Теоретическая физика
Представьте себе полоску бумаги, разделенную на три части вертикальными линиями. Средняя часть – это так называемая классическая физика, основателем которой считается Ньютон. Она описывает природные явления, непосредственно окружающие нас. Движения планет, атмосферные процессы, принципы работы различных технических устройств – автомобилей, самолетов, пароходов. Да всего и не перечислить. Конечно, современная классическая физика несравнима с тем, что сделал Ньютон. Это земля и небо. Но основополагающие принципы остались те же — Ньютоновские. За исключением теории электромагнитного поля, созданной в середине 19 века великими английскими учеными Фарадеем и Максвеллом.
Вернемся к нашей полоске бумаге. Справа от ее серединной части (классической физики) находится Эйнштейновская теория относительности (специальная СТО и общая — ОТО), объясняющая свойства пространства времени и устройство Вселенной в целом. Эти теории были созданы в начале прошлого века. Практического значения они не имеют, разве что для систем GPS – навигации, которые без поправок, вносимых ОТО в классическую физику, работать бы просто не могли. Почему теория относительности имеет так мало практических применений? Тут все дело в том, что масштабы, на которых проявляются действия СТО и ОТО недоступны и вряд ли когда-нибудь будут доступны человеку. Хотя, вот в GPS такие применения нашлись.
Теория относительности
Создание ее – очень интересная история, о которой следует рассказать немного подробнее. СТО была создана Эйнштейном на основании других работ, прежде всего Лоренца и Пуанкаре. Но те были математиками и не могли придать своим результатам того, что называется «физическим смыслом». Эйнштейн собрал все эти «кирпичики», дополнил их необходимыми построениями и выстроил из них единую конструкцию, так называемую специальную теорию относительности (СТО), объясняющую устройство пространства и времени. Но пустого. Без материи.
Но материя – вот она, вокруг нас. Планеты, звезды, галактики. Как это все существует и по каким законам живет? Со времен Ньютона было ясно – действует открытый им закон всемирного тяготения. Он прекрасно объяснял законы движения всех планет солнечной системы. «Чего же боле»? Но тут вот какая незадача выходила. Философия и физика конца 19-го — начала 20 века, считала, что Вселенная существовала всегда. Да, рождались и потухали звезды, не говоря уж о прочей космической мелочи, Но в целом, во вселенских масштабах, ничего глобально не менялось. Вот представьте себе, что вы летите на самолете над пляжем. Вы видите такую однородную желтую полосу. А если спуститесь, то обнаружите, что эта полоса состоит из разных маленьких песчинок, которые могут отличаться друг от друга. Вы можете взять в руку горсть этого песка и бросить в море. Но пляж останется. Так и тут. Вселенная, как считалось, существовала всегда, она была безграничной и бескрайней и никакие местные катаклизмы изменить ее жизнь не могли.
Но тут возникает вот какой вопрос. Если Вселенная существовала всегда, если действует закон всемирного тяготения Ньютона, то вся материальная сущность должна была давно слипнуться в один комок под действием всемирного тяготения. А этого не случилось.
И Эйнштейн решил, что Ньютоновской закон всемирного тяготения не совсем верен. Тогда-то и возникла ОТО – Общая Теория Относительности. Эйнштейн работал над ней 10 лет. Каково же было разочарование ученого, когда он обнаружил, что его уравнения не имеют стационарного, т.е. независимого от времени решения. Это значило, что Вселенная не могла существовать вечно. У нее должно было быть свое начало (это так называемый «Большой взрыв», природа которого пока непонятна) и свой конец.
