Почему наша Вселенная такая странная и существуют ли законы физики?
Природа может быть разной для разных людей. Природа может быть чудесной. Природа может быть странной. У природы есть законы. Природа продолжает удивлять ученых, которые пытаются эти законы понять. За последние несколько десятилетий научное сообщество пришло к принятию концепции «естественности» – это термин, придуманный Эйнштейном, который описывает изящно сложные законы природы. Ученые считают, что если Вселенная естественна, то ее можно объяснить математически. Но если ее природа неестественна, то некоторые законы физики произвольны и кажутся чрезвычайно тонко настроенными, чтобы позволить жизни (как мы ее знаем) возникнуть и существовать. И все же, ученые стремятся к единому описанию реальности. Но современная физика допускает множество различных описаний, многие из которых эквивалентны друг другу и связаны ландшафтом математических возможностей.
Как хорошо мы знаем Вселенную, чтобы утверждать, что известные законы физики существуют?
Тайны Вселенной
В череде обыденных будней может показаться, что мы знаем о мире и Вселенной достаточно, чтобы утвердительно ответить на вопрос о том, существуют ли все известные законы физики. Однако ученые, изучающие квантовый мир могут с этим не согласиться. Как пишет Quanta Magazine, физики нашли много примеров двух совершенно различных описаний одной и той же физической системы.
Итак, если физические ингредиенты – это частицы и силы, то рецепты – это математические формулы, кодирующие их взаимодействия. В таком случае, сам процесс приготовления пищи – и есть процедура квантования, которая превращает уравнения в вероятности физических явлений. Вот почему квантовые физики задаются вопросом, как разные «рецепты приготовления» приводят к одинаковым результатам.
Еще больше увлекательных статей о том, как устроена наша Вселенная, читайте на нашем канале в Google News
Альберт Эйнштейн, как известно, считал, что, учитывая некоторые общие принципы, существует уникальный способ построить последовательную, функционирующую вселенную. С точки зрения Эйнштейна, если бы мы достаточно глубоко исследовали сущность физики, существовал бы один и только один способ, которым все компоненты — материя, излучение, силы, пространство и время — сочетались бы вместе, чтобы заставить реальность работать, подобно тому, как уникально сочетаются шестеренки, пружины, циферблаты и колесики механических часов.
Физика элементарных частиц
Современная Стандартная модель физики элементарных частиц действительно представляет собой плотно сконструированный механизм, состоящий всего из нескольких компонентов. Однако вместо того, чтобы быть уникальной, Вселенная кажется одним из бесконечного множества возможных миров. Мы понятия не имеем, почему именно эта комбинация частиц и сил лежит в основе структуры природы.
Возможно, мы живем в Мультивселенной
Кроме того, стандартная модель содержит 19 констант природы — такие числа, как масса и заряд электрона, которые должны быть измерены в экспериментах. Значения этих «свободных параметров», по-видимому, не имеют более глубокого смысла.
Если наш мир – всего лишь один из многих, то как мы можем существовать одновременно с альтернативными вселенными? Нынешнюю точку зрения можно рассматривать как полярную противоположность эйнштейновской мечте об уникальном космосе. Современные физики охватывают огромное пространство возможностей и пытаются понять его всеобъемлющую логику и взаимосвязь. Из золотоискателей они превратились в географов и геологов, детально описывающих ландшафт и изучающих силы, которые его сформировали.
Теория струн
Теория струн стала переломным моментом для современной физики. На данный момент она является единственной теорией, ближе всех подобравшейся к той самой «теории всего» – мечте Альберта Энйштена, способную описать все частицы и силы, включая гравитацию, а также подчиняясь строгим логическим правилам квантовой механики и теории относительности.
Хорошей новостью во всей этой истории является то, что у теории струн нет циферблата (как у механических часов). Не имеет смысла спрашивать, какая теория струн описывает нашу Вселенную, потому что существует только одна. Отсутствие каких-либо дополнительных признаков приводит ученых к выводу о том, что все числа в природе должны определяться самой физикой. Они не являются «константами природы», а лишь переменными, фиксируемыми уравнениями (возможно, неразрешимо сложными).
Однако важно понимать, что существует сложное, огромное количество решений теории струн. В физике это не является чем-то необычным. Мы традиционно различаем фундаментальные законы, заданные математическими уравнениями и решения этих уравнений. Как правило, существует всего несколько законов, но бесконечное число решений. Возьмем законы Ньютона. Они четки и элегантны, но описывают невероятно широкий спектр явлений, от падающего яблока до орбиты Луны.
Если вы знаете начальные условия конкретной системы, то сила этих законов позволяет решать уравнения и предсказывать, что произойдет дальше. Мы не ожидаем и не требуем априори уникального решения, которое описывает все.
