LOIS FONDAMENTALES DE LA PHYSIQUE

[ Mécanique | Thermodynamique | Électricité | Optique | Physique atomique]

LOI DES ÉNERGIES DE CONSERVATION ET DE TRANSFORMATION - la loi générale de la nature : toute énergie systeme ferme pendant tous les processus se produisant dans le système, reste constant (enregistré). L'énergie ne peut être convertie que d'une forme à une autre et redistribuée entre les parties du système. Pour un système ouvert, une augmentation (diminution) de son énergie est égale à une diminution (augmentation) de l'énergie des corps et des champs physiques qui interagissent avec lui.

1. MÉCANIQUE

LOI D'ARCHIMÈDE - la loi de l'hydrostatique et de l'aérostatique : un corps immergé dans un liquide ou un gaz est soumis à une force de poussée dirigée verticalement vers le haut, numériquement égale au poids du liquide ou du gaz déplacé par le corps, et appliquée au centre. de gravité de la partie immergée du corps. FA= gV, où r est la densité du liquide ou du gaz, V est le volume de la partie immergée du corps. Autrement, on peut la formuler ainsi : un corps immergé dans un liquide ou un gaz perd autant de poids que pèse le liquide (ou le gaz) qu'il déplace. Alors P= mg - FA Un autre groupe est ouvert. le scientifique Archimède en 212. AVANT JC. C'est la base de la théorie des corps flottants.

LOI DE LA GRAVITATION UNIVERSELLE - Loi de la gravité de Newton : tous les corps sont attirés les uns vers les autres avec une force directement proportionnelle au produit des masses de ces corps et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare : , où M et m sont les masses de corps en interaction, R est la distance entre ces corps, G est la constante gravitationnelle (en SI G=6,67.10-11 N.m2/kg2.

PRINCIPE DE RELATIVITÉ DE GALILEO, principe mécanique de relativité - le principe de la mécanique classique : dans tout référentiel inertiel, tous les phénomènes mécaniques se déroulent de la même manière dans les mêmes conditions. Épouser. principe de relativité.

LOI DU CROCHET - une loi selon laquelle les déformations élastiques sont directement proportionnelles aux influences extérieures qui les provoquent.

LOI DE CONSERVATION DE LA MOMENTUM - une loi de la mécanique : la quantité de mouvement de tout système fermé, pendant tous les processus se produisant dans le système, reste constante (conservée) et ne peut être redistribuée entre les parties du système qu'en raison de leur interaction.

LOIS DE NEWTON - trois lois qui sous-tendent la mécanique classique newtonienne. 1ère loi (loi de l'inertie) : un point matériel est dans un état de mouvement ou de repos rectiligne et uniforme si d'autres corps n'agissent pas sur lui ou si l'action de ces corps est compensée. 2ème loi (loi fondamentale de la dynamique) : l'accélération reçue par un corps est directement proportionnelle à la résultante de toutes les forces agissant sur le corps, et inversement proportionnelle à la masse du corps (). 3ème loi : deux points matériels interagissent entre eux par des forces de même nature égales en grandeur et de direction opposée le long de la droite reliant ces points ().

PRINCIPE DE RELATIVITÉ - l'un des postulats de la théorie de la relativité, qui stipule que dans tout référentiel inertiel, tous les phénomènes physiques (mécaniques, électromagnétiques, etc.) se déroulent dans les mêmes conditions de la même manière. Est une généralisation du principe de relativité de Galilée à tout phénomènes physiques(sauf pour la gravité).

2. PHYSIQUE MOLÉCULAIRE ET THERMODYNAMIQUE

LA LOI D'AVOGADRO est l'une des lois fondamentales des gaz parfaits : des volumes égaux de gaz différents à la même température et pression contiennent le même nombre de molécules. Ouvert en 1811 en Italie. physicien A. Avogadro (1776-1856).

LOI DE BOYLE-MARIOTTE - une des lois d'un gaz parfait : pour une masse donnée d'un gaz donné à température constante, le produit de la pression et du volume est une valeur constante. Formule : pV=const. Décrit un processus isotherme.

LA DEUXIÈME LOI DE LA THERMODYNAMIQUE est l'une des lois fondamentales de la thermodynamique, selon laquelle un processus périodique est impossible, dont le seul résultat est l'exécution d'un travail équivalent à la quantité de chaleur reçue du radiateur. Autre formulation : est impossible un processus dont le seul résultat est le transfert d'énergie sous forme de chaleur d'un corps moins chauffé à un autre plus chauffé. V.Z.T. exprime le désir d'un système constitué d'un grand nombre de particules en mouvement chaotique de passer spontanément d'états moins probables à des états plus probables. Interdit la création d'une machine à mouvement perpétuel du deuxième type.

LOI DE GAY-LUSSAC - loi des gaz : pour une masse donnée d'un gaz donné à pression constante, le rapport volume/température absolue est une valeur constante, où = 1/273 K-1 est le coefficient de dilatation volumétrique en température.

La LOI DE DALTON est l'une des lois fondamentales des gaz : la pression d'un mélange de gaz parfaits chimiquement n'interagissant pas est égale à la somme des pressions partielles de ces gaz.

LA LOI DE PASCAL est la loi fondamentale de l'hydrostatique : la pression produite par des forces extérieures à la surface d'un liquide ou d'un gaz se transmet de manière égale dans toutes les directions.

LA PREMIÈRE LOI DE LA THERMODYNAMIQUE est l'une des lois fondamentales de la thermodynamique, qui est la loi de conservation de l'énergie pour un système thermodynamique : la quantité de chaleur Q transmise au système est dépensée pour modifier l'énergie interne du système U et effectuer le travail A par le système contre les forces extérieures. Formule : Q= U+A. Il est à la base du fonctionnement des moteurs thermiques.

LA LOI DE CHARLES est l'une des lois fondamentales des gaz : la pression d'une masse donnée de gaz parfait à volume constant est directement proportionnelle à la température : où p0 est la pression à 00C, =1/273,15 K-1 est le coefficient de température de pression.

3. ÉLECTRICITÉ ET MAGNÉTISME

LOI AMPÈRE - la loi de l'interaction de deux conducteurs avec les courants ; Les conducteurs parallèles avec des courants dans la même direction s'attirent et les conducteurs parallèles avec des courants dans la direction opposée se repoussent. A.z. également appelée loi qui détermine la force agissant dans un champ magnétique sur un petit segment d'un conducteur transportant un courant. Ouvert en 1820 SUIS. Ampère.

LOI JOULE-LENZ - une loi qui décrit l'effet thermique du courant électrique. D'après D.-L.z. la quantité de chaleur dégagée dans un conducteur lorsqu'un courant continu le traverse est directement proportionnelle au carré du courant, à la résistance du conducteur et au temps de transit.

La LOI DE CONSERVATION DES CHARGES est l'une des lois fondamentales de la nature : la somme algébrique des charges électriques de tout système électriquement isolé reste inchangée. Dans un système électriquement isolé Z.s.z. permet l'apparition de nouvelles particules chargées (par exemple, lors de la dissociation électrolytique, de l'ionisation des gaz, de la création de paires particule-antiparticule, etc.), mais la charge électrique totale des particules apparaissant doit toujours être égale à zéro.

LA LOI DE COULLOMB est la loi fondamentale de l'électrostatique, exprimant la dépendance de la force d'interaction entre deux charges ponctuelles stationnaires sur la distance qui les sépare : deux charges ponctuelles stationnaires interagissent avec une force directement proportionnelle au produit des ampleurs de ces charges et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare et de la constante diélectrique du milieu dans lequel se trouvent les charges. En SI, il a la forme : . La valeur est numériquement égale à la force agissant entre deux charges ponctuelles stationnaires de 1 C chacune, situées dans le vide à une distance de 1 m l'une de l'autre. K.z. est l'une des justifications expérimentales de l'électrodynamique.

RÈGLE DE LA MAIN GAUCHE - une règle qui détermine la direction de la force qui agit sur un conducteur porteur de courant (ou une particule chargée en mouvement) située dans un champ magnétique. Il dit : si la main gauche est positionnée de manière à ce que les doigts tendus montrent la direction du courant (vitesse des particules), et les lignes de force champ magnétique(lignes d'induction magnétique) sont entrées dans la paume, puis le pouce tendu indiquera la direction de la force agissant sur le conducteur ( particule positive; dans le cas d'une particule négative, la direction de la force est opposée).

RÈGLE DE LENZA (LOI) - une règle qui détermine la direction des courants d'induction apparaissant lors de l'induction électromagnétique. Selon L.p. le courant induit a toujours une direction telle que son propre flux magnétique compense les changements du flux magnétique externe qui ont provoqué ce courant. L.p. - une conséquence de la loi de conservation de l'énergie.

La LOI OMA est l'une des lois fondamentales du courant électrique : l'intensité du courant électrique continu dans une section d'un circuit est directement proportionnelle à la tension aux extrémités de cette section et inversement proportionnelle à sa résistance. Valable pour les conducteurs métalliques et les électrolytes dont la température est maintenue constante. Dans le cas d'un circuit complet, il est formulé comme suit : l'intensité d'un courant électrique continu dans le circuit est directement proportionnelle à la force électromotrice de la source de courant et inversement proportionnelle à la résistance totale du circuit électrique.

RÈGLE DE LA MAIN DROITE - une règle qui détermine 1) la direction du courant d'induction dans un conducteur se déplaçant dans un champ magnétique : si la paume main droite positionnez-le de manière à ce que les lignes d'induction magnétique y entrent, et dirigez le pouce plié le long du mouvement

conducteur, alors quatre doigts tendus indiqueront la direction du courant d'induction ; 2) le sens des lignes d'induction magnétique d'un conducteur droit avec courant : si le pouce de la main droite est positionné dans le sens du courant, alors le sens de saisie du conducteur avec quatre doigts indiquera le sens de l'induction magnétique lignes.

LOIS DE FARADAY - les lois fondamentales de l'électrolyse. Première loi de Faraday : la masse d'une substance libérée sur l'électrode lors du passage d'un courant électrique est directement proportionnelle à la quantité d'électricité (charge) traversant l'électrolyte (m=kq=kIt). Deuxième F.Z. : le rapport des masses de diverses substances subissant des transformations chimiques sur les électrodes lorsque des charges électriques identiques traversent l'électrolyte est égal au rapport des équivalents chimiques. Installé en 1833-34 par M. Faraday. La loi généralisée de l'électrolyse a la forme : , où M est la masse molaire (atomique), z est la valence, F est la constante de Faraday. F.p. est égal au produit de la charge électrique élémentaire et de la constante d'Avogadro. F = e.NA. Détermine la charge dont le passage à travers l'électrolyte entraîne la libération de 1 mole d'une substance monovalente au niveau de l'électrode. F = (96484,56 0,27) Cellule/mol. Nommé en l'honneur de M. Faraday.

LOI D'INDUCTION ÉLECTROMAGNÉTIQUE - une loi qui décrit le phénomène d'apparition d'un champ électrique lorsqu'un champ magnétique change (phénomène d'induction électromagnétique) : la force électromotrice d'induction est directement proportionnelle au taux de variation du flux magnétique. Le coefficient de proportionnalité est déterminé par le système d'unités, le signe est la règle de Lenz. Formule en SI : , où Ф est le changement du flux magnétique et t est la période de temps pendant laquelle ce changement s'est produit. Découvert par M. Faraday.

4. OPTIQUE

LE PRINCIPE DE HUYGEN est une méthode qui permet de déterminer la position du front d'onde à tout moment. Selon g.p. tous les points par lesquels passe le front d'onde au temps t sont des sources d'ondes sphériques secondaires, et la position souhaitée du front d'onde au temps t t coïncide avec la surface enveloppant toutes les ondes secondaires. Permet d'expliquer les lois de la réflexion et de la réfraction de la lumière.

HUYGENS - FRESNEL - PRINCIPE - une méthode approchée pour résoudre des problèmes de propagation d'ondes. G.-F. P. indique : en tout point situé à l'extérieur d'une surface fermée arbitraire couvrant une source ponctuelle de lumière, l'onde lumineuse excitée par cette source peut être représentée comme le résultat de l'interférence d'ondes secondaires émises par tous les points de la surface fermée spécifiée. Permet de résoudre les problèmes les plus simples de diffraction de la lumière.

LOI DE RÉFLEXION DES ONDES - le faisceau incident, le faisceau réfléchi et la perpendiculaire, restituées au point d'incidence du faisceau, se trouvent dans le même plan, et l'angle d'incidence est égal à l'angle de réfraction. La loi est valable pour la réflexion miroir.

RÉFRACTION DE LA LUMIÈRE - un changement dans la direction de propagation de la lumière (onde électromagnétique) lors du passage d'un milieu à un autre, qui diffère du premier par l'indice de réfraction. Pour la réfraction, la loi est satisfaite : le rayon incident, le rayon réfracté et la perpendiculaire restituée au point d'incidence du rayon se trouvent dans le même plan, et pour ces deux milieux le rapport du sinus de l'angle d'incidence sur le Le sinus de l'angle de réfraction est une valeur constante, appelée indice de réfraction relatif du deuxième milieu par rapport au premier.

LOI DE PROPAGATION RECTILIGNE DE LA LUMIÈRE - une loi de l'optique géométrique, qui stipule que la lumière se propage dans un milieu homogène en ligne droite. Explique, par exemple, la formation de l'ombre et de la pénombre.

6. PHYSIQUE ATOMIQUE ET NUCLÉAIRE.

POSTULATS DE BOHR - hypothèses de base introduites sans preuve par N. Bohr, et formant la base de la THÉORIE DE BOHR : 1) Le système atomique n'est stable que dans les états stationnaires, qui correspondent à une séquence discrète de valeurs d'énergie atomique. Chaque changement de cette énergie est associé à une transition complète de l'atome d'un état stationnaire à un autre. 2) L'absorption et l'émission d'énergie par un atome se produisent selon la loi selon laquelle le rayonnement associé à la transition est monochromatique et a une fréquence : h = Ei-Ek, où h est la constante de Planck, et Ei et Ek sont les énergies de l'atome dans des états stationnaires

1.1. Annotation. Lois de la relativité et mécanique quantique, selon lesquels se produisent le mouvement et l'interaction des particules élémentaires de matière, prédéterminent la formation et l'émergence de modèles d'un large éventail de phénomènes étudiés par diverses sciences naturelles. Ces lois sont à la base des hautes technologies modernes et déterminent en grande partie l’état et le développement de notre civilisation. Par conséquent, la connaissance des bases de la physique fondamentale est nécessaire non seulement pour les étudiants, mais aussi pour les écoliers. La possession active de connaissances de base sur la structure du monde est nécessaire pour qu'une personne entre dans la vie afin de trouver sa place dans ce monde et de poursuivre avec succès ses études.

1.2. Quelle est la principale difficulté de ce rapport ? Il s'adresse aussi bien aux spécialistes du domaine de la physique des particules qu'à un public beaucoup plus large : physiciens des non-particules, mathématiciens, chimistes, biologistes, énergéticiens, économistes, philosophes, linguistes,... Pour être suffisamment précis, je dois utiliser termes et formules de physique fondamentale. Pour être compris, je dois constamment expliquer ces termes et formules. Si la physique des particules n'est pas votre spécialité, lisez d'abord uniquement les sections dont les titres ne sont pas marqués d'astérisques. Essayez ensuite de lire les sections avec un astérisque *, deux ** et enfin trois ***. J’ai réussi à parler de la plupart des sections sans étoiles pendant le reportage, mais je n’ai pas eu le temps pour le reste.

