokkaa 10 −10 m, mikrokosmos tarkoittaa esineitä, jotka ovat vähintään 4 tai jopa 10 suuruusluokkaa pienempiä kuin mikrometri ja 1–7 suuruusluokkaa pienempiä kuin nanometri. Nanon muodikas alue sijaitsee tien päällä mikro makroon.) XX vuosisadalla rakennettiin ns. perusmallihiukkasten malli, joka mahdollistaa monien makro- ja kosmolakien yksinkertaisen ja selkeän ymmärtämisen mikrolakeihin perustuen.

2.8. Mallimme.Teoreettisen fysiikan mallit rakennetaan hylkäämällä merkityksettömät olosuhteet. Esimerkiksi atomi- ja ydinfysiikassa hiukkasten gravitaatiovuorovaikutukset ovat vähäpätöisiä, ja niitä voidaan jättää huomiotta. Tällainen maailmanmalli sopii suhteellisuusteoriaan. Tässä mallissa on atomeja, molekyylejä, tiivistyneitä kappaleita, ... kiihdyttimiä ja törmäyksiä, mutta ei aurinkoa ja tähtiä.

Tällainen malli on todennäköisesti väärä erittäin suurissa mittakaavoissa, joissa painovoima on merkittävä.

Maan olemassaolo (ja näin ollen painovoima) on tietysti välttämätöntä CERN: n olemassaololle, mutta suuren osan CERN: ssä suoritettujen kokeiden ymmärtämiseksi (lukuun ottamatta mikroskooppisten "mustien reikien" etsimistä törmäysaineella) painovoima on merkityksetön.

2.9. Suuruusmääräykset.Yksi alkuainehiukkasten ominaisuuksien ymmärtämisen vaikeuksista liittyy siihen, että ne ovat hyvin pieniä ja niitä on paljon. Lusikallinen vettä sisältää valtavan määrän atomeja (noin 10 23). Tähtien lukumäärää maailmankaikkeuden näkyvässä osassa ei ole paljon vähemmän. Älä pelkää suuria numeroita. Loppujen lopuksi heitä ei ole vaikea käsitellä, koska numeroiden kertominen pienenee pääasiassa heidän järjestyksiensä lisäämiseksi: 1 \u003d 10 0, 10 \u003d 10 1, 100 \u003d 10 2. Kerro 10: llä 100: lla, jolloin saadaan 1 1 + 2 \u003d 10 3 \u003d 1000.

2.10. Pisara öljyä.Jos tippaa öljyä, jonka tilavuus on 1 millilitra, tippuu veden pinnalle, niin se leviää sateenkaaripisteeseen, jonka pinta-ala on useita neliömetriä ja paksuus noin sata nanometriä. Tämä on vain kolme suuruusluokkaa suurempi kuin atomin koko. Ja saippuakuplan kalvon paksuus ohuimmissa paikoissa on molekyylien koon suuruusluokkaa.

2.11. Jouleys.Tavanomaisen AA-akun jännite on 1,5 volttia (V) ja se sisältää 10 4 joulea (J). Haluan muistuttaa teitä siitä, että 1 J \u003d 1 kulmakuppi × 1 V ja myös, että 1 J \u003d kg m 2 / s 2 ja että painovoiman kiihtyvyys on noin 10 m / s 2. Joten 1 jouli voi nostaa yhden kilogramman 10 cm korkeuteen ja 10 4 J nostaa 100 kg 10 metrillä. Hissi kuluttaa niin paljon energiaa opiskelijan nostamiseksi kymmeneen kerrokseen. Se on kuinka paljon akussa on virtaa.

2.12. Elektroni volttia.Alkuhiukkasten fysiikan energiayksikkö on elektronivoltti (eV): 1 eV: n energian hankkii yksi elektroni, joka on läpäissyt 1 voltin potentiaaliero. Koska yhdessä coulombissa on 6,24 · 10 18 elektronia, sitten 1 J \u003d 6,24 · 10 18 eV.

1 keV \u003d 10 3 eV, 1 MeV \u003d 106 eV, 1 GeV \u003d 10 9 eV, 1 TeV \u003d 10 12 eV.

Muistutan, että yhden protonin energian CERN-ison hadronin kolarittimessa tulisi olla yhtä suuri kuin 7 TeV.

3. Tietoja suhteellisuusteoriasta

3.1. Referenssijärjestelmät.Kuvaamme kaikki kokeilumme yhdessä tai toisessa viitekehyksessä. Referenssijärjestelmä voi olla laboratorio, juna, maan satelliitti, galaksin keskusta .... Mikä tahansa hiukkasten lentäminen, esimerkiksi hiukkaskiihdyttimessä, voi olla referenssijärjestelmä. Koska kaikki nämä järjestelmät liikkuvat toisiinsa nähden, kaikki kokeet eivät näytä samoilta niissä. Lisäksi lähimpien massiivisten kappaleiden painovoima on niissä erilainen. Suhteellisuusteorian pääsisältö on näiden erojen huomioon ottaminen.

3.2. Galileon laiva.Galileo muotoili suhteellisuusperiaatteen kuvaamalla värikkästi kaikenlaisia \u200b\u200bkokeita sujuvasti purjehtivan aluksen ohjaamossa. Jos ikkunat verhoutetaan, näiden kokeiden avulla on mahdotonta selvittää, millä nopeudella alus liikkuu ja onko se seisomaton. Einstein lisäsi kokeita äärellisellä valonopeudella tähän mökkiin. Jos et katso ikkunasta, et voi tietää laivan nopeutta. Mutta jos katsot rantaa, voit.

3.3. Etäiset tähdet *.On kohtuullista nimetä sellainen viitekehys, jonka perusteella ihmiset voivat muotoilla kokemuksensa tulokset riippumatta siitä, missä he ovat. Tällaiselle universaaliselle viitekehykselle on jo kauan hyväksytty järjestelmä, jossa etäiset tähdet ovat paikallaan. Ja suhteellisen äskettäin (puoli vuosisataa sitten) löydettiin vielä kauempana olevia kvasaareja, ja osoittautui, että jäännösmikroaaltotaustan tulisi olla isotrooppinen tässä järjestelmässä.

3.4. Etsimällä yleistä viitekehystä *.Pohjimmiltaan koko tähtitieteen historia on eteneminen kohti yhä universaalimpaa viitekehystä. Antropokestrisestä, jossa on henkilö keskuksessa, geokeskeiseen, jossa lepäävä maa on keskellä (Ptolemaios, 87-165), heliokeskeiseen, jossa aurinko lepää keskellä (Copernicus, 1473-1543), galaentriseen, missä galaksiamme keskusta lepää, Neula, jossa galaksien nebulae-klusterijärjestelmä lepää, taustalle, missä kosmisen mikroaaltotausta on isotrooppinen. On kuitenkin välttämätöntä, että näiden viitekehysten nopeudet ovat pieniä verrattuna valon nopeuteen.

3.5. Copernicus, Kepler, Galileo, Newton *.Nicolaus Copernicuksen kirjassa "Taivaallisten pallojen kiertoista", joka julkaistiin vuonna 1543, sanotaan: "Kaikki Auringon havaitsemat liikkeet eivät ole ominaisia \u200b\u200bsille, vaan kuuluvat maapallolle ja sfäärillemme, joiden kanssa pyöritämme auringon ympäri, kuten mikään muu planeetta; siten maapallolla on useita liikkeitä. Planeettojen näkyvät eteen- ja taaksepäin suuntautuvat liikkeet eivät kuulu heille, vaan maapallolle. Siksi hänen liikkeensa yksin riittää selittämään taivaalla näkyvän suuren määrän epäsäännöllisyyksiä. "

Copernicus ja Kepler (1571-1630) antoivat yksinkertaisen fenomenologisen kuvauksen näiden liikkeiden kinematiikasta. Galileo (1564–1642) ja Newton (1643–1727) selittivät dynamiikkaansa.

3.6. Universaali tila ja aika *.Alueellisia koordinaatteja ja aikaa, joihin viitataan yleisessä viitekehyksessä, voidaan kutsua universaaleiksi tai absoluuttisiksi täydellisessä harmoniassa suhteellisuusteorian kanssa. On tärkeää korostaa vain sitä, että paikalliset tarkkailijat valitsevat tämän järjestelmän ja sopivat siitä. Mikä tahansa vertailukehys, joka liikkuu eteenpäin suhteessa yleiseen kehykseen, on inertia: siinä vapaa liikkuvuus on tasaista ja suoraviivaista.

3.7. "Invarianssiteoria"*. Huomaa, että sekä Albert Einstein (1879-1955) että Max Planck (1858-1947) (jotka ottivat käyttöön termin "suhteellisuusteoria" vuonna 1907, kutsuen sitä Einsteinin vuonna 1905 esittämään teoriaan) uskoivat, että termi "teoria" invarianssi ”voisi heijastaa tarkemmin sen olemusta. Mutta ilmeisesti 1900-luvun alussa oli tärkeämpää korostaa sellaisten käsitteiden suhteellisuusteoriaa kuin aika ja samanaikaisuus tasa-arvoisissa inertiaalisissa viitekehyksissä kuin erottaa yksi näistä järjestelmistä. Tärkeämpää oli, että Galileon ohjaamon verhoilluilla ikkunoilla oli mahdotonta selvittää laivan nopeutta. Mutta nyt on aika avata verhot ja katsoa rantaan. Tässä tapauksessa tietysti kaikki lait, jotka on annettu verhojen ollessa kiinni, pysyvät horjumattomina.