В теории струн некоторые особенности физики, которые мы обычно рассматриваем как законы природы — такие как конкретные частицы и силы, на самом деле являются решениями. Они определяются формой и размером скрытых дополнительных измерений. Пространство всех этих решений часто называют «ландшафтом», но это преуменьшение. Даже самые впечатляющие горные пейзажи бледнеют в сравнении с необъятностью этого пространства.
Ландшафт Вселенной
Но как ученые изучают обширный ландшафт физических моделей Вселенной, которые легко могут иметь сотни измерений? Чтобы это понять, давайте представим себе ландшафт как в значительной степени неразвитую пустыню, большая часть которой скрыта под толстыми слоями неразрешимой сложности. Только на самых окраинах мы находим пригодные для жизни места. Здесь мы находим основные модели, которые полностью понимаем. Они не имеют большой ценности для описания реального мира, но служат удобной отправной точкой для изучения местных окрестностей.
Возможно, законов физики не существует
Хорошим примером может служить теория квантовой электродинамики (КТП), описывающая взаимодействие материи и света. Эта модель имеет единственный параметр, называемый константой тонкой структуры α, которая измеряет силу силы между двумя электронами. В теории квантовой электродинамики все процессы можно рассматривать как возникающие из элементарных взаимодействий. Например, силу отталкивания между двумя электронами можно представить в виде обмена фотонами. КТП просит нас рассмотреть все возможные способы, которыми два электрона могли бы обмениваться фотоном, что на практике означало бы, что физики должны решить сложнейшую задачу, с бесконечным множеством решений.
Чтобы всегда быть в курсе последних новостой из мира науки и высоких технологий, подписывайтесь на наш канал в Telegram
Почему все это так волнительно для физики? Прежде всего, вывод о том, что многие, если не все, модели являются частью одного огромного взаимосвязанного пространства, является одним из самых удивительных результатов современной квантовой физики. Это изменение перспективы, достойное термина «сдвиг парадигмы». Он говорит нам, что вместо того, чтобы исследовать архипелаг из отдельных островов, мы обнаружили один огромный континент.
В некотором смысле, изучая одну модель достаточно глубоко, мы можем изучить их все. Мы можем исследовать, как эти модели связаны, освещая их общие структуры. Важно подчеркнуть, что это явление в значительной степени не зависит от того, описывает ли теория струн реальный мир или нет. Это неотъемлемое свойство квантовой физики, которое останется здесь, какой бы ни оказалась будущая “теория всего”.
Профессор Знаев
ОСНОВНОЕ МЕНЮ
НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА
РУССКИЙ ЯЗЫК
ЛИТЕРАТУРА
АНГЛИЙСКИЙ ЯЗЫК
НЕМЕЦКИЙ ЯЗЫК
ИСТОРИЯ
БИОЛОГИЯ
ГЕОГРАФИЯ
МАТЕМАТИКА
ИНФОРМАТИКА
Основные законы физики
Второй закон термодинамики
Согласно этому закону процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от более холодного тела к более нагретому, невозможен без изменений в самой системе и окружающей среде. Второй закон термодинамики выражает стремление системы, состоящей из большого количества хаотически движущихся частиц, к самопроизвольному переходу из состояний менее вероятных в состояния более вероятные. Запрещает создание вечного двигателя второго рода.
Закон Авогардо
В равных объемах идеальных газов при одинаковой температуре и давлении содержится одинаковое число молекул. Закон открыт в 1811 году итальянским физиком А. Авогадро (1776–1856).
Закон Ампера
Закон взаимодействия двух токов, текущих в проводниках, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга гласит: параллельные проводники с токами одного направления притягиваются, а с токами противоположного направления отталкиваются. Закон открыт в 1820 году А. М. Ампером.
Закон гидро– и аэростатики: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх, равная весу жидкости или газа, вытесненного телом, и приложенная в центре тяжести погруженной части тела. FA = gV, где g – плотность жидкости или газа, V – объем погруженной части тела. Иначе закон можно сформулировать следующим образом: тело, погруженное в жидкость или газ, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость (или газ). Тогда P = mg – FA. Закон открыт древнегреческим ученым Архимедом в 212 году до н. э. Он является основой теории плавания тел.
Закон всемирного тяготения
Закон всемирного тяготения, или закон тяготения Ньютона: все тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс этих тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Закон Бойля – Мариотта
Один из законов идеального газа: при постоянной температуре произведение давления газа на его объем есть величина постоянная. Формула: pV = const. Описывает изотермический процесс.
Закон Гука
Согласно этому закону упругие деформации твердого тела прямо пропорциональны вызывающим их внешним воздействиям.