1.3. Physique des particules élémentaires. La physique des particules est le fondement de toutes les sciences naturelles. Elle étudie les plus petites particules de matière et les schémas fondamentaux de leurs mouvements et interactions. En fin de compte, ce sont ces modèles qui déterminent le comportement de tous les objets sur Terre et dans le ciel. La physique des particules traite de concepts fondamentaux tels que l'espace et le temps ; matière; énergie, impulsion et masse ; rotation. (La plupart des lecteurs ont une idée de l'espace et du temps, ont peut-être entendu parler du lien entre la masse et l'énergie et n'ont aucune idée de ce que l'impulsion a à voir avec cela, et il est peu probable qu'ils réalisent le rôle le plus important du spin en physique. Même entre eux, ils ne parviennent pas encore à se mettre d'accord sur ce qu'il convient d'appeler des experts en matière.) La physique des particules a été créée au 20e siècle. Sa création est inextricablement liée à la création de deux plus grandes théories de l’histoire de l’humanité : la théorie de la relativité et la mécanique quantique. Les constantes clés de ces théories sont la vitesse de la lumière c et la constante de Planck h.

1.4. Théorie de la relativité. La théorie de la relativité restreinte, née au début du XXe siècle, a complété la synthèse d'un certain nombre de sciences qui étudiaient des phénomènes classiques tels que l'électricité, le magnétisme et l'optique, créant ainsi une mécanique à des vitesses de corps comparables à la vitesse de la lumière. (La mécanique non relativiste classique de Newton traitait des vitesses v<<c.) Puis, en 1915, fut créée la théorie générale de la relativité, qui visait à décrire les interactions gravitationnelles, en tenant compte de la vitesse finie de la lumière. c.

1.5. Mécanique quantique. La mécanique quantique, créée dans les années 1920, expliquait la structure et les propriétés des atomes en se basant sur les propriétés doubles onde-particule des électrons. Elle a expliqué une vaste gamme de phénomènes chimiques associés à l'interaction des atomes et des molécules. Et cela a permis de décrire les processus d'émission et d'absorption de la lumière par eux. Comprendre les informations que nous apporte la lumière du Soleil et des étoiles.

1.6. Théorie quantique des champs. La combinaison de la théorie de la relativité et de la mécanique quantique a conduit à la création de la théorie quantique des champs, qui permet de décrire les propriétés les plus importantes de la matière avec un haut degré de précision. La théorie quantique des champs est bien entendu trop complexe pour être expliquée aux écoliers. Mais au milieu du XXe siècle, le langage visuel des diagrammes de Feynman est apparu, ce qui simplifie radicalement la compréhension de nombreux aspects de la théorie quantique des champs. L'un des principaux objectifs de cet exposé est de montrer comment les diagrammes de Feynman peuvent être utilisés pour comprendre facilement un large éventail de phénomènes. Dans le même temps, je m'attarderai plus en détail sur des questions qui ne sont pas connues de tous les experts en théorie quantique des champs (par exemple, sur le lien entre la gravité classique et quantique), et ne soulignerai que brièvement les questions qui sont largement discutées dans le littérature scientifique populaire.

1.7. Identité des particules élémentaires. Les particules élémentaires sont les plus petites particules de matière indivisibles à partir desquelles le monde entier est construit. La propriété la plus étonnante qui distingue ces particules des particules non élémentaires ordinaires, par exemple des grains de sable ou des perles, est que toutes les particules élémentaires du même type, par exemple tous les électrons de l'Univers, sont absolument (!) les mêmes - identique. Et par conséquent, leurs états liés les plus simples – les atomes et les molécules les plus simples – sont identiques les uns aux autres.

1.8. Six particules élémentaires. Pour comprendre les processus fondamentaux qui se produisent sur Terre et sur le Soleil, en première approximation, il suffit de comprendre les processus auxquels participent six particules : l'électron e, proton p, neutron n et le neutrino électronique ν e , ainsi que le photon γ et le graviton g̃. Les quatre premières particules ont un spin de 1/2, un photon a un spin de 1 et un graviton a un spin de 2. (Les particules à spin entier sont appelées bosons, les particules à spin demi-entier sont appelées fermions. Le spin sera être discuté plus en détail ci-dessous.) Les protons et les neutrons sont généralement appelés nucléons parce que les noyaux atomiques sont construits à partir d'eux, et le noyau en anglais est le noyau. Les électrons et les neutrinos sont appelés leptons. Ils n'ont pas de fortes interactions nucléaires.

En raison de la très faible interaction des gravitons, il est impossible d'observer des gravitons individuels, mais c'est à travers ces particules que la gravité se réalise dans la nature. Tout comme les interactions électromagnétiques s’effectuent grâce aux photons.

1.9. Antiparticules. L'électron, le proton et le neutron possèdent ce qu'on appelle des antiparticules : positron, antiproton et antineutron. Ils ne font pas partie de la matière ordinaire, puisque lorsqu’ils rencontrent les particules correspondantes, ils entrent dans des réactions de destruction mutuelle – d’annihilation. Ainsi, un électron et un positon s’annihilent en deux ou trois photons. Le photon et le graviton sont des particules véritablement neutres : ils coïncident avec leurs antiparticules. On ne sait toujours pas si le neutrino est une particule véritablement neutre.

1.10. Nucléons et quarks. Au milieu du 20e siècle, il s'est avéré que les nucléons eux-mêmes sont constitués de particules plus élémentaires - deux types de quarks, qui désignent toi Et d: p = euh, n = ddu. L'interaction entre les quarks est réalisée par les gluons. Les antinucléons sont constitués d'antiquarks.

1.11. Trois générations de fermions. Avec toi, d, e, ν e deux autres groupes (ou, comme on dit, générations) de quarks et de leptons ont été découverts et étudiés : c, s, μ, ν μ et t, b, τ , ν τ . Ces particules ne font pas partie de la matière ordinaire, car elles sont instables et se désintègrent rapidement en particules plus légères de première génération. Mais ils ont joué un rôle important dans les premiers instants de l’existence de l’Univers.

Pour une compréhension encore plus complète et approfondie de la nature, nous avons besoin d’encore plus de particules aux propriétés encore plus inhabituelles. Mais peut-être qu’à l’avenir toute cette diversité se réduira à quelques essences simples et belles.

1.12. Hadrons. Une grande famille de particules constituée de quarks et/ou d'antiquarks et de gluons est appelée hadrons. Tous les hadrons, à l'exception des nucléons, sont instables et ne font donc pas partie de la matière ordinaire.

Souvent, les hadrons sont également classés comme particules élémentaires, car ils ne peuvent pas être décomposés en quarks et gluons libres. (J'ai fait de même, en classant le proton et le neutron parmi les six premières particules élémentaires.) Si tous les hadrons sont considérés comme élémentaires, alors le nombre de particules élémentaires sera mesuré par centaines.

1.13. Le modèle standard et quatre types d’interactions. Comme cela sera expliqué ci-dessous, les particules élémentaires énumérées ci-dessus permettent, dans le cadre du « Modèle standard des particules élémentaires », de décrire tous les processus connus jusqu'à présent se produisant dans la nature à la suite de phénomènes gravitationnels, électromagnétiques, faibles et des interactions fortes. Mais pour comprendre le fonctionnement des deux premiers, quatre particules suffisent : photon, graviton, électron et proton. De plus, le fait qu'un proton soit constitué de toi- Et d-quarks et gluons s'avèrent insignifiants. Bien entendu, sans interactions faibles et fortes, il est impossible de comprendre ni la structure des noyaux atomiques ni le fonctionnement de notre Soleil. Mais il est possible de comprendre comment sont structurées les coquilles atomiques, qui déterminent toutes les propriétés chimiques des éléments, comment fonctionne l’électricité et comment sont structurées les galaxies.

1.14. Au-delà du connu. Nous savons déjà aujourd’hui que les particules et les interactions du Modèle Standard n’épuisent pas les trésors de la nature.

Il a été établi que les atomes et les ions ordinaires ne représentent que moins de 20 % de toute la matière de l'Univers, et que plus de 80 % sont constitués de matière dite noire, dont la nature est encore inconnue. La croyance la plus répandue est que la matière noire est constituée de superparticules. Il est possible qu'il soit constitué de particules miroir.

Ce qui est encore plus étonnant, c'est que toute la matière, visible (lumière) et sombre, ne transporte qu'un quart de l'énergie totale de l'Univers. Les trois quarts appartiennent à ce qu’on appelle l’énergie sombre.

1.15. Particules élémentaires "e dans une certaine mesure » sont fondamentaux. Lorsque mon professeur Isaac Yakovlevich Pomeranchuk a voulu souligner l'importance d'une question, il a dit que la question était dans une certaine mesure importante. Bien entendu, la plupart des sciences naturelles, et pas seulement la physique des particules, sont fondamentales. La physique de la matière condensée, par exemple, est régie par des lois fondamentales qui peuvent être utilisées sans comprendre comment elles découlent des lois de la physique des particules. Mais les lois de la relativité et de la mécanique quantique" e« à un degré fondamental » dans le sens où elles ne peuvent être contredites par aucune des lois les moins générales.

1.16. Lois fondamentales. Tous les processus dans la nature résultent d’interactions et de mouvements (propagations) locaux de particules élémentaires. Les lois fondamentales régissant ces mouvements et interactions sont très inhabituelles et très simples. Ils reposent sur le concept de symétrie et sur le principe selon lequel tout ce qui ne contredit pas la symétrie peut et doit arriver. Ci-dessous, en utilisant le langage des diagrammes de Feynman, nous retracerons comment cela se réalise dans les interactions gravitationnelles, électromagnétiques, faibles et fortes des particules.

2. Particules et vie

2.1. À propos de la civilisation et de la culture. Valentin Telegdi (1922-2006), membre étranger de la RAS, expliquait : « Si les toilettes sont une civilisation, alors la possibilité de les utiliser est une culture. »

Employé de l'ITEP A. A. Abrikosov Jr. m’a écrit récemment : « L’un des objectifs de votre rapport est de convaincre un large public de la nécessité d’enseigner plus largement la physique moderne. Si tel est le cas, il serait peut-être utile de donner quelques exemples quotidiens. Ce que je veux dire, c'est ceci :

Nous vivons dans un monde qui, même au quotidien, est impensable sans la mécanique quantique (QM) et la théorie de la relativité (TR). Les téléphones portables, les ordinateurs, tous les appareils électroniques modernes, sans parler des lampes LED, des lasers à semi-conducteurs (y compris les pointeurs) et des écrans LCD sont essentiellement des appareils quantiques. Il est impossible d’expliquer leur fonctionnement sans les concepts de base du CM. Comment les expliquer sans évoquer les tunnels ?

Le deuxième exemple, peut-être, je le connais de vous. Des navigateurs par satellite sont déjà installés dans une voiture sur dix. La précision de la synchronisation des horloges dans un réseau satellitaire n'est pas inférieure à 10 −8 (cela correspond à une erreur de l'ordre du mètre dans la localisation d'un objet à la surface de la Terre). Une telle précision nécessite de prendre en compte les corrections de maintenance de la fréquence d'horloge d'un satellite en mouvement. On dit que les ingénieurs n'arrivaient pas à y croire, c'est pourquoi les premiers appareils avaient un double programme : avec et sans corrections. Il s'avère que le premier programme fonctionne mieux. Voici un test de la théorie de la relativité au niveau quotidien.

Bien sûr, discuter au téléphone, conduire une voiture et appuyer sur les touches d’un ordinateur est possible sans une haute science. Mais les académiciens ne devraient guère inciter les gens à ne pas étudier la géographie, car « il y a des chauffeurs de taxi ».

Et puis, depuis cinq ans, les écoliers, puis les étudiants, parlent de points matériels et de relativité galiléenne, et soudain, sans raison apparente, ils déclarent que ce n'est « pas tout à fait vrai ».

Il est difficile de passer du monde visuel newtonien au monde quantique, même en physique et en technologie. Le vôtre, AAA."

2.2. À propos de la physique fondamentale et de l'éducation. Malheureusement, le système éducatif moderne a un siècle de retard sur la physique fondamentale moderne. Et la plupart des gens (y compris la plupart des scientifiques) n’ont aucune idée de l’image (carte) incroyablement claire et simple du monde qu’a créée la physique des particules. Cette carte facilite grandement la navigation dans toutes les sciences naturelles. Le but de mon rapport est de vous convaincre que certains éléments (concepts) de la physique des particules élémentaires, de la théorie de la relativité et de la théorie quantique peuvent et doivent devenir la base de l'enseignement de toutes les matières de sciences naturelles non seulement dans l'enseignement supérieur, mais aussi dans le secondaire et même écoles primaires. Après tout, les concepts fondamentalement nouveaux sont plus facilement maîtrisés dans l'enfance. L'enfant maîtrise facilement la langue et s'habitue à utiliser un téléphone portable. De nombreux enfants ramènent le Rubik's cube à son état d'origine en quelques secondes, mais même une journée ne me suffit pas.

Pour éviter les mauvaises surprises à l'avenir, une vision du monde adéquate doit être établie à la maternelle. Constantes c Et h devraient devenir des outils de cognition pour les enfants.

2.3. À propos des mathématiques. Les mathématiques - reine et servante de toutes les sciences - devraient certainement constituer le principal outil de connaissance. Il donne des concepts de base tels que la vérité, la beauté, la symétrie, l'ordre. Concepts de zéro et d'infini. Les mathématiques vous apprennent à penser et à compter. La physique fondamentale est impensable sans les mathématiques. L'éducation est impensable sans les mathématiques. Bien sûr, il est peut-être trop tôt pour étudier la théorie des groupes à l'école, mais il est nécessaire d'apprendre à apprécier la vérité, la beauté, la symétrie et l'ordre (et en même temps un certain désordre).

Il est très important de comprendre le passage des nombres réels (réels) (simples, rationnels, irrationnels) aux nombres imaginaires et complexes. Probablement, seuls les étudiants qui souhaitent travailler dans le domaine des mathématiques et de la physique théorique devraient étudier les nombres hypercomplexes (quaternions et octonions). Par exemple, je n'ai jamais utilisé d'octonions dans mon travail. Mais je sais qu'ils permettent de mieux comprendre ce que de nombreux physiciens théoriciens considèrent comme le groupe de symétrie le plus prometteur et le plus exceptionnel, E 8 .

2.4. À propos de la vision du monde et des sciences naturelles. Une idée des lois fondamentales régissant le monde est nécessaire dans toutes les sciences naturelles. Bien entendu, la physique du solide, la chimie, la biologie, les sciences de la Terre et l’astronomie ont leurs propres concepts, méthodes et problèmes. Mais il est très important d’avoir une carte générale du monde et de comprendre que sur cette carte il y a de nombreux espaces vierges d’inconnu. Il est très important de comprendre que la science n’est pas un dogme figé, mais un processus vivant d’approche de la vérité en de nombreux points de la carte du monde. L’approche de la vérité est un processus asymptotique.

2.5. Du réductionnisme vrai et vulgaire. L’idée selon laquelle les structures plus complexes dans la nature sont composées de structures moins complexes et, en fin de compte, d’éléments plus simples est communément appelée réductionnisme. En ce sens, ce dont j’essaie de vous convaincre, c’est du réductionnisme. Mais le réductionnisme vulgaire, qui prétend que toutes les sciences peuvent se réduire à la physique des particules élémentaires, est absolument inacceptable. À chaque niveau de complexité de plus en plus élevé, ses propres modèles se forment et émergent. Pour être un bon biologiste, il n’est pas nécessaire de connaître la physique des particules. Mais pour comprendre sa place et son rôle dans le système des sciences, pour comprendre le rôle clé des constantes c Et h nécessaire. Après tout, la science dans son ensemble est un organisme unique.

