|
|
|
|
|
|
04.03.06
|
|
|
|
Слово молодежи Хохлов
И.А. 4-й курс Московский
физико-технический институт (государственный университет) Кафедра
компьютерного моделирования ФАЛТ Жуковский,
2008 РАЗЛЁТ ПО ОРБИТЕ ТЕХНОГЕННОГО МУСОРА ПОСЛЕ
ВЗРЫВА КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ А. Зарубкин аспирант
МФТИ 1)
исходная орбита считается круговой. 2)
интенсивность разлёта осколков не зависит
от направления, т. е. обломки разлетаются во все стороны равномерно и с
одинаковыми скоростями. В этой работе предполагается, что V0 << W, где W – орбитальная
скорость спутника. 3)
Земля является сферой радиуса 4)
Движение частиц происходит только под
действием силы притяжения Земли. 5)
Ускорение силы притяжения направлено к
центру Земли, а по величине оно равно μ/r2, где r – расстояние от частицы до центра Земли, а μ – коэффициент, равный произведению массы
Земли на гравитационную постоянную. Приближённое
значение этого коэффициента равно: μ
= 3,986·105 км3/сек2. 6)
Частицы не сталкиваются друг с другом при
своём движении. 7)
При нахождении распределений частиц
предполагается, что на исходной орбите находятся множество спутников,
разваливающихся в случайные моменты времени.
, , (z1(t*,y) = z1*) = =
Наклонение 5° =
0,087 рад Наклонение 1° =
0,017 рад Наклонение 0° Наклонение
10° Наклонение 45°
Наклонение 80° Наклонение
0°
_______________________________________________________________________________________________________________ ТУРБУЛЕНТНАЯ СТРУЯ ИЗ СОПЛА СЛОЖНОЙ КОНФИГУРАЦИИ. ТАНЯ СТАНКО аспирантка МФТИ ______________________________________________________________________________________________________________ ФИЗИКА
НА ЛАДОНИ М.
Медведев студент
II курса
факультета аэромеханики и летательной техники МФТИ
1. Законы физики. 2. Классификация физических величин 2. Около 200
производных 3. Константы Шкала времени Шкала пространства Границы
Вселенной Таблица физических
законов _________________________________________________________________________________________________________ МЫСЛИ О ФИЗИКЕ СТУДЕНТА
МФТИ, ПРОСЛУШАВШЕГО ПОЛНЫЙ КУРС ОБЩЕЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И СДАВШЕГО
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКЗАМЕН Антон Хлопков студент факультета
аэромеханики и летательной техники Московского физико-технического института (Государственного
университета) Науки делятся на две группы – на физику
и собирание марок.
Эрнест Резерфорд
В первой половине
прошлого века Ричард Фейнман сформулировал три наиболее фундаментальные, с
его точки зрения, проблемы физики: строение вещества, конструкция
вселенной и к третьей проблеме он отнёс
наиболее сложный и наиболее распространённый вид движения материи –
турбулентность. Каждая из этих проблем помимо своего фундаментального
значения имеет колоссальное практическое применение. Некоторые из этих
фундаментальных свойств материи уже реализованы. Так открытие строения
атома (ядро-электроны) объяснило
гениальное предвидение Д.И. Менделеева – периодическую таблицу элементов, да
заодно и всю химию. Открытие строения ядра позволило высвободить чудовищную
энергию, которая уже используется и в бомбах невиданной разрушительной силы
и в атомных электростанциях. Законы гравитационной космодинамики
заложили основы практической космонавтики, а понимание законов движения
сплошной и молекулярной среды стали фундаментом аэродинамики
современной транс- и гиперзвуковой авиации. Эта третья, сформулированная Фейманом фундаментальная проблема, является ключевой для
факультета аэромеханики и летательной техники МФТИ. ТРЕЬЯ ПРОБЛЕМА
ФЕЙНМАНА И МФТИ Снова друг уходим мы в полёт,
В небесах растаял звездолёт Гимн аэромехов В 2005 году исполняется 40 лет
факультету аэромеханики и летательной техники МФТИ в городе Жуковском. В этой
связи уместно вспомнить о той роли, которую сыграли в организации