Что же? Десять лет жизни и все, как в народе говорится, «псу под хвост»? Эйнштейн стал судорожно искать ошибки, которые он мог допустить в своей работе. И нашел! Но не ошибки, а одну неточность. Его рассуждения допускали существования некого дополнительно члена в уравнениях. При определенном его значении стационарная вселенная могла существовать! Эйнштейн сразу написал по этому поводу статью в один из ведущих немецких физических журналов, которая тут же и была опубликована. А потом уж стал разбираться, в чем тут дело. И к своему ужасу выяснил, что эта добавка означала существование антигравитации. Представить себе он этого не мог. Поэтому отправил в журнал «покаянное письмо», признаваясь в своей ошибке, которую он, впоследствии называл, самой главной ошибкой в своей научной карьере. Интересно, что уже после смерти Эйнштейна выяснилось, что антигравитация существует. Сейчас она называется «темной энергией», хотя природа этого явления никому не понятна.
Как звук распространяется в пространстве?
- » rel=»nofollow»> Печать
Дата Категория: Физика
Звук распространяется посредством звуковых волн. Эти волны проходят не только сквозь газы и жидкости, но и через твердые тела. Действие любых волн заключается главным образом в переносе энергии. В случае звука перенос принимает форму мельчайших перемещений на молекулярном уровне.
В газах и жидкостях звуковая волна сдвигает молекулы в направлении своего движения, то есть в направлении длины волны. В твердых телах звуковые колебания молекул могут происходить и в направлении перпендикулярном волне.
Звуковые волны распространяются из своих источников во всех направлениях, как это показано на рисунке справа, на котором изображен металлический колокол, периодически сталкивающийся со своим языком. Эти механические столкновения заставляют колокол вибрировать. Энергия вибраций сообщается молекулам окружающего воздуха, и они оттесняются от колокола. В результате в прилегающем к колоколу слое воздуха увеличивается давление, которое затем волнообразно распространяется во все стороны от источника.
Скорость звука не зависит от громкости или тона. Все звуки от радиоприемника в комнате, будь они громкими или тихими, высокого тона или низкого, достигают слушателя одновременно.
Скорость звука зависит от вида среды, в которой он распространяется, и от ее температуры. В газах звуковые волны распространяются медленно, потому что их разреженная молекулярная структура слабо препятствует сжатию. В жидкостях скорость звука увеличивается, а в твердых телах становится еще более высокой, как это показано на диаграмме внизу в метрах в секунду (м/с).
Путь волны
Звуковые волны распространяются в воздухе аналогично показанному на диаграммах справа. Волновые фронты движутся от источника на определенном расстоянии друг от друга, определяемом частотой колебаний колокола. Частота звуковой волны определяется путем подсчета числа волновых фронтов, прошедших через данную точку в единицу времени.
Фронт звуковой волны удаляется от вибрирующего колокола.
В равномерно прогретом воздухе звук распространяется с постоянной скоростью.
Второй фронт следует за первым на расстоянии, равном длине волны.
Сила звука максимальна вблизи источника.
Звуковое зондирование глубин
Пучок лучей гидролокатора, состоящий из звуковых волн, легко проходит через океанскую воду. Принцип действия гидролокатора основан на том факте, что звуковые волны отражаются от океанского дна; этот прибор обычно используется для определения особенностей подводного рельефа.
Упругие твердые тела
Звук распространяется в деревянной пластине. Молекулы большинства твердых тел связаны в упругую пространственную решетку, которая плохо сжимается и вместе с тем ускоряет прохождение звуковых волн.
Квантовый парадокс Зенона
Алан Тьюринг
Если постоянно осуществлять наблюдение за нестабильной квантовой частицей, то она никогда не сможет распасться, иными словами, наблюдая за частицей, мы так или иначе вносим изменения в её состояние, например, сообщаем ей энергию или дополнительный импульс: чем стабильнее состояние частицы, тем с большей вероятностью она распадётся.
Впервые эффект описал Алан Тьюринг ещё в 1957-м году, однако на практике это явление удалось пронаблюдать только в 1989-м — эксперимент провёл Дэвид Вайнленд: как только на атомы воздействовали с помощью ультрафиолетового излучения, их переход в двухуровневое (возбуждённое) состояние подавлялся.