3.8. Kirje Chimmerille*. Vuonna 1921 Einstein kirjoitti kirjeessä filosoofisia kirjeitä käsittelevälle kirjalle E. Chimmerille: "Mitä tulee termiin" suhteellisuusteoria ", tunnustan, että se on valitettava ja johtaa filosofisiin väärinkäsityksiin." Mutta muuttaa sitä Einsteinin mukaan etenkin on liian myöhäistä, koska se on laajalle levinnyt. Tämä kirje julkaistiin Einsteinin 25-osaisen kerätyn teoksen, joka julkaistiin syksyllä 2009, 12. osassa, joka julkaistiin Princetonissa.

3.9. Suurin nopeus luonnossa.Suhteellisuusteorian avainvakio on valon nopeus c \u003d 300 000 km / s \u003d 3 × 108 m / s. (Tarkemmin, c \u003d 299 792 458 m / s. Ja tämä luku on nyt perusta mittarin määritelmälle.) Tämä nopeus on kaikkien luonnossa olevien signaalien etenemisnopeus. Se on monta suuruusluokkaa suurempi kuin niiden massiivisten esineiden nopeus, joita käsittelemme päivittäin. Se on epätavallisen suuri arvo, joka häiritsee suhteellisuusteorian pääsisällön ymmärtämistä. Hiukkasia, jotka liikkuvat valon nopeuden asteen mukaan, kutsutaan relativistisiksi.

3.10. Energia, vauhti ja nopeus.Hiukkasen vapaalle liikkeelle on ominaista hiukkasen energia E ja hänen impulssinsa p... Suhteellisuusteorian mukaan hiukkasen nopeus v määritetään kaavalla

Yksi pääasiallisista syistä terminologiseen sekaannukseen, josta keskusteltiin sek. 3.14, on se, että suhteellisuusteoriaa luotaessa he yrittivät säilyttää Newtonin yhteyden nopeuden ja nopeuden välillä p = mv, joka on ristiriidassa suhteellisuusteorian kanssa.

3.11. Paino.Hiukkasten massa m määritetään kaavalla

Vaikka hiukkasen energia ja vauhti riippuvat viitekehyksestä, sen massan arvo m ei riipu viitekehyksestä. Se on poikkeava. Kaavat (1) ja (2) ovat perustana suhteellisuusteoriassa.

Kummallista, mutta ensimmäinen suhteellisuusteorian monografia, jossa kaava (2) ilmestyi, julkaistiin vasta vuonna 1941. Se oli L. Landaun (1908–1968) ja E. Lifshitzin (1915–1985) ”Kenttäteoriat”. En ole löytänyt sitä yhdestäkään Einsteinin teoksesta. Se puuttuu myös W. Paulin (1900-1958), julkaistu vuonna 1921, huomattavassa kirjassa "Relatiivisuuden teoria". Mutta tätä kaavaa sisältävä relativistinen aaltoyhtälö oli P. Diracin kirjassa "Kvanttimekaniikan periaatteet" ( 1902–1984) ja vielä aikaisemmin O. Kleinin (1894–1977) ja W. Fockin (1898–1974) artikloissa 1926.

3.12. Massaton fotoni.Jos hiukkasen massa on nolla, ts. Hiukkanen on massaton, niin kaavoista (1) ja (2) seuraa, että missä tahansa viitekehyksessä sen nopeus on c... Koska valopartikkelin - fotonin - massa on niin pieni, että sitä ei voida havaita, on yleisesti hyväksytty, että se on nolla ja että c on valon nopeus.

3.13. Lepoenergia.Jos hiukkasen massa on eri kuin nolla, tarkastellaan vertailukehystä, jossa vapaa hiukkas on levossa ja siinä v = 0, p \u003d 0. Tällaista viitekehystä kutsutaan hiukkasen lepokehykseksi, ja tässä kehyksessä olevan hiukkasen energiaa kutsutaan lepoenergiaksi ja sitä merkitään E 0... Kaavasta (2) seuraa, että

Tämä kaava ilmaisee suhteen massiivisen hiukkasen lepoenergian ja sen massan välillä, jonka Einstein löysi vuonna 1905.

3.14. "Kuuluisin kaava."Valitettavasti Einsteinin kaava kirjoitetaan usein "kuuluisimman kaavan" muodossa E \u003d mc2”, Lepoenergian nollaindeksin jättäminen pois, mikä johtaa lukuisiin väärinkäsityksiin ja sekaannuksiin. Loppujen lopuksi tämä "kuuluisa kaava" identifioi energian ja massan, mikä on ristiriidassa suhteellisuusteorian ja erityisesti kaavan (2) kanssa. Se johtaa laajalle levinneeseen väärinkäsitykseen, että ruumiin massa suhteellisuusteorian mukaan väitetään kasvavan nopeuden kasvaessa. Venäjän koulutusakatemia on tehnyt paljon viime vuosina tämän väärinkäsityksen poistamiseksi.

3.15. Nopeuden yksikkö*. Suhteellisuusteoriassa, joka käsittelee valon nopeuteen verrattavia nopeuksia, on luonnollista valita c nopeuden yksikköä. Tämä valinta yksinkertaistaa kaikkia kaavoja, koska c/c\u003d 1, ja niihin pitäisi laittaa c \u003d 1. Tässä tapauksessa nopeudesta tulee mitaton määrä, etäisyydellä on ajan mitta ja massalla on energian mitta.

Alkuhiukkasfysiikassa hiukkasmassat mitataan yleensä elektronvolteina - eV ja niiden johdannaisina (katso kohta 2.14). Elektronin massa on noin 0,5 MeV, protonin massa on noin 1 GeV, raskaimman kvarkin massa on noin 170 GeV ja neutrinoonin massa on noin eV: n fraktioita.

3.16. Tähtitieteelliset etäisyydet*. Tähtitieteessä etäisyydet mitataan valovuosina. Universumin näkyvä osa on noin 14 miljardia valovuotta poikki. Tämä luku antaa vielä voimakkaamman vaikutelman verrattuna aikaan 10–24 s, jonka aikana valo kulkee protonin suuruusluokkaa olevan etäisyyden. Ja suhteellisuusteoria toimii tällä kaikella kolossaalisella alueella.

3.17. Minkowskin maailma.Vuonna 1908, muutama kuukausi ennen ennenaikaista kuolemaansa, Hermann Minkowski (1864-1909) sanoi profeetallisesti: ”Näkemykset avaruudesta ja ajasta, joita aion kehittää ennen sinua, syntyivät kokeellis-fyysisestä pohjalta. Tämä on heidän vahvuus. Heidän suuntauksensa on radikaali. Tästä lähtien tilan itsensä ja ajan itsensä on muututtava fiktioksi, ja vain tietynlainen yhdistelmä molempia on silti säilytettävä itsenäisyytenä. "

Vuosisataa myöhemmin tiedämme, että aika ja tila eivät ole muuttuneet fiktioiksi, mutta Minkowskin idea antoi mahdolliseksi kuvata yksinkertaisesti ainehiukkasten liikkeet ja vuorovaikutukset.

3.18. Nelidimensioinen maailma*. Yksiköinä, joissa c \u003d 1, idea Minkowskin maailmasta näyttää erityisen kauniilta, joka yhdistää ajan ja kolmiulotteisen tilan yhdeksi nelidimensioiseksi maailmaksi. Energia ja impulssi yhdistetään yhdeksi nelidimensioiseksi vektoriksi, ja massa yhtälön (2) mukaisesti toimii tämän 4 energia-momentin vektorin pseudoeuklidisena pituutena p = E, p:

Minkowskin maailman neljäulotteista etenemissuuntausta kutsutaan maailmanviivaksi, ja yksittäisiä pisteitä kutsutaan maailmanpisteiksi.

3.19. Kellon riippuvuus nopeudesta**. Lukuisat havainnot osoittavat, että kellot ajavat nopeimmin, kun ne ovat levossa suhteessa inertiakehykseen. Hitaat liikkeet inertiaalisessa referenssijärjestelmässä hidastavat niiden etenemistä. Mitä nopeammin ne liikkuvat avaruudessa, sitä hitaammin ne menevät ajoissa. Hidastuvuus on ehdoton universaalisessa viitekehyksessä (katso kohdat 3.1–3.8). Sen mitta on suhde E / m, jota usein merkitään kirjaimella γ.

3.20. Kuut rengaskiihdyttimessä ja levossa**. Tämän hidastumisen olemassaolo voidaan selkeimmin nähdä vertaamalla levossa olevan renkaan ja rengaskiihdyttimeen pyörivän kuun elinaikoja. Se tosiseikka, että kiihdyttimessä kuoni ei liiku täysin vapaasti, mutta siinä on keskisuuntainen kiihtyvyys ω 2 Rmissä ω on kierroksen radiaalitaajuus, ja R on kiertoradan säde, antaa vain vähäisen korjauksen, koska E / ω 2 R \u003d ER \u003e\u003e 1. Liike ympyrässä, ei suorassa linjassa, on ehdottoman välttämätöntä pyörivän kuponin vertailemiseksi levossa olevan muonin kanssa. Mutta liikkuvan kuponin ikääntymisnopeuden suhteen riittävän suuren säteen ympyrän kaari ei ole erotettavissa suorasta. Tämän vauhdin määrää asenne E / m... (Korostan, että suhteellisuusteorian erityisteorian mukaan viitekehys, jossa pyörivä muoni on levossa, ei ole hitaus.)