2.6. Sur les sciences humaines et sociales. Une compréhension générale de la structure du monde est très importante pour l’économie, l’histoire, les sciences cognitives, comme les sciences du langage, et la philosophie. Et vice versa, ces sciences sont extrêmement importantes pour la physique fondamentale elle-même, qui affine constamment ses concepts fondamentaux. Cela ressort clairement de la discussion sur la théorie de la relativité, à laquelle je vais maintenant me tourner. Je parlerai surtout des sciences juridiques, qui sont extrêmement importantes pour la prospérité (sans parler de la survie) des sciences naturelles. Je suis convaincu que les lois sociales ne doivent pas contredire les lois fondamentales de la nature. Les lois humaines ne devraient pas contredire les lois divines de la nature.

2.7. Micro-, Macro-, Cosmo-. Notre monde ordinaire, composé de choses vastes, mais non gigantesques, est généralement appelé le macromonde. Le monde des objets célestes peut être appelé le cosmomonde, et le monde des particules atomiques et subatomiques est appelé le micromonde. (Étant donné que la taille des atomes est de l'ordre de 10 à 10 m, le microcosme signifie des objets au moins 4, voire 10 ordres de grandeur plus petits qu'un micromètre, et 1 à 7 ordres de grandeur plus petits qu'un nanomètre. Le nano à la mode La région est située sur la route du micro au macro.) Au 20e siècle, le soi-disant modèle standard des particules élémentaires a été construit, qui vous permet de comprendre simplement et clairement de nombreuses lois macro et cosmiques basées sur des lois micro.

2.8. Nos modèles. Les modèles de physique théorique sont construits en écartant les circonstances non pertinentes. Par exemple, en physique atomique et nucléaire, les interactions gravitationnelles des particules sont négligeables et peuvent être ignorées. Ce modèle du monde s'inscrit dans la théorie restreinte de la relativité. Dans ce modèle, il y a des atomes, des molécules, des corps condensés,... des accélérateurs et des collisionneurs, mais il n'y a ni Soleil ni étoiles.

Un tel modèle serait certainement incorrect à très grande échelle où la gravité est importante.

Certes, l'existence de la Terre (et donc la gravité) est nécessaire à l'existence du CERN, mais pour comprendre la grande majorité des expériences menées au CERN (à l'exception de la recherche de « trous noirs » microscopiques au collisionneur), la gravité est sans importance.

2.9. Ordres de grandeur. L’une des difficultés pour comprendre les propriétés des particules élémentaires tient au fait qu’elles sont très petites et qu’elles sont nombreuses. Il y a un grand nombre d'atomes dans une cuillerée d'eau (environ 10 · 23). Le nombre d’étoiles dans la partie visible de l’Univers n’est pas beaucoup moins élevé. Il ne faut pas avoir peur des grands nombres. Après tout, les manipuler n'est pas difficile, puisque multiplier des nombres revient principalement à additionner leurs ordres : 1 = 10 0, 10 = 10 1, 100 = 10 2. Multipliez 10 par 100, nous obtenons 10 1+2 = 10 3 = 1000.

2.10. Une goutte d'huile. Si une goutte d'huile d'un volume de 1 millilitre tombe sur la surface de l'eau, elle se transformera en une tache de couleur arc-en-ciel d'une superficie d'environ plusieurs mètres carrés et d'une épaisseur d'environ une centaine de nanomètres. Ce n’est que trois ordres de grandeur de plus que la taille d’un atome. Et l'épaisseur du film d'une bulle de savon aux endroits les plus fins est de l'ordre de la taille des molécules.

2.11. Joules. Une pile AA typique a une tension de 1,5 volts (V) et contient 10 4 joules (J) d'énergie électrique. Je vous rappelle que 1 J = 1 coulomb × 1 V, et aussi que 1 J = kg m 2 / s 2 et que l'accélération de la gravité est d'environ 10 m / s 2. Ainsi 1 joule permet de soulever 1 kilogramme à une hauteur de 10 cm, et 10 4 J soulèvera 100 kg à 10 mètres. C'est la quantité d'énergie consommée par un ascenseur pour amener un écolier au dixième étage. C'est la quantité d'énergie contenue dans la batterie.

2.12. Électrovolts. L'unité d'énergie en physique des particules est l'électronvolt (eV) : l'énergie de 1 eV est acquise par 1 électron passant par une différence de potentiel de 1 volt. Puisqu'il y a 6,24 × 10 18 électrons dans un coulomb, alors 1 J = 6,24 × 10 18 eV.

1 keV =10 3 eV, 1 MeV =10 6 eV, 1 GeV =10 9 eV, 1 TeV =10 12 eV.

Permettez-moi de vous rappeler que l'énergie d'un proton dans le Grand collisionneur de hadrons du CERN devrait être égale à 7 TeV.

3. À propos de la théorie de la relativité

3.1. Cadres de référence. Nous décrivons toutes nos expériences dans un cadre de référence ou un autre. Le système de référence peut être un laboratoire, un train, un satellite terrestre, le centre de la galaxie... . Le système de référence peut être n'importe quelle particule volant, par exemple dans un accélérateur de particules. Étant donné que tous ces systèmes se déplacent les uns par rapport aux autres, toutes les expériences ne se ressembleront pas. De plus, l’influence gravitationnelle des corps massifs proches est également différente. C’est la prise en compte de ces différences qui constitue le contenu principal de la théorie de la relativité.

3.2. Le vaisseau de Galilée. Galilée a formulé le principe de la relativité, décrivant de manière colorée toutes sortes d'expériences dans la cabine d'un navire naviguant en douceur. Si les fenêtres sont fermées par des rideaux, il est impossible de savoir à l'aide de ces expériences à quelle vitesse le navire se déplace et s'il est stationnaire. Einstein a ajouté des expériences à vitesse finie de la lumière à cette cabine. Si vous ne regardez pas par la fenêtre, vous ne pouvez pas connaître la vitesse du navire. Mais si vous regardez le rivage, vous le pouvez.

3.3. Étoiles lointaines*. Il est logique de fournir un cadre de référence par rapport auquel les individus pourront formuler les résultats de leurs expériences, où qu’ils se trouvent. Un tel système de référence universel a longtemps été considéré comme un système dans lequel les étoiles lointaines. Et relativement récemment (il y a un demi-siècle), des quasars encore plus éloignés ont été découverts et il s'est avéré que dans ce système, le fond micro-onde relique devrait être isotrope.

3.4. A la recherche d'un référentiel universel*. Essentiellement, toute l’histoire de l’astronomie est une progression vers un cadre de référence de plus en plus universel. D’anthropocentrique, où l’homme est au centre, à géocentrique, où la Terre repose au centre (Ptolémée, 87-165), à héliocentrique, où le Soleil repose au centre (Copernic, 1473-1543), à galacentrique, où le centre de notre Galaxie repose, sur la nébulaire, où repose le système de nébuleuses - amas de galaxies ; sur l'arrière-plan, où le fond cosmique des micro-ondes est isotrope. Il est cependant important que les vitesses de ces systèmes de référence soient faibles par rapport à la vitesse de la lumière.

3.5. Copernic, Kepler, Galilée, Newton*. Dans le livre de Nicolas Copernic « Sur les rotations des sphères célestes », publié en 1543, il est dit : « Tous les mouvements perceptibles dans le Soleil ne lui sont pas particuliers, mais appartiennent à la Terre et à notre sphère, avec lesquels nous tournons autour du Soleil, comme n’importe quelle autre planète ; ainsi la Terre a plusieurs mouvements. Les mouvements apparents d’avant en arrière des planètes ne leur appartiennent pas, mais à la Terre. Ainsi, ce mouvement suffit à lui seul à expliquer un grand nombre d’irrégularités visibles dans le ciel.

Copernic et Kepler (1571-1630) ont donné une description phénoménologique simple de la cinématique de ces mouvements. Galilée (1564-1642) et Newton (1643-1727) ont expliqué leur dynamique.

3.6. Espace et temps universels*. Les coordonnées spatiales et le temps, rapportés à un système de référence universel, peuvent être qualifiés d'universels ou d'absolus en parfaite harmonie avec la théorie de la relativité. Il est seulement important de souligner que le choix de ce système est fait et accepté par les observateurs locaux. Tout système de référence en mouvement progressif par rapport au système universel est inertiel : le libre mouvement y est uniforme et rectiligne.

3.7. "Théorie de l'invariance"*. Notez qu'Albert Einstein (1879-1955) et Max Planck (1858-1947) (qui a inventé le terme « théorie de la relativité » en 1907, faisant référence à la théorie avancée par Einstein en 1905) pensaient que le terme « théorie de l'invariance » pourrait refléter plus fidèlement son essence. Mais, apparemment, au début du XXe siècle, il était plus important de souligner la relativité de concepts tels que le temps et la simultanéité dans des systèmes de référence inertiels égaux que d'isoler l'un de ces systèmes. Le plus important était qu’avec les fenêtres de la cabine de Galilée fermées par des rideaux, il était impossible de déterminer la vitesse du navire. Mais il est maintenant temps d’ouvrir les rideaux et de regarder le rivage. Dans ce cas, bien entendu, tous les schémas établis rideaux fermés resteront inébranlables.

3.8. Lettre à Chimmer*. En 1921, Einstein, dans une lettre à E. Chimmer, auteur du livre « Lettres philosophiques », écrivait : « Quant au terme « théorie de la relativité », j'avoue qu'il est malheureux et conduit à des malentendus philosophiques. Mais, selon Einstein, il est trop tard pour le changer, notamment parce qu’il est très répandu. Cette lettre a été publiée dans le 12e volume des 25 volumes « Collected Works of Einstein », publiés à Princeton, publiés à l'automne 2009.

3.9. Vitesse maximale dans la nature. La constante clé de la théorie de la relativité est la vitesse de la lumière c= 300 000 km/s = 3 × 10 8 m/s. (Plus précisément, c= 299 792 458 m/s. Et ce nombre sous-tend désormais la définition du compteur.) Cette vitesse est la vitesse maximale de propagation de tout signal dans la nature. Elle dépasse de plusieurs ordres de grandeur la vitesse des objets massifs avec lesquels nous sommes confrontés quotidiennement. C'est précisément sa valeur inhabituellement élevée qui entrave la compréhension du contenu principal de la théorie de la relativité. Les particules se déplaçant à des vitesses de l’ordre de la vitesse de la lumière sont dites relativistes.

3.10. Énergie, élan et vitesse. Le libre mouvement d'une particule est caractérisé par l'énergie de la particule E et son impulsion p. Selon la théorie de la relativité, la vitesse d'une particule v est déterminé par la formule

L'une des principales raisons de la confusion terminologique évoquée dans la Sect. 3.14, c'est que lors de la création de la théorie de la relativité, ils ont essayé de préserver le lien newtonien entre l'impulsion et la vitesse p = mv, ce qui contredit la théorie de la relativité.

3.11. Poids. Masse des particules m est déterminé par la formule

Alors que l'énergie et l'impulsion d'une particule dépendent du cadre de référence, l'ampleur de sa masse m ne dépend pas du système de référence. C'est un invariant. Les formules (1) et (2) sont fondamentales dans la théorie de la relativité.

Curieusement, la première monographie sur la théorie de la relativité, dans laquelle apparaît la formule (2), n'a été publiée qu'en 1941. Il s'agissait des « Théories des champs » de L. Landau (1908-1968) et E. Lifshitz (1915-1985). . Je ne l’ai trouvé dans aucune des œuvres d’Einstein. On ne la trouve pas dans le merveilleux livre « La théorie de la relativité » de W. Pauli (1900-1958), publié en 1921. Mais l'équation d'onde relativiste contenant cette formule se trouvait dans le livre « Principes de mécanique quantique » de P. Dirac. , publié en 1930 (1902-1984), et même plus tôt dans des articles de 1926 d'O. Klein (1894-1977) et de V. Fock (1898-1974).

3.12. Photon sans masse. Si la masse d'une particule est nulle, c'est-à-dire que la particule est sans masse, alors d'après les formules (1) et (2), il s'ensuit que dans n'importe quel référentiel, sa vitesse est égale à c. Puisque la masse d'une particule de lumière - un photon - est si petite qu'elle ne peut pas être détectée, il est généralement admis qu'elle est égale à zéro et que c- c'est la vitesse de la lumière.

3.13. Énergie de repos. Si la masse de la particule est différente de zéro, alors considérons le référentiel dans lequel la particule libre est au repos et v = 0, p= 0. Un tel référentiel est appelé le référentiel de repos de la particule, et l'énergie de la particule dans ce référentiel est appelée l'énergie de repos et est notée E 0. De la formule (2), il résulte que

Cette formule exprime la relation entre l'énergie au repos d'une particule massive et sa masse, découverte par Einstein en 1905.

3.14. "La formule la plus connue." Malheureusement, très souvent la formule d’Einstein est écrite sous la forme de « la formule la plus célèbre E = mc 2», en omettant l'indice zéro de l'énergie au repos, ce qui conduit à de nombreux malentendus et confusions. Après tout, cette « fameuse formule » identifie l’énergie et la masse, ce qui contredit la théorie de la relativité en général et la formule (2) en particulier. Il en résulte une idée fausse très répandue selon laquelle la masse d'un corps, selon la théorie de la relativité, augmenterait avec une vitesse croissante. Ces dernières années, l’Académie russe de l’éducation a fait beaucoup pour dissiper cette idée fausse.

3.15. Unité de vitesse*. Dans la théorie de la relativité, qui traite de vitesses comparables à la vitesse de la lumière, il est naturel de choisir c comme unité de vitesse. Ce choix simplifie toutes les formules, puisque c/c= 1, et ils devraient être mis c= 1. Dans ce cas, la vitesse devient une quantité sans dimension, la distance a la dimension du temps et la masse a la dimension de l'énergie.

En physique des particules, les masses des particules sont généralement mesurées en électronvolts - eV et leurs dérivés (voir section 2.14). La masse d'un électron est d'environ 0,5 MeV, la masse d'un proton est d'environ 1 GeV, la masse du quark le plus lourd est d'environ 170 GeV et la masse d'un neutrino est d'environ une fraction d'eV.

3.16. Distances astronomiques*. En astronomie, les distances se mesurent en années-lumière. La taille de la partie visible de l’Univers est d’environ 14 milliards d’années-lumière. Ce nombre est encore plus impressionnant si on le compare au temps de 10 −24 s, pendant lequel la lumière parcourt une distance de l’ordre de la taille d’un proton. Et c’est dans toute cette gamme colossale que la théorie de la relativité fonctionne.

3.17. Le monde de Minkowski. En 1908, quelques mois avant sa mort prématurée, Hermann Minkowski (1864-1909) déclarait prophétiquement : « Les conceptions de l’espace et du temps que j’ai l’intention de développer devant vous sont nées d’une base physique expérimentale. C'est leur force. Leur tendance est radicale. Désormais, l’espace en soi et le temps en soi doivent se transformer en fiction, et seule une sorte de combinaison des deux doit encore conserver son indépendance. »

Un siècle plus tard, on sait que le temps et l'espace ne sont pas devenus une fiction, mais l'idée de Minkowski a permis de décrire très simplement les mouvements et les interactions des particules de matière.

3.18. Monde en quatre dimensions*. En unités dans lesquelles c= 1, l'idée du monde de Minkowski, qui combine le temps et l'espace tridimensionnel en un seul monde quadridimensionnel, est particulièrement belle. L'énergie et l'impulsion sont combinées en un seul vecteur à quatre dimensions, et la masse, conformément à l'équation (2), sert de longueur pseudo-euclidienne de ce 4 vecteur énergie-impulsion. p = E, p:

Une trajectoire à quatre dimensions dans le monde de Minkowski est appelée ligne du monde, et les points individuels sont appelés points du monde.

