Eksperymentalne dowody na to, że niektóre naruszenia zasad moralnych powodują negatywne konsekwencje fizyczne Eksperymenty te mają wyłącznie cele etyczne i pokazują, w świetle nowych koncepcji przedstawionych w tej książce, w jaki sposób niektóre naruszenia moralności mogą

Cztery siły i ich wirtualne cząstki Skupmy się na TOE fizyki, tak zwanej „ujednoliconej teorii pola” i pomyślmy o siłach i polach. We współczesnej fizyce istnieje codzienna rzeczywistość składająca się z przestrzeni, czasu i obiektów. Wewnątrz obiektów są różne

W przyrodzie występują cztery rodzaje sił: grawitacyjne, elektromagnetyczne, nuklearne i słabe.

Siły grawitacyjne Lub powaga, działać pomiędzy wszystkimi ciałami. Ale siły te są zauważalne, jeśli przynajmniej jedno z ciał ma wymiary porównywalne z rozmiarami planet. Siły przyciągania pomiędzy zwykłymi ciałami są tak małe, że można je pominąć. Dlatego siły oddziaływania między planetami, a także między planetami a Słońcem lub innymi ciałami o bardzo dużej masie można uznać za grawitacyjne. Mogą to być gwiazdy, satelity planet itp.

Siły elektromagnetyczne działają pomiędzy ciałami posiadającymi ładunek elektryczny.

Siły nuklearne(silne) są najpotężniejsze z natury. Działają wewnątrz jąder atomów w odległości 10 -13 cm.

Słabe siły, podobnie jak jądrowe, działają na krótkie odległości rzędu 10-15 cm, w wyniku ich działania procesy zachodzą wewnątrz jądra.

Mechanika uwzględnia siły grawitacyjne, siły sprężystości i siły tarcia.

Siły grawitacyjne

Opisano grawitację prawo powszechnego ciążenia. To prawo było zarysowane przez Newtona pośrodku XVII V. w pracy „Matematyczne zasady filozofii przyrody”.

Grawitacjąnazywana siłą grawitacji, z jaką dowolne cząstki materiału przyciągają się nawzajem.

Siła, z jaką cząstki materiału przyciągają się, jest wprost proporcjonalna do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi .

G – stała grawitacyjna, liczbowo równa modułowi siły grawitacji, z jaką ciało o masie jednostkowej działa na ciało o tej samej masie jednostkowej i znajdujące się w jednostkowej odległości od niego.

G = 6,67384(80) 10 −11 m 3 s −2 kg −1 lub N m² kg −2.

Na powierzchni Ziemi siła grawitacji (siła grawitacji) objawia się jako powaga.

Widzimy, że każdy przedmiot rzucony w kierunku poziomym i tak spada. Każdy przedmiot wyrzucony w górę również spada. Dzieje się to pod wpływem grawitacji, która działa dowolne ciało materialne znajdujące się blisko powierzchni Ziemi. Siła grawitacji działa na ciała i powierzchnie innych ciał astronomicznych. Siła ta jest zawsze skierowana pionowo w dół.

Pod wpływem grawitacji ciało porusza się w kierunku powierzchni planety z przyspieszeniem, które nazywa się przyśpieszenie swobodny spadek .

Przyspieszenie grawitacyjne na powierzchni Ziemi jest oznaczone literą G .

Ft = mg ,

stąd,

G = Ft / M

G = 9,81 m/s 2 na biegunach Ziemi i na równiku G = 9,78 m/s 2 .

Podczas rozwiązywania prostych problemy fizyczne rozmiar G uważa się za równą 9,8 m/s 2.

Klasyczna teoria grawitacji ma zastosowanie tylko do ciał, których prędkość jest znacznie mniejsza niż prędkość światła.

Siły sprężyste

Siły sprężyste nazywane są siłami, które powstają w ciele w wyniku odkształcenia, powodując zmianę jego kształtu lub objętości. Siły te zawsze dążą do przywrócenia ciała do pierwotnej pozycji.