специальности «аэромеханика» в институте, да и всего института МФТИ в целом,
учёные-механики – ученики великой русской научной Школы Николая Егоровича
Жуковского, Школы, наверное, впервые в мировой практике
совместившей на деле науку, производство и образование [1]. Н.Е. Жуковскому
удалось открыть основные законы аэродинамики, сплотить вокруг себя
талантливых соратников и учеников, организовать научный авиационный центр
(ЦАГИ), впоследствии давший жизнь целому ряду других специализированных
научных центров, всем в настоящее время широко известным в мире
опытно-конструкторским бюро и системе подготовки кадров. Огромную роль в развитии механики вообще и авиационной науки в
частности сыграл организованный Н.Е.Жуковским при ЦАГИ научный семинар,
который после смерти Жуковского возглавил Сергей Алексеевич Чаплыгин. Достаточно
посмотреть состав постоянных участников этого семинара, чтобы понять, какое
значение он имел для развития отечественной и мировой науки. Из него вышли
такие ученые-механики с мировым именем как: М.В. Келдыш, Л.И. Седов, С.А. Христианович, А.П. Котельников, Н.Е. Кочин,
Г.И. Петров, Д.Ю. Панов, Н.В. Зволинский и др. В ЦАГИ начинали свою творческую деятельность такие выдающиеся
авиационные конструкторы как А.Н. Туполев, П.О. Сухой, В.М. Мясищев, С.П.
Королев, М.Л. Миль и др. Необходимо
подчеркнуть роль А.Н. Туполева в развитии этой ветви Жуковского. Впервые в
самолетостроении Туполев ввел практику организации на серийных заводах
филиалов опытных КБ, и создание при КБ своих летно-доводочных баз, что
существенно сократило сроки создания новой техники. Выдающийся конструктор,
творец многих непревзойденных в мире изделий летной техники А.Н. Туполев
воспитал большое количество знаменитых отечественных конструкторов
авиационной и ракетной техники. Ветвь авиационного образования берет начало с двух кафедр,
которые Жуковский возглавлял в Московском Императорском Техническом Училище
(ныне МГТУ им. Баумана) и в Московском Университете. Впоследствии из кафедры
Московского Технического Училища образовались Московский авиационный институт
и Московский авиационно-технологический институт. В 1918 году Жуковским был
организован Институт Командиров Красного Воздушного Флота, который
впоследствии получил его имя и статус военно-воздушной академии. Отдельно нужно сказать о развитии той ветви, которая берет
начало от кафедры теоретической механики, возглавляемой Жуковским в
Московском Университете.. Большая часть участников
научного семинара ЦАГИ, будучи также и профессорами Московского Университета,
стали инициаторами создания новой системы образования. В 1938 году группа
ученых-физиков, и по большей части, ученые-механики, входящие в состав
научного семинара Жуковского, выступили в “Правде” с предложением создать
систему образования, которая бы сочетала в себе научную и инженерную
деятельность по созданию актуальных образцов техники. Война задержала процесс
реализации этой системы, но сразу же после войны,
опять же, по инициативе этих ученых, было подготовлено постановление Совета
Министров под председательством И. Сталина с указанием реализовать данную
систему на специально для этого созданном физико-техническом факультете МГУ.
Возглавил данную систему подготовки один из членов научного семинара
Жуковского, проректор МГУ по специальной подготовке Сергей Алексеевич Христианович. Первым деканом этого факультета стал также
участник научного семинара Жуковского Дмитрий Юрьевич Панов. Одна из
основных специальностей по подготовке кадров – была аэромеханика, а одной из
главных базовых организаций, которым, по постановлению Правительства,
предписывалось обеспечить специальную подготовку - Центральный
Аэрогидродинамический Институт. В 1951 году, физико-техническому факультету МГУ
Министерством Авиационной Промышленности был выделен в г.