3.19. La dépendance de l'horloge à sa vitesse**. De nombreuses observations indiquent que les horloges fonctionnent plus rapidement lorsqu'elles sont au repos par rapport au référentiel inertiel. Un mouvement fini dans un système de référence inertiel ralentit leur progression. Plus ils se déplacent vite dans l’espace, plus ils avancent lentement dans le temps. La décélération est absolue dans le système de référence universel (voir sections 3.1 à 3.8). Sa mesure est le rapport E/m, qui est souvent désigné par la lettre γ.

3.20. Muons dans un accélérateur annulaire et au repos**. L'existence de ce ralentissement peut être mise en évidence plus clairement en comparant les durées de vie d'un muon au repos et d'un muon en rotation dans un accélérateur annulaire. Le fait que dans l'accélérateur le muon ne se déplace pas complètement librement, mais a une accélération centripète ω 2 R, Où ω est la fréquence radiale de la circulation, et R.- le rayon orbital, ne donne qu'une correction négligeable, puisque E/ω 2 R = ER>> 1. Un mouvement en cercle, et non en ligne droite, est absolument essentiel pour la comparaison directe d'un muon en rotation avec un muon stationnaire. Mais en ce qui concerne le taux de vieillissement d'un muon en mouvement, un arc de cercle d'un rayon suffisamment grand ne se distingue pas d'une ligne droite. Ce tempo est déterminé par le rapport E/m. (J'insiste sur le fait que selon la théorie restreinte de la relativité, le référentiel dans lequel un muon en rotation est au repos n'est pas inertiel.)

3.21. Arc et corde**. Du point de vue d'un observateur au repos dans un référentiel inertiel, un arc de cercle d'un rayon suffisamment grand et sa corde sont pratiquement indiscernables : le mouvement le long de l'arc est presque inertiel. Du point de vue d'un observateur au repos par rapport à un muon volant en cercle, son mouvement est essentiellement non inertiel. Après tout, sa vitesse change de signe en un demi-tour. (Pour un observateur en mouvement, les étoiles lointaines ne sont en aucun cas immobiles. L'Univers entier est pour lui asymétrique : les étoiles devant sont bleues et derrière sont rouges. Alors que pour nous elles sont toutes identiques - dorées, car la vitesse système solaire petit.) Et la non-inertialité de cet observateur se manifeste dans le fait que les constellations devant et derrière changent à mesure que le muon se déplace dans l'accélérateur annulaire. On ne peut pas considérer comme équivalents observateurs au repos et observateurs en mouvement, puisque le premier ne subit aucune accélération, et que le second, pour revenir au lieu de rencontre, doit en faire l'expérience.

3.22. GTO**. Physiciens théoriciens habitués au langage Théorie générale relativité (GR), insistent sur le fait que tous les systèmes de référence sont égaux. Non seulement inertiel, mais aussi accéléré. Cet espace-temps lui-même est courbé. Dans ce cas, l'interaction gravitationnelle cesse d'être la même interaction physique que l'interaction électromagnétique, faible et forte, mais devient une manifestation exclusive de l'espace courbe. En conséquence, toute la physique semble être divisée en deux parties. Si l’on part du fait que l’accélération est toujours due à l’interaction, qu’elle n’est pas relative mais absolue, alors la physique devient unifiée et simple.

3.23. "Lenkom". L'utilisation des mots « relativité » et « relativisme » en relation avec la vitesse de la lumière rappelle le nom du théâtre Lenkom ou du journal Moskovsky Komsomolets, uniquement lié généalogiquement au Komsomol. Ce sont les paradoxes du langage. La vitesse de la lumière dans le vide n'est pas relative. Elle est absolue. Les physiciens ont simplement besoin de l’aide des linguistes.

4. À propos de la théorie quantique

4.1. La constante de Planck. Si dans la théorie de la relativité la constante clé est la vitesse de la lumière c, alors en mécanique quantique, la constante clé est h= 6,63·10 −34 J· s, découvert par Max Planck en 1900. La signification physique de cette constante apparaîtra clairement dans la présentation suivante. Pour la plupart, la constante de Planck dite réduite apparaît dans les formules de la mécanique quantique :

ħ = h/2π= 1,05 10 −34 J × c= 6,58·10 −22 MeV·c.

Dans de nombreux phénomènes, la quantité joue un rôle important ħc= 1,97·10−11 MeV cm.

4.2. Spin électronique. Commençons par la comparaison naïve bien connue d’un atome avec un système planétaire. Les planètes tournent autour du Soleil et autour de leur propre axe. De même, les électrons tournent autour du noyau et autour de leur propre axe. La rotation d'un électron sur son orbite est caractérisée par le moment cinétique orbital L(on l'appelle souvent et pas tout à fait correctement moment cinétique orbital). La rotation d'un électron autour de son propre axe est caractérisée par son propre moment cinétique - spin S. Il s'est avéré que tous les électrons du monde ont un spin égal à (1/2) ħ . A titre de comparaison, on note que le « spin » de la Terre est de 6 10 33 m 2 kg/s = 6 10 67 ħ .

4.3. Atome d'hydrogène. En fait, un atome n’est pas un système planétaire et un électron n’est pas une particule ordinaire se déplaçant sur une orbite. Un électron, comme toutes les autres particules élémentaires, n’est pas du tout une particule au sens courant du terme, ce qui implique que la particule doit se déplacer le long d’une certaine trajectoire. Dans l'atome le plus simple - un atome d'hydrogène, s'il est dans son état fondamental, c'est à dire non excité, l'électron ressemble plutôt à un nuage sphérique d'un rayon de l'ordre de 0,5 × 10 −10 m. Lorsque l'atome est excité, l'électron entre de plus en plus états élevés, ayant une taille de plus en plus grande.

4.4. Nombre quantique d'électrons. Sans tenir compte du spin, le mouvement d'un électron dans un atome est caractérisé par deux nombres quantiques : le nombre quantique principal n et nombre quantique orbital je, et n ≥ je. Si je= 0, alors l’électron est un nuage à symétrie sphérique. Plus n est grand, plus la taille de ce nuage est grande. Le plus je, plus le mouvement de l’électron ressemble au mouvement d’une particule classique sur son orbite. L'énergie de liaison d'un électron situé dans un atome d'hydrogène sur une coquille avec un nombre quantique n, est égal

Où α =e 2/ħc≈ 1/137, un e- la charge électronique.

4.5. Atomes multiélectroniques. Le spin joue un rôle clé dans le remplissage des couches électroniques des atomes multiélectroniques. Le fait est que deux électrons avec une auto-rotation dirigée de manière identique (spins identiques) ne peuvent pas être sur la même coque avec ces valeurs n Et je. Ceci est interdit par le principe dit de Pauli (1900-1958). Essentiellement, le principe de Pauli détermine les périodes du tableau périodique des éléments de Mendeleïev (1834-1907).

4.6. Bosons et fermions. Toutes les particules élémentaires ont un spin. Ainsi, le spin d'un photon est de 1 en unités ħ , le spin du graviton est de 2. Particules avec spin entier en unités ħ sont appelés bosons. Les particules à spin demi-entier sont appelées fermions. Les bosons sont des collectivistes : « ils s’efforcent de vivre tous dans la même pièce », d’être dans le même état quantique. Un laser est basé sur cette propriété des photons : tous les photons d’un faisceau laser ont exactement les mêmes impulsions. Les Fermions sont individualistes : « chacun d’eux a besoin d’un appartement séparé ». Cette propriété des électrons détermine les modèles de remplissage des couches électroniques des atomes.

4.7. "Centaures quantiques". Les particules élémentaires sont comme des centaures quantiques : les demi-particules sont des demi-ondes. En raison de leurs propriétés ondulatoires, les centaures quantiques, contrairement aux particules classiques, peuvent traverser deux fentes à la fois, créant ainsi un motif d'interférence sur un écran derrière eux. Toutes les tentatives visant à intégrer les centaures quantiques dans le lit procustéen des concepts de physique classique se sont révélées infructueuses.

4.8. Relations d'incertitude. Constante ħ détermine les caractéristiques non seulement du mouvement de rotation, mais également de translation des particules élémentaires. Les incertitudes sur la position et l'impulsion de la particule doivent satisfaire aux relations d'incertitude dites de Heisenberg (1901-1976), telles que

Une relation similaire existe pour l’énergie et le temps :

4.9. Mécanique quantique. La quantification de spin et les relations d'incertitude sont des manifestations particulières des lois générales de la mécanique quantique, créées dans les années 20 du 20e siècle. Selon la mécanique quantique, toute particule élémentaire, par exemple un électron, est à la fois une particule élémentaire et une onde élémentaire (particule unique). De plus, contrairement à une onde ordinaire, qui est le mouvement périodique d'un nombre colossal de particules, une onde élémentaire est un nouveau type de mouvement jusqu'alors inconnu d'une particule individuelle. Longueur d'onde élémentaire λ d'une particule avec impulsion pégal à λ = h/|p|, et la fréquence élémentaire ν , correspondant à l'énergie E, est égal ν = E/h.

4.10. Théorie quantique des champs. Ainsi, au début, nous avons été forcés d'admettre que les particules peuvent être arbitrairement légères et même sans masse, et que leur vitesse ne peut pas dépasser c. Ensuite, nous avons été obligés d'admettre que les particules ne sont pas du tout des particules, mais une sorte d'hybrides de particules et d'ondes, dont le comportement est uni par l'ordre quantique. h. L’unification de la relativité et de la mécanique quantique a été réalisée par Dirac (1902-1984) en 1930 et a conduit à la création d’une théorie appelée théorie quantique des champs. C'est cette théorie qui décrit les propriétés fondamentales de la matière.

4.11. Unités dans lesquelles c, ħ = 1. Dans ce qui suit, nous utiliserons en règle générale des unités dans lesquelles l'unité de vitesse est considérée comme étant c, et par unité de moment cinétique (action) - ħ . Dans ces unités, toutes les formules sont considérablement simplifiées. En eux, en particulier, les dimensions d'énergie, de masse et de fréquence sont les mêmes. Ces unités sont acceptées en physique des hautes énergies, car les phénomènes quantiques et relativistes y sont importants. Dans les cas où il est nécessaire de souligner la nature quantique d'un phénomène particulier, nous écrirons explicitement ħ . Nous ferons de même avec c.

4.12. Einstein et la mécanique quantique*. Einstein, en un sens, ayant donné naissance à la mécanique quantique, ne s'est pas réconcilié avec elle. Et jusqu'à la fin de sa vie, il a essayé de construire une « théorie unifiée du tout » basée sur la théorie classique des champs, ignorant ħ . Einstein croyait au déterminisme classique et à l’inadmissibilité du hasard. Il répétait à propos de Dieu : « Il ne joue pas aux dés. » Et il ne pouvait pas accepter le fait que le moment de la désintégration d'une particule individuelle ne peut, en principe, être prédit, bien que la durée de vie moyenne d'un type particulier de particule soit prédite dans le cadre de la mécanique quantique avec une précision sans précédent. Malheureusement, ses préjugés ont déterminé l’opinion d’un trop grand nombre de personnes.

5. Diagrammes de Feynman

5.1. Le schéma le plus simple. Les interactions entre particules peuvent être facilement visualisées à l'aide des diagrammes proposés par Richard Feynman (1918-1988) en 1949. Sur la Fig. La figure 1 montre le diagramme de Feynman le plus simple décrivant l'interaction d'un électron et d'un proton par échange d'un photon.

Les flèches sur la figure indiquent la direction du flux temporel pour chaque particule.

5.2. De vraies particules. Chaque processus est représenté par un ou plusieurs diagrammes de Feynman. Les lignes extérieures du diagramme correspondent aux particules entrantes (avant interaction) et sortantes (après interaction) qui sont libres. Leurs 4 moments p satisfont l'équation

On les appelle de vraies particules et on dit qu’elles se trouvent à la surface de la masse.

5.3. Particules virtuelles. Les lignes intérieures des diagrammes correspondent à des particules dans un état virtuel. Pour eux

On les appelle particules virtuelles et on dit qu’elles sont hors coque. La propagation d'une particule virtuelle est décrite par une grandeur mathématique appelée propagateur.

Cette terminologie courante peut amener un débutant à croire que les particules virtuelles sont moins matérielles que les particules réelles. En réalité, elles sont également matérielles, mais nous percevons les particules réelles comme de la matière et du rayonnement, et les particules virtuelles principalement comme des champs de force, bien que cette distinction soit largement arbitraire. Il est important que la même particule, par exemple un photon ou un électron, puisse être réelle dans certaines conditions et virtuelle dans d'autres.

5.4. Pics. Les sommets du diagramme décrivent des actes locaux d'interactions élémentaires entre particules. À chaque sommet, l’impulsion 4 est conservée. Il est facile de voir que si trois lignes de particules stables se rencontrent en un sommet, alors au moins l’une d’elles doit être virtuelle, c’est-à-dire qu’elle doit être en dehors de la surface de la masse : « Bolivar ne peut pas en démolir trois ». (Par exemple, un électron libre ne peut pas émettre de photon libre tout en restant un électron libre.)

Deux particules réelles interagissent à distance, échangeant une ou plusieurs particules virtuelles.

5.5. Diffusion. Si l’on dit que les particules réelles se déplacent, alors les particules virtuelles se propagent. Le terme « propagation » souligne le fait qu'une particule virtuelle peut avoir de nombreuses trajectoires, et il se peut qu'aucune d'entre elles ne soit classique, comme un photon virtuel d'énergie nulle et d'impulsion non nulle décrivant l'interaction coulombienne statique.

5.6. Antiparticules. Une propriété remarquable des diagrammes de Feynman est qu’ils décrivent les particules et leurs antiparticules correspondantes de manière unifiée. Dans ce cas, l’antiparticule ressemble à une particule remontant dans le temps. En figue. La figure 2 montre un diagramme illustrant la naissance d'un proton et d'un antiproton lors de l'annihilation d'un électron et d'un positon.

Remonter dans le temps s’applique également aux fermions et aux bosons. Cela rend inutile l’interprétation des positrons comme des états non remplis dans une mer d’électrons à énergie négative, à laquelle Dirac a eu recours lorsqu’il a introduit le concept d’antiparticule en 1930.

5.7. Diagrammes de Schwinger et Feynman. Schwinger (1918-1994), qui ne se souciait pas des difficultés informatiques, n’aimait pas les diagrammes de Feynman et écrivait à leur sujet avec une certaine condescendance : « Comme la puce informatique ces dernières années, le diagramme de Feynman a amené les calculs aux masses. » Malheureusement, contrairement à la puce, les diagrammes de Feynman n’ont pas atteint le plus grand nombre.

5.8. Diagrammes de Feynman et Feynman. Pour des raisons inconnues, les diagrammes de Feynman n'ont même pas été inclus dans les célèbres conférences Feynman sur la physique. Je suis convaincu qu'il faut les apporter aux étudiants lycée, leur expliquant les idées de base de la physique des particules. C’est la vision la plus simple du microcosme et du monde dans son ensemble. Si un élève connaît la notion d'énergie potentielle (par exemple la loi de Newton ou la loi de Coulomb), alors les diagrammes de Feynman lui permettent d'obtenir une expression de cette énergie potentielle.

