1

Релятивистское замедление времениТо, что время движущихся объектов течёт медленнее, получает

постоянное подтверждение в экспериментах, проводимых в физике высоких энергий. Например, время жизни мюонов в кольцевом ускорителе в CERN с точностью увеличивается в соответствии с релятивистской формулой. В данном эксперименте скорость мюонов была равна 0.9994 от скорости света, в результате чего время их жизни увеличилось в 29 раз. Этот эксперимент важен также тем, что при 7-метровом радиусе кольца ускорение мюонов достигало значений 1018 от ускорения свободного падения. Это в свою очередь, свидетельствует о том, что эффект замедления времени обусловлен только скоростью объекта и не зависит от его ускорения.

Измерение величины замедления времени проводилось также с макроскопическими объектами. Например, в эксперименте Хафеле — Китинга проводилось сравнение показаний неподвижных атомных часов, и атомных часов, летавших на самолёте.

2

Независимость скорости света от движения источника

Опыт Майкельсона. Астрофизические наблюдения. Независимость скорости света от скорости источника регистрируется и в

наземных экспериментах. Например, проводилось измерение скорости пары фотонов, возникающих при аннигиляции электрона и позитрона, центр масс которых двигался со скоростью, равной половине скорости света. С экспериментальной точностью 10 % сложение скорости света и скорости источника обнаружено не было.

Релятивистский эффект Доплера Релятивистский эффект Доплера обусловлен двумя

причинами:1) классический аналог изменения частоты при относительном движении

источника и приёмника; 2) релятивистское замедление времени. Последний фактор приводит к поперечному эффекту Доплера, когда угол

между волновым вектором и скоростью источника равен θ = π / 2. В этом случае изменение частоты является релятивистским эффектом, не имеющим классического аналога.

3

При переходе к космическим масштабам геометрия пространства перестает быть евклидовой и изменяется от одной области к другой в зависимости от плотности масс в этих областях и их движения.

Теория относительности, связавшая свойства пространства со свойствами находящейся в ней материи, ввела понятие кривизны пространства. Коэффициент кривизны зависит от силы тяготения в данной точке пространства.

Теория относительности показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и их движения.

4

    

Общая теория относительности (ОТО) связала тяготение с электромагнитизмом и механикой. Она заменила ньютонов механистический закон всемирного тяготения на полевой закон тяготения.

В картине мира современной физики фундаментальную роль играет принцип эквивалентности, согласно которому поле тяготения в небольшой области пространства и времени (в которой его можно считать однородным и постоянным во времени) по своему проявлению тождественно ускоренной системе отсчета.

В СТО свойства пространства и времени рассматриваются без учета гравитационных полей, которые не инерциальны.

5

Гравитационное красное смещениеГравитационное красное смещение является проявлением

эффекта изменения частоты испущенного некоторым источником света (вообще говоря, любых электромагнитных волн) по мере удаления от массивных объектов, таких как звёзды и чёрные дыры; оно наблюдается как сдвиг спектральных линий близких к массивным телам источников в красную область спектра.

Существование гравитационного красного смещения подтверждается многочисленными экспериментами.

(Эксперимент Паунда и Ребки 1969 года был осуществлён в Лаймановской лаборатории физики Гарвардского университета с использованием эффекта Мёссбауэра; источник и поглотитель гамма-квантов (ядра железа-57) находились друг от друга на расстоянии 22,5 м по вертикали в гравитационном поле Земли. Относительный сдвиг частоты в этих условиях составлял 2,5×10−15).

Гравитационное замедление времени — физическое явление, заключающееся в изменении темпа хода часов в гравитационном потенциале.

6

Основные результаты, к которым приходит теория относительности:

• относительность свойств пространства-времени;

• относительность массы и энергии ; • эквивалентность тяжелой и инертной масс(следствие, отмеченное Галилеем, что все тела, независимо от

состава и массы, падают в поле тяготения с одним и тем же ускорением)

20cmE =

7

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА, ЕЕ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ Квантовая механика (волновая механика) - теория, которая устанавливает

способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) в заданных внешних полях.