Закон Дальтона
Один из основных газовых законов: давление смеси химически не взаимодействующих идеальных газов равно сумме парциальных давлений этих газов. Открыт в 1801 году Дж. Дальтоном.
Закон Джоуля – Ленца
Описывает тепловое действие электрического тока: количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении по нему постоянного тока, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения. Открыт Джоулем и Ленцем независимо друг от друга в XIX веке.
Основной закон электростатики, выражающий зависимость силы взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов от расстояния между ними: два неподвижных точечных заряда взаимодействуют с силой, прямо пропорциональной произведению величин этих зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними и диэлектрической проницаемости среды, в которой находятся заряды. Величина численно равна силе, действующей между двумя расположенными в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга точечными неподвижными зарядами по 1 Кл каждый. Закон Кулона является одним из экспериментальных обоснований электродинамики. Открыт в 1785 году.
Закон Ленца
Согласно этому закону индукционный ток всегда имеет такое направление, что его собственный магнитный поток компенсирует изменения внешнего магнитного потока, вызвавшие этот ток. Закон Ленца – следствие закона сохранения энергии. Установлен в 1833 году Э. Х. Ленцем.
Один из основных законов электрического тока: сила постоянного электрического тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению. Справедлив для металлических проводников и электролитов, температура которых поддерживается постоянной. В случае полной цепи формулируется следующим образом: сила постоянного электрического тока в цепи прямо пропорциональна эдс источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению электрической цепи. Открыт в 1826 году Г. С. Омом.
Закон отражения волн
Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восставленный в точку падения луча, лежат в одной плоскости, причем угол падения равен углу преломления. Закон справедлив для зеркального отражения.
Закон Паскаля
Основной закон гидростатики: давление, производимое внешними силами на поверхность жидкости или газа, передается одинаково по всем направлениям.
Закон преломления света
Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, восставленный в точку падения луча, лежат в одной плоскости, причем для данных двух сред отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная, называемая относительным показателем преломления второй среды относительно первой.
Закон прямолинейного распространения света
Закон геометрической оптики, заключающийся в том, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Объясняет, например, образование тени и полутени.
Закон сохранения заряда
Один из фундаментальных законов природы: алгебраическая сумма электрических зарядов любой электрически изолированной системы остается неизменной. В электрически изолированной системе закон сохранения заряда допускает появление новых заряженных частиц, но суммарный электрический заряд появившихся частиц всегда должен быть равен нулю.
Закон сохранения импульса
Один из основных законов механики: импульс любой замкнутой системы при всех процессах, происходящих в системе, остается постоянным (сохраняется) и может только перераспределяться между частями системы в результате их взаимодействия.
Закон Шарля
Один из основных газовых законов: давление данной массы идеального газа при постоянном объеме прямо пропорционально температуре.
Закон электромагнитной индукции
Описывает явление возникновения электрического поля при изменении магнитного (явление электромагнитной индукции): электродвижущая сила индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Коэффициент пропорциональности определяется системой единиц, знак – правилом Ленца. Закон открыт М. Фарадеем.
Закон сохранения и превращения энергии
Общий закон природы: энергия любой замкнутой системы при всех процессах, происходящих в системе, остается постоянной (сохраняется). Энергия может только превращаться из одной формы в другую и перераспределяться между частями системы. Для незамкнутой системы увеличение (уменьшение) ее энергии равно убыли (возрастанию) энергии взаимодействующих с ней тел и физических полей.
Законы Ньютона
В основе классической механики лежат 3 закона Ньютона. Первый закон Ньютона (закон инерции): материальная точка находится в состоянии прямолинейного и равномерного движения или покоя, если на нее не действуют другие тела или действие этих тел скомпенсировано. Второй закон Ньютона (основной закон динамики): ускорение, полученное телом, прямо пропорционально равнодействующей всех сил, действующих на тело, и обратно пропорционально массе тела. Третий закон Ньютона: действия двух тел всегда равны по величине и направлены в противоположные стороны.
Законы Фарадея
Первый закон Фарадея: масса вещества, выделившегося на электроде при прохождении электрического тока, прямо пропорциональна количеству электричества (заряду), прошедшему через электролит (m = kq = kIt). Второй закон Фарадея: отношение масс различных веществ, претерпевающих химические превращения на электродах при прохождении одинаковых электрических зарядов через электролит, равно отношению химических эквивалентов. Законы установлены в 1833–1834 годах М. Фарадеем.
Первый закон термодинамики
Первый закон термодинамики является законом сохранения энергии для термодинамической системы: количество теплоты Q, сообщенное системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы U и совершение системой работы A против внешних сил. Формула Q = U + A лежит в основе работы тепловых машин.
