1611143688-95d5594d2be0e95e89d686a35c61b15f (825053), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

В конце 19 в. казалось все проще. Но вначале 20 в. появились теория относительности, квантовая механика. Оказалось, что механика Ньютона не работает при больших скоростях, ее пределы применимости v  c . А. Эйнштейн (1905 г.) расширил ее до любых скоростей ( v £ c ).Однако выяснилось, что и механика Ньютона – Эйнштейна имеетпредел применимости, она не работает на малых расстояниях, точнеепри mvr <  , где  = 1, 05 ⋅ 10-27 (система СГС) – постоянная Планка.Устройство атома полностью определяется квантовой механикой. Час8тицы обладают волновыми свойствами ( l = 2p/p – длина волныДе Бройля) и испытывают дифракции. При пролете частицы черезщель угол отклонения q  /pd , где p – импульс частицы, d – ширинащели. Для электрона ( m = 9 ⋅ 10-28 г), пролетающего через щель шириной 1 см со скоростью 1 см/с, угол отклонения составляет порядкаодного радиана, т.

е. его движение нельзя описывать классической траекторией. Такие законы, как сохранение импульса и энергии, работаюти на малых расстояниях. Квантовая механика позволила объяснитьстроение атомов и молекул.§ 2. Сколько фундаментальных констант? СтандартнаямодельУ физиков есть мечта объяснить (описать) природу с помощью минимального количества постулатов и фундаментальных констант, таких как c, e, , G (скорость света, заряд электрона, постоянная Планка,гравитационная постоянная). Их уже достаточно, чтобы составитьформулу с размерностями грамм, сантиметр, секунда, т. е. через нихможет быть выражена любая физическая величина. Однако величинаc=G2 ⋅ 10-5 г, что в 1019 раз больше массы протона.

Совсем неочевидно, чтоэто та масса, через которую должны выражаться массы элементарныхчастиц.К настоящему времени открыты следующие фундаментальные частицы: 6 кварков, 6 лептонов, 5 бозонов (переносчиков взаимодействий), но мы не знаем, почему их столько, не умеем рассчитывать ихмассы и даже их отношения. Имеется теория, Стандартная модель,которая описывает взаимодействия и превращения всех известных частиц, однако она содержит около трех десятков дополнительных констант (с учетом масс частиц), которые найдены экспериментально.

Нетсомнения, что когда-нибудь будет создана теория, которая позволитуменьшить их количество.Стандартная модель элементарных частиц предполагает, что массыу частиц возникают за счет взаимодействия с неким полем, заполняющим всю Вселенную. Квантом такого поля является бозон Хиггса. Этагипотеза возникла еще в 60-х гг. прошлого века. И что удивительно,массы, масса Планка, получаемая их этих констант, M P =9так и оказалось: хиггсовский бозон с нужными свойствами был найденв 2012 г. на Большом адроном коллайдере в Женеве.Современные ускорители со встречными пучками, коллайдеры (отcollide – сталкиваться), позволяют рождать частицы с массой в тысячураз больше массы протона. Они являются своеобразными микроскопами и позволяют «разглядеть», что происходит на расстояниях до1018 см .

Предельные энергии, соответствующие массе Планка,E P = M Pc 2 , в 1015 раз больше достигнутой на ускорителях, а соответ-ствующие расстояния на 15 порядков меньше, чем можно разглядеть спомощью самого современного ускорителя. 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 эталоны должны бытьмаксимально стабильными во времени.

Характеристики

Список файлов лекций