1611143575-f501d09a54839b58ba6706edb8cfab5f (825041), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Планковские энергии никогда не будут достигнуты на ускорителях, но о том, что происходитпри таких энергиях, можно узнать косвенно. Например, некоторыетеории предсказывают, что за счет явлений при Планковских энергияхпротон становится нестабильной частицей. Пока же экспериментальноустановлено, что время жизни протона больше, чем 1034 лет (в 1024 разбольше времени жизни Вселенной). Эти данные закрыли некоторыетеории.§ 3.
Загадки ВселеннойЕсли обратить взгляд на большие расстояния, на всю Вселенную, тозагадок еще больше. Из наблюдений следует, что Вселенная расширяется и это расширение началось примерно 13 млрд лет назад. Как этопроизошло, что было до этого – пока непонятно.
Однако за последние10–15 лет в космологии сделаны потрясающие открытия, поступающиеданные настолько информативные, что есть надежда понять первыемгновения жизни Вселенной. Измерена средняя плотность Вселенной,она составляет 10-29 г/см3, отсюда следует, что все известные формыматерии (протоны, электроны и т.
д.) составляют всего около 5 %. Еще25 % – это какая-то невидимая форма материи, темная материя, этокакие-то частицы, способные концентрироваться там же, где и обычнаяматерия. В галактиках темной материи в 5–6 раз больше, чем обычной.Большую часть плотности Вселенной, примерно 70 %, составляет вообще нечто непонятное, вызывающее антигравитацию на большихмасштабах.
За счет этого расширение Вселенной не замедляется, какожидалось, а наоборот, ускоряется. Эту субстанцию называют темнойэнергией. Темная энергия ведет себя так, как будто это вакуум с ненулевой плотностью. Два тела, помещенные на достаточно большое расстояние, будут удаляться с ускорением за счет действия антигравитационых свойств темной энергии.10Как возникла Вселенная, что было до этого – пока не ясно, но дальнейшие детальные наблюдения могут помочь ответить на этот вопрос.Другое непонятное явление – почти полное отсутствие антивещества (антиматерии) во Вселенной. Предполагается, что вначале материии антиматерии было поровну, но сейчас осталась почему-то только одна материя (протоны, нейтроны, электроны).
Не будь нарушения симметрии в природе между материей и антиматерией – все бы проанигилировало, остались бы одни фотоны. Вообще, если бы константы былинемного другими, то не было бы ни атомов, ни нас с вами.Еще один важный результат – оказывается, Вселенная плоская, т. е.два параллельных лучи света никогда не пересекутся или сумма углов втреугольнике равна 180º.
То, что на малых расстояниях это так, зналидавно, но сейчас проверено, что это так до расстояний, сравнимых сразмером видимой Вселенной. Этот размер составляет примерно скорость света, умноженную на время жизни Вселенной, т. е. около 1028 см.Определить геометрию Вселенной и найти ее среднюю плотность удалось путем изучения маленьких ( 10-5 ) температурных неоднородностейв распределении реликтового излучения по небесной сфере.Поведение Вселенной на больших масштабах определяется гравитационными силами.
Если гравитационная потенциальная энергия тел малапо сравнению с mc 2 , то гравитационные взаимодействия можно описывать ньютоновским законом всемирного тяготения. В противном случаедля нейтронных звезд, черных дыр и для описания расширения Вселенной используется общая теория относительности Эйнштейна (1916 г.).Таким образом, современная физика изучает пространственныемасштабы от 10-18 см до 1028 см, скорости от нуля до скорости света,гравитационные поля от слабых до сверхсильных.
Для описания динамики явлений при соответствующих условиях используются ньютоновская механика, специальная теория относительности (которые мыбудем изучать), а также квантовая механика и общая теория относительности. Можно, конечно, использовать квантовую механику дляописания движения пушечного ядра, но это слишком сложно, при этихусловиях прекрасно работает и ньютоновская механика.Что еще важно для курса Механики из области Большой физики?Наш мир трехмерный, и его можно описывать евклидовой геометрией(что не работает вблизи плотных астрономических объектов). Мы такпривыкли к этому, что даже не задумываемся. А могло бы быть и нетак! Сейчас теоретики, пытающиеся построить общую теорию мироздания, оперируют с размерностями пространства более 10.
В соответ11ствие с их гипотезой мы не видим эти дополнительные размерности, поскольку максимальная длина в этих направлениях для света и другихчастиц очень маленькая, но предполагается, что гравитационные взаимодействия свободно распространяются в пространстве с размерностьюбольше, чем три. Это, конечно, пока только непроверенные гипотезы.Даже первый закон Ньютона совершенно неочевиден. Со временАрхимеда считалось, что тела движутся только тогда, когда к ним приложена сила, что логически возможно. Галилей доказал, что это не так:он сформулировал закон инерции, в соответствие с которым свободноетело в любой инерциальной системе движется прямолинейно с постоянной скоростью.