Первый постулат Бора: атомная система устойчива только в стационарных состояниях, которые соответствуют дискретной последовательности значений энергии атома. Каждое изменение этой энергии связано с полным переходом атома из одного стационарного состояния в другое. Второй постулат Бора: поглощение и излучение энергии атомом происходит по закону, согласно которому связанное с переходом излучение является монохроматическим и обладает частотой: h = Ei – Ek, где h – постоянная Планка, а Ei и Ek – энергии атома в стационарных состояниях.
Правило левой руки
Определяет направление силы, которая действует на находящийся в магнитном поле проводник с током (или движущуюся заряженную частицу). Правило гласит: если левую руку расположить так, чтобы вытянутые пальцы показывали направление тока (скорости частицы), а силовые линии магнитного поля (линии магнитной индукции) входили в ладонь, то отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник (положительную частицу; в случае отрицательной частицы направление силы противоположно).
Правило правой руки
Определяет направление индукционного тока в проводнике, движущемся в магнитном поле: если ладонь правой руки расположить так, чтобы в нее входили линии магнитной индукции, а отогнутый большой палец направить по движению проводника, то четыре вытянутых пальца покажут направление индукционного тока.
Принцип Гюйгенса
Позволяет определить положение фронта волны в любой момент времени. Согласно принципу Гюйгенса, все точки, через которые проходит фронт волны в момент времени t, являются источниками вторичных сферических волн, а искомое положение фронта волны в момент времени t совпадает с поверхностью, огибающей все вторичные волны. Принцип Гюйгенса объясняет законы отражения и преломления света.
Принцип Гюйгенса – Френеля
Согласно данному принципу в любой точке, находящейся вне произвольной замкнутой поверхности, охватывающей точечный источник света, световая волна, возбуждаемая этим источником, может быть представлена как результат интерференции вторичных волн, излучаемых всеми точками указанной замкнутой поверхности. Принцип позволяет решать простейшие задачи дифракции света.
Принцип относительности
В любых инерциальных системах отсчета все физические (механические, электромагнитные и др.) явления при одних и тех же условиях протекают одинаково. Является обобщением принципа относительности Галилея.
Принцип относительности Галилея
Механический принцип относительности, или принцип классической механики: в любых инерциальных системах отсчета все механические явления протекают одинаково при одних и тех же условиях.
Звук
Звуком называют упругие волны, которые распространяются в жидкостях, газах и твердых телах и воспринимаются ухом человека и животных. Человек обладает способностью слышать звуки с частотами в пределах 16–20 кГц. Звук с частотами до 16 Гц принято называть инфразвуком; с частотами 2·104–109 Гц – ультразвуком, а с частотами 109–1013 Гц – гиперзвуком. Наука, изучающая звуки, носит наименование «акустика».
Свет
Светом в узком смысле термина называют электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых глазом человека: 7,5 ‘1014–4,3 ‘1014 Гц. Длина волн варьируется от 760 нм (красный свет) до 380 нм (фиолетовый свет).
Закон (физика)
Физи́ческий зако́н — эмпирически установленная и выраженная в строгой словесной и/или математической формулировке устойчивая связь между повторяющимися явлениями, процессами и состояниями тел и других материальных объектов в окружающем мире.
Выявление физических закономерностей составляет основную задачу физической науки.
Содержание
Описание
Для того, чтобы некая связь могла быть названа физическим законом, она должна удовлетворять следующим требованиям:
Физические законы, как правило, выражаются в виде короткого словесного утверждения или компактной математической формулы:
 | Физический закон должен обладать математической красотой ПримерыОдними из самых известных физических законов являются [1] : Законы-принципыНекоторые физические законы носят универсальный характер и по своей сути являются определениями. Такие законы часто называют принципами. К ним относятся, например, второй закон Ньютона (определение силы), закон сохранения энергии (определение энергии), принцип наименьшего действия (определение действия) и др. Законы-следствия симметрийЧасть физических законов являются простыми следствиями некоторых симметрий, существующих в системе. Так, законы сохранения согласно теореме Нётер являются следствиями симметрии пространства и времени. А принцип Паули, например, является следствием идентичности электронов (антисимметричность их волновой функции относительно перестановки частиц). Приблизительность законовВсе физические законы являются следствием эмпирических наблюдений и верны с той точностью, с которой верны экспериментальные наблюдения. Это ограничение не позволяет утверждать, что какой-либо из законов носит абсолютный характер. Известно, что часть законов заведомо не являются абсолютно точными, а представляют собой приближения к более точным. Так, законы Ньютона справедливы только для достаточно массивных тел, двигающихся со скоростями, значительно меньшими скорости света. Более точными являются законы квантовой механики и специальной теории относительности. Однако, и они в свою очередь являются приближениями более точных уравнений квантовой теории поля. См. такжеПримечания
|