5.9. Particules virtuelles et champs de force physique. Les diagrammes de Feynman sont le langage le plus simple de la théorie quantique des champs. (Au moins dans les cas où l'interaction n'est pas très forte et où la théorie des perturbations peut être utilisée.) La plupart des livres sur la théorie quantique des champs traitent les particules comme des excitations quantiques de champs, ce qui nécessite une familiarité avec le formalisme de la quantification secondaire. Dans le langage des diagrammes de Feynman, les champs sont remplacés par des particules virtuelles.

Les particules élémentaires ont des propriétés à la fois corpusculaires et ondulatoires. De plus, à l'état réel, ce sont des particules de matière, et à l'état virtuel, ils sont également porteurs de forces entre les objets matériels. Après l'introduction des particules virtuelles, la notion de force devient inutile, et la notion de champ, si vous ne la connaissiez pas auparavant, devrait peut-être être introduite après que la notion de particule virtuelle soit maîtrisée.

5.10. Interactions élémentaires*. Les actes élémentaires d'émission et d'absorption de particules virtuelles (sommets) sont caractérisés par des constantes d'interaction telles que la charge électrique e dans le cas d'un photon, des charges faibles e/sin θ W dans le cas du boson W et e/sin θ W cos θ W dans le cas du boson Z (où θ W- angle de Weinberg), charge de couleur g dans le cas des gluons, et la quantité √G dans le cas du graviton, où g- La constante de Newton. (Voir Ch. 6–10.) L'interaction électromagnétique est discutée ci-dessous dans le Ch. 6–10. 7. Faible interaction - au Ch. 8. Fort - au ch. 9.

Nous commencerons dans le prochain chapitre. 6 avec interaction gravitationnelle.

6. Interaction gravitationnelle

6.1. Gravitons. Je commencerai par les particules qui n'ont pas encore été découvertes et qui ne le seront certainement pas dans un avenir prévisible. Ce sont des particules du champ gravitationnel - les gravitons. Non seulement les gravitons n'ont pas encore été découverts, mais aussi les ondes gravitationnelles (et cela à une époque où les ondes électromagnétiques imprègnent littéralement nos vies). Cela est dû au fait qu’aux basses énergies, l’interaction gravitationnelle est très faible. Comme nous le verrons, la théorie des gravitons permet de comprendre toutes les propriétés connues de l’interaction gravitationnelle.

6.2. Échange de gravitons. Dans le langage des diagrammes de Feynman, l'interaction gravitationnelle de deux corps s'effectue par l'échange de gravitons virtuels entre les particules élémentaires qui composent ces corps. En figue. 3, un graviton est émis par une particule d'impulsion 4 p 1 et est absorbé par une autre particule d'impulsion 4 p 2 . En raison de la conservation de l'impulsion 4, q=p 1 − p′ 1 =p′ 2 −p 2 , où q est l'impulsion 4 du graviton.

La propagation d'un graviton virtuel (comme toute particule virtuelle, il possède un propagateur) est représentée sur la figure par un ressort.

6.3. Un atome d'hydrogène dans le champ gravitationnel terrestre. En figue. La figure 4 montre la somme des diagrammes dans lesquels un atome d'hydrogène avec une impulsion p 4 échange des gravitons avec tous les atomes de la Terre ayant une impulsion totale p 4 . Et dans ce cas q = p 1 − p′ 1 = p′ 2 − p 2 , où q est l'impulsion totale à 4 des gravitons virtuels.

6.4. À propos de la masse de l'atome.À l'avenir, lorsque nous considérerons l'interaction gravitationnelle, nous négligerons la masse de l'électron par rapport à la masse du proton, ainsi que la différence de masse du proton et du neutron et l'énergie de liaison des nucléons dans les noyaux atomiques. La masse d’un atome est donc approximativement la somme des masses des nucléons du noyau atomique.

6.5. Gagner*. Le nombre de nucléons de la Terre N E ≈ 3,6 10 51 est égal au produit du nombre de nucléons dans un gramme matière terrestre, c'est-à-dire le nombre d'Avogadro N A ≈ 6·10 23, par masse de la Terre en grammes ≈ 6·10 27. Par conséquent, le diagramme de la Fig. La figure 4 représente la somme des 3,6 10 51 diagrammes de la Fig. 3, qui est marqué par un épaississement des lignes de la Terre et des gravitons virtuels sur la Fig. 4. De plus, le « ressort graviton », contrairement au propagateur d'un graviton, est représenté sur la Fig. 4 gris. Il semble contenir 3,6·10 51 gravitons.

6.6. La pomme de Newton dans le champ gravitationnel terrestre. En figue. 5, tous les atomes de pomme avec une impulsion totale p 1 interagissent avec tous les atomes terrestres avec une impulsion totale p 2 .

6.7. Nombre de graphiques*. Permettez-moi de vous rappeler qu'un gramme de matière ordinaire contient N A = 6·10 23 nucléons. Le nombre de nucléons dans une pomme de 100 grammes N a = 100N A = 6·10 25. La masse de la Terre est de 6·10 27 g, et donc le nombre de nucléons de la Terre N E = 3,6·10 51. Bien entendu, l’épaississement des lignes sur la Fig. 5 ne correspond en aucun cas au nombre énorme de nucléons de pomme N a , de nucléons terrestres N E et au nombre beaucoup plus grand et tout simplement fantastique de diagrammes de Feynman N d = N a N E = 2,2·10 77 . Après tout, chaque nucléon d’une pomme interagit avec chaque nucléon de la Terre. Pour souligner le nombre énorme de diagrammes, le ressort de la Fig. 5 est rendu sombre.

Bien que l'interaction d'un graviton avec une particule élémentaire individuelle soit très faible, la somme des diagrammes de tous les nucléons de la Terre crée une attraction significative que nous ressentons. La gravité universelle attire la Lune vers la Terre, toutes deux vers le Soleil, toutes les étoiles de notre Galaxie et toutes les galaxies les unes vers les autres.

6.8. Amplitude de Feynman et sa transformée de Fourier***.

Le diagramme de Feynman de l'interaction gravitationnelle de deux corps lents de masses m 1 et m 2 correspond à l'amplitude de Feynman

Où g- La constante de Newton, a q- 3 impulsions portées par des gravitons virtuels. (Valeur 1/q2, Où q- 4 impulsions, appelé propagateur de gravitons. Dans le cas des corps lents, l'énergie n'est pratiquement pas transférée et donc q2 = −q 2 .)

Pour passer de l'espace de quantité de mouvement à l'espace de configuration (coordonnées), nous devons prendre la transformée de Fourier de l'amplitude A( q)

Valeur A( r) donne l'énergie potentielle d'interaction gravitationnelle de particules non relativistes et détermine le mouvement d'une particule relativiste dans un champ gravitationnel statique.

6.9. Le potentiel de Newton*. L'énergie potentielle de deux corps de masses m 1 et m 2 est égale à

Où g- La constante de Newton, a r- distance entre les corps.

Cette énergie est contenue dans le « ressort » des gravitons virtuels sur la figure. 5. Interaction dont le potentiel diminue à mesure que 1/ r, est appelé longue portée. En utilisant la transformée de Fourier, nous pouvons voir que la gravité s’exerce à longue portée, car le graviton n’a pas de masse.

6.10. Potentiel de type Yukawa**. En effet, si le graviton avait une masse non nulle m, alors l'amplitude de Feynman pour son échange aurait la forme

et un potentiel comme le potentiel Yukawa avec une plage d'action lui correspondrait r ≈ 1/m:

6.11. À propos de l'énergie potentielle**. Dans la mécanique non relativiste de Newton, l'énergie cinétique d'une particule dépend de sa vitesse (impulsion), et l'énergie potentielle uniquement de ses coordonnées, c'est-à-dire de sa position dans l'espace. En mécanique relativiste, une telle exigence ne peut être préservée, puisque l'interaction elle-même des particules dépend souvent de leurs vitesses (moments) et, par conséquent, de l'énergie cinétique. Cependant, pour des champs gravitationnels ordinaires assez faibles, la variation de l’énergie cinétique de la particule est faible par rapport à son énergie totale, et cette variation peut donc être négligée. L'énergie totale d'une particule non relativiste dans un champ gravitationnel faible peut s'écrire ε = E parent + E 0 + U.

6.12. L'universalité de la gravité. Contrairement à toutes les autres interactions, la gravité possède la propriété remarquable d’universalité. L'interaction d'un graviton avec une particule ne dépend pas des propriétés de cette particule, mais dépend uniquement de la quantité d'énergie que possède la particule. Si cette particule est lente, alors son énergie au repos E 0 = MC2, contenue dans sa masse, dépasse de loin son énergie cinétique. Et donc son interaction gravitationnelle est proportionnelle à sa masse. Mais pour une particule suffisamment rapide, son énergie cinétique est bien supérieure à sa masse. Dans ce cas, son interaction gravitationnelle est pratiquement indépendante de la masse et est proportionnelle à son énergie cinétique.

6.13. Spin du graviton et universalité de la gravité**. Plus précisément, l'émission de gravitons est proportionnelle non pas à l'énergie simple, mais au tenseur énergie-impulsion de la particule. Et cela, à son tour, est dû au fait que le spin du graviton est égal à deux. Soit l'impulsion 4 de la particule avant l'émission du graviton p 1 et après émission p 2. Alors le moment du graviton est égal à q = p 1 − p 2. Si vous entrez la désignation p = p 1 + p 2, alors le sommet de l'émission du graviton aura la forme

où h αβ est la fonction d'onde gravitonique.

6.14. Interaction du graviton avec le photon**. Ceci est particulièrement visible dans l'exemple d'un photon dont la masse est nulle. Il a été prouvé expérimentalement que lorsqu'un photon vole de l'étage inférieur d'un bâtiment à l'étage supérieur, son élan diminue sous l'influence de la gravité terrestre. Il a également été prouvé qu'un rayon de lumière étoile lointaine déviée par l’attraction gravitationnelle du Soleil.

6.15. Interaction d'un photon avec la Terre**. En figue. La figure 6 montre l'échange de gravitons entre la Terre et le photon. Ce chiffre représente classiquement la somme des chiffres des échanges gravitoniques d'un photon avec tous les nucléons de la Terre. Sur celui-ci, le sommet de la Terre est obtenu à partir du sommet du nucléon en multipliant par le nombre de nucléons dans la Terre N E avec le remplacement correspondant de l'impulsion 4 du nucléon par l'impulsion 4 de la Terre (voir Fig. 3).

6.16. Interaction du graviton avec le graviton***. Puisque les gravitons transportent de l’énergie, ils doivent eux-mêmes émettre et absorber des gravitons. Nous n’avons jamais vu de véritables gravitons individuels et nous ne les verrons jamais. Néanmoins, l'interaction entre gravitons virtuels conduit à des effets observables : à première vue, la contribution de trois gravitons virtuels à l'interaction gravitationnelle de deux nucléons est trop faible pour être détectée (voir Fig. 7).

6.17. Précession séculaire de Mercure**. Cependant, cette contribution se manifeste dans la précession du périhélie de l'orbite de Mercure. La précession séculaire de Mercure est décrite par la somme de diagrammes gravitons à boucle unique de l'attraction de Mercure vers le Soleil (Fig. 8).

6.18. Gain pour Mercure**. Le rapport de masse de Mercure et de la Terre est de 0,055. Donc le nombre de nucléons dans Mercure NM = 0,055 N.E.= 2·10 50 . Messe du Soleil MS= 2·10 33 g. Donc le nombre de nucléons dans le Soleil N S = N A M S= 1,2·10 57 . Et le nombre de diagrammes décrivant l'interaction gravitationnelle des nucléons de Mercure et du Soleil, N dM= 2,4·10 107 .

Si l'énergie potentielle d'attraction de Mercure vers le Soleil est égale à U = GM S M M/r, puis après avoir pris en compte la correction discutée pour l'interaction des gravitons virtuels entre eux, elle est multipliée par un facteur de 1 − 3 GM-S/r. On voit que la correction de l'énergie potentielle est de −3 G 2 M S 2 M M /r 2.

6.19. L'orbite de Mercure**. Le rayon orbital de Mercure un= 58·10 6 km. La période orbitale est de 88 jours terrestres. Excentricité orbitale e= 0,21. En raison de la correction discutée, pendant un tour, le demi-grand axe de l'orbite tourne d'un angle de 6π GM-S/un(1 − e 2), soit environ un dixième de seconde d'arc, et en 100 années terrestres, il tourne de 43 "".

6.20. Changement gravitationnel d’agneau**. Quiconque a étudié l'électrodynamique quantique verra immédiatement que le diagramme de la Fig. La figure 7 est similaire à un diagramme triangulaire décrivant le décalage de fréquence (énergie) du niveau 2. S 1/2 par rapport au niveau 2 P. 1/2 dans l'atome d'hydrogène (où le triangle est constitué d'un photon et de deux lignes électroniques). Ce décalage a été mesuré en 1947 par Lamb et Rutherford et s'est avéré être de 1 060 MHz (1,06 GHz).

Cette mesure a marqué le début réaction en chaîne travaux théoriques et expérimentaux qui ont conduit à la création de l'électrodynamique quantique et des diagrammes de Feynman. La fréquence de précession de Mercure est inférieure de 25 ordres de grandeur.

6.21. Classique ou effet quantique? **. Il est bien connu que le changement de niveau d’énergie de Lamb est un effet purement quantique, tandis que la précession de Mercure est un effet purement classique. Comment peuvent-ils être décrits par des diagrammes de Feynman similaires ?

Pour répondre à cette question, nous devons nous rappeler la relation E = ħω et prendre en compte que la transformée de Fourier lors de la transition de l'espace d'impulsion à l'espace de configuration dans la secte. 6.8 contient e jeqr / ħ . De plus, il convient de garder à l'esprit que dans le triangle de décalage de Lamb électromagnétique, il n'y a qu'une seule ligne de particule sans masse (photon) et les deux autres sont des propagateurs d'électrons. Par conséquent, les distances caractéristiques sont déterminées par la masse de l'électron (la longueur d'onde Compton de l'électron). Et dans le triangle de précession de Mercure se trouvent deux propagateurs d'une particule sans masse (graviton). Cette circonstance, due au sommet à trois gravitons, conduit au fait que le triangle gravitationnel apporte une contribution à des distances incomparablement plus grandes que le triangle électromagnétique. Cette comparaison démontre la puissance de la théorie quantique des champs dans la méthode des diagrammes de Feynman, qui permet de comprendre et de calculer facilement un large éventail de phénomènes, tant quantiques que classiques.

7. Interaction électromagnétique

7.1. Interaction électrique. L'interaction électrique des particules s'effectue par échange de photons virtuels, comme sur la Fig. 19.

Les photons, comme les gravitons, sont également des particules sans masse. L’interaction électrique est donc également à longue portée :

Pourquoi n’est-elle pas aussi universelle que la gravité ?

7.2. Charges positives et négatives. D’abord parce qu’il existe des charges électriques de deux signes. Et deuxièmement, parce qu'il existe des particules neutres qui n'ont aucune charge électrique (neutron, neutrino, photon...). Les particules de charges de signes opposés, comme un électron et un proton, s'attirent. Les particules ayant les mêmes charges se repoussent. En conséquence, les atomes et les corps qui les composent sont fondamentalement électriquement neutres.

7.3. Particules neutres. Le neutron contient toi-quark avec charge +2 e/3 et deux d-quark avec charge − e/3. La charge totale du neutron est donc nulle. (Rappelons qu'un proton contient deux toi-quark et un d-quark.) Les particules véritablement élémentaires qui n'ont pas de charge électrique sont le photon, le graviton, le neutrino, Z-boson et boson de Higgs.