Долгопрудном учебный корпус; факультет был переведён туда и преобразован в
Московский Физико-технический Институт, где аэромеханическая специальность
была преобразована в отдельный аэромеханический факультет. Первым ректором
МФТИ стал выдающийся советский авиатор, долгое время работавший у Туполева
лётчиком-испытателем, бывший начальник ЛИИ, генерал-лейтенант Иван Федорович
Петров. Выдающимся шагом в развитии системы физтеха
была организация отдельного факультета в городе Жуковском, вблизи основных
авиационных научных центров – ЦАГИ, ЛИИ и базирующихся на аэродроме ЛИИ
филиалов опытно-конструкторских бюро. Организации факультета предшествовала
напряженная работа выдающихся советских механиков, таких как С.А. Христианович, А.А. Дородницын,
В.В. Струминский, Г.П. Свищев, М.Д. Миллионщиков, Г.И. Петров, О.М. Белоцерковский. Далеко не
простую задачу – вдвинуть учебный процесс в недра научного центра удалось
реализовать только на ФАЛТе,. в
первую очередь, благодаря важности тех государственных задач, для которых
создавался факультет, а также благодаря мудрости и настойчивости
вышеперечисленных ученых. В организации факультета принимали участие
генеральный конструктор В.М. Мясищев, министр авиационной промышленности П.В.
Дементьев, министр образования В.Н. Столетов. Активное участие в организации
факультета принимал заведующий оборонным отделом ЦК КПСС И.Д. Сербин.
Факультет имеет кучу особенностей, отличающих его от других факультетов МФТИ.
В частности, он – единственный, расположенный в г.
Жуковском отдельно от других факультетов. ФАЛТ готовит научных работников для
авиационно-космической промышленности. Основные базовые организации –
Центральный Аэрогидродинамический Институт им. проф. Н.Е. Жуковского (ЦАГИ),
Летно-Исследовательский Институт им. М.М. Громова (ЛИИ), Центральный Институт
Авиационного Моторостроения им. П.И. Баранова (ЦИАМ), ОКБ им. П.И. Сухого и
др. авиационно-космические ОКБ . Недавно открыта
кафедра по подготовке научных кадров для предприятий РАО ГАЗПРОМ на базе
Всероссийского Научно-исследовательского Института Газовой Промышленнсти (ВНИИГАЗ) и Института Проблем Нефти и Газа
(ИПНГ РАН).
Но, пожалуй, главной особенностью факультета является собственная
кафедра физики, работающая в единой системе с кафедрой общей физики МФТИ, но
сохраняющая традиции научной Школы Н.Е. Жуковского. В разное
время на кафедре читали лекции выдающиеся советские и российские
физики: С.Н. Иорданский, Ю.А. Смородин, Н.В. Карлов, В.М. Кузнецов, В.В.
Додонов, Б.В. Егоров и многие другие. На протяжении более трёх десятилетий
кафедру возглавлял известный ученый, предложивший новый подход к исследованию
турбулентности профессор В. Н. Жигулёв [2], в
настоящее время заведующим кафедрой является видный специалист в области
течений многофазных сред и физики полёта профессор А.Л. Стасенко [3]. Неоценима заслуга в становлении и оснащении
кафедры физики ФАЛТ специалиста в области магнитной гидродинамики Е.А.
Ромишевского.
Теоретическую физику на факультете читали и читают вот уже на протяжении
многих лет такие известные ученые как С.Т. Беляев, С.П. Алиллуев, В.П. Крайнов, М.Н.
Коган, Е.А. Дорофеев, В.А. В.А. Жаров и др.
Исторически к настоящему времени ситуация сложилась таким образом, что
основное влияние на формирование мировоззрение человечества оказывает физика.
Она определяет его восприятие времени и пространства, систему взглядов на мир
и своё в нём положение, принципы организации своей деятельности. Несмотря на
потрясающие открытия в физике, сделанные за последние 100 лет, в целом человечество
живёт по понятиям сформированным метафизикой
Ньютона. КЛАССИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
Уравнения
Максвелла имели для человечества
большее значение,
чем французская революция. ВернерГейзенберг Согласно
ньютоновской механике все физические явления
происходят в трёхмерном пространстве, описываемом геометрией Евклида,
находящемся вечно в состоянии абсолютного покоя. Все изменения в
этом мире описывались в терминах абсолютного времени, не имеющего связи
ни с материальным миром, ни с пространством и разделяющим события
прошлого, настоящего и будущего с постоянной скоростью одна секунда в
секунду. В этом пространстве двигаются маленькие, твёрдые, неразрушимые
частицы, из которых состоит вся материя нашего мира и которые
фигурируют в уравнениях движения в качестве « точек массы ». Силы,
действующие между телами, определяются исключительно их массой и расстоянием
между ними. Ньютон полагал, что материя вечна и изначально пассивна, а
пространство, время, частицы и силы созданы Богом. Может быть это и так, но
современная физика у этих категорий установила принципиально другие свойства.