Podczas odkształcania cząstki ciała ulegają przemieszczaniu. Siła sprężystości skierowana jest w kierunku przeciwnym do kierunku przemieszczania się cząstek. Jeśli odkształcenie ustanie, siła sprężystości zanika.

Angielski fizyk Robert Hooke, współczesny Newtonowi, odkrył prawo ustalające związek pomiędzy siłą sprężystości a odkształceniem ciała.

Kiedy ciało ulega odkształceniu, powstaje siła sprężystości, która jest wprost proporcjonalna do wydłużenia ciała i ma kierunek przeciwny do ruchu cząstek podczas odkształcania.

F = k ∆ l ,

Gdzie Do – sztywność nadwozia, czyli współczynnik sprężystości;

∆ l – wielkość odkształcenia pokazująca wielkość wydłużenia ciała pod wpływem sił sprężystych.

Prawo Hooke'a dotyczy odkształceń sprężystych, gdy wydłużenie ciała jest małe, a ciało powraca do swoich pierwotnych wymiarów po ustąpieniu sił, które spowodowały to odkształcenie.

Jeżeli odkształcenie jest duże i ciało nie wraca do pierwotnego kształtu, prawo Hooke'a nie ma zastosowania. Na Bardzo duże odkształcenia powodują zniszczenie ciała.

Siły tarcia

Tarcie występuje, gdy jedno ciało porusza się po powierzchni drugiego. Ma charakter elektromagnetyczny. Jest to konsekwencja oddziaływania pomiędzy atomami i cząsteczkami stykających się ciał. Kierunek siły tarcia jest przeciwny do kierunku ruchu.

Wyróżnić suchy I płyn tarcie. Tarcie nazywa się suchym, jeśli pomiędzy ciałami nie ma warstwy cieczy lub gazu.

Charakterystyczną cechą tarcia suchego jest tarcie statyczne, które występuje, gdy ciała znajdują się w względnym spoczynku.

Ogrom statyczne siły tarcia zawsze równa wartości siła zewnętrzna i skierowane w przeciwnym kierunku. Siła tarcia statycznego uniemożliwia ruch ciała.

Z kolei tarcie suche dzieli się na tarcie poślizg i tarcie walcowanie.

Jeśli wielkość siły zewnętrznej przekroczy wielkość siły tarcia, nastąpi poślizg i jedno ze stykających się ciał zacznie poruszać się do przodu względem drugiego ciała. I zostanie wywołana siła tarcia siła tarcia ślizgowego. Jego kierunek będzie przeciwny do kierunku poślizgu.

Siła tarcia ślizgowego zależy od siły, z jaką ciała naciskają na siebie, od stanu powierzchni trących, od prędkości ruchu, ale nie zależy od powierzchni styku.

Siłę tarcia ślizgowego jednego ciała o powierzchnię drugiego oblicza się ze wzoru:

F tr. = k N ,

Gdzie k – współczynnik tarcia ślizgowego;

N – normalna siła reakcji działająca na ciało od powierzchni.

Siła tarcia tocznego zachodzi pomiędzy ciałem toczącym się po powierzchni a samą powierzchnią. Siły takie powstają na przykład podczas kontaktu opon samochodowych z nawierzchnią drogi.

Wielkość siły tarcia tocznego oblicza się ze wzoru

Gdzie Ft – siła tarcia tocznego;

F – współczynnik tarcia tocznego;

R – promień korpusu tocznego;

N – siła nacisku.

» Jakie są podstawowe interakcje?

Dzisiaj chciałbym opowiedzieć Wam o podstawowych siłach, czyli interakcjach. Dowiesz się czym są, ile ich jest i dlaczego są potrzebne.

No to ruszamy!

Co to są siły podstawowe?

W naszym Wszechświecie istnieje wiele sił fizycznych i interakcji. Na przykład siła tarcia, reakcje jądrowe i wiązania chemiczne. Ale wszystkie są drugorzędne, z wyjątkiem pewnych czterech interakcji. Nazywa się je „fundamentalnymi”. Są rodzajem interakcji cząstek elementarnych i determinują wszystkie inne siły w przyrodzie.