3.21. Kaari ja sointu**. Inertiaalisessa viitekehyksessä lepäävän tarkkailijan kannalta riittävän suuren säteen ympyrän kaari ja sen sointu ovat käytännössä erottamattomat: liike kaaria pitkin on melkein inertiaalinen. Tarkkailijan kannalta levossa suhteessa ympyrässä lentävään kuonoon, sen liike ei ole käytännössä inertia. Loppujen lopuksi sen nopeudenmuutos merkki puoli kierrosta. (Liikkuvalle tarkkailijalle etäiset tähdet eivät missään nimessä ole paikallaan. Koko maailmankaikkeus on epäsymmetrinen: tähdet edessä ovat sinisiä ja takana punaisia. Vaikka meille ne ovat kaikki samoja - kultaisia, koska aurinkojärjestelmän nopeus on pieni.) Ja tämän tarkkailijan ei-inertia ilmenee tosiasia, että edessä ja takana olevat konstellaatiot muuttuvat, kun kuoni liikkuu rengaskiihdyttimessä. Emme voi pitää paikallaan olevaa ja liikkuvaa tarkkailijaa samanarvoisina, koska ensimmäisellä ei ole mitään kiihtyvyyttä, ja toisen on koettava se palatakseen kohtauspisteeseen.

3.22. Yleinen suhteellisuusteoria**. Teoreettiset fyysikot, jotka ovat tottuneet yleisen suhteellisuustekniikan (GTR) kieleen, vaativat, että kaikki viitekehykset ovat samat. Ei vain inertiaalinen, vaan myös kiihtynyt. Se avaruusaika itsessään on vinossa. Tässä tapauksessa gravitaatiovuorovaikutus lakkaa olemasta sama fyysinen vuorovaikutus kuin sähkömagneettinen, heikko ja vahva, ja siitä tulee kaarevan tilan yksinomainen ilmentymä. Tämän seurauksena kaikki heidän fysiikka näyttää jakautuvan kahteen osaan. Jos lähdemme siitä tosiasiasta, että kiihtyvyys johtuu aina vuorovaikutuksesta, että se ei ole suhteellinen, vaan ehdoton, niin fysiikasta tulee yhtenäinen ja yksinkertainen.

3.23. Lenkom.Sanojen "suhteellisuusteoria" ja "relativismi" käyttö suhteessa valon nopeuteen muistuttaa teatterin "Lenkom" tai sanomalehden "Moskovsky Komsomolets" nimeä, joka on vain genealogisesti sidottu komsomoliin. Nämä ovat kielen paradokseja. Valon nopeus tyhjyydessä ei ole suhteellinen. Se on ehdoton. Fyysikot tarvitsevat vain kielitieteilijöiden apua.

4. Tietoja kvantiteoriasta

4.1. Planckin vakio.Jos suhteellisuusteoriassa avainvakio on valon nopeus c, niin kvantti mekaniikassa avainvakio on h \u003d 6,63 · 10–34 J · s, löysi Max Planck vuonna 1900. Tämän vakion fyysinen merkitys tulee selväksi seuraavasta esityksestä. Suurimmaksi osaksi nk. Pelkistetty Planck-vakio esiintyy kvanttimekaniikan kaavoissa:

ħ = h / 2π \u003d 1,05 10-34 J × c \u003d 6,58 · 10 –22 MeV · s.

Monissa ilmiöissä määrä hc \u003d 1,97 · 10 - 11 MeV · cm.

4.2. Elektronin spin.Aloitetaan tunnetulla naiivilla atomin vertailulla planeettajärjestelmään. Planeetat pyörivät auringon ympäri ja oman akselinsa ympäri. Samoin elektronit pyörivät ytimen ja oman akselinsa ympäri. Elektronin kiertoradan kiertämiselle on tunnusomaista kiertoradan kulmamomentti L (sitä kutsutaan usein ja ei aivan oikein kiertoradan kulmavirheeksi). Elektronin pyörimiselle oman akselinsa ympäri on ominaista oma kulmamomentti - spin S... Kävi ilmi, että kaikkien maailman elektronien spin on yhtä suuri kuin (1/2) ħ ... Vertailun vuoksi huomaamme, että maan "spin" on 6 · 10 33 m 2 · kg / s \u003d 6 · 10 67 ħ .

4.3. Vetyatomi.Itse asiassa atomi ei ole planeettajärjestelmä ja elektron ei ole tavallinen hiukkas, joka liikkuu kiertoradalla. Elektroni, kuten kaikki muut alkuainepartikkelit, ei ole ollenkaan hiukkanen sanan arkisessa merkityksessä, mikä tarkoittaa, että hiukkasen on liikuttava tiettyä rataa pitkin. Yksinkertaisimmassa atomissa - vetyatomissa, jos se on perustilassaan, ts. Se ei ole kiihtynyt, elektroni muistuttaa pikemminkin pallomaista pilveä, jonka säde on luokkaa 0,5 × 10 –10 m. Atomin kiihtyessä elektroni siirtyy yhä korkeampiin tiloihin kasvava koko.

4.4. Elektronien kvanttilukumäärät.Spinnistä huolimatta, elektronin liikkeelle atomissa on ominaista kaksi kvanttilukemaa: pääkvanttinumero n ja kiertoradan kvanttinumero lja n ≥ l... Jos l \u003d 0, sitten elektroni on pallosymmetrinen pilvi. Mitä suurempi n, sitä suurempi tämän pilven koko on. Sitä enemmän lsitä enemmän elektronin liike on samanlainen kuin klassisen hiukkasen liike kiertoradallaan. Elektronin sitoutumisenergia vetyatomissa kuoressa, jolla on kvantiluku n, vastaa

missä α = e 2/hc ≈ 1/137, a e on elektronivaraus.

4.5. Monielektroniatomit.Spinillä on avainrooli monien elektronien atomien elektronikuorien täyttämisessä. Tosiasia, että kaksi elektronia, joilla on identtisesti suunnattu oikea kierto (identtisesti suunnatut spinnit), eivät voi olla samassa kuoressa annettujen arvojen kanssa n ja l... Tämä on kielletty ns. Pauli-periaatteella (1900-1958). Pohjimmiltaan Paulin periaate määrittelee Mendelejevin jaksollisen elementtitaulukon (1834-1907) jaksot.

4.6. Bosonit ja fermionit.Kaikilla alkuainehiukkasilla on spin. Joten fotonin spin on 1 yksikköä ħ , gravitonin spin on 2. Hiukkaset, joiden kokonaislukuinen spin on yksiköissä ħ sai bosonien nimen. Hiukkasia, joiden spin on puoliluku, kutsutaan fermioneiksi. Bosonit ovat kollektivisteja: "he kaikki pyrkivät elämään samassa huoneessa", ollakseen samassa kvanttilassa. Laser perustuu tähän fotonien ominaisuuteen: kaikilla lasersäteen fotoneilla on täsmälleen sama momentti. Fermionit ovat individualisteja: "jokainen heistä tarvitsee erillisen asunnon". Tämä elektronien ominaisuus määrää atomien elektronikuorien täyttämisen säännöllisyydet.

4.7. "Quantum kentaurit".Alkuainepartikkelit ovat kuin kvantti-kentaurit: puolihiukkaset - puoli-aallot. Aalto-ominaisuuksiensa vuoksi kvanttikentaurit, toisin kuin klassiset hiukkaset, voivat kulkea kahden raon läpi kerralla, jolloin syntyy häiriökuvio takana olevaan ruutuun. Kaikki yritykset sovittaa kvantti-kentaurit Procrustean-sänkyyn klassisen fysiikan käsitteistä ovat osoittautuneet tuloksettomiksi.

4.8. Epävarmuussuhteet.jatkuva ħ määrittelee elementtihiukkasten paitsi rotaation, myös myös translaation, piirteet. Hiukkasen sijainnissa ja liikkeessä olevien epävarmuustekijöiden on tyydytettävä ns. Heisenbergin epävarmuussuhteet (1901-1976), kuten

Samanlainen suhde on olemassa energian ja ajan suhteen:

4.9. Kvanttimekaniikka.Sekä spinikvantisointi että epävarmuussuhteet ovat 1920-luvulla luotujen kvanttimekaniikan yleisten lakien erityisiä oireita. Kvanttimekaniikan mukaan mikä tahansa elementtihiukkas, esimerkiksi elektroni, on sekä alkuainepartikkeli että elementtinen (yhden hiukkasen) aalto. Lisäksi, toisin kuin tavallinen aalto, joka on kolossaalisen määrän hiukkasten jaksottaisia \u200b\u200bliikkeitä, alkuaineaalto on uuden hiukkasen uusi, aikaisemmin tuntematon liiketyyppi. Alkuperäinen aallonpituus λ hiukkasella, jolla on vauhti p on yhtä kuin λ \u003d h/|p| ja perustaajuus ν vastaa energiaa E, vastaa v \u003d E / h.

4.10. Kvanttikenttäteoria.Joten ensin pakotettiin myöntämään, että hiukkaset voivat olla mielivaltaisesti kevyitä ja jopa massattomia ja että niiden nopeudet eivät voi ylittää c... Sitten meidän oli pakko myöntää, että hiukkaset eivät ole ollenkaan hiukkasia, vaan hiukkasten ja aaltojen ominaisia \u200b\u200bhybridejä, joiden käyttäytymisen yhdistää kvantti h... Suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan yhdistäminen tehtiin Diracissa (1902-1984) vuonna 1930, ja se johti teoriaan, jota kutsuttiin kvanttikenttäteoriaksi. Juuri tämä teoria kuvaa aineen perusominaisuuksia.

4.11. Yksiköt, joissa c, ħ = 1. Seuraavaksi käytämme pääsääntöisesti sellaisia \u200b\u200byksiköitä, joissa nopeusyksikköä pidetään c, ja kulmaimpulssin yksikköä kohti (toiminta) - ħ ... Näissä yksiköissä kaikkia kaavoja yksinkertaistetaan huomattavasti. Erityisesti heissä energian, massan ja taajuuden mitat ovat samat. Nämä yksiköt hyväksytään korkeaenergisessa fysiikassa, koska kvantti- ja relativistiset ilmiöt ovat siinä olennaisia. Niissä tapauksissa, joissa on tarpeen korostaa tämän tai sen ilmiön kvanttiluonnetta, kirjoitamme nimenomaisesti ħ ... Teemme samoin c.