Сверхтекучесть
Если температуру вещества в состоянии квантовой жидкости охладить до состояния, близкого к абсолютному нулю, то вещество приобретёт способность протекать через узкие каналы вроде, например, капилляров, без трения.
Научное обоснование явления таково: атомы вещества в состоянии квантовой жидкости (например, такую форму часто принимает гелий-3) — бозоны, и с точки зрения квантовой механики любое число её частиц может находиться в одинаковом состоянии. Чем ближе температура к абсолютному нулю, тем большее число атомов находится в одном энергетическом состоянии, и при сверхнизкой температуре энергия столкновений может быть очень мала, так что рассеяния энергии в зазорах между атомами не произойдёт — поскольку энергия не рассеивается, то и трения не будет.
До недавнего времени считалось, что подобное состояние характерно только для жидкого гелия, однако не так давно оказалось, что оно присуще и твёрдому гелию, а также другим веществам, основу которых составляют бозоны, температура которых близка к абсолютному нулю.
Кот Шрёдингера
В 1935-м году физик Эрвин Шрёдингер провёл мысленный эксперимент, получивший впоследствии название «Кот Шрёдингера» — выдвинутая им теория послужила предметом широкой дискуссии в научных кругах и сейчас применяется в квантовых вычислениях и в квантовой криптографии.
Эрвин Шрёдингер
Шрёдингер задался целью доказать, что, при наблюдении за макроскопическими системами, возникающей в таких случаях неопределённости можно избежать, осуществляя прямое наблюдение за объектом. Краткое изложение его умозаключений такова: некоего кота нужно поместить в герметичную коробку с находящейся внутри адской машиной, которая при определённых условиях испускает синильный газ, ядовитый для живых организмов. В той же коробке находится очень малое количество радиоактивного вещества, и один атом может либо распасться в течение следующего часа, либо с той же долей вероятности не распасться.
Если в это время не производить никаких прямых наблюдений, то есть не открывать коробку с котом, то можно предположить, что кот всё это время может как оставаться живым, так и погибнуть. Соответственно, пока эксперимент не подтверждён, кот остаётся одновременно и живым, и мёртвым — до тех пор, пока мы не откроем коробку и не увидим результат.
Суть в том, что в природе такого не бывает, и это касается как живых организмов, так и атомов — ядро может быть или распавшимся, или не распавшимся, а промежуточное состояние невозможно. Однако до осуществления прямого наблюдения атом и кот находятся в состоянии, называемом суперпозицией, — иначе говоря, в двух состояниях одновременно.
Корпускулярная и волновая теории света
Действие одного тела на другое может передаваться переносом вещества или изменением среды без переноса вещества. К примеру, заставить колокольчик звенеть можно, если попасть в него камнем. Это пример воздействия переноса вещества (рис. а). Если же к язычку колокольчика привязать шнур (рис. б), взять его конец и начать дергать, то переноса вещества происходить не будет. Но колокольчик зазвенит, поскольку среда (шнурок) между рукой и колокольчиком будет изменяться (колебаться).
В соответствии с двумя способами передачи действия от источника к приемнику возникли и начали параллельно развиваться две теории о том, что такое свет, и какова его природа:
- корпускулярная — эту теорию выдвигал Ньютон;
- волновая — эту теорию выдвигал Гюйгенс.
Согласно корпускулярной теории, свет — это поток частиц (корпускул), идущих от источника во все стороны (происходит перенос вещества). Согласно волновой теории, свет — это волна (происходит изменение среды).
Обе теории оказались несостоятельными. Так, корпускулярная теория не объясняла, почему пересекающиеся пучки света в пространстве никак не взаимодействуют друг с другом. Ведь если бы это были частицы, то они бы сталкивались и рассеивались. Однако волновая теория это легко объясняла на примере волн на поверхности воды, которые свободного проходят друг через друга, не оказывая взаимного влияния. Но она не могла объяснить прямолинейное распространение света. Хотя в корпускулярной теории оно легко объясняется действием закона инерции.