Квантовая механика впервые позволила описать структуру атомов и понять их спектры, установить природу химических связей, объяснить периодическую систему элементов и т.д.

Квантовая механика описывает законы движения микрочастиц. Однако поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, постольку квантовая механика применяется для объяснения многих макроскопических явлений.

Например, квантовая механика позволила понять многие свойства твердых тел, последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, понять природу таких астрофизических объектов, как белые карлики, нейтронные звезды, выяснить механизм протекания термоядерных реакций в Солнце и звездах. 

8

Для классической механики характерно описание частиц путем задания их положения в пространстве (координат) и скоростей и зависимости этих величин от времени.

Опыт показал, что такое описание частиц не всегда справедливо, в частности, оно не применимо для описания микрочастиц.

В квантовой механике одинаковые частицы в одинаковых условиях могут вести себя по-разному.

Квантовая механика делится на нерелятивистскую, справедливую в случае малых скоростей, и релятивистскую, удовлетворяющую требованиям специальной теории относительности.

Если в нерелятивистской области можно считать, что взаимодействие передается мгновенно на расстоянии, то в релятивистской области оно распространяется с конечной скоростью, значит, должен существовать агент, передающий взаимодействие - физическое поле.

Трудности релятивистской теории - это трудности теории поля, с которыми встречается как релятивистская классическая механика, так и релятивистская квантовая механика.

9

Впервые квантовые представления были введены в 1900 году немецким физиком Планком в работе, посвященной теории теплового излучения.

Планк предположил, что свет испускается не непрерывно (как это следовало из классической теории излучения), а определенными дискретными порциями энергии - квантами.

К теории теплового излучения абсолютно черного тела: тело с максимальной поглощательной способностью (а), и максимальной испускательной способностью (б).

Соотношение между классической и квантовой механикой определяется существованием универсальной мировой постоянной - постоянной Планка, которая называется также квантом действия. Постоянная Планка (квант действия) — основная константа квантовой теории, коэффициент, связывающий величину энергии электромагнитного излучения с его частотой. Также имеет смысл кванта действия и кванта момента импульса. Впервые упомянута М. Планком в работе, посвящённой тепловому излучению, и потому названа в его честь. h = 6,63х10-34 Дж·c.

10

Если в условиях данной задачи физические величины размерности действия значительно больше постоянной Планка, то применима классическая механика. Формально это условие и является критерием применимости классической механики.

Применение квантовой теории к гравитации показывает, что гравитационные волны можно рассматривать как поток квантов - гравитонов.

11

Эйнштейн в 1905 году построил теорию фотоэффекта, развивая квантовые представления Планка.

Эйнштейн предположил, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами, т.е., что дискретность присуща не только процессам испускания и поглощения света, но и самому свету, что свет состоит из отдельных порций - световых квантов.

Квант света, а более широко - электромагнитного излучения, называется фотоном (термин ввел американский физико-химик Льюис в 1929 году).

Облучение атомов светом: волновая модель (а) – фотоэффект невозможен, корпускулярная модель (б) – фотоэффект возможен.

12

Эффект Комптона выявил корпускулярные свойства света (1922). Экспериментально было показано, что рассеяние света свободными электронами происходит по законам упругого столкновения частиц.

Было экспериментально доказано, что наряду с известными волновыми свойствами (проявляющимися, например, в дифракции) свет обладает и корпускулярными свойствами. В этом проявляется дуализм света, его корпускулярно-волновая природа.

Возникло формальное логическое противоречие: для объяснения одних явлений надо было считать, что свет имеет волновую природу, для объяснения других - корпускулярную. Разрешение этого противоречия и привело к созданию физических основ квантовой механики.

Схема установки для измерения эффекта Комптона

13

В 1913 году Бор применил идею квантов к планетарной модели атома.