4.12. Einstein ja kvanttimekaniikka *.Einstein, synnyttäen kvanttimekaniikan, ei tiennyt sitä. Ja elämänsä loppuun asti hän yritti rakentaa "yhtenäisen kaiken teorian" klassisen kenttäteorian pohjalta jättäen huomioimatta ħ ... Einstein uskoi klassiseen determinismiin ja sattuman tutkimatta jättämiseen. Hän toisti Jumalasta: "Hän ei pelaa noppaa." Ja hän ei kyennyt tottelemaan sitä tosiasiaa, että yksittäisen hiukkasen hajoamishetkeä ei periaatteessa voida ennustaa, vaikka tietyn tyyppisen hiukkasen keskimääräinen elinikä ennustetaan kvanttimekaniikan puitteissa ennennäkemättömällä tarkkuudella. Valitettavasti hänen riippuvuutensa ovat määrittäneet niin monien ihmisten näkemykset.

5. Feynman-kaaviot

5.1. Yksinkertaisin kaavio.Hiukkasten vuorovaikutusta on tarkoituksenmukaista harkita Richard Feynmanin (1918–1988) vuonna 1949 esittämien kaavioiden avulla. Kuvio 1 esittää yksinkertaisimman Feynman-kaavion, joka kuvaa elektronin ja protonin vuorovaikutusta fotonin vaihdon kautta.

Kuvan nuolet osoittavat kunkin hiukkasen aikavirtaussuunnan.

5.2. Oikeat hiukkaset.Yksi tai useampi Feynman-kaavio vastaa kutakin prosessia. Kaavion ulkoiset viivat vastaavat tulevia (ennen vuorovaikutusta) ja lähteviä (vuorovaikutuksen jälkeen) hiukkasia, jotka ovat vapaita. Heidän 4-momentin p täyttävät yhtälön

Niitä kutsutaan oikeiksi hiukkasiksi ja sanotaan olevan massakuoressa.

5.3. Virtuaalihiukkaset.Kaavioiden sisäviivat vastaavat partikkeleita virtuaalitilassa. Heille

Niitä kutsutaan virtuaalisiksi hiukkasiksi, ja niiden sanotaan olevan massojen ulkopuolella. Virtuaalihiukkasen eteneminen kuvataan matemaattisella suurella, jota kutsutaan propagaattoriksi.

Tämä yleinen terminologia voi johtaa aloittelijaan ajattelemaan, että virtuaaliset hiukkaset ovat vähemmän materiaalisia kuin oikeat hiukkaset. Todellisuudessa ne ovat yhtä aineellisia, mutta todelliset hiukkaset näemme aineena ja säteilynä ja virtuaalisina hiukkasina - lähinnä voimakenttinä, vaikka tämä ero on suurelta osin mielivaltainen. On tärkeää, että sama hiukkanen, esimerkiksi fotoni tai elektron, voi olla tosi tietyissä olosuhteissa ja virtuaali toisissa.

5.4. Kärkipisteet.Kaavion kärjet kuvaavat hiukkasten välisten alkuaineiden paikallisia vaikutuksia. Jokaisessa kärjessä 4-momentti tallennetaan. On helppo nähdä, että jos kolme riviä vakaita hiukkasia kohtaa yhdessä kärjessä, niin ainakin yhden niistä on oltava virtuaalisia, ts. Niiden on oltava massakuoren ulkopuolella: "Bolivar ei voi purkaa kolmea." (Esimerkiksi vapaa elektroni ei voi emittoida vapaata fotonia ja pysyä vapaana elektronina.)

Kaksi todellista hiukkasta ovat vuorovaikutuksessa etäisyydellä, vaihtaen yhden tai useamman virtuaalisen hiukkasen.

5.5. Levitän.Jos oikeiden hiukkasten sanotaan liikkuvan, niin virtuaalisten partikkelien sanotaan etenemään. Termi ”eteneminen” korostaa sitä tosiasiaa, että virtuaalisella hiukkasella voi olla monia ratoja, ja voi olla, että yksikään niistä ei ole klassinen, kuten virtuaalinen fotoni, jolla on nollaenergiaa ja nollavoimaa, joka kuvaa staattisen Coulomb-vuorovaikutuksen.

5.6. Antihiukkasia.Feynman-kaavioiden merkittävä ominaisuus on, että ne kuvaavat sekä hiukkasia että vastaavia antihiukkasia yhtenäisellä tavalla. Tässä tapauksessa antihiukkaset näyttävät hiukkasilta, jotka liikkuvat taaksepäin ajassa. Kuvassa 1 Kuvio 2 esittää kaaviota, joka kuvaa protonin ja antiprotonin tuotantoa elektronin ja positronin tuhoamisen aikana.

Ajan taaksepäin tapahtuvaa liikettä voidaan yhtä hyvin soveltaa fermioneihin ja bosoneihin. Siksi on tarpeetonta tulkita positroneja tyhjinä tiloina negatiivisten energialähteiden elektronien meressä, mihin Dirac turvautui, kun hän aloitti vuonna 1930 käsitteen hiukkaset.

5.7. Schwingerin ja Feynmanin kaaviot.Schwinger (1918–1994), joka ei välittänyt laskennallisista vaikeuksista, ei pitänyt Feynman-kaavioista ja kirjoitti niistä hiukan rauhallisesti: "Kuten viimeisten vuosien tietokonepiiri, Feynman-kaavio kantoi laskelmat massoille." Valitettavasti Feynman-kaaviot eivät saavuttaneet laajinta massaa, toisin kuin siru.

5.8. Feynmanin ja Feynmanin kaaviot.Jostain tuntemattomasta syystä Feynman-kaaviot eivät edes saavuttaneet kuuluisia "Feynmanin fysiikan luentoja". Olen vakuuttunut siitä, että ne on tuotava lukion opiskelijoille selittämällä heille hiukkasfysiikan perusideat. Tämä on yksinkertaisin näkymä mikrokosmosta ja maailmaan yleensä. Jos opiskelija tuntee potentiaalisen energian käsitteen (esimerkiksi Newtonin laki tai Coulombin laki), niin Feynman-kaavioiden avulla hän voi saada ilmauksen tästä potentiaalisesta energiasta.

5.9. Virtuaalihiukkaset ja fyysiset voimakentät.Feynman-kaaviot ovat kvanttikenttäteorian yksinkertaisin kieli. (Ainakin niissä tapauksissa, joissa vuorovaikutus ei ole kovin vahvaa ja häiriöteoriaa voidaan käyttää.) Useimmissa kvantikenttäteoriaa koskevissa kirjoissa hiukkasia pidetään kenttien kvanttiheräteinä, mikä vaatii perehtymistä toisen kvantisoinnin muodollisuuteen. Feynman-kaavioiden kielellä kentät korvataan virtuaalisilla partikkeleilla.

Alkuainehiukkasilla on sekä runko- että aalto-ominaisuudet. Lisäksi todellisessa tilassa ne ovat ainehiukkasia, ja virtuaalisessa tilassa ne ovat myös voimien kantajat materiaalisten esineiden välillä. Virtuaalipartikkeleiden käyttöönoton jälkeen voimamääräyksestä tulee tarpeeton, ja kentän käsite, jos sitä ei ollut aiemmin perehtynyt, tulisi ehkä tutustua sen jälkeen, kun virtuaalipartikkelin käsite on hallittu.

5.10. Alkuperäinen vuorovaikutus*. Virtuaalihiukkasten (kärkien) säteily- ja absorptio-elementteille on tunnusomaista sellaiset vuorovaikutusvakiot kuin sähkövaraus e fotonin tapauksessa, heikot varaukset e / sin θ W W-bozonin ja e / sin θ W cos θ W Z-bosonin tapauksessa (missä θ W - Weinbergin kulma), värivaraus g gluonien tapauksessa ja määrä √g gravitonin tapauksessa missä G on Newtonin vakio. (Katso kohdat 6-10.) Sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta keskustellaan jäljempänä luvussa. 7. Heikko vuorovaikutus - Ch. 8. Vahva - Ch. yhdeksän.

Ja aloitamme seuraavassa luvussa. 6 gravitaation kanssa.

6. Painovoimainen vuorovaikutus

6.1. Gravitoneja.Aloitan hiukkasilla, joita ei ole vielä löydetty ja joita ei varmasti löydy lähitulevaisuudessa. Nämä ovat gravitaatiokentän hiukkasia - gravitoneja. Gravitonien lisäksi ei ole vielä löydetty, mutta myös gravitaatioaaltoja (ja tämä tapahtuu samalla kun sähkömagneettiset aallot tunkeutuvat kirjaimellisesti elämäämme). Tämä johtuu tosiasiasta, että alhaisilla energioilla gravitaatiovuorovaikutus on erittäin heikko. Kuten näemme, gravitoniteoria antaa meille mahdollisuuden ymmärtää kaikki gravitaatiovuorovaikutuksen tunnetut ominaisuudet.

6.2. Gravitonien vaihto.Feynman-kaavioiden kielellä kahden ruumiin gravitaatiovuorovaikutus toteutetaan vaihtamalla virtuaalisia gravitoneja näiden kappaleiden muodostavien alkuainehiukkasten välillä. Kuvassa 1 Kuviossa 3 gravitoni emittoidaan hiukkasella, jolla on 4-momentti p 1, ja absorboidaan toisella hiukkasella, jolla on 4-momentti p 2. Koska 4-momentti on säilynyt, q \u003d p 1 - p ′ 1 \u003d p ′ 2 −p 2, missä q on gravitonin 4-momentti.