Механистический взгляд на природу и устройство нашего
мира, согласно которому любая система и вся Вселенная в целом подчиняются
одним и тем же динамическим законам и функционируют с точностью хорошо
отлаженного часового механизма, и которым в настоящее время пользуются
большинство людей и, к сожалению, не только в быту, часто приводит к
фатальным погрешностям в создании физических, биологических, экономических и
других моделей социального
устройства. Квинтэссенцией подобного взгляда на природу является идея
Лапласа: « Интеллект, располагающий точными и подробными сведениями о местонахождении всех вещей, из которых
состоит мир, и действии всех природных сил и способный подвергнуть
анализу столь огромное количество данных, смог бы запечатлеть в одной и
той формуле движение самых больших тел во Вселенной и мельчайших атомов; для
него не оставалось бы неясностей, и будущее, как и прошлое, показалось бы ему
настоящим ».
Расцвет классической физики приходится на XYIII - XIX века. Сам Ньютон при помощи своей
теории объяснил и движение тел на Земле и устройство
Солнечной системы. Вдохновлённые блестящими успехами ньютоновской
механики в астрономии, физики использовали её для описания движения
жидкостей и газов, колебаний упругих тел и вновь добились успеха. Даже теория
теплоты, которая первоначально основывалась на таинственном теплороде,
получила механистическое объяснение, по которому теплота представляет собой
энергию, порождённую хаотическим движением молекул вещества. Фундаментальной
основой строгого детерминизма классической механики было декартовское
разграничение между миром и человеком, лишённое упоминания о личности
наблюдателя и дающее, якобы, объективное описание мира. Это было
принципиальное отличие от основ не только современной физики, но и от
религиозных подходов, на которых основывался сам Ньютон.
Заложенное внутри классической физики противоречие породило и мощную
волну свирепого атеизма, начатую французскими просветителями, и стало началом
конца безграничного господства самой классической физики.
Первый звонок прозвучал при попытках описать явления электричества и
магнетизма, которые не допускали механистического толкования, свидетельствуя
о существовании сил неизвестной до этого природы. Важный шаг в
расширении механики Ньютона был сделан Майклом Фарадеем и Клерком
Максвеллом. Вместо того, чтобы утверждать, что два заряда взаимодействуют
наподобие гравитационных масс, как это следовало из закона Кулона, они
сочли более приемлемым утверждать, что каждый заряд создаёт вокруг себя
возбуждение, которое они назвали полем. .Вершиной
этой теории, получившей название электродинамики, было осознание того, что
свет является волной электромагнитного поля высокой частоты.
Несмотря на эти открытия в основе классической физики лежала все-таки
концепция Ньютона: -
абсолютность, т. е. незыблемость и
независимость пространства и
времени,
-
концепция структуры мира, состоящего из
твёрдых неделимых частиц, -
объективность, т. е. независимость от
наблюдателя исследуемых процессов, -
строгая причинная обусловленность всех
физических процессов.
Была ещё
одна таинственная величина, которая не следовала не из одного постулата
классической физики и на которую вначале не обратили особого внимания, хотя
она подрывает основы не только класической физики,
но и является необъяснимым фактом физики современной. Это гравитационная
постоянная .
.
Сейчас к классической физике кроме G можно отнести следующие фундаментальные константы: -
электрическая
постоянная , (или магнитная
постоянная
), -
константа Больцмана . А всю
классическую физику удобно наглядно представить на осях этих констант, каждая
из которых отвечает за соответствующий раздел физики: G
– механика Ньютона, - электродинамика Максвелла, k – термодинамика и молекулярная
физика Больцмана. СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИКА
Когда видишь уравнение , становится стыдно
за свою болтливость.
Станислав Лец
Начало прошлого века кардинально изменило положение дел в физике. У истоков
современной физики – великое свершение одного человека – Альберта Эйнштейна.
