Вся теория по физике: Физика – Теория, тесты, формулы и задачи

Законы Ньютона, закон всемирного тяготения, закон Гука, сила трения | ЕГЭ по физике

Инерциальные системы отсчета. Первый закон Ньютона. Принцип относительности Галилея

Инерциальная система отсчета — это система отсчета, в которой справедлив закон инерции: материальная точка, когда на нее не действуют никакие силы (или действуют силы, взаимно уравновешенные), находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.

Закон этот был открыт Галилеем в 1632 г. и сформулирован Ньютоном в 1687 г. как первый закон механики.

Любая система отсчета, движущаяся по отношению к инерциальной системе отсчета поступательно, равномерно и прямолинейно, также является инерциальной системой отсчета, т. е. в ней выполняется первый закон Ньютона. Следовательно, инерциальных систем отсчета может быть сколь угодно много. Система отсчета, движущаяся с ускорением по отношению к инерциальной системе отсчета, неинерциальна и закон инерции в ней не выполняется.

Сказанное подтверждается опытом, изображенным на рисунке. Сначала тележка движется прямолинейно и равномерно относительно земли. На ней находятся два шарика, один из которых лежит на горизонтальной поверхности, а другой подвешен на нити. Силы, действующие на каждый шарик по вертикали, уравновешены, по горизонтали никакие силы на шарики не действуют (силой сопротивления воздуха в данном случае можно пренебречь).

Шарики будут находиться в покое относительно тележки при любой скорости ее движения ($υ_1, υ_2, υ_3$ и т. д.) относительно Земли — главное, чтобы эта скорость была постоянна.

Но когда тележка попадает на песчаную насыпь, ее скорость быстро уменьшается, в результате чего тележка останавливается. Во время торможения тележки оба шарика приходят в движение, т. е. изменяют свою скорость относительно тележки, хотя нет никаких сил, которые толкали бы их.

Здесь первой (условно неподвижной) системой отсчета является Земля. Второй системой отсчета, движущейся относительно первой, является тележка. Пока тележка двигалась прямолинейно и равномерно, шарики находились в состоянии покоя относительно тележки, т. е. закон инерции выполнялся. Как только тележка начала тормозить, т. е. начала двигаться с ускорением относительно первой инерциальной системы отсчета (Земли), закон инерции перестал выполняться.

Если относительно какой-нибудь системы отсчета тело движется с ускорением, не вызванным действием на него других тел, то такую систему называют неинерциальной.

В неинерциальных системах отсчета основное положение механики о том, что ускорение тела вызывается воздействием на него других тел, не выполняется.

Следует отметить, что невозможно найти строго инерциальную систему отсчета. Реальная система отсчета всегда связывается с каким-нибудь конкретным телом (Землей, корпусом корабля или самолета и т. и.), по отношению к которому и изучается движение различных объектов. Поскольку все реальные тела движутся с тем или иным ускорением, любая реальная система отсчета может рассматриваться как инерциальная лишь приближенно.

С очень высокой степенью точности инерциальной можно считать гелиоцентрическую систему, связанную с центром Солнца и с координатными осями, направленными на три далекие звезды. Эта система используется в задачах небесной механики и космонавтики. Для решения большинства технических задач инерциальной системой отсчета можно считать любую систему, жестко связанную с Землей (или с любым телом, которое покоится или движется равномерно и прямолинейно относительно поверхности Земли).

Первый закон Ньютона

Любое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

Так был сформулирован Ньютоном в 1687 г. первый закон механики, или закон инерции.

Суть закона инерции впервые была изложена в одной из книг итальянского ученого Галилео Галилея, опубликованной в начале XVII в.

Ньютон обобщил выводы Галилея, сформулировав закон инерции, и включил его в качестве первого из трех законов в основу механики. Поэтому данный закон называют первым законом Ньютона.

Однако со временем выяснилось, что первый закон Ньютона выполняется не во всех системах отсчета, а только в инерциальных. Поэтому с точки зрения современных представлений первый закон Ньютона формулируется так:

Существуют системы отсчета, называемые инерциальными, относительно которых свободные тела движутся прямолинейно и равномерно.

Под свободным телом здесь понимают тело, на которое не оказывают воздействие другие тела.

Следует помнить, что в первом законе Ньютона речь идет о телах, которые могут рассматриваться как материальные точки.

Принцип относительности Галилея

Принцип относительности Галилея гласит:

Во всех инерциальных системах отсчета законы механики имеют одинаковый вид.

Это означает, что уравнения, выражающие законы механики, не меняются (инвариантны) при преобразованиях Галилея.

Преобразования Галилея заключаются в преобразовании координат $r↖{→} (х, у, z)$ и времени $t$ движущейся материальной точки при переходе от одной инерциальной системы отсчета (ИСО) к другой:

$r↖{→}={r’}↖{→}+υ↖{→}t, t=t’$ (1.47)

Для координаты $х$, например, это означает:

$x=x’+υt, t=t’,$

где $υ$ — относительная скорость (постоянная) движения двух ИСО, $r↖{→}$ и ${r’}↖{→}$ — радиус-векторы, а х и х1 — координаты точки в этих двух ИСО. Согласно преобразованию Галилея (1.47), время не изменяется при переходе из одной ИСО в другую: принцип относительности Галилея основан на представлениях об абсолютном времени и абсолютном пространстве, что означает одинаковость (одновременность) протекания событий во всех ИСО. Преобразования координат легко понять, если в некоторый момент времени $t_0$, принятый за начальный $t_0=0$, одну из систем координат $К(ХYZ)$ — неподвижную — совместить с другой — $К'(Х’Y’Z’)$ — подвижной и зафиксировать систему $К$.