Virtuaalisen gravitonin eteneminen (kuten mikä tahansa virtuaalihiukkas, etenkin vastaa siihen) on esitetty kuvassa jousella.

6.3. Vetyatomi maan gravitaatiokentässä.Kuvassa 1 Kuvio 4 esittää niiden kaavioiden summan, joissa vetyatomi, jolla on 4-momentti p 1, vaihtaa gravitoneja kaikkien maan atomien kanssa, joiden kokonais 4-momentti on p2. Ja tässä tapauksessa q \u003d p 1 - p ′ 1 \u003d p ′ 2 - p 2, missä q on virtuaalisten gravitonien kokonais 4-momentti.

6.4. Tietoja atomin massasta.Seuraavaksi, kun tarkastellaan painovoimaista vuorovaikutusta, jätämme huomioimatta elektronimassan verrattuna protonimassan kanssa ja huomioimatta myös protonin ja neutronin massojen välisen eron ja atomisäteissä olevien nukleonien sitoutumisenergian. Joten atomin massa on karkeasti atomitumassa olevien nukleonimassojen summa.

6.5. Saada*. Maapallon nukleonien lukumäärä N E ≈ 3,6 · 10 51 on yhtä suuri kuin nukleonien lukumäärän tulo grammassa maanpäällistä ainetta, ts. Avogadro-luku N A ≈ 6 · 10 23, maapallon massana grammoina ≈ 6 · 10 27. Siksi kuvion 1 kaavio 4 on kuvan 3,6 · 10 51 kaavioiden summa. Kuviossa 3 on esitetty maapallon viivojen ja virtuaalisten gravitonien paksuuntuminen kuviossa 3. 4. Lisäksi "gravitonjousi", toisin kuin yhden gravitonin levittäjä, on esitetty kuvassa. 4 harmaa. Se näyttää sisältävän 3,6 · 10 51 gravitonia.

6.6. Newtonin omena maan gravitaatiokentällä.Kuvassa 1 Kuviossa 5 esitetään, että kaikki omenaatomit, joiden kokonaismäärä on 4 momentti p 1, ovat vuorovaikutuksessa kaikkien Maan atomien kanssa yhteensä 4 momentin p 2 kanssa.

6.7. Kaavioiden lukumäärä*. Muistutan, että yksi gramma tavallista ainetta sisältää N A \u003d 6 · 10 23 nukleonia. Nukleonien lukumäärä 100 grammassa omenassa N a \u003d 100 N A \u003d 6 10 25. Maapallon massa on 6 10 27 g, ja näin ollen Maan nukleonien lukumäärä on NE \u003d 3,6 · 10 51. Tietysti kuvion 5 viivojen paksuuntuminen. Kuvio 5 ei missään tapauksessa vastaa omena N a: n, maapallon N E nukleoneiden valtavaa määrää nukleoneja ja paljon suurempaa, yksinkertaisesti fantastista määrää Feynman-kaavioita N d \u003d N a N E \u003d 2,2 · 10 77. Loppujen lopuksi jokainen omenan ydin on vuorovaikutuksessa maan kaikkien nukleonien kanssa. Kuvioiden jousen korostamiseksi kaavioiden kolossaalista lukumäärää 5 tehdään tummaksi.

Vaikka gravitonin vuorovaikutus yksittäisen alkuainepartikkelin kanssa on hyvin pieni, kaikkien Maapallon nukleonien kaavioiden summa luo merkittävän vetovoiman, jota tunnemme. Universaalinen painovoima vetää Kuun maapallolle, molemmat aurinkoon, kaikki galaksissamme olevat tähdet ja kaikki galaksit toisiinsa.

6.8. Feynman-amplitudi ja sen Fourier-muunnos***.

Feynman-kaavio kahden hitaan kappaleen painovoiman vuorovaikutuksesta massojen m 1 ja m 2 kanssa vastaa Feynmanin amplitudia

missä G on Newtonin vakio, a q - Virtuaalisten gravitonien kuljettama 3-vauhtia. (Määrä 1 / q 2missä q - 4-vauhtia, nimeltään gravitonin lisääjä. Hitaiden kappaleiden tapauksessa energiaa ei käytännössä siirretä, ja siksi q 2 = −q 2 .)

Siirtyäkseen vauhtitilasta konfiguraatio- (koordinaatti) avaruuteen on tehtävä amplitudin A Fourier-muunnos ( q)

Määrä A ( r) antaa ei-relatiivisten hiukkasten gravitaation vuorovaikutuksen potentiaalisen energian ja määrittää relativistisen hiukkasen liikkeen staattisessa painovoimakentässä.

6.9. Newtonin potentiaali*. Kahden kappaleen, joiden massat m 1 ja m 2, potentiaalienergia on

missä G on Newtonin vakio, a r - kappaleiden välinen etäisyys.

Tämä energia sisältyy kuvion 4 virtuaalisten gravitonien "kevään". 5. Vuorovaikutus, jonka potentiaali vähenee 1 / r, kutsutaan pitkän kantaman alueeksi. Fourier-muunnosta käyttämällä voidaan nähdä, että painovoima on pitkän kantaman, koska gravitoni on massaton.

6.10. Yukawa-tyyppinen potentiaali**. Itse asiassa, jos gravitonilla olisi nollaton massa m, niin vaihtoa varten Feynman-amplitudi olisi muoto

ja se vastaa Yukawan potentiaalin kaltaista potentiaalia säteellä r ≈ 1/m:

6.11. Tietoja potentiaalisesta energiasta**. Eirelativistisessa Newtonin mekaniikassa hiukkasen kineettinen energia riippuu sen nopeudesta (momentti) ja potentiaalienergia riippuu vain sen koordinaateista, toisin sanoen sen sijainnistaan \u200b\u200bavaruudessa. Relativistisessa mekaniikassa tällaista vaatimusta ei voida säilyttää, koska hiukkasten varsinainen vuorovaikutus riippuu usein niiden nopeuksista (momenteista) ja näin ollen kineettisestä energiasta. Normaalien, riittävän heikkojen gravitaatiokenttien tapauksessa hiukkasen kineettisen energian muutos on pieni verrattuna sen kokonaisenergiaan, ja siksi tämä muutos voidaan jättää huomiotta. Ei-relatiivisen hiukkasen kokonaisenergia heikossa gravitaatiokentässä voidaan kirjoittaa muodossa ε \u003d E suku + E 0 + U.

6.12. Painovoiman universaali.Toisin kuin kaikki muut vuorovaikutukset, painovoimalla on huomattava universaalisuuden ominaisuus. Gravitonin vuorovaikutus minkä tahansa hiukkasen kanssa ei riipu tämän hiukkasen ominaisuuksista, vaan riippuu vain hiukkasen hallussa olevasta energian määrästä. Jos tämä hiukkanen on hidas, niin sen lepoenergia on E 0 = mc 2sen massa sisältää huomattavasti sen kineettisen energian. Ja siksi sen painovoimainen vuorovaikutus on verrannollinen sen massaan. Mutta riittävän nopealla hiukkasella sen kineettinen energia on paljon suurempi kuin sen massa. Tässä tapauksessa sen painovoimainen vuorovaikutus ei käytännössä riipu massasta ja on verrannollinen sen kineettiseen energiaan.

6.13. Gravitonin spin ja painovoiman universaalisuus**. Tarkemmin sanottuna gravitonin säteily on verrannollinen ei pelkästään energiaan, vaan hiukkasen energiamomentin tenoriin. Ja tämä puolestaan \u200b\u200bjohtuu tosiasiasta, että gravitonin spin on yhtä suuri kuin kaksi. Olkoon hiukkasen 4-momentti ennen gravitonin säteilyä p 1 ja päästöjen jälkeen p 2. Sitten gravitonin vauhti on q = p 1 − p 2. Jos annat nimityksen p = p 1 + p Kuviossa 2 esitetyllä tavalla gravitoniemissiot huipulla on muoto

missä h αβ on gravitonaaltofunktio.

6.14. Gravitonin vuorovaikutus fotonin kanssa**. Tämä näkyy erityisen selvästi fotonin esimerkissä, jonka massa on nolla. On kokeellisesti todistettu, että kun fotoni lentää rakennuksen alakerrasta yläkertaan, sen vauhti pienenee maapallon painovoiman vaikutuksesta. On myös todistettu, että kaukana olevasta tähdestä tuleva säteily suuntaa auringon painovoiman vetovoiman avulla.

6.15. Fotonin vuorovaikutus maan kanssa**. Kuvassa 1 Kuvio 6 esittää gravitonien vaihtoa maan ja fotonin välillä. Tämä luku on tavanomaisesti summa lukuista fotonin gravitoninvaihdosta maan kaikkien nukleonien kanssa. Sillä maapallon yläosa saadaan nukleonista yksi kerrottamalla maapallon nukleonien lukumäärä N E vastaavalla nukleonin 4-momentin korvaamisella vastaavalla maapallon 4-momentilla (katso kuva 3).

6.16. Gravitonin ja gravitonin vuorovaikutus***. Koska gravitonit kuljettavat energiaa, niiden on itse päästävä ja absorboitava gravitoneja. Emme ole nähneet yksittäisiä todellisia gravitoneja emmekä koskaan näe niitä. Siitä huolimatta virtuaalisten gravitonien välinen vuorovaikutus johtaa havaittuihin vaikutuksiin. Ensi silmäyksellä kolmen virtuaalisen gravitonin osuus kahden nukleonin gravitaatiovuorovaikutuksessa on liian pieni havaittavaksi (katso kuva 7).

6.17. Elohopean maallinen precessio**. Tämä osuus ilmenee kuitenkin elohopean kiertoradan esiasetuksesta. Elohopean maallinen precessio kuvataan yhden silmukan gravitonikaavioiden summalla, joka osoittaa elohopean vetovoimaa aurinkoon (kuva 8).