Эта модель на основе классических представлений приводила к парадоксу - радиус орбиты электрона должен был постоянно уменьшаться из-за излучения и электрон должен был упасть на ядро.

Для объяснения устойчивости атомов Бор предположил, что электрон испускает световые волны не постоянно, а лишь при переходе с одной орбиты, удовлетворяющей условиям квантования, на другую рождается квант света.

Модель атома водорода Бора

14

В 1924 году французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма.

Согласно этой гипотезе, каждой частице (электроны, протоны и др.), независимо от ее природы, соответствует волна (волна де Бройля), длина которой связана с ее импульсом: если энергия частицы Е, а ее импульс р, то длина волны де Бройля , а частота

(h-постоянная Планка).

Волны де Бройля – проявление универсального корпускулярно-волнового дуализма материи.

Дифракция электронов на тонкой пластинке (слева) и дифракция нейтронов на кристалле кварца (справа).

ph /=λ hE /=ν

Для частиц не очень высокой энергии, движущихся со скоростью v<<c (скорости света), импульс равен p=mv (где m— масса частицы), и λ=h/p=h/mv . Следовательно, длина волны де Бройля тем меньше, чем больше масса частицы и её скорость. Например, частице с массой в 1 г, движущейся со скоростью 1 м/с, соответствует волна де Бройля с λ=6,62х10-31 м, что лежит за пределами доступной наблюдению области. Поэтому волновые свойства несущественны в механике макроскопических тел.

В 1927 году в эксперименте наблюдалась дифракция электронов, а позднее - дифракция и других частиц, тем самым справедливость гипотезы де Бройля была подтверждена экспериментально.

15

Подтвержденная на опыте идея де Бройля о двойственной природе микрочастиц — корпускулярно-волновом дуализме — принципиально изменила представления об облике микромира. Поскольку всем микрообъектам (по традиции за ними сохраняется термин «частица») присущи и корпускулярные, и волновые свойства, то, очевидно, любую из этих «частиц» нельзя считать ни частицей, ни волной в классическом понимании.

Возникла потребность в такой теории, в которой волновые и корпускулярные свойства материи выступали бы не как исключающие, а как взаимно дополняющие друг друга.

В основу такой теории — волновой, или квантовой, механики — и легла концепция де Бройля. Это отражается даже в названии «волновая функция» для величины, описывающей в этой теории состояние системы. Квадрат модуля волновой функции определяет вероятность состояния системы, и поэтому о волнах де Бройля часто говорят как о волнах вероятности (точнее, амплитуд вероятности).

16

В 1926 году австрийский физик Шредингер предложил уравнение, описывающих поведение волн, соответствующих каждой частице (волн де Бройля), во внешних силовых полях.

Это волновое уравнение, которое получило название уравнение Шредингера, является основным уравнением нерелятивистской квантовой механики, волновой механики.

В 1928 году Дираком было сформулировано релятивистское уравнение, описывающее движение электрона во внешнем силовом поле.

Уравнение Дирака стало одним из основных уравнений релятивистской квантовой механики.

17

Разработка вопросов теории атома привела в выводу, что движение электронов в атоме нельзя описывать в терминах классической механики (как движение по определенной траектории, орбите), что вопрос о движении электрона между уровнями несовместим с характером законов, определяющих поведение электрона в атоме.

Для построения модели атома необходима принципиально новая теория, которая для описания поведения электрона в атоме не оперирует понятиями ньютоновской механики. В новую теорию могли входить только величины, относящиеся к начальному и конечному стационарным состояниям атома.

Принцип неопределённости Гейзенберга в квантовой механике — фундаментальное неравенство (соотношение неопределённостей), устанавливающее предел точности одновременного определения пары характеризующих квантовую систему физических наблюдаемых величин (например, координаты и импульса, тока и напряжения, электрического и магнитного поля). Соотношение неопределенностей задает нижний предел для произведения среднеквадратичных отклонений пары квантовых наблюдаемых.

18

«Соотношение неопределенностей «Гейзенберга: любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определенные, точные значения (1927).