7.4. Potentiel coulombien.Énergie potentielle d'attraction entre un électron et un proton situés à distance r les uns des autres, égaux

7.5. Interaction magnétique. L’interaction magnétique n’a pas une aussi longue portée que l’interaction électrique. Ça tombe comme 1/ r 3. Cela dépend non seulement de la distance entre les deux aimants, mais aussi de leur orientation relative. Un exemple bien connu est l’interaction de l’aiguille d’une boussole avec le champ dipolaire magnétique terrestre. Énergie potentielle d'interaction de deux dipôles magnétiques μ 1 et μ 2 est égal

Où n = r/r.

7.6. Interaction électromagnétique. La plus grande réussite du XIXe siècle fut la découverte que les forces électriques et magnétiques sont deux manifestations différentes de la même force électromagnétique. En 1821, M. Faraday (1791-1867) étudia l'interaction d'un aimant et d'un conducteur avec un courant. Une décennie plus tard, il établit les lois de l’induction électromagnétique lorsque deux conducteurs interagissent. Au cours des années suivantes, il introduit le concept de champ électromagnétique et exprime l’idée de​​la nature électromagnétique de la lumière. Dans les années 1870, J. Maxwell (1831-1879) réalisa que les interactions électromagnétiques étaient responsables d’une large classe de phénomènes optiques : l’émission, la transformation et l’absorption de la lumière, et écrivit des équations décrivant le champ électromagnétique. Bientôt, G. Hertz (1857-1894) découvrit les ondes radio et V. Roentgen (1845-1923) découvrit les rayons X. Notre civilisation toute entière repose sur des manifestations d’interactions électromagnétiques.

7.7. Combinant la théorie de la relativité et la mécanique quantique. L’étape la plus importante dans le développement de la physique fut 1928, lorsque parut un article de P. Dirac (1902-1984), dans lequel il proposait une équation quantique et relativiste pour l’électron. Cette équation contenait le moment magnétique de l'électron et indiquait l'existence de l'antiparticule de l'électron, le positron, découvert quelques années plus tard. Après cela, la mécanique quantique et la théorie de la relativité ont été combinées dans la théorie quantique des champs.

Le fait que les interactions électromagnétiques sont provoquées par l’émission et l’absorption de photons virtuels n’est devenu complètement clair qu’au milieu du XXe siècle, avec l’avènement des diagrammes de Feynman, c’est-à-dire après que le concept de particule virtuelle se soit clairement formé.

8. Faible interaction

8.1. Interactions nucléaires. Au début du XXe siècle, l'atome et son noyau sont découverts et α -, β - Et γ - les rayons émis par les noyaux radioactifs. Comme il est apparu, γ -les rayons sont des photons de très haute énergie, β -les rayons sont des électrons de haute énergie, α -rayons - noyaux d'hélium. Cela a conduit à la découverte de deux nouveaux types d'interactions : fortes et faibles. Contrairement aux interactions gravitationnelles et électromagnétiques, les interactions fortes et faibles sont à courte portée.

On a découvert plus tard qu’ils étaient responsables de la conversion de l’hydrogène en hélium dans notre Soleil et dans d’autres étoiles.

8.2. Courants chargés*. L'interaction faible est responsable de la transformation d'un neutron en proton avec émission d'un électron et d'un antineutrino électronique. Une grande classe de processus d'interaction faible est basée sur la transformation de quarks d'un type en quarks d'un autre type avec émission (ou absorption) de particules virtuelles. W-bosons : toi, c, t ↔ d, s, b. De même pour l'émission et l'absorption W-bosons, des transitions se produisent entre les leptons chargés et les neutrinos correspondants :

e ↔ ν e, μ ↔ ν μ , τ ↔ ν τ . Les transitions du type se produisent également également d'u ↔ W et eˉν e ↔ W. Dans toutes ces transitions impliquant W-les bosons impliquent des courants dits chargés qui modifient d'une unité les charges des leptons et des quarks. La faible interaction des courants chargés est à courte portée et est décrite par le potentiel de Yukawa e−mWr/r, donc son rayon effectif est r ≈ 1/mW.

8.3. Courants neutres*. Dans les années 1970, des processus de faible interaction entre neutrinos, électrons et nucléons, provoqués par des courants dits neutres, ont été découverts. Dans les années 1980, il a été établi expérimentalement que les interactions de courants chargés se produisent via l'échange W-bosons et interaction des courants neutres - par échange Z- les bosons.

8.4. Violation P.- Et C.P.-parité*. Dans la seconde moitié des années 1950, une violation de la parité spatiale a été découverte P. et parité de charge C dans les interactions faibles. En 1964, des désintégrations faibles ont été découvertes, violant les règles de conservation. C.P.-symétrie. Actuellement, le mécanisme de violation C.P.-la symétrie est étudiée dans les désintégrations de mésons contenant b-quarks.

8.5. Oscillations des neutrinos*. Au cours des deux dernières décennies, l'attention des physiciens s'est portée sur les mesures effectuées dans les détecteurs souterrains de kilotonnes à Kamioka (Japon) et à Sudbury (Canada). Ces mesures ont montré qu'entre les trois types de neutrinos ν e , ν μ , ν τ Les transitions mutuelles (oscillations) se produisent dans le vide. La nature de ces oscillations est en cours de clarification.

8.6. Interaction électrofaible. Dans les années 1960, la théorie a été formulée selon laquelle les forces électromagnétiques et faibles sont des manifestations différentes d’une seule force électrofaible. S’il existait une symétrie électrofaible stricte, alors les masses W- Et Z-les bosons seraient égaux à zéro comme la masse des photons.

8.7. Rupture de symétrie électrofaible. Dans le modèle standard, le boson de Higgs brise la symétrie électrofaible et explique ainsi pourquoi le photon est sans masse et les bosons faibles sont massifs. Il donne également des masses aux leptons, aux quarks et à lui-même.

8.8. Ce qu'il faut savoir sur le Higgs. L'un des principaux objectifs du Grand collisionneur de hadrons LHC est la découverte du boson de Higgs (appelé simplement Higgs et noté h ou H) et l'établissement ultérieur de ses propriétés. Tout d’abord, mesurer ses interactions avec W- Et Z-les bosons, avec les photons, ainsi que ses auto-interactions, c'est-à-dire l'étude des sommets contenant trois et quatre Higgs : h 3 et h 4, et ses interactions avec les leptons et les quarks, notamment avec le quark top. Dans le modèle standard, il existe des prédictions claires pour toutes ces interactions. Leur vérification expérimentale est d’un grand intérêt du point de vue de la recherche d’une « nouvelle physique » au-delà du Modèle Standard.

8.9. Et s'il n'y avait pas de Higgs ? S'il s'avère que dans la gamme de masse de l'ordre de plusieurs centaines de GeV, le Higgs n'existe pas, cela signifiera qu'à des énergies supérieures au TeV, il existe une nouvelle région complètement inconnue où les interactions W- Et Z-les bosons deviennent forts de manière non perturbatrice, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent pas être décrits par la théorie des perturbations. La recherche dans ce domaine apportera de nombreuses surprises.

8.10. Les collisionneurs de Lepton du futur. Pour mener à bien l'ensemble de ce programme de recherche, en plus du LHC, il pourrait être nécessaire de construire des collisionneurs de leptons :

ILC (International Linear Collider) avec une énergie de collision de 0,5 TeV,

ou CLIC (Compact Linear Collider) avec une énergie de collision de 1 TeV,

ou MC (Muon Collider) avec une énergie de collision de 3 TeV.

8.11. Collisionneurs linéaires électron-positon. ILC - International Linear Collider, qui fait entrer en collision des électrons avec des positrons, ainsi que des photons avec des photons. La décision de le construire ne pourra être prise qu’une fois qu’il sera clair si le Higgs existe et quelle est sa masse. L'un des chantiers de construction proposés par l'ILC se trouve à proximité de Doubna. CLIC - Collisionneur électron-positon linéaire compact. Le projet est en cours de développement au CERN.

8.12. Collisionneur de muons. MS - Le collisionneur de muons a été conçu pour la première fois par G. I. Budker (1918-1977). En 1999, la cinquième conférence internationale « Potentiel physique et développement des collisionneurs de muons et des usines de neutrinos » s'est tenue à San Francisco. Le projet MS est actuellement en cours de développement au Laboratoire national Fermi et pourrait être mis en œuvre dans 20 ans.

9. Forte interaction

9.1. Gluons et quarks. La force forte maintient les nucléons (protons et neutrons) à l’intérieur du noyau. Elle est basée sur l'interaction des gluons avec les quarks et sur l'interaction des gluons avec les gluons. C'est l'auto-interaction des gluons qui conduit au fait que malgré le fait que la masse du gluon soit nulle, tout comme les masses du photon et du graviton sont égales à zéro, l'échange de gluons ne conduit pas à un gluon long -interaction de portée, similaire au photon et au graviton. De plus, cela conduit à l’absence de gluons libres et de quarks. Cela est dû au fait que la somme des échanges d'un gluon est remplacée par un tube ou un fil de gluon. L’interaction des nucléons dans le noyau est similaire aux forces de Van der Waals entre atomes neutres.

9.2. Confinement et liberté asymptotique. Le phénomène selon lequel les gluons et les quarks ne s'échappent pas des hadrons est appelé confinement. L’inconvénient de la dynamique conduisant au confinement est qu’à de très petites distances au plus profond des hadrons, l’interaction entre les gluons et les quarks se désintègre progressivement. Les quarks semblent se libérer à courte distance. Ce phénomène est appelé liberté asymptotique.

9.3. Couleurs des quarks. Le phénomène de confinement est une conséquence du fait que chacun des six quarks existe comme sous la forme de trois variétés « de couleur ». Les quarks sont généralement « colorés » en jaune, bleu et rouge. Les antiquités sont peintes dans des couleurs supplémentaires : violet, orange, vert. Toutes ces couleurs représentent les charges particulières des quarks – des « analogues multidimensionnels » de la charge électrique, responsables de fortes interactions. Bien entendu, il n’existe aucun lien, autre que métaphorique, entre les couleurs des quarks et les couleurs optiques ordinaires.

9.4. Couleurs de gluons. La famille des gluons colorés est encore plus nombreuse : ils sont au nombre de huit, dont deux sont identiques à leurs antiparticules, et les six autres ne le sont pas. Les interactions des charges colorées sont décrites par la chromodynamique quantique et déterminent les propriétés du proton, du neutron, de tous les noyaux atomiques ainsi que les propriétés de tous les hadrons. Le fait que les gluons portent des charges colorées conduit au phénomène de confinement des gluons et des quarks, ce qui signifie que les gluons et quarks colorés ne peuvent pas s'échapper des hadrons. Les forces nucléaires entre les hadrons incolores (blancs) sont de faibles échos des puissantes interactions de couleurs au sein des hadrons. Ceci est similaire à la petitesse des liaisons moléculaires par rapport aux liaisons intraatomiques.

9.5. Masses hadroniques. Les masses des hadrons en général et des nucléons en particulier sont déterminées par l'auto-action des gluons. Ainsi, la masse de toute la matière visible, qui représente 4 à 5 % de l'énergie de l'Univers, est précisément due à l'auto-action des gluons.

10. Modèle standard et au-delà

10.1. 18 particules du modèle standard. Toutes les particules fondamentales connues se répartissent naturellement en trois groupes :

6 leptons(tourner 1/2) :
3 neutrinos : ν e, ν μ , ν τ ;
3 leptons chargés : e, μ , τ ;
6 quarks(tourner 1/2) :
toi,c, t,
d, s, b;
6 bosons:
g̃ - graviton (spin 2),
γ , W, Z, g- des gluons (spin 1),
h- Higgs (spin 0).

10.2. Au-delà du modèle standard. 96 % de l’énergie de l’Univers se trouve en dehors du modèle standard et attend d’être découverte et étudiée. Il existe plusieurs hypothèses de base sur ce à quoi pourrait ressembler la nouvelle physique (voir les points 10.3 à 10.6 ci-dessous).

10.3. Grande Unification. Un grand nombre de travaux, pour la plupart théoriques, sont consacrés à l'unification des interactions fortes et électrofaibles. La plupart d'entre eux supposent qu'elle se produit à des énergies de l'ordre de 10,16 GeV. Une telle union devrait conduire à la désintégration des protons.

10.4. Particules supersymétriques. Selon l'idée de supersymétrie, née à l'Institut de physique Lebedev, chaque « notre » particule a un superpartenaire dont le spin diffère de 1/2 : 6 squarks et 6 sleptons de spin 0, higgsino, phototino, wine et zino. avec essorage 1/2, gravitino avec essorage 3/2. Les masses de ces superpartenaires doivent être nettement supérieures à celles de nos particules. Sinon, ils auraient été ouverts depuis longtemps. Certains de ces superpartenaires pourraient être découverts lorsque le Grand collisionneur de hadrons deviendra opérationnel.

10.5. Supercordes. L'hypothèse de supersymétrie est développée par l'hypothèse de l'existence de supercordes vivant à de très courtes distances de l'ordre de 10 −33 cm et d'énergies correspondantes de 10 19 GeV. De nombreux physiciens théoriciens espèrent que c'est sur la base des idées sur les supercordes qu'ils pourront construire une théorie unifiée de toutes les interactions qui ne contient pas de paramètres libres.

10.6. Particules miroir. Selon l'idée de matière miroir, née à l'ITEP, chacune de nos particules a un jumeau miroir, et il existe un monde miroir qui n'est que très vaguement connecté à notre monde.

10.7. Matière noire. Seulement 4 à 5 % de l’énergie totale de l’Univers existe sous forme de masse de matière ordinaire. Environ 20 % de l’énergie de l’univers est contenue dans ce qu’on appelle la matière noire, qui serait constituée de superparticules, ou de particules miroirs, ou d’autres particules inconnues. Si les particules de matière noire sont beaucoup plus lourdes que les particules ordinaires et si, lorsqu'elles entrent en collision dans l'espace, elles s'annihilent en photons ordinaires, alors ces photons à haute énergie peuvent être détectés par des détecteurs spéciaux dans l'espace et sur Terre. Découvrir la nature de la matière noire est l’une des tâches principales de la physique.

10.8. Énergie noire. Mais l’écrasante majorité de l’énergie de l’Univers (environ 75 %) est due à ce qu’on appelle l’énergie sombre. Il est « déversé » à travers le vide et écarte les amas de galaxies. Sa nature est encore floue.

11. Particules élémentaires en Russie et dans le monde

11.1. Décret du Président de la Fédération de Russie. Le 30 septembre 2009, le décret du Président de la Fédération de Russie « Sur des mesures supplémentaires pour la mise en œuvre d'un projet pilote visant à créer le Centre national de recherche « Institut Kurchatov » » a été publié. Le décret prévoit la participation des organisations suivantes au projet : l'Institut de physique nucléaire de Saint-Pétersbourg, l'Institut de physique des hautes énergies et l'Institut de physique théorique et expérimentale. Le décret prévoit également «l'inclusion de l'institution spécifiée, en tant qu'institution scientifique la plus importante, dans la structure départementale des dépenses du budget fédéral en tant que principal gestionnaire des fonds budgétaires». Ce décret peut contribuer au retour de la physique des particules élémentaires parmi les domaines prioritaires pour le développement de la science dans notre pays.