Две его статьи, опубликованные в 1905 году, содержали две радикально новые
мысли. Первая из них, подорвав сразу два незыблемых ньютоновских
принципа – абсолютность пространства и времени и
объективность получаемых результатов наблюдений стала основой специальной
теории относительности. Вторая, повергнув принцип неделимости элементарных
частиц и причинную обусловленность физических процессов, стала основой
квантовой механики. Квантовая теория окончательно сформировалась через
двадцать лет благодаря блестящей плеяде физиков, но теорию относительности
практически полностью разработал сам Эйнштейн и его труды увековечили
достижения человеческого разума, став своеобразными пирамидами человеческой
цивилизации.
Согласно теории относительности, неверно, что пространство имеет три
измерения, а время существует независимо от него. Одно тесно связано с другим
и вместе они образуют пространственно-временной континуум, в котором
нет единого течения времени и разные наблюдатели, двигаясь с различными
скоростями относительно наблюдаемых явлений, наблюдали бы разную их
последовательность. Таким образом все измерения во
времени и пространстве теряют абсолютный характер, становятся относительными,
а время и пространство – лишь элементы языка, используемого наблюдателем, для
описания исследуемых явлений. В 1915 году Эйнштейн выдвинул общую теорию
относительности, которая в отличие от специальной
учитывала гравитацию, которая в свою очередь способна искривлять время и
пространство. Категории
пространства-времени становятся настолько основополагающими, что их
изменение влечет за собой изменение общего подхода к описанию явлений
природы. Одно из них – осознание того, что масса есть одна из форм энергии,
выраженное великим уравнением
Второе – это то, что теория относительности делает пространственно-временной
язык описания физических процессов абсолютным и обосновывает формальный
приём Максвелла - выражения всех физических величин в размерностях
пространства – L и времени – T. Атом А вот протон, вокруг
которого вращается тот электрон,
В атоме, который построил Нильс Бор
Студенческий фольклор В начале XX века было сделано ряд открытий, необъяснимых с точки
зрения классической физики. Первое свидетельство о том, что атомы обладают
внутренней структурой, появилось с открытием рентгеновских лучей, которое тут
же нашло практическое применение в медицине. Вскоре стали известны и другие
виды излучения так называемых радиоактивных элементов, которые кроме
практического значения, имели ещё и чисто научное.
В результате бомбардировок атомов потоками альфа-частиц Резерфорд получил
сенсационный результат. Вместо ньютоновских цельных
частиц перед учёными предстали невероятно маленькие электроны, вращающиеся
вокруг ядра на достаточно большом расстоянии, прикованные к ядрам
электрическими силами. Эта планетарная модель неожиданно объяснила гениальное
открытие Менделеева – его таблицу химических элементов и, в принципе, всю химию
с её различными химическими реакциями. Но в то же
время поставило целый ряд принципиально новых вопросов, без разрешения
которых было невозможно дальнейшее исследование атомных процессов.
Частицы, из которых состоит атом, не являются элементарными
т.е. твёрдыми и не делимыми.
Атом в основном состоит из пустоты – ядра, в котором сосредоточена
практически вся масса, и вращающимися вокруг ядра на
огромных расстояниях на несколько порядков превышающих размер ядра
электронов. На лекции приводили такой пример. Если в центр купола Храма
Христа Спасителя поместить песчинку и она будет
олицетворять ядро атома, то пылинки, вращающиеся вокруг него по образующей
купола, будут олицетворять электроны. И в тоже время атом обладает
удивительной стабильностью и физической твёрдостью. Например, в воздухе атомы
миллионы раз в секунду сталкиваются друг с другом ,
и, тем не менее, после каждого столкновения приобретают прежнюю форму. Ни
одна механическая система, включая планетную, не
выдержала бы таких нагрузок. Квантовая
теория показала, что эти поразительные свойства атомов обусловлены волновой
природой электронов. Твёрдость обусловлена двойственной природой
материи – когда частица находится в ограниченном объёме
пространства, она начинает усиленно двигаться, и чем значительнее
ограничение, тем выше её энергия и скорость. Электрические силы стремятся как
можно сильнее приблизить электрон к ядру и чем сильнее притяжение, тем
выше скорость – до нескольких сот километров в секунду.. Вследствие
этого атом воспринимается как непроницаемая сфера, наподобие того, как
вращающийся вентилятор воспринимается как сплошной диск. Однако атом нельзя
уподобить маленькой планетарной системе, поскольку электроны не частицы, а
вероятностные волны, распределённые по орбитам в соответствии с квантовыми
числами, обозначающими местонахождение, энергию, форму, вращение и скорость
электронов. Взаимодействие электрической силы притяжения с электронными
волнами порождает огромное количество разнообразных структур и явлений в мире.