Соотношение неопределенностей устанавливает, что понятия координаты и импульса в классическом смысле не могут быть применены к микроскопическим объектам.

Никакой эксперимент не может привести к одновременно точному измерению входящих в соотношение неопределенностей динамических переменных. При этом неопределенность в измерениях связана не с несовершенством измерительной техники, а с объективными свойствами микромира.

К соотношению неопределенностей

19

Важное отличие квантовой механики от классической состоит в том, что в классических теориях описываются свойства объектов вне их отношения к тем приборам, с помощью которых обнаруживаются эти свойства, в то время как в квантовой механике учет условий наблюдения неотъемлем от самой теоретической постановки проблемы (при этом в различных макроскопических ситуациях микроявления обнаруживают различные, порой прямо противоположные свойства, например, частицы или волны).

Копенгагенская интерпретация (толкование квантовой механики - Бор, Гейзенберг):

• Вероятностный характер предсказаний квантовой механики принципиально неустраним, то есть, он вовсе не говорит о том, что наши знания ограничены, что мы не знаем значений каких-то скрытых переменных. В классической физике вероятность использовалась для описания результатов типа подбрасывания игральной кости, хотя фактически этот процесс считался детерминированным. То есть, вероятности использовались вместо неполного знания. Напротив, копенгагенская интерпретация утверждает, что в квантовой механике результат измерения принципиально недетерминирован.

• Физика — это наука о результатах измерительных процессов. Измышления на тему того, что происходит за ними, неправомерны. Копенгагенская интерпретация отбрасывает вопросы типа «где была частица до того, как я зарегистрировал её местоположение» как бессмысленные.

• Акт измерения вызывает мгновенное схлопывание, «коллапс волновой функции». Это означает, что процесс измерения случайно выбирает в точности одну из возможностей, допустимых волновой функцией данного состояния, а волновая функция мгновенно изменяется, чтобы отразить этот выбор.

20

Многомировая интерпретация (Эверетт) - это

интерпретация квантовой механики, которая предполагает существование «параллельных вселенных», в каждой из которых действуют одни и те же законы природы и которым свойственны одни и те же мировые постоянные, но которые находятся в различных состояниях. Многомировая интерпретация отказывается от недетерминированного коллапса волновой функции, который сопутствует измерению в копенгагенской интерпретации. Многомировая интерпретация обходится в своих объяснениях только явлением квантовой запутанности и совершенно обратимой эволюцией состояний.

21

Кот Шрёдингера (кошка Шрёдингера) — объект мысленного эксперимента, предложенного Эрвином Шрёдингером, которым он хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим.

Вектор состояния кота может коллапсировать двумя способами: в сторону жизни и в сторону смерти. 

Аристотелева логика двузначная: да или нет. Специалисты по квантовой механике ввели третий член в логику: «может быть».

Парадокс друга Вигнера

 

22

Лапласовский детерминизм*** Лаплас "Опыт философии теории 

вероятностей" (1814 год).     С позиций лапласовского 

детерминизма ньютоновская механика с ее однозначными законами является каноном, идеалом научного знания вообще, всякой научной теории. 

Любая теория с этой точки зрения должна исчерпывающим образом описывать свойства реальности на базе строго однозначных законов, как это делает механика.

    Каждое событие является следствием какой-либо причины. Невозможны события, не имеющие причины.

П→С

К концепции Лапласовского детерминизма: жестко детерминированный процесс при точно заданном начальном положении и начальной скорости.

23

Активное применение теории вероятностей в физике, которое началось с середины 19 века, привело к появлению нового типа законов и теорий - статистических. 

Статистический характер квантовой механики заставляет признать, что одна причина может иметь разные следствия

                                                       С1

      П→С2

и к одному следствию могут вести разные причины (неоднозначный детерминизм)

П1

                       СП2

Индетерминизм – отрицание того, что все события должны обязательно иметь причину.

   

24

Значение эксперимента возросло в квантовой механике. 