Вскоре Максвеллу удалось доказать, что свет представляет собой электромагнитную волну. Но в начале XX века выяснилось, что в одних случаях свет ведет себя как волна, в других — как частица. Так, явление интерференции и дифракции света легко объясняется, если принять свет за волну. Но явления излучения и поглощения света могут быть объяснены только в том случае, если считать свет потоком частиц.
В связи с двойственной природой света в физике начали развиваться два направления: геометрическая и волновая оптика.
Определения
Геометрическая оптика — раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах, отражения света от зеркально-отражающих поверхностей и принципы построения изображений при прохождении света в оптических системах без учёта его волновых свойств.
Волновая оптика — это отдел физической оптики, в котором изучают интерференцию, дифракцию, поляризацию и другие явления, для понимания которых необходимо и достаточно представление о волновой природе света.
Пример №1. Учитывая, что свет распространяется прямолинейно, вычислить площадь тени, которую отбрасывает квадратное препятствие со стороной квадрата 1 м. Плоскость квадратного препятствия перпендикулярна направлению распространения света от точечного источника. Учесть, что расстояние от источника света до препятствия равно 6 м, а расстояние от препятствия до плоской параллельной ему поверхности, в которой образовалась тень — 4 м. Источник света равноудален от углов квадратного препятствия.
Построим рисунок:
Согласно условию задачи, OA = OC, тогда AB = CD. Так как свет распространяется прямолинейно, тень примет вид квадрата со стороной BD. Следовательно, нам нужно найти его площадь, равную квадрату его стороны.
Треугольники OAC и OBD подобны по двум сторонам и углу между ними, следовательно AC подобна BD. OA относится к OB следующим образом:
OAOB..=66+4..=610..
Следовательно:
ACBD..=610..
1BD..=610..
BD=106..≈1,67
Тогда площадь тени равна:
S=BD2=(1,67)2≈2,79(кв.м)
Что быстрее света в нашем мире? Часть I
Скорость больше скорости света в вакууме — это реальность. Теория относительности Эйнштейна запрещает лишь сверхсветовую передачу информации. Поэтому есть довольно много случаев, когда объекты могут двигаться быстрее света и ничего при этом не нарушать. Начнем с теней и солнечных зайчиков.
Если создать на далекой стене тень от пальца, на который светите фонариком, а потом пальцем пошевелите, то тень задвигается гораздо быстрее пальца. Если стена расположена очень далеко, то движение тени будет отставать от движения пальца, так как свет должен будет еще долететь от пальца до стены, но все равно скорость движения тени будет во столько же раз больше. То есть, скорость движения тени не ограничена скоростью света.
Кроме теней быстрее света могут двигаться и «солнечные зайчики». Например, пятнышко от лазерного луча, направленного на Луну. Расстояние до Луны 385 000 км. Если слегка поводить лазером сдвинув его едва лишь на 1 см, то он успеет пробежать Луну со скоростью примерно на треть больше световой.
Подобные вещи могут происходить и в природе. Например, световой луч от пульсара, нейтронной звезды, может прочесывать облако пыли. Яркая вспышка порождает расширяющееся оболочку из света или другого излучения. Когда она пересекает поверхность облака, то создается световое кольцо, увеличивающееся быстрее скорости света.
Все это примеры вещей, движущихся быстрее света, но которые не являлись физическими телами. При помощи тени или зайчика нельзя передать сверхсветовое сообщение, так что и общение быстрее света не получается.
А вот уже пример, который связан с физическими телами. Забегая вперед, скажем, что опять же сверхсветовых сообщений не получится.