Но и Галилей не совсем прав. Как было упомянутовыше, темная энергия заставляет двигаться ранее покоящиеся относительно друг друга тела. Тем не менее на масштабах меньше галактических эти эффекты малы и в земных условиях мы можем использоватьмеханику Ньютона – Эйнштейна, предполагающую существованиеинерциальных систем отсчета.§ 4. Эталоны и системы единицДля измерений физических величин используются линейки, часы,весы, вольтметры, амперметры и множество других приборов.
Для калибровки приборов нужны эталоны. Первичные талоны должны бытьмаксимально стабильными во времени. Необходимо также иметь способ сравнивать вторичные эталоны с первичными при высокой относительной точности.Сколько всего нужно первичных эталонов? С точки зрения фундаментальной физики достаточно всего три эталона, например: расстояния (длины), времени и массы. Используя см, г, с, можно составитьразмерность любой другой величины. Именно такой подход используется в системе единиц СГС (Сантиметр-Грамм-Секунда).Найдем, например, размерность электрического заряда.
В системеe2СГС сила взаимодействия двух одинаковых зарядов F ma 2 . Разrмерность ускорения [a]= см/с 2 , отсюда размерность заряда[e]= г1/2 см3/2 с 1 . Систему СГС, включающую электрические величины,называют СГСЭ.Широко используется также система СИ (Система Интернациональная), которая принята в качестве основной большинством странмира. Отличие СИ от СГСЭ состоит не только в том, что в первой ис12пользуются килограммы и метры, а во второй граммы и сантиметры.Главное отличие состоит в том, что в системе СИ не три, а существенно больше эталонов. Это произошло по «историческим» причинам: некоторые эталоны, например единицу силы света кандела (до 1970 г.свеча), ввели потому, что в то время не представлялось возможнымвыразить силу света через более фундаментальные величины. Еще одна причина – это желание «упростить» формулы, используемые в технике.
Это привело, в частности, к тому, что размерности электрического и магнитного поля в системе СИ различные, хотя это одно и то жеэлектромагнитное поле. Одним словом, система СИ очень неудобнаядля физики, даже вредная. Тем не менее система СИ используется широко в технике и быту, а система СГСЭ – в физике (наряду с СИ) иособенно в теоретической физике.В данном пособии, как и в большинстве университетских учебников, материал излагается в системе СГС и даются правила пересчетафизических величин в систему СИ и обратно. К счастью, в механикевсе формулы выглядят одинаково в обеих системах единиц, разницапоявляется только при использовании законов электродинамики.Итак, в СГС нужно всего 3 эталона.
В течение истории эталонымногократно менялись. Выбор новых и более стабильных эталонов определялся уровнем развития техники. Современные эталоны представлены ниже.ВремяОдна секунда – это 9 192 631 770 периодов излучения цезия-133(определенная линия излучения). Относительная точность 10-14 .ДлинаДо недавнего времени один метр был равен расстоянию двумя черточками на линейке из определенного сплава. Ввиду того, что скоростьсвета одинакова во всех системах отсчета, в 1983 г.
был введен новыйэталон метра.Один метр – это длина пути, проходимая светом за 1/299792458 с.Поскольку скорость света вошла в определение эталона, то с данногомомента считается, что она известна бесконечно точно, поэтому неопределенность длины такая же, как точность измерения времени.МассаС 1889 г. в качестве килограмма используется платиноиридиевыйэталон. Однако атомы эталона теряются (3·10–8 массы за 100 лет), поэтому планируется сменить эталон массы на более стабильный.
Это13может быть, например, некоторое количество атомов определенногосорта (атомы все одинаковы). Можно также привязать эталон массы кпостоянной Планка. Действительно, mc 2 и w имеют размерностьэнергии, для частоты есть эталон. Скорость света и постоянная Планкабудут считаться точно известными (по определению), отсюда возникает эталон массы.Как уже подчеркивалось, ко всем законам нужно относиться осторожно, они неточны при определенных условиях. Не исключено, чтопостоянная Планка и скорость света зависят от возраста Вселенной.Этот вопрос изучается, например, путем сравнения спектров атомов влаборатории со спектром атомов от далеких звезд. До сих пор изменения фундаментальных констант во времени не обнаружено.14ГЛАВА IIНЕРЕЛЯТИВИСТСКАЯ КИНЕМАТИКА§ 5.
Пространство, время, системы координатВ этой главе мы будем рассматривать случай малых (нерелятивистских) скоростей, v c . Классическая механика опирается на следующие представления, почерпнутые из эксперимента.1. В мире существуют тела, движущиеся под действием сил. Задание сил и начальных условий определяет полностью поведение системы в любой последующий момент времени.2. Все физические процессы происходят в пространстве и времени.Предполагаются следующие свойства пространства: равноправие всех точек пространства (однородность); равноправие всех направлений (изотропность); евклидовость (сумма углов в треугольнике равна π).Предполагается, что во всем пространстве можно ввести единоевремя, текущее везде равномерно и одинаково.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
