Физические теории

Что такое наука? — Область знаний, которая позволяет выдавать точные предсказания.

С места в карьер! В физике есть три главные константы: скорость света (с = 3 *10¹⁰см/с), гравитационная постоянная (G = 6,67 * 10^-8 см³/гр сек) и постоянная Планка (h/2pi = 1,05 * 10^-27 эрг сек). Теории делятся по тому, как они учитывают эти константы.



1.
Исторически первой была создана классическая (Ньютоновская) механика. Она стоит на законах Ньютона и преобразованиях Галилея.

Преобразования линейны, интуитивны и просты. Машина едет со скоростью 5 [бананов в полторы минуты] относительно меня, я еду на автобусе в том же направлении относительно плакучей ивы со скоростью 2 [банана в полторы минуты], значит относительно ивы машина едет со скоростью 7 [бананов в полторы минуты].

Первый закон Ньютона об опытах в поезде премиум-класса на прямом (!) магнитном монорельсе в вагоне-термосе.

Второй: производная по времени от импульса равна силе (dp/dt = F, жирные — вектора). Именно так, не фе равно ма. Кстати, в его времена не знали что такое производная и придумал ее он (Математические начала натуральной философии). Правда, это было не строго математически и ни о каких пределах тогда не слышали (вы же помните как вводится производная в матане?), но теоретические расчеты (читай --предсказания) сходились с экспериментом.

Третий для решения статических задач и для сглаживания некоторых противоречий.

Так вот, эта теория из трех Констант не учитывает ни одной! Закон всемирного тяготения вводится ручками и является уступкой опыту.

2.
Далее (хронологически) появилась специальная теория относительности. Конечно, математический аппарат для нее уже был готов, но только молодому тогда Эйнштейну удалось обосновать перед серьезными физиками состоятельность теории, использующую его (аппарат).

Суть — все как раньше (про поезд), но есть максимальная предельная скорость, скорость света, которая, более того, для света одна и та же для любого(!) наблюдателя, стоите Вы или бежите и не важно в какую сторону. Если хотите, я честно выведу преобразования Лоренца только из этих соображений и только с помощью ловкости рук!

Вот это и называется учесть скорость света. Прям так сразу, как постулат в основании теории.

Кстати сказать, завершенная к тому моменту электродинамика уже удовлетворяла этим условиям. Я про скорость света.

3.
Следующей вехой была общая теория относительности. Здесь мы имеем искривление пространства-времени, как реакцию пространства на (если я скажу «на массу», серьезные ребята меня побьют. Но по сути энергия и масса одно и то же и так как у всего, что имеет массу есть энергия, но не у всего с энергией есть масса. Например фотон. Поэтому говорим -->), так называемый, тензор энергии-импульса, который можно считать гравитационным зарядом. Этим искривлением и объясняется то, что даже безмассовые частицы заворачивают черные дыры. Они-то летят прямо, но это «прямо» неправильное, не совсем прямое.

В наши удивительные времена мы используем и эту теорию во всю! Ярким примером служат системы навигации. На спутниках GPS/ГЛОНАСС/… должны быть очень точно синхронизированы часы. Очень! Учитывается замедление времени при движении с большими скоростями, плюс движение с ускорением (центростремительное), плюс искривление пространства-времени при движении вблизи массивного тела.

Вот тут G и c такие, какими должны быть.

4.
Если предыдущие теории были почти целиком плодом одного человека, то квантовая механика это дитя мозгового штурма. В двадцатых годах того века интенсивная переписка оформила теорию и была проведена проверка на экспериментах.

