КСЕ-03 Современная физическая картина мира

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.