В системе отсчёта, связанной с вращающимся телом, удалённые объекты могут двигаться со сверхсветовой скоростью. Например, Альфа Центавра в системе отсчёта, связанной с Землёй, движется со скоростью, более чем в 9600 раз превышающей скорость света, «проходя» расстояние около 26 световых лет в сутки. И точно такой же пример с Луной. Встаньте к ней лицом и повернитесь вокруг своей оси за пару секунд. За это время она повернулась вокруг вас на примерно на 2,4 миллиона километров, то есть в 4 раза быстрее скорости света. Ха-ха, скажете вы, так это ж не она вертелась, а я…А вспомните, что в теории относительности все системы отсчета независимы, включая и вращающиеся. Так что, с какой стороны еще посмотреть…
И что же делать? Ну на самом деле, никаких противоречий здесь нет, ведь опять же, это явление не может быть использовано для сверхсветовой передачи сообщений. Кроме того заметьте, в своей окрестности Луна не превышает скорости света. А именно на превышение локальной скорости света все запреты и накладываются в общей теории относительности.
Темные материя и энергия
Или, например, «темная материя». Что это такое – непонятно. Ее существование сейчас не вызывает сомнений. Если бы этой субстанции не было, то звезды в галактиках двигались бы совсем не так, как показывают результаты наблюдений.
А ведь на эту самую темную материю, по расчетам приходится от 20 до 25 процентов всего того, что есть во Вселенной.
Предполагается, что это какие-то элементарные частицы, которые участвуют в гравитационном взаимодействии, но никак не реагируют на электромагнитные волны. Потому мы их и не можем наблюдать. Тут та же ситуация. Само существование темной материи следует из выводов общей теории относительности (законы движения звезд в галактиках), а ее природа – область квантовой физики. Но одно с другим не стыкуется. Пока тупик.
Наша Вселенная расширяется, причем с ускорением. Согласно общепринятой теории относительности, такого быть не может. Но есть! Внятного объяснения этому эффекту нет. Какая-то антигравитация. Причем, на нее приходится до 75 % всей массы – энергии Вселенной. Сейчас пытаются как-то это объяснить исходя из сомнительных представлений о спонтанных флуктуациях вакуума. Мол, и «Большой взрыв», породивший нашу Вселенную, возник именно по такой же причине. Флуктуации вакуума, если они действительно есть, это область квантовой физики. А глобальные процессы во Вселенной – общей теории относительности. Такие вот дела. На все про все, что мы знаем о Вселенной (звезды, планеты, межзвездный газ и пыль, излучение), приходится только 5% от ее, Вселенной, общей массы-энергии. А все остальные 95% — не пойми что.
Парадокс Клейна
Представьте задачу: релятивистскую частицу необходимо переместить через потенциальный барьер, при этом потенциальная энергия частицы меньше высоты барьера — другими словами, энергии для преодоления барьера стандартным путём частице не хватит. С точки зрения классической механики такое явление невозможно, однако, согласно квантовой механике частица всё же может преодолеть барьер.
Точнее, не совсем так: дело в том, что при задействовании определённой энергии при сильном поле произойдёт рождение второй, парной частицы, или античастицы, которая возникнет как раз по другую сторону барьера.
Как фотоны преобразуются в материю?
Как следует из названия коллайдера, ускорение ионов – это ускорение атомных ядер, лишенных своих электронов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а протоны (внутри ядра) имеют заряд положительный, в результате процесса Брейта-Уилера остается ядро с положительным зарядом. Чем тяжелее элемент, тем больше в нем протонов и тем сильнее положительный заряд образующегося иона.
В ходе исследования команда использовала ионы золота, которые содержат 79 протонов, и мощный заряд. Когда ионы золота ускоряются до очень высоких скоростей, они генерируют круговое магнитное поле, которое может быть таким же мощным, как перпендикулярное электрическое поле в коллайдере. Там, где они пересекаются, эти равные поля могут создавать электромагнитные частицы, или фотоны.
Диаграмма, показывающая, как близкое попадание ионов золота приводит к столкновениям фотонов. (Изображение предоставлено исследователями Брукхейвенской лаборатории)
Вот где происходит волшебство: когда два иона просто разминулись, два их облака фотонов могут взаимодействовать и сталкиваться. Сами столкновения обнаружить невозможно, но возникающие в результате электрон-позитронные пары поддаются наблюдению. «Однако одного обнаружения электрон-позитронной пары недостаточно», – пишут авторы исследования.