Сам  измерительный  прибор  влияет  на  результаты  измерения  и участвует в формировании изучаемого явления.

«Квантовая  теория  уже  не  допускает  вполне  объективного описания природы» (Гейзенберг).

Человек  перешел  на  тот  уровень  исследования,  где  его  влияние не  устранимо  в  ходе  эксперимента  и  фиксируемым   результатом  выступает  взаимодействие  изучаемого  объекта  и измерительного прибора.

25

Принципиально новые моменты в исследовании микромира:

• каждая элементарная частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами;

• вещество может переходить в излучение (аннигиляция частицы и античастицы дает фотон);

• можно предсказать место и импульс элементарной частицы только с определенной вероятностью;

• прибор, исследующий реальность, влияет на нее;• точное измерение возможно только при изучении

потока частиц, но не одной частицы.

Относительность восторжествовала и в квантовой механике!

26

Основные физические взаимодействия

В  настоящее  время  в  физике определено  существование четырех  типов  физических взаимодействий,  которые определяют  структуру  нашего мира: 

сильное (а),

электромагнитное б),

слабое (в),

гравитационное (г).

27

Гравитационное взаимодействие – первое, которое было открыто.Составляет основу закона всемирного тяготения. 

За счет гравитационного взаимодействия существуют звездные системы. Если бы его не было, то планеты могли бы «не захотеть» вращаться вокруг звезд. Именно гравитационное взаимодействие создает тот порядок (космос по-гречески), благодаря которому существуют не только звездные системы, но и образуются все крупные тела из диффузного вещества. 

Гравитационное взаимодействие лежит в основе развития Вселенной.

28

Электромагнитное взаимодействие  во  много  раз  сильнее гравитационного.

Электромагнитное  взаимодействие  необходимо  для  создания  и соединения  атомов  и  молекул.  Ядро  атома,  в  котором  находятся протоны  и  нейтроны,  заряжено  положительно,  и  оно  притягивает отрицательно заряженные электроны, которые вращаются вокруг ядра.

Сильные взаимодействия происходят между адронами (от греч. сильный). Сильные  взаимодействия  возможны  только  на  малых  расстояниях (радиус  примерно  10-13  см),  они  короткодействующие  в  отличие  от длиннодействующих гравитационных и электромагнитных.

Одно из проявлений сильных взаимодействий – ядерные силы. Сильные  взаимодействия  открыты  Э.Резерфордом  в  1911  г.  одновременно  с 

открытием  атомного  ядра  (этими  силами  объясняется  рассеяние  α–частиц, проходящих через вещество). 

Сильные взаимодействия в 100-1000 раз сильнее электромагнитного. Они необходимы для создания ядер атомов, а также самих элементарных частиц,  из  которых  состоят  ядра  атомов  –  протонов  и  нейтронов. Ядерные  силы  не  зависят  от  заряда  частиц.  В  сильных взаимодействиях величина заряда сохраняется.

29

Слабые взаимодействия слабее электромагнитного, но сильнее гравитационного.

  Они  также  действуют  только  на  очень  малых расстояниях  в  пределах  атомного  ядра.  Радиус действия  на  два  порядка  меньше  радиуса  сильного взаимодействия (10-15 см). 

За  счет  слабого  взаимодействия  происходят превращения атомных ядер,  а  так  как  именно  такие процессы  протекают  в  недрах  звезд,  то  можно сказать,  что  за  счет  слабого  взаимодействия  светит Солнце. 

Электромагнитное  и  слабое  взаимодействия  являются проявлениями  единого  электрослабого взаимодействия. 

30

Считается, что к этим четырем взаимодействиям сводятся все силы в природе.

Теоретическая физика предполагает, что при очень больших температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия объединяются в одно.

При энергиях 100 ГэВ (100 млд эВ) объединяются электромагнитные и слабые взаимодействия.

