Физика – основа естествознания

План 1. Система современного физического знания 1. Система современного физического знания 2. Классическая механика 2. Классическая механика 3. Теория относительности 3. Теория относительности 4. Квантовая механика 4. Квантовая механика 5. Современная космология 5. Современная космология

Система современного физического знания Скорость, см/с Расстояние, см * * Специальная теория относительности (СТО) Общая теория относитель- ности (ОТО) РКМ НКМКлассическая механика микромир макромирмегамир

Классическая механика Интервал КлМ: движения при малых скоростях и макромасштабе Интервал КлМ: движения при малых скоростях и макромасштабе Основные концепты КлМ: материальная точка, абсолютное 3-пространство, абсолютное 1-время, идея дальнодействия Основные концепты КлМ: материальная точка, абсолютное 3-пространство, абсолютное 1-время, идея дальнодействия Основные разделы КлМ: статика, кинематика, динамика Основные разделы КлМ: статика, кинематика, динамика

Классическая механика как первая в истории науки теория динамики Даны объекты и их состояния (положение, движение) Даны объекты и их состояния (положение, движение) Объекты действуют друг на друга в виде сил Объекты действуют друг на друга в виде сил Действие силы на объект проявляется в изменении его состояния Действие силы на объект проявляется в изменении его состояния Существует закон, определяющий, с какой силой один объект действует на другой Существует закон, определяющий, с какой силой один объект действует на другой Есть закон, выражающий проявление силы в изменении состояния объекта Есть закон, выражающий проявление силы в изменении состояния объекта

Общая схема динамики А В Действие А на В Действие В на А Сила на В со стороны А Сила на А со стороны В Первоначальное состояние В Измененное состояние В Первоначальное состояние А Измененное Состояние А Закон «состояние - сила» Закон «сила- изменение состояния»

Динамика в классической механике Закон «состояние - сила»: закон всемирного тяготения Ньютона Закон «состояние - сила»: закон всемирного тяготения Ньютона F АВ = Gm A m B /r AB 2 F АВ = Gm A m B /r AB 2 Закон «сила – изменение состояния» - 2-й закон Ньютона Закон «сила – изменение состояния» - 2-й закон Ньютона F = ma F = ma

Теория относительности Интервал теории относительности (ТО): макро- и мегамир (явное проявление в мегамире) и скорости, близкие к скорости света Интервал теории относительности (ТО): макро- и мегамир (явное проявление в мегамире) и скорости, близкие к скорости света Основные концепты: 4-пространство-время, идея близкодействия (поле, свет) Основные концепты: 4-пространство-время, идея близкодействия (поле, свет) Основные разделы ТО: специальная ТО (СТО), общая ТО (ОТО) Основные разделы ТО: специальная ТО (СТО), общая ТО (ОТО)

Специальная теория относительности (СТО) Интервал СТО в рамках ТО: можно пренебречь действием тяготения (теория в рамках плоского 4-пространства-времени – пространства Минковского) Интервал СТО в рамках ТО: можно пренебречь действием тяготения (теория в рамках плоского 4-пространства-времени – пространства Минковского) Постулат постоянства скорости света Постулат постоянства скорости света Относительность величин – зависимость длины, времени, массы и т.д. от движения Относительность величин – зависимость длины, времени, массы и т.д. от движения

Общая теория относительности (ОТО) Интервал ОТО: все состояния, кроме микромира, учет тяготения Интервал ОТО: все состояния, кроме микромира, учет тяготения Основные концепты ОТО: искривленное 4- пространство-время, тяготение материи как искривление пространства-времени, движение по геодезическим в пространстве- времени Основные концепты ОТО: искривленное 4- пространство-время, тяготение материи как искривление пространства-времени, движение по геодезическим в пространстве- времени Уравнения Эйнштейна: закон связи кривизны пространства-времени и материи- энергии Уравнения Эйнштейна: закон связи кривизны пространства-времени и материи- энергии

Геометризация динамики в ОТО Сила тяготения представляется как кривизна пространства-времени = динамика сводится к геометрии Сила тяготения представляется как кривизна пространства-времени = динамика сводится к геометрии Движение под действием силы = движение по геодезической в искривленном пространстве-времени Движение под действием силы = движение по геодезической в искривленном пространстве-времени Область большой гравитации = область большой кривизны (черные дыры, сингулярности) Область большой гравитации = область большой кривизны (черные дыры, сингулярности)