11.2. Audiences du Congrès américain 1. Le 1er octobre 2009, une audition a eu lieu au sein de la sous-commission de l'énergie et de l'environnement de la commission de la science et de la technologie de la Chambre des représentants des États-Unis sur le thème « Enquêtes sur la nature de la matière, de l'énergie, de l'espace et du temps ». Le crédit du ministère de l'Énergie pour 2009 pour ce programme s'élève à 795,7 millions de dollars. Lisa Randall, professeur à l'Université Harvard, a présenté ses vues sur la matière, l'énergie et l'origine de l'Univers du point de vue de la future théorie des cordes. Le directeur du Laboratoire National Fermi (Batavia) Pierre Oddone a évoqué l'état de la physique des particules aux USA, et en particulier l'achèvement prochain du Tevatron et le début d'une collaboration entre le FNAL et le laboratoire souterrain DUSEL pour étudier les propriétés des neutrinos et des processus rares. Il a souligné l'importance de la participation de physiciens américains aux projets de physique des hautes énergies en Europe (LHC), au Japon (JPARC), en Chine (PERC) et au projet spatial international (GLAST, récemment nommé d'après Fermi).

11.3. Audiences du Congrès américain 2. Hugh Montgomery, directeur du Jefferson National Laboratory, a parlé des contributions du laboratoire à la physique nucléaire, à la technologie des accélérateurs et programmes éducatifs. Le directeur de la Division des sciences de la physique des hautes énergies au ministère de l'Énergie, Dennis Kovar, a parlé de trois domaines principaux de la physique des hautes énergies :

1) recherche d'accélérateurs aux énergies maximales,

2) études d'accélérateurs aux intensités maximales,

3) l'exploration spatiale au sol et par satellite afin de clarifier la nature de la matière noire et de l'énergie noire,

et trois orientations principales de la physique nucléaire :

1) étude des interactions fortes des quarks et des gluons,

2) l'étude de la formation des noyaux atomiques à partir de protons et de neutrons,

3) étude des interactions faibles impliquant les neutrinos.

12. À propos de la science fondamentale

12.1. Qu’est-ce que la science fondamentale ? Il ressort clairement du texte ci-dessus que, comme la plupart des scientifiques, j’appelle science fondamentale la partie de la science qui établit les lois les plus fondamentales de la nature. Ces lois se trouvent à la base de la pyramide de la science ou de ses différents étages. Ils déterminent le développement à long terme de la civilisation. Il y a cependant des gens qui appellent science fondamentale les branches de la science qui ont le plus grand impact direct sur les réalisations momentanées du développement de la civilisation. Personnellement, je pense que ces sections et domaines sont mieux appelés sciences appliquées.

12.2. Racines et fruits. Si la science fondamentale peut être comparée aux racines d’un arbre, la science appliquée peut être comparée à ses fruits. Les avancées technologiques majeures telles que la téléphonie mobile ou les communications par fibre optique sont le fruit de la science.

12.3. A. I. Herzen à propos de la science. En 1845, Alexandre Ivanovitch Herzen (1812-1870) publia les remarquables « Lettres sur l’étude de la nature » dans la revue Otechestvennye zapiski. A la fin de sa première lettre, il écrit : « La science semble difficile, non pas parce qu'elle est vraiment difficile, mais parce qu'on ne peut atteindre sa simplicité autrement qu'en perçant l'obscurité des concepts tout faits qui empêchent de voir directement. Que ceux qui se manifestent sachent que tout l'arsenal d'outils rouillés et sans valeur que nous avons hérité de la scolastique ne vaut rien, qu'il faut sacrifier les vues formées en dehors de la science, que sans tout jeter un demi-mensonge, avec lequel pour plus de clarté ils habillent demi-vérités« Vous ne pouvez pas entrer dans la science, vous ne pouvez pas atteindre la vérité entière. »

12.4. À propos de la réduction des programmes scolaires. Les programmes de physique modernes à l'école pourraient bien inclure la maîtrise active d'éléments de la théorie des particules élémentaires, de la théorie de la relativité et de la mécanique quantique, s'ils réduisent les sections qui sont principalement de nature descriptive et augmentent « l'érudition » de l'enfant plutôt que la compréhension du monde. autour d'eux et la capacité de vivre et de créer.

12.5. Conclusion. Il serait juste que le Présidium de l'Académie des sciences de Russie souligne l'importance d'une familiarisation précoce des jeunes avec une vision du monde basée sur les acquis de la théorie de la relativité et de la mécanique quantique, et de charger les commissions du Présidium de l'Académie russe des sciences de Académie des sciences sur les manuels scolaires (présidée par le vice-président V.V. Kozlov) et sur l'éducation (présidée par le vice-président-président V. A. Sadovnichy) pour préparer des propositions visant à améliorer l'enseignement de la physique fondamentale moderne dans les écoles secondaires et supérieures.

1. "seulement de la physique, seulement du hardcore ! Grenier", Pobedinsky D
.

Savez-vous quelle heure il est ? Comment en êtes-vous arrivée à la théorie des cordes ? Quel élément chimique est le plus gros au monde ? Mais Dmitry Pobedinsky, physicien, populaire vidéo blogueur et auteur régulier de "The Attic", le sait - et peut le dire ! Existe-t-il des univers parallèles ? Est-il possible de créer un vrai sabre laser ? Que ressentira l’intelligence artificielle au premier baiser ? Comment fonctionne un trou noir ? Dmitry répond à ces questions et à d'autres qui peuvent dérouter chacun d'entre nous - facilement et accessible à chacun de nous. Grenier : science, technologie, avenir" est un projet scientifique et éducatif de la plus grande agence de presse russe Tass. Pour leurs 100 000 lecteurs, ils écrivent chaque jour sur la science - russe et pas seulement - et parlent également d'intéressantes conférences de vulgarisation scientifique, d'expositions, livres et cinéma, montrer des expériences et répondre à des questions scientifiques (et moins scientifiques) sur la réalité environnante.
2. "Histoire courte temps. Du Big Bang aux trous noirs", Hawking p.
Fascinant et accessible. Le célèbre physicien anglais Stephen Hawking nous parle de la nature de l'espace et du temps, de l'origine de l'univers et de son destin possible.
3. "Bien sûr que vous plaisantez, M. Feynman !", Feynman R.
Il était connu pour sa passion pour les blagues et les farces, peignait des portraits étonnants, jouait des rôles exotiques instruments de musique. Excellent orateur, il fait de chacune de ses conférences un jeu intellectuel passionnant. Non seulement les étudiants et les collègues, mais aussi les simples passionnés de physique étaient impatients d'assister à ses discours. L'autobiographie d'un grand scientifique est plus passionnante qu'un roman d'aventures. C'est l'un des rares livres qui restera à jamais gravé dans la mémoire de tous ceux qui les liront.
4. « Physique de l'impossible », Kaku M.
Le célèbre physicien Michio Kaku explore des technologies, des phénomènes ou des dispositifs qui semblent aujourd'hui invraisemblables du point de vue de la possibilité de leur mise en œuvre dans le futur. En parlant de notre avenir proche, scientifique langue accessible parle du fonctionnement de l'univers. Qu'est-ce que le big bang et les trous noirs, les phaseurs et l'antimatière. Dans le livre « Physique de l'impossible », vous apprendrez que déjà au 21e siècle, de notre vivant, les champs de force, l'invisibilité, la lecture des pensées, la communication avec les civilisations extraterrestres et même la téléportation et les voyages interstellaires seront probablement réalisés.
Pourquoi le livre vaut-il la peine d'être lu ? Tout récemment encore, il nous était difficile d’imaginer le monde actuel composé de choses familières. Le téléphone portable et Internet semblaient impossibles. Vous découvrirez quelles prédictions audacieuses des écrivains de science-fiction et des auteurs de films sur l'avenir ont une chance de se réaliser sous nos yeux. Grâce au livre de Michio Kaku, physicien américain et vulgarisateur scientifique, vous découvrirez les phénomènes les plus complexes et les dernières réalisations. science moderne et la technologie. Vous verrez non seulement l’avenir de l’humanité, mais vous comprendrez également les lois fondamentales de l’univers. Vous serez convaincu que rien n'est impossible dans ce monde !
5. "La beauté de la physique. Comprendre la structure de la nature", Wilczek F.
Est-il vrai que la beauté règne sur le monde ? Cette question a été posée par des penseurs, des artistes et des scientifiques tout au long de l’histoire de l’humanité. Dans les pages d'un livre magnifiquement illustré, il partage ses réflexions sur la beauté de l'univers et les idées scientifiques. Lauréat du Prix Nobel Frank Wilczek. Pas à pas, en commençant par les idées des philosophes grecs et en terminant par la théorie principale moderne de l'unification des interactions et des directions de son développement probable, l'auteur montre les idées de beauté et de symétrie qui sous-tendent les concepts physiques. Les héros de ses recherches sont Pythagore, Platon, Newton, Maxwell et Einstein. Enfin, il y a Emmy Noether, qui a dérivé les lois de conservation des symétries, et la grande galaxie des physiciens du XXe siècle.
Contrairement à de nombreux vulgarisateurs, Frank Wilczek n'a pas peur des formules et sait montrer les choses les plus complexes « sur ses doigts », nous transmettant l'humour et le sens du miracle.
6. "Pourquoi E=mc2 ? Et pourquoi devrions-nous nous en soucier", Cox B., Forshaw D.
Ce livre vous aidera à comprendre la théorie de la relativité et à mieux comprendre la signification de l'équation la plus célèbre au monde. Avec sa théorie de l’espace et du temps, Einstein a jeté les bases sur lesquelles repose toute la physique moderne. En essayant de comprendre la nature, les physiciens créent encore aujourd'hui des théories qui changent parfois radicalement nos vies. La manière dont ils procèdent est décrite dans ce livre.
Le livre sera utile à toute personne intéressée par la structure du monde.
7. "Univers quantique", Cox B., Forshaw J.
Comment fonctionnent les choses que nous ne pouvons pas voir.
Dans ce livre, les scientifiques respectés Brian Cox et Jeff Forshaw présentent aux lecteurs la mécanique quantique, le modèle fondamental du fonctionnement du monde. Ils racontent quelles observations ont conduit les physiciens à la théorie quantique, comment elle a été développée et pourquoi les scientifiques, malgré toute son étrangeté, y ont tant confiance.
Le livre est destiné à tous ceux qui sont intéressés la physique quantique et la structure de l'univers.
8. "Physique. Les sciences naturelles dans la bande dessinée", Gonik L., Huffman A.
Avant de commencer à parler le langage de formules comme Feynman et Landau, vous devez apprendre les bases. Ce livre présente les phénomènes physiques et les lois de base de manière ludique. Aristote et Galilée, Newton et Maxwell, Einstein et Feynman sont des génies reconnus de l'humanité qui ont apporté d'énormes contributions au développement de la physique, et ce manuel unique explique ce qu'ils sont. Il couvre un large éventail de sujets : mécanique, électricité, relativité, électrodynamique quantique. Disponibilité combinée à un niveau élevé niveau scientifique la présentation garantit le succès dans l'étude de l'une des disciplines les plus intéressantes, étroitement liée à d'autres domaines, et surtout à la technologie.
9. « Théorie des cordes et dimensions cachées de l'univers », Yau Sh., nadis p.
La théorie révolutionnaire des cordes affirme que nous vivons dans un univers à dix dimensions, mais que seules quatre de ces dimensions sont accessibles à la perception humaine. Si l’on en croit les scientifiques modernes, les six dimensions restantes sont repliées dans une structure étonnante connue sous le nom de variété Calabi-Yau.

Combien de lois de la physique existe-t-il ? LOIS FONDAMENTALES DE LA PHYSIQUE.

La loi de conservation de l’énergie stipule que l’énergie d’un corps ne disparaît ni ne réapparaît, elle ne peut que se transformer d’un type à un autre. Cette loi est universelle. Il a sa propre formulation dans diverses branches de la physique. La mécanique classique considère la loi de conservation de l'énergie mécanique.

L'énergie mécanique totale d'un système fermé de corps physiques entre lesquels agissent des forces conservatrices est une valeur constante. C'est ainsi que se formule la loi de conservation de l'énergie de Newton.

Un système physique fermé ou isolé est considéré comme un système qui n’est pas affecté par des forces extérieures. Il n'y a pas d'échange d'énergie avec l'espace environnant et la propre énergie qu'il possède reste inchangée, c'est-à-dire qu'elle est conservée. Dans un tel système, seules les forces internes agissent et les corps interagissent les uns avec les autres. Seule la transformation de l'énergie potentielle en énergie cinétique et vice versa peut s'y produire.

L'exemple le plus simple d'un système fermé est un fusil de sniper et une balle.

Des lois de la PHYSIQUE que tout le monde devrait connaître. LOIS FONDAMENTALES DE LA PHYSIQUE (cours scolaire).

LOI DES ÉNERGIES DE CONSERVATION ET DE TRANSFORMATION - une loi générale de la nature : l'énergie de tout système fermé reste constante (conservée) pendant tous les processus se produisant dans le système. L'énergie ne peut être convertie que d'une forme à une autre et redistribuée entre les parties du système. Pour un système ouvert, une augmentation (diminution) de son énergie est égale à une diminution (augmentation) de l'énergie des corps et des champs physiques qui interagissent avec lui.

LOI D'ARCHIMÈDE - la loi de l'hydrostatique et de l'aérostatique : un corps immergé dans un liquide ou un gaz est soumis à une force de poussée dirigée verticalement vers le haut, numériquement égale au poids du liquide ou du gaz déplacé par le corps, et appliquée au centre. de gravité de la partie immergée du corps. FA= gV, où r est la densité du liquide ou du gaz, V est le volume de la partie immergée du corps. Autrement, on peut la formuler ainsi : un corps immergé dans un liquide ou un gaz perd autant de poids que pèse le liquide (ou le gaz) qu'il déplace. Alors P= mg - FAUn autre groupe est ouvert. le scientifique Archimède en 212. AVANT JC. C'est la base de la théorie des corps flottants.

LOI DE LA GRAVITATION UNIVERSELLE - Loi de la gravité de Newton : tous les corps sont attirés les uns vers les autres avec une force directement proportionnelle au produit des masses de ces corps et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare : où M et m sont les masses de corps en interaction, R est la distance entre ces corps, G est la constante gravitationnelle (en SI G=6,67.10-11N.m2/kg2.

PRINCIPE DE RELATIVITÉ DE GALILEO, principe mécanique de relativité - le principe de la mécanique classique : dans tout référentiel inertiel, tous les phénomènes mécaniques se déroulent de la même manière dans les mêmes conditions. Épouser. principe de relativité.

LOI DU CROCHET - une loi selon laquelle les déformations élastiques sont directement proportionnelles aux influences extérieures qui les provoquent.

LOI DE CONSERVATION DE LA MOMENTUM - une loi de la mécanique : la quantité de mouvement de tout système fermé, pendant tous les processus se produisant dans le système, reste constante (conservée) et ne peut être redistribuée entre les parties du système qu'en raison de leur interaction.

LOIS DE NEWTON - trois lois qui sous-tendent la mécanique classique newtonienne. 1ère loi (loi de l'inertie) : un point matériel est dans un état de mouvement ou de repos rectiligne et uniforme si d'autres corps n'agissent pas sur lui ou si l'action de ces corps est compensée. 2ème loi (loi fondamentale de la dynamique) : l'accélération reçue par un corps est directement proportionnelle à la résultante de toutes les forces agissant sur le corps, et inversement proportionnelle à la masse du corps (). 3ème loi : deux points matériels interagissent entre eux par des forces de même nature égales en grandeur et de direction opposée le long de la droite reliant ces points ().

PRINCIPE DE RELATIVITÉ - l'un des postulats de la théorie de la relativité, qui stipule que dans tout référentiel inertiel, tous les phénomènes physiques (mécaniques, électromagnétiques, etc.) se déroulent dans les mêmes conditions de la même manière. Il s'agit d'une généralisation du principe de relativité de Galilée à tous les phénomènes physiques (sauf la gravité).