Оно отвечает за все химические реакции и за образование всех молекулярных
соединений, из которых состоят все твёрдые, жидкие и газообразные тела,
включая живые организмы. Однако эта форма материи, обладающая многообразием
очертаний, структур и сложной молекулярной архитектурой, может существовать
лишь при условии не очень высокой температуры, порядка 300 градусов Кельвина.
При увеличении температуры на всего на два порядка возбуждаются
внутренние степени свободы (колебательные, вращательные) и разрушаются все
молекулярные структуры, что и имеет место внутри большинства звёзд, т. е. для
большей части материи Вселенной. Для нашей планеты особенно важными
являются ядерные процессы, происходящие в центре Солнца, питающие энергией
околоземное пространство и обеспечивающее жизнь на Земле. Ядро Если бы я мог упомнить названия всех элементарных частиц, я бы стал ботаником.
Энрико Ферми Первым
успехом в исследовании ядра, начавшегося в тридцатые годы
прошлого столетия, было открытие второй после протона компоненты ядра –
нейтрона, примерно той же массы, лишённого электрического заряда. Нуклоны
располагаются на очень маленьком пространстве ядра порядкам. Обладая, как и
электроны, квантовой природой нуклоны реагируют на ограниченность
пространства, увеличивая скорость до нескольких десятков тысяч километров в
час. И тем не менее нуклоны удерживаются в
стабильном состоянии. Для этого необходима огромная сила принципиально новой
природы, не похожая ни на гравитационную, ни на
электромагнитную, превосходящую их на порядки и получившая название
сильного взаимодействия.
Последующие достижения в исследовании ядра связаны с совершенствованием
экспериментальной техники и открытием новых элементарных частиц – кирпичиков
мироздания, которые традиционно со времён древнего мира искали учёные. В 1935
году наряду с электроном, протоном и нейтроном было известно уже шесть, в
1955 – восемнадцать, а к настоящему времени их известно несколько сотен и , похоже, процесс размножения частиц будет продолжаться
неопределённо долго. В такой ситуации понятие «элементарный» начинает терять
смысл. Но принципиальность вопроса заключается даже не в этом.
Очевидно, что в связи с субсветовыми скоростями элементарных частиц,
квантовая теория не является единственным способом описания ядерных
процессов, и должна быть дополнена теорией относительности. Существует
несколько «квантово – релятивистских»
моделей, но создание общей теории частиц остаётся основной из пока
нерешённых задач физики. Теория относительности показала, что масса не имеет
отношения ни к какой субстанции, являясь одной из форм энергии. Другими
словами частица должна восприниматься как динамический процесс, вовлекающий
энергию, которая и проявляет себя в виде массы. Начало новому взгляду на
частицы положил Дирак, сформулировавший релятивистское уравнение для
электронов. Теория Дирака не только успешно описывала сложные подробности
строения атома, но и обнаружила фундаментальную симметричность материи и антиматерии, предсказав существование позитрона. Из
принципа симметричности следует, что для каждой частицы существует
античастица, равная ей по массе и противоположным зарядом. Пары частиц и
античастиц возникают при наличии достаточного количества энергии и
превращаются в лучистую энергию при аннигиляции. Это
был важнейший этап в познании природы. До этого в физике
считалось, что материя состоит из неразделимых элементарных частиц, либо из
сложных объектов, которые можно на более мелкие, на что и были направлены
основные усилия исследований. Вопрос был только в том, возможно ли
бесконечное деление материи на всё более мелкие части, или существуют в
конечном итоге мельчайшие неделимые элементы. Открытие Дирака обозначило
новый подход к проблеме делимости вещества. При столкновении двух частиц с
высокой энергией они обычно разбиваются на части, размеры которых однако не меньше размеров и масс исходных частиц.