Na samym początku wszechświata istniała jedna fundamentalna interakcja. Ale to nie trwało długo. Już pod koniec pierwszej sekundy później pojedyncza siła podstawowa została podzielona na cztery oddzielne oddziaływania: silną, słabą, elektromagnetyczną i grawitacyjną. Przyjrzyjmy się im wszystkim.

Silna interakcja.

Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego atomów jest najwięcej? pierwiastki chemiczne stabilny? Wydawać by się mogło, że nie ma tu nic skomplikowanego. Jednak w latach 30. ubiegłego wieku poszukiwanie odpowiedzi na to pytanie zmusiło naukowców do wysiłku.

Z kurs szkolny fizyka i chemia Zapewne wiesz, że atom składa się z dwóch części: jądra i krążących wokół niego elektronów. Jądro z kolei składa się z „nukleonów” - protonów i neutronów.

Atom jest elektrycznie obojętny. Ale w jego rdzeniu znajdują się tylko cząstki naładowane dodatnio i neutralnie - protony i neutrony. Powszechnie wiadomo, że tylko ciała naładowane przeciwnie mogą się przyciągać - innymi słowy „plus” do „minus”. Dlatego protony i neutrony muszą się odpychać. Jednak w rzeczywistości atomy jądra nadal istnieją i nie mają znaczenia. Jaki jest powód?

„Może chodzi o grawitację?” - myśleli wtedy fizycy. Okazało się, że nie. Oddziaływanie grawitacyjne, będąc najsłabszym ze wszystkich, nie wytrzymywał sił elektromagnetycznych.

Oznacza to, że jest ich trochę Potężna siła, który wiąże nukleony w stabilne atomy jądra. Nazywa się to „silną interakcją”. Później okazało się, że wiąże także kwarki (przedstawiciele jednej z grup cząstek elementarnych) w cząstki złożone zwane „hadronami” – na przykład te same protony i neutrony.

Oddziaływanie silne obejmuje kwarki, hadrony i gluony. Gluony nie mają masy i są nośnikami oddziaływania silnego. Są one wymieniane przez kwarki i w ten sposób realizują tę podstawową siłę.

Silne oddziaływanie jądrowe jest najpotężniejszą siłą w przyrodzie. Jest tysiąc razy silniejszy od elektromagnetycznego i 100 000 razy silniejszy od „słabego atomu”, a jego moc przewyższa grawitację aż 10 39 (10 do potęgi 39) razy.

Silne oddziaływanie jest brutalne - z tego powodu naukowcy nie mogą obserwować kwarków w stanie swobodnym. Te biedne cząstki są na zawsze uwięzione w hadronach. Okazało się, że im dalej kwarki są od siebie, tym silniejsze jest ich przyciąganie. Dlatego nigdy nie obserwuje się tych cząstek wędrujących samotnie w przestrzeni i istnieją one tylko w hadronach.

Elektromagnetyzm.

Oddziaływanie elektromagnetyczne obejmuje wszystkie ciała i cząstki, które je posiadają ładunek elektryczny. Są jednak wyjątki - mogą w nich uczestniczyć cząstki neutralne, ale składające się z naładowanych. Uderzającym przykładem jest neutron. Ma ładunek neutralny, ale składa się z naładowanych kwarków.

Oddziaływanie elektromagnetyczne zachodzi pomiędzy naładowanymi cząstkami pole elektromagnetyczne. Jej kwantem (cząstką podstawową) jest foton – zarazem troll całego wszechświata.

Elektromagnetyzm polega na tym, że naładowane cząstki oddziałują ze sobą, wymieniając fotony.

Siły elektromagnetyczne występują w postaci sił zarówno przyciągania (ciało o ładunku dodatnim przyciągane jest przez ciało naładowane ujemnie), jak i odpychania.

Interakcja ta odgrywa bardzo ważną rolę w przyrodzie ze względu na swoje wzajemne oddziaływanie. Określa strukturę cząsteczek (wiązania chemiczne) i powłoki elektronowe w atomach. Dlatego wiele rzeczy sprowadza się do elektromagnetyzmu.