Дело в том, что фотоны, образующиеся в результате электромагнитного взаимодействия, являются виртуальными фотонами, ненадолго появляющимися и исчезающими, и не имеют той же массы, что и их «реальные» аналоги. А для наблюдения процесса Брейта-Уилера должны столкнуться два реальных фотона, а не виртуальных.
Процесс Брайта-Уилера
Но при релятивистских скоростях виртуальные частицы могут вести себя как настоящие фотоны. К счастью, теперь физики могут определить, какие пары электрон-позитрон образуются в процессе Брейта-Уилера: они проанализировали 6000 пар электронов и позитронов, которые образовались в ходе столкновения ядер атомов золота на коллайдере (RHIC). Также физики измерили все распределения энергии, массы и квантовые числа систем.
Следует также отметить, что работа команды в высшей степени убедительна – по крайней мере, она показывает, что исследователи идут по правильному пути. Ну а пока они будут продолжать наблюдения за созданием материи, мы смело можем ожидать дальнейших и удивительных открытий.
ЭПР-парадокс
Эксперимент был направлен на опровержение такого фундаментального для квантовой механики утверждения, как принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит, что нельзя одновременно измерить две характеристики частицы, зачастую имеют ввиду – импульс и координату.
ЭПР-парадокс звучит следующим образом. Пусть две частицы одного сорта образовались вследствие распада третьей частицы. Тогда сумма их импульсов будет равна импульсу исходной частицы, согласно закону сохранения импульса. Далее, зная импульс исходной частицы (которую заранее подготовят экспериментаторы), и измерив импульс второй частицы, можно рассчитать импульс первой. То есть в результате измерения мы получили такую характеристику первой частицы как импульс. Теперь измерим координату второй частицы, и в итоге будем иметь две измеренные характеристики одной частицы, что прямо противоречит принципу неопределенности Гейзенберга.
Однако в самой же квантовой механике есть средства для разрешения этого парадокса. Согласно законам квантового мира – любое измерение приводит к изменению характеристик измеряемого тела. Тогда до измерения координаты второй частицы, действительно, может иметь место определенный импульс. Но в момент измерения координаты состояние частицы меняется и нельзя утверждать, что эти характеристики были измерены одновременно.
Тем не менее, в результате корпускулярно-волнового дуализма, находясь на некотором расстоянии, эти возникшие частицы имеют состояния, описываемые одной волновой функцией. Из этого вытекает, что измерение (а значит и изменение) импульса одной частицы приводит и к измерению импульса другой. Причем увеличение расстояния между этими частицами не запрещается, что опять же противоречит принципу локальности.
Квантовая физика
Остался левый кусок нашей полоски бумаги. Это – квантовая физика, объясняющая устройство микромира, т.е. тех элементарных сущностей, из которых все и состоит. Квантовый мир, его устройство, принципиально отличается от наших обыденных представлений. Недаром великий американский физик, Нобелевский лауреат Фейнман (он занимался как раз квантовой физикой), будучи очень остроумным человеком, произнес ставшую уже знаменитой фразу «Если кто-то сказал, что он понимает, что такое квантовая физика – значит, он ничего в ней не понимает».
В отличие от СТО и ОТО, квантовая физика имеет множество практических приложений. На ее принципах работают компьютеры, различные мобильные устройства. Квантовую физику, в отличие от СТО и ОТО, создавало множество ученых. В частности, наши Нобелевские лауреаты Ландау, Абрикосов, Гинзбург, Алферов, Басов, Прохоров, Черенков, Тамм, Франк, которые работали именно в этой или смежных областях. А еще были экспериментаторы, тоже Нобелевские лауреаты — Капица, Новоселов, Гейм.