La loi de constance de la composition de la matière.

La loi de constance de composition (J. L. Proust, 1801 - 1808) - tout composé chimiquement pur spécifique, quelle que soit la méthode de préparation, est constitué du même éléments chimiques, et les rapports de leurs masses sont constants, et les nombres relatifs de leurs atomes sont exprimés sous forme de nombres entiers. C'est l'une des lois fondamentales de la chimie.

La loi de composition constante n'est pas satisfaite pour les berthollides (composés de composition variable). Cependant, par souci de simplicité, la composition de nombreux Berthollides est écrite comme constante. Par exemple, la composition de l'oxyde de fer (II) s'écrit FeO (au lieu de la formule plus précise Fe

La loi de la gravitation universelle. Description de la loi de la gravitation universelle

Le coefficient est la constante gravitationnelle. Dans le système SI, la constante gravitationnelle a la signification :

Cette constante, comme on peut le voir, est très petite, donc les forces gravitationnelles entre des corps de petites masses sont également faibles et pratiquement insensibles. Cependant, le mouvement des corps cosmiques est entièrement déterminé par la gravité. La présence de la gravitation universelle ou, en d'autres termes, de l'interaction gravitationnelle explique par quoi la Terre et les planètes sont « soutenues » et pourquoi elles se déplacent autour du Soleil le long de certaines trajectoires et ne s'en éloignent pas. La loi de la gravitation universelle nous permet de déterminer de nombreuses caractéristiques corps célestes– les masses des planètes, des étoiles, des galaxies et même des trous noirs. Cette loi permet de calculer avec une grande précision les orbites des planètes et de créer un modèle mathématique de l'Univers.

Grâce à la loi de la gravitation universelle, les vitesses cosmiques peuvent également être calculées. Par exemple, la vitesse minimale à laquelle un corps se déplaçant horizontalement au-dessus de la surface de la Terre ne tombera pas dessus, mais se déplacera sur une orbite circulaire, est de 7,9 km/s (première vitesse de fuite). Afin de quitter la Terre, c'est-à-dire pour vaincre son attraction gravitationnelle, le corps doit avoir une vitesse de 11,2 km/s (deuxième vitesse de fuite).

La gravité est l'un des phénomènes naturels les plus étonnants. En l’absence de forces gravitationnelles, l’existence de l’Univers serait impossible ; l’Univers ne pourrait même pas naître. La gravité est responsable de nombreux processus dans l'Univers : sa naissance, l'existence de l'ordre au lieu du chaos. La nature de la gravité n’est pas encore entièrement comprise. Jusqu'à présent, personne n'a été en mesure de développer un mécanisme et un modèle décent d'interaction gravitationnelle.

Loi d'Archimède (Force) - Un corps immergé dans un liquide ou un gaz est soumis à une force de flottabilité égale au poids du liquide ou du gaz déplacé par ce corps.

Sous forme intégrale

La force d'Archimède est toujours dirigée à l'opposé de la force de gravité, donc le poids d'un corps dans un liquide ou un gaz est toujours inférieur au poids de ce corps dans le vide.

Si un corps flotte à la surface ou se déplace uniformément vers le haut ou vers le bas, alors la force de poussée (également appelée force d'Archimède) est égale en ampleur (et en direction opposée) à la force de gravité agissant sur le volume de liquide (gaz) déplacé. par le corps, et est appliqué au centre de gravité de ce volume.

Quant aux corps qui sont dans le gaz, par exemple dans l'air, pour trouver la force de portance (Force d'Archimède), il faut remplacer la densité du liquide par la densité du gaz. Par exemple, un ballon à hélium vole vers le haut car la densité de l'hélium est inférieure à la densité de l'air.

En l'absence de champ gravitationnel (Gravité), c'est-à-dire en état d'apesanteur, la loi d'Archimède ne fonctionne pas. Les astronautes connaissent bien ce phénomène. En particulier, en apesanteur, il n'y a pas de phénomène de convection (mouvement naturel de l'air dans l'espace), donc par exemple le refroidissement de l'air et la ventilation des locaux d'habitation. vaisseau spatial produit de force par les fans

Le modèle standard actuel de la physique des particules est un mécanisme inerte constitué d’un maigre ensemble d’ingrédients. Mais, malgré son apparente singularité, notre Univers n’est qu’un monde parmi d’innombrables mondes possibles. Nous n’avons aucune idée de la raison pour laquelle cette configuration particulière de particules et les forces qui agissent sur elles sont à la base de notre ordre mondial.

Pourquoi existe-t-il six « saveurs » de quarks, trois « générations » de neutrinos et une particule de Higgs ? De plus, le modèle standard comprend dix-neuf constantes physiques fondamentales (par exemple, la masse et la charge de l'électron). Les valeurs de ces « paramètres libres » ne semblent pas avoir de signification profonde. D’une part, la physique des particules est un modèle d’élégance. D’un autre côté, c’est juste une belle théorie.

Si notre monde n’est qu’un parmi tant d’autres, alors que devrions-nous faire des mondes alternatifs ? Le point de vue actuel est à l’opposé absolu de l’idée d’Einstein d’un Univers unique. Physiciens modernes couvrir un immense espace probabiliste et essayer de comprendre la logique de ses relations. De mineurs d’or, ils sont devenus géographes et géologues, cartographiant le paysage et étudiant en détail les forces qui l’ont façonné.

La naissance de la théorie des cordes a été une étape importante dans ce processus. Pour le moment, elle est la seule candidate au titre de « théorie du tout ». La bonne nouvelle est qu’il n’existe pas de paramètres libres en théorie des cordes. Il ne fait aucun doute quelle théorie des cordes décrit notre Univers, car c’est la seule. Absence de tout fonctions supplémentaires entraîne des conséquences radicales. Tous les nombres dans la nature doivent être déterminés par la physique elle-même. Il ne s’agit pas de « constantes de la nature », mais simplement de variables obtenues à partir d’équations (parfois cependant incroyablement complexes).

Mauvaise nouvelle, messieurs. L’espace de solutions de la théorie des cordes est vaste et complexe. C'est normal pour la physique. Traditionnellement, on fait une distinction entre les lois fondamentales basées sur des équations mathématiques et les solutions de ces équations. Il existe généralement plusieurs lois et une infinité de solutions. Prenons les lois de Newton. Ils sont clairs et élégants, mais décrivent une gamme incroyablement large de phénomènes, de la chute d'une pomme à l'orbite de la lune. Connaissant l’état initial du système, à l’aide de ces lois, nous pouvons décrire son état à l’instant suivant. Nous n’attendons ni n’exigeons une solution universelle qui couvrirait tout.

Aide-mémoire avec des formules de physique pour l'examen d'État unifié

et plus (peut être nécessaire pour les 7e, 8e, 9e, 10e et 11e années).

Tout d’abord, une image qui peut être imprimée sous une forme compacte.

Mécanique

1. Pression P=F/S
2. Densité ρ=m/V
3. Pression à la profondeur du liquide P=ρ∙g∙h
4. Gravité Ft=mg
5. 5. Force d'Archimède Fa=ρ f ∙g∙Vt
6. Équation de mouvement pour un mouvement uniformément accéléré

X=X0 + υ 0 ∙t+(a∙t 2)/2 S=( υ 2 -υ 0 2) /2aS=( υ +υ 0) ∙t /2

1. Équation de vitesse pour un mouvement uniformément accéléré υ =υ 0 +a∙t
2. Accélération a=( υ -υ 0)/t
3. Vitesse circulaire υ =2πR/T
4. Accélération centripète a= υ 2/R
5. Relation entre période et fréquence ν=1/T=ω/2π
6. Loi de Newton II F=ma
7. Loi de Hooke Fy=-kx
8. Loi de la gravité F=G∙M∙m/R 2
9. Poids d'un corps se déplaçant avec une accélération a P=m(g+a)
10. Poids d'un corps se déplaçant avec accélération а↓ Р=m(g-a)
11. Force de frottement Ftr=µN
12. Moment corporel p=m υ
13. Force d'impulsion Ft=∆p
14. Moment de force M=F∙ℓ
15. Énergie potentielle d'un corps élevé au-dessus du sol Ep=mgh
16. Énergie potentielle d'un corps déformé élastiquement Ep=kx 2 /2
17. Énergie cinétique du corps Ek=m υ 2 /2
18. Travail A=F∙S∙cosα
19. Puissance N=A/t=F∙ υ
20. Efficacité η=Ap/Az
21. Période d'oscillation d'un pendule mathématique T=2π√ℓ/g
22. Période d'oscillation d'un pendule à ressort T=2 π √m/k
23. Équation des vibrations harmoniques Х=Хmax∙cos ωt
24. Relation entre la longueur d'onde, sa vitesse et sa période λ= υ T

Physique moléculaire et thermodynamique

1. Quantité de substance ν=N/Na
2. Masse molaire M=m/ν
3. Épouser. proche. énergie des molécules de gaz monoatomiques Ek=3/2∙kT
4. Équation MKT de base P=nkT=1/3nm 0 υ 2
5. Loi Gay-Lussac ( processus isobare) V/T = const
6. Loi de Charles (processus isochore) P/T = const
7. Humidité relative φ=P/P 0 ∙100%
8. Int. idéal énergétique. gaz monoatomique U=3/2∙M/µ∙RT
9. Travail au gaz A=P∙ΔV
10. Loi de Boyle-Mariotte (processus isotherme) PV=const
11. Quantité de chaleur pendant le chauffage Q=Cm(T 2 -T 1)
12. Quantité de chaleur pendant la fusion Q=λm
13. Quantité de chaleur pendant la vaporisation Q=Lm
14. Quantité de chaleur lors de la combustion du carburant Q=qm
15. Équation d'état d'un gaz parfait PV=m/M∙RT
16. Première loi de la thermodynamique ΔU=A+Q
17. Rendement des moteurs thermiques η= (Q 1 - Q 2)/ Q 1
18. L'efficacité est idéale. moteurs (cycle de Carnot) η= (T 1 - T 2)/ T 1

Électrostatique et électrodynamique - formules en physique

1. Loi de Coulomb F=k∙q 1 ∙q 2 /R 2
2. Intensité du champ électrique E=F/q
3. Tension électrique champ de charge ponctuel E=k∙q/R 2
4. Densité de charge de surface σ = q/S
5. Tension électrique champs d'un plan infini E=2πkσ
6. Constante diélectrique ε=E 0 /E
7. Énergie potentielle d'interaction. charges W= k∙q 1 q 2 /R
8. Potentiel φ=W/q
9. Potentiel de charge ponctuelle φ = k∙q/R
10. Tension U=A/q
11. Pour un champ électrique uniforme U=E∙d
12. Capacité électrique C=q/U
13. Capacité électrique condensateur plat C = S∙ ε ∙ε 0 /j
14. Énergie d'un condensateur chargé W=qU/2=q²/2С=CU²/2
15. Intensité actuelle I=q/t
16. Résistance du conducteur R=ρ∙ℓ/S
17. Loi d'Ohm pour la section du circuit I=U/R
18. Lois du passé. connexions I 1 =I 2 =I, U 1 +U 2 =U, R 1 +R 2 =R
19. Des lois parallèles. Connecticut. U 1 =U 2 =U, I 1 +I 2 =I, 1/R 1 +1/R 2 =1/R
20. Puissance du courant électrique P=I∙U
21. Loi Joule-Lenz Q=I 2 Rt
22. Loi d'Ohm pour un circuit complet I=ε/(R+r)
23. Courant de court-circuit (R=0) I=ε/r
24. Vecteur d'induction magnétique B = Fmax/ℓ∙I
25. Puissance en ampères Fa=IBℓsin α
26. Force de Lorentz Fl=Bqυsin α
27. Flux magnétique Ф=BSсos α Ф=LI
28. Loi de l'induction électromagnétique Ei=ΔФ/Δt
29. FEM d'induction dans un conducteur en mouvement Ei=Вℓ υ sinα
30. FEM d'auto-induction Esi=-L∙ΔI/Δt
31. Énergie du champ magnétique de la bobine Wm=LI 2 /2
32. Période d'oscillation non. circuit T=2π ∙√LC
33. Réactance inductive X L =ωL=2πLν
34. Capacité Xc=1/ωC
35. Valeur actuelle effective Id=Imax/√2,
36. Valeur de tension effective Uä=Umax/√2
37. Impédance Z=√(Xc-X L) 2 +R 2

Optique

1. Loi de réfraction de la lumière n 21 =n 2 /n 1 = υ 1 / υ 2
2. Indice de réfraction n 21 = sin α/sin γ
3. Formule de lentille fine 1/F=1/d + 1/f
4. Puissance optique de l'objectif D=1/F
5. interférence max : Δd=kλ,
6. interférence minimale : Δd=(2k+1)λ/2
7. Grille différentielle d∙sin φ=k λ

La physique quantique

1. Formule d'Einstein pour l'effet photoélectrique hν=Aout+Ek, Ek=U z e
2. Bordure rouge de l'effet photoélectrique ν k = Aout/h
3. Moment photonique P=mc=h/ λ=E/s

Physique du noyau atomique

La séance approche et il est temps pour nous de passer de la théorie à la pratique. Au cours du week-end, nous nous sommes assis et avons pensé que de nombreux étudiants bénéficieraient d'une collection de formules de base en physique à portée de main. Des formules sèches avec explication : courtes, concises, rien de superflu. Une chose très utile pour résoudre des problèmes, vous savez. Et lors d’un examen, lorsque ce qui a été mémorisé la veille risque de « vous sortir de la tête », une telle sélection sera d’une grande utilité.

La plupart des problèmes sont généralement posés dans les trois sections de physique les plus populaires. Ce Mécanique, thermodynamique Et Physique moléculaire, électricité. Prenons-les !

Formules de base en physique dynamique, cinématique, statique

Commençons par le plus simple. Le bon vieux mouvement préféré droit et uniforme.

Formules cinématiques :

Bien sûr, n'oublions pas le mouvement en cercle, puis nous passerons à la dynamique et aux lois de Newton.

Après la dynamique, il est temps de considérer les conditions d’équilibre des corps et des liquides, c’est-à-dire statique et hydrostatique

Nous présentons maintenant les formules de base sur le thème « Travail et énergie ». Où serions-nous sans eux?

Formules de base de physique moléculaire et de thermodynamique

Terminons la section mécanique avec les formules d'oscillations et d'ondes et passons à physique moléculaire et la thermodynamique.

Le facteur d'efficacité, la loi de Gay-Lussac, l'équation de Clapeyron-Mendeleev, toutes ces formules chères au cœur sont rassemblées ci-dessous.

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Formules de base en physique : électricité

Il est temps de passer à l’électricité, même si elle est moins populaire que la thermodynamique. Commençons par l'électrostatique.

Et, au rythme du tambour, nous terminons par les formules de la loi d’Ohm, de l’induction électromagnétique et des oscillations électromagnétiques.

C'est tout. Bien sûr, on pourrait citer toute une montagne de formules, mais cela ne sert à rien. Lorsqu’il y a trop de formules, vous pouvez facilement vous perdre et même faire fondre votre cerveau. Nous espérons que notre aide-mémoire contenant des formules de physique de base vous aidera à résoudre vos problèmes préférés plus rapidement et plus efficacement. Et si vous souhaitez clarifier quelque chose ou si vous n’avez pas trouvé la bonne formule : demandez aux experts service aux étudiants. Nos auteurs gardent des centaines de formules en tête et résolvent les problèmes comme des noix. Contactez-nous et bientôt toute tâche sera à vous.