Większość typowych sił fizycznych uwzględnianych w „mechanice klasycznej” Newtona to siła tarcia, sprężystość, napięcie powierzchniowe itp. - mają charakter elektromagnetyczny.

Siły elektromagnetyczne również determinują większość właściwości fizyczne ciała makrokosmosu, a także ich zmiany podczas przejścia z jednego stan skupienia do innego. Ta interakcja leży u podstaw zjawisk elektrycznych, magnetycznych, optycznych i chemicznych.

Słabe siły nuklearne.

Oddziaływanie słabe pojawia się przy znacznie mniejszych odległościach jądro atomowe. Jest słabsza niż dwie podstawowe siły opisane powyżej, ale silniejsza niż grawitacja.

Słabe oddziaływania jądrowe obejmują dwie grupy cząstek elementarnych (leptony i kwarki) oraz hadrony. W procesie słabego oddziaływania cząstki wymieniają „nośniki” - bozony W i Z, które są dość masywne, w przeciwieństwie do bezmasowych gluonów i fotonów.

Słabe siły nuklearne odgrywają ważną rolę w przyrodzie. Występowanie reakcji termojądrowych w gwiazdach jest spowodowane właśnie tą interakcją. Innymi słowy, dzięki słabym siły nuklearne Słońce i inne ciała gazowe płoną.

Ale to nie wszystko. Oddziaływanie słabe jest odpowiedzialne za rozpad beta jąder atomowych. Ten proces jest jednym z trzech rodzajów promieniotwórczości. Polega na emisji przez jądro „cząstek beta”: elektronów lub pozytonów.

Dzięki słabemu oddziaływaniu, tzw „słaby rozkład”. Dzieje się tak, gdy masywne cząstki dzielą się na lżejsze. Ważnym przypadkiem szczególnym jest rozpad neutronu - może on zamienić się w proton, elektron i antyneutrino.

Powaga.

Uniwersalna interakcja podstawowa. Podlegają mu wszystkie ciała materialne - od cząstek elementarnych po ogromne galaktyki. Ta podstawowa siła jest najsłabsza ze wszystkich i wyraża się w pragnieniu wzajemnych ciał materialnych - przyciąganiu.

Grawitacja jest siłą dalekiego zasięgu i kontroluje najbardziej globalne procesy we Wszechświecie. Dzięki niemu gwiazdy i ich gromady zostały zgrupowane w galaktyki. Dzięki niemu w mgławicach powstają gwiazdy gazowe, zimne kawałki kamienia w kosmosie grupują się w planety, a podrzucona przez Ciebie kula z pewnością spadnie.

Grawitacja oszukuje fizyków od kilkudziesięciu lat. Jest przedmiotem długotrwałego konfliktu między dwoma głównymi teorie fizyczne: mechanika kwantowa i teoria względności. Ale dlaczego?

Fakt jest taki ogólna teoria teoria względności i fizyka kwantowa opierają się na różnych zasadach i na różne sposoby opisują tę podstawową siłę.

Einstein wyjaśnił grawitację jako zakrzywienie samej czasoprzestrzeni spowodowane masami ciał materialnych. A fizyka kwantowa „kwantyzuje” to zjawisko i opisuje je jako interakcję, która ma swoje własne cząstki nośne. Nazywa się je „grawitonami”.

W mechanice kwantowej czasoprzestrzeń nie jest reprezentowana przez „zmienną dynamiczną”, tj. nie zależy od znajdujących się w nim ciał i układów. A to jest sprzeczne z teorią względności.

Jednak najbardziej zaskakujące jest to, że pomimo zasadniczych różnic wszystkie te teorie zostały udowodnione eksperymentalnie. Mechanika kwantowa doskonale opisuje mikroświat, a teoria względności opisuje Wszechświat w skali makroskopowej.

Obecnie podejmuje się próby łączenia relatywizmu i Fizyka kwantowa i płynnie opisz grawitację. Wtedy zbudowana zostanie „teoria wszystkiego”, a głównym kandydatem do tego tytułu będzie „teoria strun”, splątana po brzegi swoimi 11 wymiarami.

