Современная и квантовая физика
Современная физика фокусируется на двух крупных прорывах начала 20-го века: теории относительности и квантовой механике. Классическая физика, включающая законы движения Ньютона и электромагнетизм Максвелла, чрезвычайно эффективна в описании повседневных явлений. Однако она начинает терять актуальность при рассмотрении очень быстрых, очень больших, очень малых или очень интенсивных объектов. В современной физике мы углубляемся в эти области, чтобы понять, как природа ведет себя в этих экстремальных случаях.
Теория относительности
Теория относительности Альберта Эйнштейна революционизировала наше понимание пространства, времени и гравитации. Теория относительности состоит из двух частей: специальной и общей теории относительности.
Специальная теория относительности
Специальная теория относительности, предложенная Альбертом Эйнштейном в 1905 году, рассматривает поведение объектов, движущихся с высокими скоростями. Она основана на двух принципах:
- Законы физики одинаковы для всех наблюдателей, независимо от их относительной скорости.
- Скорость света в вакууме остается постоянной для всех наблюдателей, независимо от их относительной скорости или скорости источника света.
Одним из главных следствий этих принципов является замедление времени, что означает, что время проходит медленнее для движущихся объектов, чем для неподвижного наблюдателя.
Δt' = Δt / √(1 - v²/c²)В этом уравнении:
Δt'— это временной интервал, измеряемый движущимся наблюдателем.Δt— это временной интервал, измеряемый неподвижным наблюдателем.v— это скорость движущегося объекта.c— это скорость света.
Пример
Представьте себе космический корабль, проходящий мимо Земли со скоростью 90% от скорости света. На космическом корабле проходит час, но на Земле проходит гораздо больше времени. Это показывает, как время замедляется для быстро движущегося объекта.
Общая теория относительности
Общая теория относительности, предложенная Эйнштейном в 1915 году, объясняет гравитацию не как силу, как это делал Ньютон, а как искривление пространства-времени из-за массы. Согласно этой теории, массивные объекты, такие как планеты и звезды, искажают структуру пространства-времени, и эти искажения направляют движение более мелких объектов.
Визуализация искривленного пространства-времени
На этой простой диаграмме круг представляет собой массивный объект, а линия показывает, как пространство-время искривлено вокруг него.
Квантовая физика
Квантовая физика, разработанная в начале 20-го века, это отрасль физики, занимающаяся поведением очень малых частиц. Она оспаривает многие классические интуиции неожиданными предсказаниями о природе реальности.
Дуализм волны-частицы
Один из самых увлекательных аспектов квантовой физики — это дуализм волны-частицы. Эта теория утверждает, что каждая частица, такая как электрон или фотон, может демонстрировать как волновые, так и корпускулярные свойства в зависимости от того, как на нее смотрят.
Эксперимент с двумя щелями
В эксперименте с двумя щелями свет или электроны направляются через два параллельных щеля. На другой стороне экран показывает интерференционную картину множественных полос, указывая на волновое поведение. Однако, когда частицы наблюдаются, проходя через одну из щелей, они ведут себя как частицы.
На приведенной выше SVG-диаграмме частицы идут слева направо, проходят через щели и создают интерференционную картину справа.
Квантовая запутанность
Квантовая запутанность описывает явление, при котором две частицы становятся переплетенными таким образом, что состояние одной частицы мгновенно влияет на состояние другой, независимо от расстояния между ними. Это было одной из идей, которые озадачили Эйнштейна, заставив его описать это как "жуткое действие на расстоянии".
Визуализация запутанных частиц
Этот рисунок показывает две запутанные частицы, одну синюю и одну красную, соединенные запутанностью (пунктирная линия).
Основы квантовой механики
Принцип неопределенности
Принцип неопределенности, сформулированный Вернером Гейзенбергом, утверждает, что определенные пары физических свойств, такие как положение и импульс, не могут быть точно известны одновременно. Чем точнее известно одно, тем менее точно может быть известно другое.
Δx * Δp ≥ ħ/2Здесь:
Δx— неопределенность положения.Δp— неопределенность импульса.ħ— это уменьшенная постоянная Планка,hделенная на 2π.
Квантовая суперпозиция
Согласно квантовой суперпозиции, частица существует во всех возможных состояниях одновременно до тех пор, пока не будет произведено измерение, после которого она "выбирает" состояние. Известным примером этой концепции является кошка Шрёдингера, мысленный эксперимент, изображающий кошку, которая и жива, и мертва, пока она не наблюдается.
Мысленный эксперимент с кошкой Шрёдингера
Кошка помещается в запечатанный ящик, содержащий яд, который может высвободиться при случайном квантовом событии. Согласно квантовой механике, пок░пока ящик не открыт, кошка находится в состоянии и живого, и мертвого. Этот мысленный эксперимент подчеркивает уникальную природу квантовой суперпозиции.
Заключение
Современная и квантовая физика значительно расширили наше понимание вселенной. Исследуя мала или крупности частиц и обширность пространства, эти теории создают основу для технологического прогресса и углубляют наше понимание физического мира. Хотя часто противоречивые, эти области изображают вселенную, которая гораздо богаче и сложнее, чем то, что видно через призму классической физики. И теория относительности, и квантовая механика ставят вызов, просветляют и вдохновляют нас, давая нам более глубокое понимание сложностей нашей вселенной.
Комментарии