Эти частицы такого же типа, возникающие из энергии движения, задействованной
в процессе столкновения. Большинство частиц, возникающих при столкновениях,
очень недолговечны и существуют менее одной миллионной доли секунды, после
чего они распадаются протоны, нейтроны и электроны. В этой связи
частицы следует рассматривать не как самостоятельные сущности, а как
неотделимые части целого и Вселенная представляет собой подвижную сеть
нераздельно связанных динамических процессов, включающих в себя и наблюдателя.
Этот фундаментальный принцип
красиво демонстрирует мысленный эксперимент Эйнштейна. Спин электрона может
принимать два значения – по или против
часовой стрелки или, как говорят физики, «вверх» и «вниз», но направление оси
вращения неизвестно. Тем не менее, стоит выбрать некую ось и произвести
измерения, как обнаружится, что электрон вращается именно вокруг этой оси в том или ином направлении. Другими словами, электрон
приобретает определённую ось вращения в момент измерения. Рассмотрим систему
из двух электронов со суммарным спином, равным нулю
и неизвестными направлениями осей вращения. Предположим, что некие процессы,
не влияющие на спин электронов, вызывают их удаление друг от друга на
достаточно большое расстояние, например один из них перемещается на Луну.
Измеряя спин одного из электронов, предположим мы получили значение «вверх».
Но поскольку суммарный спин электронов равен нулю, спин лунного электрона
должен быть «нижним». Каким образом лунный электрон мгновенно узнаёт, какую
ось выбрал экспериментатор? Ответ один – система из двух электронов
представляет собой неделимое целое, несмотря на большое расстояние их разделяющее и систему нельзя рассматривать в терминах
составных частей. Опираясь на этот эксперимент, Джон Белл доказал теорему,
проливающую свет на фундаментальную взаимосвязь и нераздельную слитность
Вселенной. Классификация
физических теорий
Особое место в физике классической и современной занимают так называемые
мировые константы, которые берутся из эксперимента и не следуют ни из одной
из физических теорий.
Основные
константы:
-
скорость
света
, -
гравитационная постоянная , -
постоянная
Планка
h -
электрическая
постоянная . Производные константы: -
магнитная
постоянная
-
масса
Планка
-
длина Планка -
время
Планка
Резюмируя
вышесказанное, современные физические теории наглядно можно представить на
осях этих таинственных величин, не следующих не из каких
внутренних свойств современной физики - мировых констант [ Л. Б Окунь ]. По оси x
отложим константу Планка - h, которая
показывает, насколько в исследуемой области существенны волновые
свойства материи. По оси y Отложим
гравитационную постоянную – G, показывающую
степень важности гравитационного взаимодействия. По оси z отложим константу, обратно пропорциональную скорости.
Эта ось будет характеризовать существенность релятивистских эффектов. В
начале координат такой системы располагается там, где ей и положено быть классическая
механика Ньютона – Cl. Mch. Это мир, окружающих нас в обыденной жизни предметов, и
в этой области не важны не гравитационные, за исключением
ускорения свободного падения, не волновые, не релятивистские эффекты.
Классическую физику, кстати, тоже наглядно можно представить на осях
фундаментальных констант: Классическая физика в а настоящее
время полностью завершена, находится в прекрасном соответствии с
экспериментом и описывает широкий круг явлений, включающий механику,
завершенную еще самим Ньютоном, термодинамику и молекулярную
физику, гидродинамику, электродинамику Максвелла.
Классическая гравитация, тоже открытая и сформулированная Ньютоном,
также является завершенной теорией и идеально описывает строение Солнечной
системы и практическую космонавтику – движение искусственных спутников Земли
и других космических летательных аппаратов.
Квантовая механика прекрасно описывает волновые свойства
материи, если не учитывать субсветовые скорости движения тел и
мощное гравитационное пол.