при энергии порядка 1015 ГэВ  можно достичь объединения с ними сильных взаимодействий (Теория Великого объединения) (ТВО), 

при энергии 1019 ГэВ к взаимодействиям ТВО присоединится и гравитационное взаимодействие, «образуя» ТВС (Теорию Всего Сущего). 

31

Элементарные частицы

Все частицы длятся на два класса – фермионы и бозоны.

Фермионы составляют вещество,

бозоны переносят взаимодействие.

32

Основные характеристики фундаментальных взаимодействий

Вид Радиус действия, м Переносчик взаимодействия

Гравитационное Бесконечно большой Гравитоны (гипотетическая частица – экспериментально не обнаружена)

Электромагнитное Бесконечно большой Фотоны

Ядерное (сильное) 10-13 Глюоны

Слабое 10-15 Промежуточные векторные бозоны

Четыре типа взаимодействий переносятся каждое своим типом бозонов. Фотон, квант света, переносит электромагнитные взаимодействия, гравитон – гравитационные, действующие между любыми телам, имеющими массу. Восемь глюонов (клей) осуществляют перенос сильных ядерных взаимодействий, связывающих кварки. Промежуточные векторные бозоны переносят слабые взаимодействия, ответственные за некоторые распады.

33

Фермионы делятся на два класса

лептоны (от греч. легкий) и

кварки.

Кварки входят в состав протонов, нейтронов и других подобных им частиц, называемых в совокупности адронами (от греч. сильный).

Сейчас считается, что существует 12 фундаментальных частиц и столько же

античастиц.

34

Шесть частиц – это кварки:

Кварк Аромат Заряд

u «верхний» +2/3

d «нижний» -1/3

c «очарованный» +2/3

s «странный» -1/3

t «истинный» +2/3

b «прелестный» -1/3

35

Кварковый состав элементарных частиц.

а - протон, б – нейтрон.

Протон и нейтрон состоят из трех кварков.

Кварки имеют различные цветовые заряды.

Соответственно различают три заряда сильных взаимодействий – красный (R), зеленый (G) и синий (В) .

Лептоны бесцветны и не участвуют в сильных взаимодействиях.

36

Остальные шесть – лептоны: заряженные - электрон, мюон, тау-частица (или тау-лептон)

и

соответствующие им нейтрино (нейтральные лептоны) - электронное, мюонное и тау-нейтрино.

Заряженный лептон всегда образуется в паре с нейтральным лептоном.

37

12 фундаментальных (или два по шесть) группируют в семейства трех поколений, каждое из четырех членов.

Семейство-поколение

Кварки Лептоны

Семейство-поколение I u, d e – электрон,

νе – электронное нейтрино

Семейство-поколение II c, s µ- мюон,

νµ - мюонное нейтрино

Семейство-поколение III t, b τ- тау-частица,

ντ - тау-нейтрино

u- up – вверх; d – down – вниз; с-charm – очарование; s – strange – странный; t – truth – истинный; b – beauty – прелестный.

Частицы второго и третьего поколений рассматриваются как возбужденные состояния частиц первого поколения в соответствии с их расположением в таблице.

38

Все обычное вещество во Вселенной состоит из частиц первого поколения.

Протон состоит из двух «верхних» и одного «нижнего» кварков, нейтрон – из одного «верхнего» и двух «нижних».

Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных протонов и нейтронов), окруженного электронным облаком.

39

• Кварки никогда не встречаются в свободном состоянии, а находятся в постоянном плену, заключены внутри адронов.

Гипотеза конфайнмента (от англ. confinement – пленение), кварков внутри адронов, согласно которой невозможно вылетание свободного кварка из адрона.

• Все частицы участвуют в гравитационных и в слабых взаимодействиях,

в электромагнитных взаимодействиях участвуют только те частицы, которые имеют электрический заряд. Известно, что кварки имеют дробный электрический заряд. Значит, они также участвуют в электромагнитных взаимодействиях, как и электрон.

Нейтрино в электромагнитных взаимодействиях не участвуют.

Только кварки, обладающие цветным зарядом, способны к сильным взаимодействиям.