6.18. Voitto elohopealle**. Elohopean ja maan massasuhde on 0,055. Joten nukleonien lukumäärä elohopeassa N M = 0,055 N E \u003d 2 10 50. Auringon massa NEITI \u003d 2 10 33 g. Joten nukleonien lukumäärä auringossa NS \u003d N A MS \u003d 1,2 10 57. Ja niiden kaavioiden lukumäärä, jotka kuvaavat elohopean ja auringon nukleonien painovoimaista vuorovaikutusta, N dM \u003d 2,4 10 107.

Jos elohopean potentiaalinen vetovoima aurinkoon on U = GM S M M/r, sitten otettuaan huomioon keskustelun korjaus virtuaalisten gravitonien vuorovaikutuksessa toisiinsa, se kerrotaan kertoimella 1 - 3 GM S/r... Näemme, että korjaus potentiaaliseen energiaan on −3 G 2 M S 2 M M / r 2.

6.19. Elohopea kiertorata**. Elohopean kiertorada \u003d 58 10 6 km. Kiertorata on 88 maapäivää. Kiertoradan epäkeskeisyys e \u003d 0,21. Edellä esitetyn korjauksen vuoksi kiertoradan puolitärkein akseli pyörii 6π: n kulman läpi GM S/(1 − e 2), ts. Noin kymmenesosa kaari-sekuntia, ja pyörii 43 "" 100 maapallon vuodessa.

6.20. Painovoimainen karitsanvaihto**. Jokainen, joka on tutkinut kvantielektrodynamiikkaa, huomaa heti, että kuvan kuvio. Kuvio 7 näyttää kolmiokaaviolta, joka kuvaa tason 2 taajuuden (energian) siirtymää S 1/2 suhteessa tasoon 2 P 1/2 vetyatomissa (siinä kolmio koostuu yhdestä fotonista ja kahdesta elektronilinjasta). Lamb ja Rutherford mittasivat tämän muutoksen vuonna 1947 ja havaittiin olevan 1060 MHz (1,06 GHz).

Tämä mittaus käynnisti teoreettisen ja kokeellisen työn ketjureaktion, joka johti kvanttielektrodynamiikan ja Feynman-kaavioiden luomiseen. Elohopean precessiotaajuus on 25 astetta alempi.

6.21. Klassinen vai kvanttehoste?**. On hyvin tiedossa, että tasoenergian karitsansiirto on puhtaasti kvanttivaikutus, kun taas elohopean preesio on puhtaasti klassista vaikutusta. Kuinka niitä voidaan kuvata samanlaisilla Feynman-kaavioilla?

Jotta vastataan tähän kysymykseen, meidän on muistettava suhde E = ħω ja ota huomioon, että Fourier-muunnos siirrossa vauhtitilasta konfiguraatiotilaan sek. 6.8 sisältää e minä qr / ħ ... Lisäksi on otettava huomioon, että lampaansiirron sähkömagneettisessa kolmiossa on vain yksi massaton hiukkasen (fotonin) rivi ja kaksi muuta ovat elektronin etenemisiä. Siksi siinä ominaiset etäisyydet määräytyvät elektronin massan perusteella (elektronin Compton-aallonpituus). Ja elohopean precession kolmiossa on kaksi massattoman hiukkasen (gravitonin) levittäjää. Tämä olosuhde, joka johtuu kolmen gravitonin huipusta, johtaa siihen tosiseikkaan, että painovoimainen kolmio antaa panoksen verrattain suuremmilla etäisyyksillä kuin sähkömagneettinen. Tämä vertailu osoittaa kvanttikenttäteorian voiman Feynman-kaavioiden menetelmässä, joiden avulla on helppo ymmärtää ja laskea laaja joukko ilmiöitä, sekä kvantti- että klassisia.

7. Sähkömagneettinen vuorovaikutus

7.1. Sähköinen vuorovaikutus.Hiukkasten sähköinen vuorovaikutus suoritetaan vaihtamalla virtuaalisia fotoneja, kuten kuvassa. yhdeksäntoista.

Fotonit, kuten gravitonit, ovat myös massattomia hiukkasia. Joten sähköinen vuorovaikutus on myös pitkän kantaman:

Miksi se ei ole niin universaali kuin painovoima?

7.2. Positiiviset ja negatiiviset varaukset.Ensinnäkin, koska on olemassa kahden merkin sähkölataukset. Ja toiseksi, koska on olemassa neutraaleja hiukkasia, joilla ei ole lainkaan sähkövarausta (neutroni, neutriino, fotoni ...). Hiukkaset, joissa on vastakkaisten merkkien varauksia, kuten elektroni ja protoni, vetoavat toisiinsa. Hiukkaset, joilla on samat varaukset, hylätään. Seurauksena on, että atomit ja niistä koostuvat elimet ovat pääosin sähköisesti neutraaleja.

7.3. Neutraalit hiukkaset.Neutroni sisältää u-kärry latauksella +2 e/ 3 ja kaksi d-kärry latauksella - e/ 3. Joten neutronin kokonaisvaraus on nolla. (Muista, että protoni sisältää kaksi u-kivi ja yksi d-kvarki.) Todella alkuainehiukkaset, joilla ei ole sähkövarausta, ovat fotoni, gravitoni, neutriino, Z-boson ja Higgs-boson.

7.4. Coulomb-potentiaali.Mahdollisesti elektronin ja protonin vetovoima etäisyydellä r toisistaan \u200b\u200bon yhtä suuri kuin

7.5. Magneettinen vuorovaikutus.Magneettinen vuorovaikutus ei ole yhtä kaukana kuin sähköinen. Se putoaa 1 / r 3. Se ei riipu vain kahden magneettien välisestä etäisyydestä, vaan myös niiden keskinäisestä suunnasta. Tunnettu esimerkki on kompassin neulan vuorovaikutus maan magneettisen dipolikentän kanssa. Kahden magneettisen dipolin vuorovaikutuksen potentiaalinen energia μ 1 ja μ 2 on yhtä suuri

missä n = r/r.

7.6. Sähkömagneettinen vuorovaikutus.1800-luvun suurin saavutus oli havainto, että sähköiset ja magneettiset voimat ovat saman sähkömagneettisen voiman kaksi erilaista ilmenemismuotoa. Vuonna 1821 M. Faraday (1791–1867) tutki magneetin ja johtimen vuorovaikutusta virran kanssa. Kymmenen vuotta myöhemmin hän vahvisti sähkömagneettisen induktion lait, kun kaksi johdinta ovat vuorovaikutuksessa. Seuraavina vuosina hän esitteli sähkömagneettisen kentän käsitteen ja ilmaisi ajatuksen valon sähkömagneettisesta luonteesta. 1870-luvulla J. Maxwell (1831–1879) tajusi, että sähkömagneettinen vuorovaikutus on vastuussa laajasta luokasta optisia ilmiöitä: valon säteilystä, muuntumisesta ja absorptiosta, ja kirjoitti yhtälöt, jotka kuvaavat sähkömagneettista kenttää. Pian G. Hertz (1857-1894) löysi radioaallot, ja W. Roentgen (1845-1923) löysi röntgenkuvat. Koko sivilisaatiomme perustuu sähkömagneettisen vuorovaikutuksen ilmenemismuotoihin.

7.7. Yhdistämällä suhteellisuusteorian ja kvantimekaniikan.Tärkein vaihe fysiikan kehityksessä oli vuosi 1928, jolloin ilmestyi P. Diracin (1902–1984) artikkeli, jossa hän ehdotti kvantti- ja relativistista yhtälöä elektronille. Tämä yhtälö sisälsi elektronin magneettisen momentin ja osoitti elektronin hiukkasen vastaisen hiukkasen olemassaolon - positronin, joka löydettiin muutama vuosi myöhemmin. Sen jälkeen kvantimekaniikka ja suhteellisuusteoria yhdistyivät kvanttikenttäteoriaan.

Se, että sähkömagneettiset vuorovaikutukset johtuvat virtuaalisten fotonien säteilystä ja absorptiosta, tuli täysin selväksi vasta 1900-luvun puolivälissä Feynman-kaavioiden ilmestyessä, toisin sanoen sen jälkeen kun virtuaalihiukkasen käsite oli muodostunut selvästi.

8. Heikko vuorovaikutus

8.1. Ydinvuorovaikutukset.1900-luvun alussa atomi ja sen ydin ja α -, β - ja γ - radioaktiivisten ytimien lähettämät säteet. Kuten kävi ilmi, γ - säteet ovat fotoneja, joissa on erittäin korkea energia, β - säteet ovat korkean energian elektroneja, α - säteet - heliumytumat. Tämä johti kahden uuden tyyppisen vuorovaikutuksen löytämiseen - vahva ja heikko. Toisin kuin gravitaatio- ja sähkömagneettiset vuorovaikutukset, vahvat ja heikot vuorovaikutukset ovat lyhyen kantaman.

Myöhemmin havaittiin, että ne ovat vastuussa vedyn muuttumisesta heliumiksi aurinkoomme ja muissa tähdessämme.