Специальная теория относительности также считается завершенной
теорией. Она считается точной, так как не найдено ни одного физического
явления противоречащего положениям специальной теории относительности. Эта
теория описывает быстрые–субсветовые движения тел и
задает метрику 4-мерного пространства-времени – основу всех физических
теорий. Кроме того теория относительности устанавливает фундаментальный
принцип Природы – эквивалентности массы и энергии.
Квантовая теория поля, учитывающая и волновые свойства материи
и высокие скорости, является основой описания и интерпретации
экспериментальных данных, инструментом исследования строения
материи. И хотя с ее помощью открыто несколько сотен элементарных
частиц, в настоящее время она находится в состоянии дальнейшего развития.
Общая теория относительности – основа космофизики и космогонии. Она учитывает
субсветовые скорости и тяжелые гравитационные массы на огромных
космических просторах и тоже еще до конца не разработана.
И, наконкц, на максимальном
расстоянии от начала координат находится Общая теория поля или, как ее
еще называют Т еория
Великого объединения всех взаимодействий – т.е. всех сил природы и, которая
призвана дать полную картину микромира. В этой теории отличны от нуля и
гравитационная постоянная, и постоянная Планка, и исследуются
релятивистские движения со субсветовыми скоростями. Элемементарными сущностями в ней выступают не частицы и
не волны, а струны и мембраны. При создании такой теории перед учеными
возникают колоссальные трудности. А самое главное, почти полное
отсутствие экспериментальных результатов. Большие надежды здесь
возлагаются на астрофизику и космологию. Например, при исследовании
черных дыр необходимо учитывать и волновые свойства материи, сильное
гравитационное поле, и субсветовые скорости.
Фундаментальные силы природы
В физике известны четыре силы, действующие в природе: сильное или ядерное
взаимодействие, электромагнитное взаимодействие, слабое взаимодействие,
гравитационное взаимодействие. Каждая сила характеризуется своей
константой связи или, что одно и тоже
константой взаимодействия , радиусом действия r
и зависимостью потенциала (энергии) от
расстояния U.
Ядерное взаимодействие
определяются следующими параметрами:
Электромагнитное:
Слабое
Гравитационное
Значение гравитационной константы в безразмерной форме вычислено по
формуле
, где - масса протона.
Константы измерены экспериментально при расстояниях между частицами порядка
10 в минус 19 степени метров. Слабое и гравитационное
взаимодействия универсальны, т. е. они присущи всем частицам. Сильное и электромагнитное – зависят от сорта частиц. Однопорядковые взаимодействия – слабое и электромагнитное
удалось объединить в единую теорию электрослабого
взаимодействия. Это большой успех теории на пути достижения единого взгляда
на многообразие явлений природы. Интенсивные попытки продвинуться дальше по
этому пути и найти общую теоретическую платформу для представления сильного,
электрослабого и гравитационного
взаимодействий пока не увенчались успехом. Взможно,
что появления единой теории, объединяющей все силы природы, откроется
механизм происхождения мировых констант – скорости света, постоянной
Планка, гравитационной и электромагнитных констант. Кстати,
гравитационные и электромагнитные силы известны уже более двухсот лет, слабые
и ядерные открыты в тридцатых годах прошлого века. И вот уже
более семидесяти лет никаких других фундаментальных сил в природе не обнаружено.
С этой точки зрения, появляющиеся время от времени в популярной литературе
сообщения о новых полях и силах, типа биологических, требуют тщательной
проверки. Таким образом
резюмируя вышесказанное принципы современной физики можно сформулировать
следующим образом. 1.
Пространственно-временной континуум является
абсолютным языком описания всех физических процессов. 2.
Материя, энергия, силы, взаимодействия –
есть формы движения т. е. свойства пространства-времени. 3.
Материальное единство мира заключается в
том, что Вселенная – это динамическое неделимое целое, включающее и
наблюдателя. 4.
Вероятностная природа физических процессов. 5.
Квантованность энергетических состояний пространства-времени. 6.
Фундаментальная симметричность физического
мира, существование наряду с материей и антиматерии. 7.
Принцип неопределённости. ЛИТЕРАТУРА
______________________________________________________________________________________________________________________ Элементарные
частицы и Космология Артур Емагулов.
Выпускник ФАЛТ МФТИ
|
Дата
последнего изменения этого узла 04.03.2006