взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, слабое и
сильное.
Физика ядра. В 30-х годах была создана протонно-нейтронная
модель ядра, был достигнут большой прогресс в понимании
структуры ядер и достигнут большой успех в практическом
применении ядерных реакций. Одна из важнейших задач в этой
области - решение проблемы управляемого термоядерного синтеза.
Работы в этом направлении ведутся объединенными усилиями
исследователей из ряда стран.
Астрофизика. Развитие физики элементарных частиц и
атомного ядра позволило приблизится к пониманию таких сложных
проблем, как эволюция Вселенной на ранних стадиях ее развития,
эволюция звезд, образование химических элементов. Однако,
несмотря на впечатляющие достижения современной астрофизики,
остается неясным, каково строение материи при огромных
плотностях внутри нейтронных звезд и "черных дыр". Невыяснена
природа квазаров и причина вспышек сверхновых звезд. В целом,
можно считать, что положено только начало решению проблемы
эволюции Вселенной.
Оптика и квантовая электроника. На фундаменте квантовой
теории излучения, заложенной А.Эйнштейном, возникла новая
наука - квантовая электроника. Успехи в этой области связаны,
в первую очередь с созданием сверхчувствительных приемных
систем и принципиально новых источников света - лазеров или
оптических квантовых генераторов. Их уникально по своим
параметрам. Создание лазеров дало жизнь новому разделу оптики
- нелинейной оптике. Практически строгая монохроматичность
лазерного излучения позволяет получить объемное изображение
объекта - голограмму. Ведутся работы по использованию лазеров
в управляемых термоядерных реакциях. Развитие этой области
связано с дальнейшим повышением мощности лазеров и с
расширением диапазона рабочих частот. Сейчас стоит задача
создания рентгеновских и гамма-лазеров.
Физика плазмы. Важность изучения плазмы связана с двумя
обстоятельствами. Во-первых, в плазменном состоянии находится
подавляющая часть вещества Вселенной. Во-вторых, именно в
высокотемпературной плазме имеется возможность осуществить
управляемую термоядерную реакцию. Получение таких реакций
позволит дать человечеству практически вечный экологически
чистый источник энергии. Эта проблема очень актуальна,
поскольку уже в ближайшее время человечество столкнется с
проблемой энергетического голода.
Физика твердого тела. Пожалуй, ни один из разделов физики
не имеет стольких ответвлений в прикладные области, как этот.
Прогресс в компьютеростроении целиком базируется на
достижениях физики твердого тела. Туннельный эффект - явление
из области квантовой физики, которое заключается в способности
элементарных частиц проникать сквозь барьер, который
классическая частица не может пройти в принципе. На основе
туннельного эффекта созданы специальные приборы - туннельные
микроскопы, которые позволяют наблюдать отдельные атомы.
Прогресс в этой области зашел так далеко, что коллективу
сотрудников фирмы IBM удалось написать название фирмы буквами,
размером всего в пять атомов по высоте. По-видимому, это самая
эффектная реклама в мире. Размер этих букв во столько же раз
меньше букв, написанных Левшой на подкове блохи, во сколько
песчинка меньше Эйфелевой башни. Сверхпроводимость - особое
состояние некоторых веществ, открытое достаточно давно. Оно
заключается в том, что при температурах порядка 5~200 К
электрическое сопротивление совершенно исчезает. Ток может
циркулировать в таком проводнике годами. В настоящее время
синтезированы материалы, в которых сверхпроводимость возникает
при температурах 100~1500 К. Такие материалы могут широко
использоваться в науке и технике.
В заключение отметим, что важнейшей особенностью
современного физического эксперимента стала неизмеримо
возросшая роль измерительной и вычислительной техники.
Современные исследования ведутся обычно на больших установках
и требуют значительных затрат. Развитые страны идут на это, и
не только потому, что естественные науки составляют часть
культуры человечества, но и потому, что именно они позволяют
увеличивать целостность, независимость и благосостояние
государства.
7. ВЕЩЕСТВО И МАССА, ПРИНЦИП ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ.