8.2. Varatut virrat*. Heikko vuorovaikutus on vastuussa neutronin muuttumisesta protoniksi elektronin ja elektronin antineutrino-säteilyn avulla. Suuri luokka heikkoja vuorovaikutusprosesseja perustuu yhden tyyppisen kvarkin muuntamiseen toisen tyypin kvarkeiksi virtuaalisen säteilyn (tai absorption) avulla W-bosons: u, c, t ↔ d, s, b... Vastaavasti päästöille ja absorptiolle W-pisteitä, siirtymiä tapahtuu varautuneiden leptonien ja vastaavien neutriinojen välillä:

e ↔ ν e, μ ↔ ν μ , τ ↔ ν τ. Tyyppiset siirtymät dU ↔ W ja eˉν e ↔ W... Kaikissa näissä risteyksissä W- Ribonit, ns. ladatut virrat ovat mukana, muuttaen leptonien ja kvarkkien varauksia yhdellä. Ladattujen virtojen heikko vuorovaikutus on lyhyen kantaman, sitä kuvaa Yukawan potentiaali e −mWr / r, joten sen efektiivinen säde on r ≈ 1/m W.

8.3. Neutraalivirrat*. 1970-luvulla havaittiin neutriinojen, elektronien ja nukleonien heikon vuorovaikutuksen prosessit ns. Neutraalivirtojen takia. 1980-luvulla kokeellisesti todettiin, että vuorovaikutukset latautuneiden virtojen välillä tapahtuvat vaihdon avulla W-boonit ja neutraalien virtojen vuorovaikutus - vaihdon avulla Z-bosons.

8.4. Rikkominen P- ja CP- pariteetti*. Alueellinen pariteettiloukkaaminen havaittiin 1950-luvun jälkipuoliskolla P ja lataa pariteetti C heikossa vuorovaikutuksessa. Vuonna 1964 löydettiin heikkoja rappeutumisia, jotka rikkovat suojelua CP-symmetria. Nykyinen katkaisumekanismi CP-symmetriaa tutkitaan mesonien, jotka sisältävät b-quarks.

8.5. Neutrino-värähtelyt*. Kahden viimeisen vuosikymmenen aikana fyysikkojen huomio on keskittynyt maanalaisiin kilotonilmaisimiin Kamiokassa (Japani) ja Sudburissa (Kanada) suoritettuihin mittauksiin. Nämä mittaukset osoittivat, että näiden kolmen tyyppisten neutriinojen välillä ν e, ν μ, ν τ keskinäiset muutokset (värähtelyt) tapahtuvat tyhjiössä. Näiden värähtelyjen luonnetta tutkitaan.

8.6. Sähköinen vuorovaikutus.1960-luvulla muotoiltiin teoria, jonka mukaan sähkömagneettiset ja heikot vuorovaikutukset ovat yksittäisen sähköhöyryisen vuorovaikutuksen erilaisia \u200b\u200bilmenemismuotoja. Jos tapahtui tiukka sähkövirtaussymmetria, niin massat W- ja Z-Posonit olisivat nolla kuin fotonin massa.

8.7. Sähkövirta-symmetrian murtuminen.Vakiomallissa Higgs-bosoni rikkoo sähkövirtaussymmetrian ja selittää siten miksi fotoni on massaton ja heikot bosonit ovat massiivisia. Hän antaa myös massoja leptoneille, kvarkeille ja itselleen.

8.8. Mitä sinun on tiedettävä Higgsistä.Yksi LHC Large Hadron Collider -laitteen päätehtävistä on Higgs-bosonin löytäminen (jota kutsutaan yksinkertaisesti Higgsiksi ja jota kutsutaan h tai H) ja sen myöhempien ominaisuuksien vahvistamisen. Ensinnäkin mitataan sen vuorovaikutusta W- ja Z-bosonit fotonien kanssa, samoin kuin sen itsevuorovaikutus, ts. kolmen ja neljän Higgin: h3 ja h 4 sisältävien kärkipisteiden tutkiminen ja sen vuorovaikutus leptonien ja kvarkkien kanssa, etenkin yläkvarkin kanssa. Kaikille näille vuorovaikutuksille on selkeät ennusteet vakiomallissa. Niiden kokeellinen varmentaminen on erittäin kiinnostavaa etsittäessä "uutta fysiikkaa" vakiomallin ulkopuolella.

8.9. Ja jos ei ole Higgsiä?Jos kuitenkin käy ilmi, että useiden satojen GeV: n luokan massaalueella Higgsiä ei ole, tämä tarkoittaa, että TeV: n yläpuolella olevilla energioilla on uusi, ehdottoman tuntematon alue, jossa vuorovaikutukset W- ja Z-bobonit muuttuvat turboamatta vahvoiksi, ts. niitä ei voida kuvata häiriöteorialla. Tämän alan tutkimus tuo paljon yllätyksiä.

8.10. Tulevaisuuden Lepton-törmäykset.Koko tämän tutkimusohjelman toteuttamiseksi LHC: n lisäksi voi olla tarpeen rakentaa leptonin törmäyksiä:

ILC (International Linear Collider), jonka törmäysenergia on 0,5 TeV,

tai CLIC (Compact Linear Collider) törmäysenergialla 1 TeV,

tai MC (Muon Collider), jonka törmäysenergia on 3 TeV.

8.11. Lineaariset elektronipositronit törmäykset.ILC - Kansainvälinen Lineaarinen Collider, jossa elektronien on törmättävä positronien kanssa ja fotonien fotonien kanssa. Päätös sen rakentamisesta voidaan tehdä vasta sen jälkeen, kun on selvää onko Higgs olemassa ja mikä massa on. Yksi ILC: lle ehdotetuista rakennuskohteista on Dubnan laitamit. CLIC - Kompakti lineaarinen elektronien ja positronien kolari. Hanketta kehitetään CERN: ssä.

8.12. Muon törmäsi.MS - Muon Colliderin suunnitteli ensin GI Budker (1918–1977). Vuonna 1999 San Franciscossa isännöi viides kansainvälinen konferenssi ”Muon-törmäyslaitteiden ja neutrino-tehtaiden fyysiset potentiaalit ja kehitys”. Tällä hetkellä MS-hanketta kehitetään Fermin kansallisessa laboratoriossa, ja se voidaan toteuttaa 20 vuodessa.

9. Vahva vuorovaikutus

9.1. Gluonit ja kvarkit.Vahva vuorovaikutus pitää nukleoneja (protoneja ja neutroneja) ytimen sisällä. Se perustuu gluonien vuorovaikutukseen kvarkkien kanssa ja gluonien vuorovaikutukseen gluonien kanssa. Juuri gluonien itsetoiminta johtaa siihen, että huolimatta siitä, että gluonin massa on nolla, samoin kuin fotonin ja gravitonin massat ovat yhtä suuret kuin nolla, gluonien vaihto ei johda pitkän matkan gluonin toimintaan, samanlainen kuin fotoni ja gravitoni. Lisäksi se johtaa vapaiden gluonien ja kvarkkien puuttumiseen. Tämä johtuu tosiasiasta, että yhden gluoninvaihdosten summa korvataan gluoniputkella tai -langalla. Nukleonien vuorovaikutus ytimessä on samanlainen kuin van der Waals -voimat neutraalien atomien välillä.

9.2. Syntymättömyys ja asymptoottinen vapaus.Ilmiötä, joka liittyy gluonien ja kvarkkien sulkemiseen hadronista, kutsutaan sulkeutumiseksi. Sulkemiseen johtavan dynamiikan haittapuoli on, että erittäin pienillä etäisyyksillä syvällä hadronien sisällä, gluonien ja kvarkkien välinen vuorovaikutus vähenee vähitellen. Kvarkit näyttävät vapautuvan lyhyillä matkoilla. Tätä ilmiötä kutsutaan asymptoottiseksi vapaudeksi.

9.3. Kvarkin värit.Sulkemisilmiö on seurausta tosiasiasta, että jokainen kuudesta kvarkista on olemassa, kuten se oli, kolmen "väri" -lajikkeen muodossa. Kvarkit ovat yleensä värillisiä keltaista, sinistä ja punaista. Antiikkärit on maalattu lisävärillä: violetti, oranssi, vihreä. Kaikki nämä värit osoittavat kvarkkien erikoiset varaukset - sähkövarauksen "moniulotteiset analogit", jotka vastaavat voimakkaasta vuorovaikutuksesta. Kvarkkien värien ja tavallisten optisten värien välillä ei tietenkään ole muuta kuin metaforista yhteyttä.

9.4. Gluonin värit.Värillisten gluonien perhe on vielä suurempi: niitä on kahdeksan, joista kaksi on identtisiä niiden hiukkasten kanssa, ja muut kuusi eivät ole. Värimaksujen vuorovaikutukset kuvataan kvantikromodynaamisella menetelmällä ja ne määrittävät protonin, neutronin, kaikkien atomiytimien ja kaikkien hadronien ominaisuudet. Se seikka, että gluoneissa on värivarauksia, johtaa gluonien ja kvarkkien sulkeutumiseen, mikä tarkoittaa, että värilliset gluonit ja kvarkit eivät pääse pakenemaan hadronista. Värittömien (valkoisten) hadronien väliset ydinvoimat ovat heikkoja kaikuja hadronien voimakkaiden värivuorovaikutusten suhteen. Tämä on samanlainen kuin molekyylisidosten pienuus verrattuna atomien sisäisiin sidoksiin.

9.5. Hadronimassat.Hadronien ja etenkin nukleonien massat johtuvat gluonien itsetoiminnasta. Siten kaiken näkyvän aineen massa, joka muodostaa 4–5% maailmankaikkeuden energiasta, johtuu juuri gluonien itsetoiminnasta.

10. Vakiomalli ja sen jälkeen

10.1. 18 hiukkasia vakiomallista.Kaikki tunnetut perushiukkaset jakautuvat luonnollisesti kolmeen ryhmään:

6 leptonia (spin 1/2):
3 neutriinoa: ν e, ν μ , ν τ ;
3 ladattua leptonia: e, μ , τ ;
6 kvarkkia (spin 1/2):
u, C, t,
d, s, b;
6 bosonia:
g̃ - gravitoni (spin 2),
γ , W, Z, g - gluonit (spin 1),
h - Higgs (spin 0).