Квантовая механика (КМ) Интервал КМ: область микромира Интервал КМ: область микромира Основные концепты КМ: волновая функция, корпускулярно-волновой дуализм, принцип неопределенности, квантование величин Основные концепты КМ: волновая функция, корпускулярно-волновой дуализм, принцип неопределенности, квантование величин Разделы КМ: нерелятивистская КМ (НКМ) и релятивистская КМ (РКМ = КМ+ТО) Разделы КМ: нерелятивистская КМ (НКМ) и релятивистская КМ (РКМ = КМ+ТО)

Дополнительность Дополнительные наборы величин: положение – импульс, время – энергия Дополнительные наборы величин: положение – импульс, время – энергия Принцип неопределенности Гейзенберга между дополнительными величинами Принцип неопределенности Гейзенберга между дополнительными величинами «Размазанность» состояния микрообъекта по разным значениям и разным дополнительным наборам «Размазанность» состояния микрообъекта по разным значениям и разным дополнительным наборам

Проблема измерения в КМ Измерить = создать состояние объекта в новом состоянии Измерить = создать состояние объекта в новом состоянии Процедура измерения существенно вероятностная (невозможно предсказать средствами КМ конкретный результат измерения) Процедура измерения существенно вероятностная (невозможно предсказать средствами КМ конкретный результат измерения)

Элементарные частицы Элементарность как исчезновение деления (взаимопревращаемость вместо деления) Элементарность как исчезновение деления (взаимопревращаемость вместо деления) Открыто более 350 частиц Открыто более 350 частиц Стабильные (фотон, нейтрино, электрон, протон) и нестабильные частицы Стабильные (фотон, нейтрино, электрон, протон) и нестабильные частицы Частицы и античастицы («антиматерия») Частицы и античастицы («антиматерия») Классификация частиц: лептоны (спин 1/2), адроны (барионы (3 кварка) и мезоны (кварк- антикварк)), фотон Классификация частиц: лептоны (спин 1/2), адроны (барионы (3 кварка) и мезоны (кварк- антикварк)), фотон

4 вида фундаментальных физических взаимодействий «Сильное» (связывает нуклоны в ядрах атомов) «Сильное» (связывает нуклоны в ядрах атомов) «Слабое» (второе по силе, с очень коротким радиусом действия) «Слабое» (второе по силе, с очень коротким радиусом действия) Электромагнитное Электромагнитное Гравитационное Гравитационное Теории великого объединения Синтез ТО и КМ (теория суперструн?)

Современная космология Возможность формулировки условий для описания всей Вселенной средствами уравнений Эйнштейна Возможность формулировки условий для описания всей Вселенной средствами уравнений Эйнштейна Решения уравнений Эйнштейна как эволюция Вселенной во времени Решения уравнений Эйнштейна как эволюция Вселенной во времени Возможность разных решений, в зависимости от кривизны пространства- времени (открытая ((-)кривизна) и замкнутая ((+)кривизна) модель) Возможность разных решений, в зависимости от кривизны пространства- времени (открытая ((-)кривизна) и замкнутая ((+)кривизна) модель)

Расширяющаяся Вселенная Большой Взрыв и Большой Хлопок (Треск) Большой Взрыв и Большой Хлопок (Треск) «Красное смещение» Хаббла – свидетельство расширения Вселенной на современном этапе «Красное смещение» Хаббла – свидетельство расширения Вселенной на современном этапе Проблема определения кривизны пространства-времени по средней плотности массы во Вселенной (темное вещество, масса нейтрино) Проблема определения кривизны пространства-времени по средней плотности массы во Вселенной (темное вещество, масса нейтрино)

Эволюция звезд и черные дыры Стадии эволюции звезд: Стадии эволюции звезд: Конденсация пыли и газа, богатых водородом Конденсация пыли и газа, богатых водородом Превращение водорода в гелий в ядре (термоядерный синтез) Превращение водорода в гелий в ядре (термоядерный синтез) Стадия красного гиганта – с исчерпанием водорода сжатие ядра и расширение оболочки с падением температуры Стадия красного гиганта – с исчерпанием водорода сжатие ядра и расширение оболочки с падением температуры Стадия белого карлика – остывание и сжатие Стадия белого карлика – остывание и сжатие Стадия черной дыры для массивных звезд Стадия черной дыры для массивных звезд