Podstawowe interakcje

W przyrodzie istnieje ogromna różnorodność naturalnych systemów i struktur, których cechy i rozwój tłumaczy się interakcją obiektów materialnych, to znaczy wzajemnym działaniem na siebie. Dokładnie interakcja jest główną przyczyną ruchu materii i jest charakterystyczna dla wszystkich obiektów materialnych, niezależnie od ich pochodzenia i ich systemowej organizacji. Interakcja jest uniwersalna, podobnie jak ruch. Oddziałujące ze sobą obiekty wymieniają energię i pęd (to są główne cechy ich ruchu). W fizyka klasyczna o interakcji decyduje siła, z jaką jeden obiekt materialny oddziałuje na drugi. Przez długi czas był to paradygmat koncepcja działania dalekiego zasięgu - interakcja obiektów materialnych znajdujących się w dużej odległości od siebie i natychmiast przenoszona przez pustą przestrzeń. Obecnie potwierdzono eksperymentalnie inny - koncepcja interakcji krótkiego zasięgu - interakcja przekazywana jest za pomocą pól fizycznych prędkość końcowa, nieprzekraczającej prędkości światła w próżni. Pole fizyczne to szczególny rodzaj materii zapewniający oddziaływanie obiektów materialnych i ich układów (pola: elektromagnetyczne, grawitacyjne, pole sił jądrowych – słabe i silne). Źródłem pola fizycznego są cząstki elementarne (cząstki naładowane elektromagnetycznie), w teoria kwantowa oddziaływanie jest spowodowane wymianą kwantów pola pomiędzy cząstkami.

W przyrodzie zachodzą cztery podstawowe oddziaływania: silne, elektromagnetyczne, słabe i grawitacyjne, które determinują strukturę otaczającego świata.

Silna interakcja(interakcja nuklearna) – wzajemne przyciąganie składniki jądra atomowe (protony i neutrony) i działa w odległości rzędu 10 -1 3 cm, przenoszone przez gluony. Z punktu widzenia oddziaływania elektromagnetycznego proton i neutron to różne cząstki, ponieważ proton jest naładowany elektrycznie, a neutron nie. Ale z punktu widzenia silnego oddziaływania cząstki te są nie do odróżnienia, ponieważ w stanie stabilnym neutron jest cząstką niestabilną i rozpada się na proton, elektron i neutrino, ale w jądrze staje się podobny pod względem właściwości do protonu, dlatego też termin „nukleon” (od łac. jądro- jądro)” i proton z neutronem zaczęto uważać za dwa różne stany nukleonu. Im silniejsze oddziaływanie nukleonów w jądrze, tym stabilniejsze jądro, tym większa specyficzna energia wiązania.

W stabilnej substancji oddziaływanie między protonami i neutronami w niezbyt wysokich temperaturach wzrasta, ale jeśli dojdzie do zderzenia jąder lub ich części (nukleonów o wysokiej energii), wówczas zachodzą reakcje jądrowe, którym towarzyszy wyzwolenie ogromnej energii.

W pewnych warunkach oddziaływanie silne bardzo mocno wiąże cząstki w jądrach atomowych - systemy materialne o dużej energii wiązania. Z tego powodu jądra atomów są bardzo stabilne i trudne do zniszczenia.

Bez silnych oddziaływań nie istniałyby jądra atomowe, a gwiazdy i Słońce nie byłyby w stanie wytwarzać ciepła i światła za pomocą energii jądrowej.

Oddziaływanie elektromagnetyczne przesyłane za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych. Pole elektryczne powstaje w obecności ładunków elektrycznych, a pole magnetyczne powstaje, gdy się one poruszają. Zmieniające się pole elektryczne generuje zmienne pole magnetyczne - jest to źródło zmiennego pola magnetycznego. Ten typ interakcji jest charakterystyczny dla cząstek naładowanych elektrycznie. Nośnikiem oddziaływania elektromagnetycznego jest foton nie posiadający ładunku – kwant pola elektromagnetycznego. W procesie oddziaływania elektromagnetycznego elektrony i jądra atomowe łączą się w atomy, a atomy w cząsteczki. W pewnym sensie ta interakcja ma fundamentalne znaczenie w chemii i biologii.