10.2. Vakiomallin ulkopuolella.96% maailmankaikkeuden energiasta on vakiomallin ulkopuolella ja odottaa löytämistä ja tutkimista. On olemassa joitain perusoletuksia siitä, miltä uusi fysiikka voi näyttää (ks. Kohdat 10.3-10.6 jäljempänä).

10.3. Suuri yhdistäminen.Valtava määrä teoksia, pääosin teoreettisia, on omistettu vahvan ja sähköisen vuorovaikutuksen yhdistämiselle. Suurin osa heistä olettaa, että se tapahtuu luokissa 10 16 GeV olevilla energioilla. Tällaisen yhdistelmän tulisi johtaa protonin hajoamiseen.

10.4. Supersymmetriset hiukkaset.Supersymmetria-ajatuksen mukaan, joka syntyi ensin FIAN: llä, jokaisella "meidän" hiukkasella on superpartneri, jonka linkous eroaa suhteessa 1/2: 6 kärkeä ja 6 sleptonia, joissa spin 0, higgsino, fotino, viini ja zino spin 1/2, gravitino kanssa spin 3/2. Näiden superpartnerien massojen tulisi olla huomattavasti suurempia kuin hiukkasiemme. Muuten ne olisi löydetty kauan sitten. Jotkut superpartnereista saattavat olla avoinna, kun suuri hadronin kolari käynnistyy.

10.5. Superstrings.Supersymmetrian hypoteesi kehittää hypoteesin superperspektiivien olemassaolosta, jotka elävät hyvin pienillä etäisyyksillä, luokkaa 10 - 33 cm, ja vastaavilla energioilla 10 19 GeV. Monet teoreettiset fyysikot toivovat, että juuri yläjänteiden käsitteen perusteella on mahdollista rakentaa yhtenäinen teoria kaikista vuorovaikutuksista, joka ei sisällä vapaita parametreja.

10.6. Peilihiukkaset.Peilimateriaalin idean mukaan, joka syntyi ensin ITEP: ssä, jokaisella hiukkasellamme on peili kaksinkertainen ja siellä on peilimaailma, joka on vain erittäin heikosti yhteydessä maailmaan.

10.7. Pimeä aine.Vain 4–5% kaikesta maailmankaikkeuden energiasta on normaalin aineen massa. Noin 20% maailmankaikkeuden energiasta sisältyy ns. Pimeään aineeseen, jonka uskotaan koostuvan superpartikkeleista tai peilihiukkasista tai muista tuntemattomista hiukkasista. Jos pimeän aineen hiukkaset ovat paljon raskaampia kuin tavalliset hiukkaset ja jos ne törmäävät toisiinsa avaruudessa, häviävät tavallisiksi fotoneiksi, nämä korkean energian fotonit voidaan rekisteröidä erityisillä ilmaisimilla avaruudessa ja maan päällä. Pimeän aineen luonteen selkeyttäminen on yksi fysiikan päätehtävistä.

10.8. Tumma energia.Mutta suurin osa maailmankaikkeuden energiasta (noin 75%) johtuu ns. Pimeästä energiasta. Se "läikkyy" tyhjiössä ja työntää syrjään galaksien klustereita. Sen luonnetta ei ole vielä ymmärretty.

11. Alkuainehiukkaset Venäjällä ja maailmassa

11.1. Venäjän federaation presidentin asetus.Venäjän federaation presidentin asetus "Lisätoimenpiteistä pilottihankkeen toteuttamiseksi kansallisen tutkimuskeskuksen" Kurchatov Institute "perustamiseksi annettiin 30. syyskuuta 2009. Asetuksessa säädetään osallistumisesta seuraavien organisaatioiden projektiin: Pietarin ydinfysiikan instituutti, Korkean energian fysiikan instituutti ja Teoreettisen ja kokeellisen fysiikan instituutti. Asetuksessa säädetään myös "tämän laitoksen sisällyttämisestä merkittävimmäksi tiedelaitokseksi liittovaltion budjettimenojen osastorakenteeseen budjettivarojen pääjohtajana". Tällä asetuksella voidaan myötävaikuttaa hiukkasfysiikan palauttamiseen prioriteettisuuntien määrään tiedekehityksessä maassamme.

11.2. Kuulemiset Yhdysvaltain kongressissa 1.Yhdysvaltain edustajainhuoneen tiede- ja teknologiakomitean energia- ja ympäristöasioiden alakomiteassa pidettiin 1. lokakuuta 2009 kuuleminen aiheesta "Aineen, energian, tilan ja ajan luonteen tutkimus". Energiaosaston määrärahat vuodelle 2009 on 795,7 miljoonaa dollaria. Harvardin professori Lisa Randall hahmotti näkemykset aineesta, energiasta ja maailmankaikkeuden alkuperästä tulevaisuuden joustoteorian näkökulmasta. Fermin kansallisen laboratorion (Batavia) johtaja Pierre Oddone puhui hiukkasfysiikan tilasta Yhdysvalloissa ja erityisesti Tevatronin työn tulevasta valmistumisesta sekä FNAL: n ja DUSEL: n maanalaisen laboratorion yhteisen työn alkamisesta tutkia neutriinojen ja harvinaisten prosessien ominaisuuksia. Hän painotti amerikkalaisten fyysikkojen osallistumisen tärkeyttä Euroopassa (LHC), Japanissa (JPARC), Kiinassa (PERC) ja kansainväliseen avaruusprojektiin (GLAST, äskettäin nimetty Fermin mukaan).

11.3. Kuulemiset Yhdysvaltain kongressissa 2.Jeffersonin kansallisen laboratorion johtaja Hugh Montgomery puhui laboratorion panoksista ydinfysiikkaan, kiihdytysteknologiaan ja koulutusohjelmiin. Energiaosaston korkean energiafysiikan tiedeosaston johtaja Dennis Kovar puhui korkean energian fysiikan kolmesta pääalueesta:

1) kiihdyttötutkimukset suurimmalla energialla,

2) kiihdyttötutkimukset suurimmalla intensiteetillä,

3) avaruuden maa- ja satelliittitutkimus tumman aineen ja tumman energian luonteen selventämiseksi,

ja kolme ydinfysiikan pääaluetta:

1) kvarkkien ja gluonien voimakkaan vuorovaikutuksen tutkimus,

2) tutkimus siitä, kuinka atomitumat muodostuivat protoneista ja neutroneista,

3) heikkojen vuorovaikutusten tutkiminen neutriinojen osallistumisen kanssa.

12. Perustieteestä

12.1. Mikä on perustiede.Yllä olevasta tekstistä käy selvästi ilmi, että kutsun, kuten suurin osa tieteellisiä työntekijöitä, perustiedettä tieteen osaksi luonnon perustaa sääteleviä lakeja. Nämä lait ovat tieteen pyramidin tai sen yksittäisten kerrosten perusta. Ne määrittelevät sivilisaation pitkän aikavälin kehityksen. On kuitenkin ihmisiä, jotka kutsuvat perustiedettä tieteenaloiksi, joilla on suurin suora vaikutus hetkellisiin saavutuksiin sivilisaation kehityksessä. Minusta henkilökohtaisesti vaikuttaa siltä, \u200b\u200bettä näitä osioita ja ohjeita kutsutaan paremmin soveltavaksi tiedeksi.

12.2. Juuret ja hedelmät.Jos perustiedettä voidaan verrata puun juuriin, niin soveltavaa tiedettä voidaan verrata sen hedelmiin. Suuret teknologiset läpimurtot, kuten matkapuhelimet tai kuituoptinen viestintä, ovat tieteen hedelmiä.

12.3. A. I. Herzen tieteestä.Vuonna 1845 Aleksanteri Ivanovitš Herzen (1812–1870) julkaisi Otechestvennye Zapiski -lehdessä upeat kirjeet luonnontutkimuksesta. Ensimmäisen kirjeen lopussa hän kirjoitti: ”Tiede ei vaikuta vaikeaa, koska se on todella vaikeaa, vaan koska muuten et saavuta sen yksinkertaisuutta, kuinka murtaa pimeys läpi niiden valmiiden käsitteiden avulla, jotka estävät sinua näkemästä suoraan. Antakaa ilmoittautuneille tietää, että koko sklastismista peritty ruosteisten ja käyttökelvottomien työkalujen arsenaali on hyödytön, että on uhrattava muodostuneet näkemykset tieteen ulkopuolella, että kaatamatta kaikkea puoli-lie, jonka selvyyden vuoksi he pukeutuvat puoli-totuuksia, et voi päästä tieteeseen, et pääse koko totuuteen. "

12.4. Kouluohjelmien vähentämisestä.Nykyaikaiset koulujen fysiikan ohjelmat voivat hyvinkin sisältää alkeispartikkeliteorian, suhteellisuusteorian ja kvantimekaniikan elementtien aktiivisen hallitsemisen, jos pienentät niissä osia, jotka ovat pääasiassa kuvaavia ja lisäävät lapsen "eruditiota" sen sijaan, että ymmärrät ympäröivää maailmaa ja kyky elää ja luoda.

12.5. Päätelmät.Olisi oikein, että Venäjän tiedeakatemian presidium huomaisi nuorten varhaisen esittelyn merkityksen suhteessa suhteellisuusteorian ja kvantimekaniikan saavutuksiin perustuvaan maailmankuvaan ja neuvoa RAS: n presidiumikomissioita oppikirjoissa (puheenjohtaja V.V Kozlov, varapuheenjohtaja) ja koulutuksessa (varapuheenjohtaja) -Presidentti V. A. Sadovnichy) valmistelemaan ehdotuksia nykyajan perusfysiikan opetuksen parantamiseksi lukioissa ja lukioissa.