Ничего, казалось не предвещало беды, но три вещи были как бельмо на глазу (на самом деле больше, например зависимость проводимости металлов от температуры):
а) Фотоэффект, за который Эйнштейн получил Нобелевку (ну конееечно, за нее!). Классика, говорившая что свет — волны предсказывала что-то ну совсем не то. Но если представить, что это частицы и написать «шарик стукнул другой и остановился, а второй полетел почти так же быстро, только трение чуть затормозило» в виде формулы, то можно предсказывать все точно.
б) Спектр абсолютно черного тела. Была выведена одними формула для высокой температуры, другими для низкой, третий аппроксимировал, да так удачно, что все стало всегда сходиться. Только эта формула кричала о том, что свет — частица. Этого «третьего» звали Макс Планк и он потратил всю жизнь, чтобы опровергнуть свою формулу, являясь сторонником классической физики.
в) Эффект Комптона. Если свет — волна, то электрон должен качаться на волнах и испускать вторичное излучение такой же длинны волны (читай — энергии, ведь E = hv, где v — длина волны света), что и первичное, падающие. Но в опыте энергия оказывается меньше.

Кстати, еще после выдвижения планетарной модели атома встал вопрос о падении электрона на ядро. Действительно, почему он не падает? По расчетам электродинамики должен за пару наносекунд (если интересно, то напишу подробнее и про это). Так родился один из постулатов (о существовании стационарных орбит). На самом деле есть что-то в том, что в «длину» орбиты электрона должно помещаться целое число волн (Де Бройль предложил рассматривать и частицы как волны, почему нет. Мы же электромагнитные волны стали рассматривать как частицы)

Так мы учли постоянную Планка. Кстати, про перечеркнутую h: когда Нильс Бор приезжал к нам и читал лекции, ему задали вопрос о символе
Заголовок спойлера


Это было 3/2pi.

5.
Поженить квантовую механику и специальную теорию относительности не составило особого труда. Просто вместо уравнения Шредингера, которое является местным аналогом закона сохранения энергии, записываем уравнения Дирака, суть которого — E² = p² c² + m² c⁴ и дальше аналогично 4.

Тут сидит квантовая электродинамика, квантовая теория электрослабого взаимодействия (про фундаментальные виды взаимодействия, если интересно, в следующей статье напишу) и квантовая хромодинамика. Все понятно «качественно», многое понятно «совсем».

Вот мы учли c и h/2pi.

6.
Теории, которые стараются учесть гравитацию почему-то часто имеют приставку супер-. Суперструны, суперсимметрия и т.д. Но ничего не выходит.

Суть проблемы в принципе неопределенности и искривлении пространства-времени. Если мы локализуем частицу в все более маленьком объеме, неопределенность импульса будет увеличиваться вместе с его максимальным возможным значением. С ростом импульса растет (говорим правильно!) тензор энергии-импульса (напомню, гравитационный заряд), а вместе с ним, как говорит ОТО, пространство-время сильнее искривляется, становится «меньше», а это значит бОльшую локализацию и по кругу. Со второй парой (энергия-время) не так интуитивно, но принцип тот же.

Вот и нет у нас пока теории, которая учитывала бы все.

С экспериментом все еще хуже. Приведу числа: два протона на некотором расстоянии (Планковская длина, если Вы понимаете о чем я. Если нет, то не страшно, тут это не важно) взаимодействуют посредством сильного взаимодействия (простите за тавтологию) — 1, электромагнитного — 10^-2 (0,01), слабого — 10^-5 (0,00001), гравитационного — 10^-38 (написать?)
хорошо0,00000000000000000000000000000000000001!

Так что «почувствовать» влияние гравитации пока нельзя, увы.

Литература для бОльшего погружения:
lurkmore.to/%D0%A2%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F_%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8
lurkmore.to/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B5%D1%85%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0
ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F_%D0%BA%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D0%BC%D0%B5%D1%85%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B8
Пара томов Фейнмановских лекций по физике.
Ландау-Лифшиц! Но это для смелых. А так эти 10 томов как Библия для физиков.
ufn.ru/ru/articles/1985/10/d/ — 6-й пункт, спор Эйнштейна с Бором. What's next?

Вывод преобразований Лоренца

Падение электрона + откуда берутся радиоволны

Фундаментальные взаимодействия

Проголосовало 549 человек. Воздержалось 178 человек. Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.

Источник: geektimes.ru/post/247642/