Современная физическая картина мира Горбатов В.В. http://www.slideshare.net/ Gorbatov
Современная физическая картина мира
Горбатов В.В.
http://www.slideshare.net/Gorbatov
Содержание
Специальная теория относительности Общая теория относительности Квантовая механика Мир элементарных частиц
1. Специальная теория относительности Распространяется принцип относительности
движения на электромагнитные явления? Противоречие в основаниях физики:
y
x
y’
x’o
o’
c cc
c
v
XIX в.: проблема эфира
Т.Юнг: эфир повсюду неподвижен• Тогда для наблюдателя О’ скорость света будет
различной
Дж.Г.Стокс: эфир полностью увлекается движущимися телами• Тогда для наблюдателя О скорость света будет
различной
Френель: эфир частично увлекается движущимися телами• Трудно проверить экспериментально
1905: Эйнштейн «К электродинамике движущихся тел»
Относительность понятия «одновременности»
• Наблюдатель должен считать время движения сигнала от А до В равным
tb – ta = S/(c – v),
• а время движения сигнала в обратном направлении
ta – tb = S/(c + v)
А В
ta tb
O
S
А и В посылают импульсы в момент t=1 по часам каждого, и оба получают отраженный сигнал при t=4 Для каждого из них фактор замедления времени равен 1,25Кто из них окажется моложе, когда они снова встретятся?
Парадокс близнецов
В неизбежно должен был изменить свою скорость, поэтому его система отсчёта не является инерциальной (он должен двигаться с ускорением)
Согласно СТО равноправны только инерциальные системы, следовательно, нет ничего удивительного, что системы оказываются несимметричными
Разрешение парадокса
Геометрия пространства-времени Минковского
Масса тоже относительна – она есть мера содержащейся в теле энергии (Е = mc2)
1908 Минковский: СТО как геометрия плоского четырехмерного пространства-времени Г. Минковский
2. Общая теория относительности Теория Ньютона построена на принципе
дальнодействия: мгновенное распространение гравитации
Эйнштейн: взаимодействие не может распространяться быстрее скорости света
Ффизика не знает средств, которые могли бы отличить эффект гравитации от эффекта ускорения• Мысленный эксперимент с «падающим лифтом»
«Наш мир неевклидов. Геометрическая природа его образована массами и их скоростями»
Основные понятия ОТО
Кривые 4-х мерные пространства• У сферы положительная кривизна
• У «седла» отрицательная кривизна
Основные понятия ОТО
Согласно ОТО, гравитационное поле проявляется в кривизне пространства
Чем больше отличие от плоского пространства, тем сильнее поле
Уравнения гравитационного поля ОТО – система десяти нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка
Геометрические свойства (кривизну) определяет движение и распределение массы, но и само движение определяется кривизной пространства!
Экспериментальное подтверждение ОТО
• Изменение видимого положения звезд в присутствии Солнца
• Прецессия орбиты Меркурия
3. Квантовая механика
Теория атома Н.Бора: электрон может переходить с одной стационарной орбиты на другую, испуская или поглощая квант энергии
1860 Г.Кирхгоф: гипотеза квантов
1900 М.Планк: излучение энер-гии происходит не непрерывно, а определенными порциями – квантами
Принцип неопределенности Мы не можем измерить
одновременно координату частицы и её импульс• производя измерение одной
величины, мы вносим прин-ципиально неустранимые возмущения в её движение и искажаем значение другой величины
Соотношение неопределенностей:
qi pi = hНильс Бор
Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена
Допустим, две одинаковые частицы A и B образо-вались в результате распада третьей частицы C
Зная импульс частиц С и В, можно вычислить импульс А (по закону сохранения импульса), не внося в её движение никаких возмущений; координату же А можно измерить независимо
Эйнштейн: соотношение неопределённостей не является абсолютным, а законы квантовой механики являются неполными и должны быть в будущем уточнены
«Бог не играет в кости»
С В
АРА + РВ = РС
Принцип дополнительности
Для полного описания квантовомехани-ческих явлений необходимо применять два взаимоисключающих набора класси-ческих понятий, совокупность которых дает исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных• Волна или частица?
• Процесс или результат?
Кот Шредингера
Два возможных события могут сосуществовать как суперпозиция двух реальностей
Когда система перестаёт быть смешением двух состояний и выбирает одно конкретное?
Без ответа на этот вопрос квантовая физика неполна
жив, мертв или и то, и другое одновременно?
Методологическая революция в неклассической физике
Мир физических явлений не является качественно однородным, а состоит из микро- макро- и мегауровней
Характер причинной связи в микромире отличен от механистического детерминизма
Наблюдатель и средства измерения неустранимы из физических описаний
4. Мир элементарных частиц
Фундаментальные физические взаимодействия
ГравитационноеЭлектромагнитноеСлабое ядерноеСильное ядерное
Электрослабое
Гравитация
• Малая интенсивность (в 1039 меньше силы взаимодействия электрических зарядов)
• Универсальность
• Дальнодействие
• Отсутствие симметричной силы –«антигравитации» (эйнштейновская лямбда)
Электромагнетизм
• До второй половины XIX в. электричество и магнетизм рассматривались по отдельности
• Силы упругости, трения, химизм, биологизм
• ЭМ поле, в отличие от гравитационного, создают только заряженные частицы
• Биполярность (проблема магнитного «монополя»)
• Дальнодействие
Слабое взаимодействие• Отвечает за распады частиц
(вместе с электроном уносится нейтрино)
• Без него не светили бы звезды
• Незначительный радиус действия (10-16 см.) – не может влиять даже на атомные объекты
• Слабее всех взаимодействий, кроме гравитационного
• Малая скоростьСхема бета-распада нейтрона и протона
Сильное взаимодействие
• Огромная энергия
• Благодаря ему существуют ядра атомов
• За пределами ядра не ощущается (10-13 см.)
• Испытывают только протоны и нейтроны (электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему)
Характеристики субатомной материи
• Масса покоя
• Электрон (самый легкий)
• Протон и нейтрон тяжелее ~ в 2000 раз
• Z-бозон ~ в 200 000 раз
• Время жизни
• стабильные
• нестабильные
• Спин
• Бозоны (спины 0, 1 и 2)
• Фермионы (спины 1/2, 3/2)
Виды элементарных частиц Адроны
• Участвуют в сильном взаимодействии• Протон, нейтрон, резонансы (нестабильные)• Состоят из кварков (?)
Лептоны• Участвуют в слабом взаимодействии• Электрон, нейтрино, мюоны
Частицы – переносчики взаимодействий• Фотон (переносит ЭМ взаимодействие)• Глюоны (переносят сильное взаимодействие)• W± и Z° - бозоны• Гравитон (?)
Частицы-переносчики взаимодействий
«Великое объединение»
Возможна ли «теория всего»?• Теория струн
• Теория супергравитации
• Теория петлевой квантовой гравитации и др.