Około 90% informacji o otaczającym nas świecie otrzymujemy za pośrednictwem fali elektromagnetycznej, gdyż różne stany materii, tarcie, sprężystość itp. są zdeterminowane siłami oddziaływań międzycząsteczkowych, które mają charakter elektromagnetyczny. Oddziaływania elektromagnetyczne opisują prawa Coulomba, Ampera i teorii elektromagnetycznej Maxwella.

Oddziaływanie elektromagnetyczne jest podstawą do tworzenia różnych urządzeń elektrycznych, odbiorników radiowych, telewizorów, komputerów itp. Jest około tysiąc razy słabszy od mocnego, ale ma znacznie większy zasięg.

Bez oddziaływań elektromagnetycznych nie byłoby atomów, cząsteczek, makroobiektów, ciepła i światła.

3. Słaba interakcja być może pomiędzy różnymi cząstkami, z wyjątkiem fotonu, ma charakter krótkiego zasięgu i objawia się w odległościach mniejszych niż wielkość jądra atomowego 10 -15 - 10 -22 cm Oddziaływanie słabe jest słabsze od oddziaływania silnego i zachodzą procesy z oddziaływaniem słabym wolniej niż przy silnym oddziaływaniu. Odpowiada za rozpad cząstek niestabilnych (na przykład przemianę neutronu w proton, elektron, antyneutrino). To z powodu tej interakcji większość cząstek jest niestabilna. Nośniki oddziaływań słabych - wiony, cząstki o masie 100 razy większej więcej masy protony i neutrony. Dzięki tej interakcji Słońce świeci (proton zamienia się w neutron, pozyton, neutrino, emitowane neutrino ma ogromną zdolność penetracji).

Bez słabych oddziaływań reakcje jądrowe w głębi Słońca i gwiazd nie byłyby możliwe i nie powstałyby nowe gwiazdy.

4. Oddziaływanie grawitacyjne najsłabszy, nie jest brany pod uwagę w teorii cząstek elementarnych, ponieważ w charakterystycznych odległościach (10–13 cm) efekty są małe, a w bardzo małych odległościach (10–33 cm) i przy ultrawysokich energiach grawitacja staje się ważne i zaczynają pojawiać się niezwykłe właściwości próżni fizycznej.

Grawitacja (od łacińskiego gravitas - „grawitacja”) - podstawowe oddziaływanie ma charakter dalekiego zasięgu (oznacza to, że niezależnie od tego, jak masywne jest ciało, w dowolnym punkcie przestrzeni potencjał grawitacyjny zależy tylko od położenia ciała w danym moment w czasie) i podlegają mu wszystkie ciała materialne. Zasadniczo grawitacja odgrywa decydującą rolę w skali kosmicznej, Megaświecie.

W ramach mechaniki klasycznej opisano oddziaływanie grawitacyjne prawo powszechnego ciążenia Newtona, który stwierdza, że ​​siła przyciągania grawitacyjnego pomiędzy dwoma materialnymi punktami mas M 1 i M 2 oddzielone odległością R, Jest

Gdzie G- stała grawitacyjna.

Bez oddziaływań grawitacyjnych nie byłoby galaktyk, gwiazd, planet ani ewolucji Wszechświata.

Czas, w którym następuje przemiana cząstek elementarnych, zależy od siły oddziaływania (przy oddziaływaniu silnym reakcje jądrowe zachodzą w ciągu 10 -24 - 10 -23 s., przy oddziaływaniu elektromagnetycznym - zmiany zachodzą w ciągu 10 -19 - 10 -21 s. , przy słabym rozpadzie w ciągu 10 -10 s.).

Wszelkie interakcje są konieczne i wystarczające do zbudowania złożonego i różnorodnego świata materialnego, z którego, zdaniem naukowców, można uzyskać supermoc(w bardzo wysokich temperaturach lub energiach wszystkie cztery siły łączą się, tworząc jeden).