В физике под веществом подразумевают такой вид материи,
который обладает массой покоя, т.е. в состоянии неподвижности
(хотя бы и относительной) масса системы не равна нулю. В
конечном счете, вещество слагается из атомов (или
элементарных частиц). В следующих разделах мы узнаем, что
существуют частицы, имеющие нулевую или мнимую массу покоя;
такие частицы могут существовать только в движении.
Вещество всегда локализовано в ограниченной части
пространства. Его положение можно задать с помощью
ограниченного числам параметров, которые принято называть
степенями свободы. В простейшем случае движения точки, ее
положение в пространстве задается 3-мя независимыми
координатами (степенями свободы). Даже, когда вещество нельзя
моделировать точкой (например, твердое тело), его положение
все равно определяется конечным числом независимых координат -
степеней свободы. Если вещество состоит из N атомов, то мы
можем описать положение каждого атома в отдельности. Всего
потребуется задать 3 N параметров. Реально атомы образуют
связи; каждая связь превращает одну из независимых координат в
зависимую, и число независимых параметров (координат)
уменьшается. Положение твердого тела, оказывается, можно
задать всего лишь 6 параметрами: тремя координатами -
положение центра масс тела и еще тремя углами - его ориентацию
(разворот) относительно координатных осей.
В настоящем и в прошлых разделах упоминалось понятие
массы, которое требует дополнительного обсуждения. В начале
нашего курса говорилось, что масса характеризует количество
материи. Это формулировка качественная. Она требует
уточнения. Правильнее говорить, что масса - одна из основных
характеристик материи, определяющая ее инерционные и
гравитационные свойства. Остановимся на этом вопросе
подробнее. В теории Ньютона масса рассматривалась, как
количество вещества. Понятие массы ввел в механику И.Ньютон,
давая определение импульса - [pic]. Массой он назвал
коэффициент пропорциональности m, постоянную для тела
величину. Эквивалентное определение массы вытекает и из
второго закона Ньютона: [pic] Здесь масса - это коэффициент
пропорциональности между результирующей силой и вызываемым ею
ускорением. Определенная таким образом масса характеризует
инертность тела. Т.е. чем больше масса тела, тем меньшее
ускорение оно приобретает под действием постоянной силы.
Определенная таким образом масса называется инертной.
В теории гравитации И. Ньютона масса выступает как
источник поля сил тяготения. Каждая масса создает вокруг себя
пол сил тяготения (гравитационное поле). На любое тело,
помещенное в это поле, действует сила, пропорциональная его
собственной массе, массе источника и направленная к источнику.
Это значит, что гравитационные силы всегда являются силами
притяжения. Закон всемирного тяготения формулируется в
следующем
виде:[pic], где [pic]м3/(кг(с2)-
гравитационная постоянная, m1 и m2 - массы тел, r - расстояние
между телами.
Из этой формулы можно получить связь между массой тела и
его весом Р в поле тяготения Земли, если считать, что m1 -
масса тела, m2 = M - масса Земли, а r = Rз - радиус Земли:
[pic] т.е. [pic]. Определенная таким образом масса
называется гравитационной.
В принципе, ниоткуда не следует, что масса, создающая поле
тяготения и масса, определяющая инерцию тела - одинаковы.
Однако, специальные опыты показали, что инерционная и
гравитационная массы при выборе одинаковой системы единиц
равны. Этот фундаментальный закон природы называется
принципом эквивалентности масс. Экспериментально этот принцип
был проверен в 1971 году с очень высокой точностью - 10-12.
В классической физике считалось, что масса тела не
меняется ни в каких процессах. Это утверждение формулировалось
в виде закона сохранения массы. Понятие массы приобрело более
глубокий смысл в рамках релятивистской механики или теории
относительности, рассматривающей движение тел с большими
скоростями. Релятивистская механика показывает, что не
существует по отдельности законов сохранения массы и энергии.
Они слиты воедино. Это естественно, так как материя
(количество которой характеризуется массой) невозможна без
движения (количество которой характеризуется энергией).
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