Тогда в любой последующий момент времени положение некоторой точки $А$, движущейся относительно обеих систем координат, определяется в системе $К$ радиус-вектором $r↖{→}$, а в системе $К’$ — радиус-вектором ${r’}↖{→}$. Вектор, соединяющий начала координат $О$ неподвижной и $О’$ — подвижной систем координат, равен вектору перемещения системы $К’$ относительно $К:{OO’}↖{-}=∆r↖{→}_{OO}$. Согласно правилу сложения векторов

$r↖{→}={r’}↖{→}+∆r↖{→}_{OO}$

Однако вектор перемещения можно выразить через скорость движение системы $К’$ относительно $К: ∆r↖{→}_{OO}=υ↖{→}t$. Поэтому

$r↖{→}={r’}↖{→}+υ↖{→}t$

что совпадает с (1.47).

Из уравнения (1.47) вытекает закон сложения скоростей:

$u↖{→}={u’}↖{→}+υ↖{→},$

где $u$ и $u’$ — скорости точки относительно систем $К$ и $К’$ соответственно.

Принцип относительности Галилея означает, что никакими механическими опытами нельзя обнаружить движение одной инерциальной системы координат относительно другой. Именно поэтому, находясь в салоне сверхзвукового самолета, пассажиры могут спокойно передвигаться, не чувствуя его скорости.

Не нужно, однако, думать, что выполнение принципа относительности означает полную тождественность движения одного и того же тела относительно разных инерциальных систем координат. Тождественны лишь законы движения. Характер же движения определяется начальными условиями (начальными скоростями и координатами тела), которые различны в разных системах отсчета.

Так, камень, выпущенный из рук в движущемся вагоне поезда, будет падать вертикально лишь относительно стен вагона, а для наблюдателя, находящегося на платформе, он будет двигаться по параболе. Объясняется это тем, что начальные скорости разные: относительно стен вагона начальная скорость равна нулю, а относительно Земли она равна скорости движения вагона.

Взаимодействие. Сила. Принцип суперпозиции сил

Взаимодействие в физике — это воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению их движения.

Близкодействие и дальнодействие (или действие на расстоянии). О том, как осуществляется взаимодействие тел, в физике издавна существовали две точки зрения. Первая из них предполагала наличие некоторого агента (например, эфира), через который одно тело передает свое влияние на другое, причем с конечной скоростью. Это теория близкодействия. Вторая предполагала, что взаимодействие между телами осуществляется через пустое пространство, не принимающее никакого участия в передаче взаимодействия, причем передача происходит мгновенно.8$ м/с) и перемещение одного из зарядов приводит к изменению сил, действующих на другие заряды, не мгновенно, а спустя некоторое время. Возникла новая теория близкодействия, которая была затем распространена и на все другие виды взаимодействий. Согласно теории близкодействия взаимодействие осуществляется посредством соответствующих полей, окружающих тела и непрерывно распределенных в пространстве (т. е. поле является тем посредником, который передает действие одного тела на другое). Взаимодействие электрических зарядов — посредством электромагнитного поля, всемирное тяготение — посредством гравитационного поля.

На сегодняшний день физике известны четыре типа фундаментальных взаимодействий, существующих в природе (в порядке возрастания интенсивности): гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия.

Фундаментальными называются взаимодействия, которые нельзя свести к другим типам взаимодействий.

Фундаментальные взаимодействия отличаются интенсивностью ж радиусом действия. Под радиусом действия понимают максимальное расстояние между частицами, за пределами которого их взаимодействием можно пренебречь.

По радиусу действия фундаментальные взаимодействия делятся на дальнодействующие (гравитационное и электромагнитное) и короткодействующие (слабое и сильное).

Гравитационное взаимодействие универсально: в нем участвуют все тела в природе — от звезд, планет и галактик до микрочастиц: атомов, электронов, ядер. Его радиус действия равен бесконечности. Однако как для элементарных частиц микромира, так и для окружающих нас предметов макромира силы гравитационного взаимодействия настолько малы, что ими можно пренебречь. Оно становится заметным с увеличением массы взаимодействующих тел и потому определяющим в поведении небесных тел и образовании и эволюции звезд.

Основные характеристики фундаментальных взаимодействий

Взаимодействие	Взаимодействующие частицы	Радиус действия, $м$	Относительная интенсивность
Гравитационное	Все	$∞$	1
Слабое	Все, кроме фотона	$10^{-17}$	$10^{32}$
Электромагнитное	Заряженные частицы	$∞$	$10^{36}$
Сильное	Адроны	$10^{-15}$	$10^{38}$

Слабое взаимодействие присуще всем элементарным частицам, кроме фотона.{-17} м$, в пределах которого исчезает различие между слабым и электромагнитным взаимодействиями.

В настоящее время выдвинута теория великого объединения, согласно которой существуют лишь два типа взаимодействий: объединенное, куда входят сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, и гравитационное взаимодействие.

Есть также предположение, что все четыре взаимодействия являются частными случаями проявления единого взаимодействия.

В механике взаимное действие тел друг на друга характеризуется силой. Более общей характеристикой взаимодействия является потенциальная энергия.

Силы в механике делятся на гравитационные, упругости и трения. Как уже упоминалось выше, природа механических сил обусловлена гравитационным и электромагнитным взаимодействиями. Только эти взаимодействия можно рассматривать как силы в смысле механики Ньютона. Сильные (ядерные) и слабые взаимодействия проявляются на таких малых расстояниях, при которых законы механики Ньютона, а вместе с ними и понятие механической силы теряют смысл. Поэтому термин «сила» в этих случаях следует воспринимать как «взаимодействие».

Сила

Сила в механике — это величина, являющаяся мерой взаимодействия тел.

При механическом движении проявляются следующие виды сил: силы упругости, силы трения и гравитационные силы (всемирного тяготения).

Действие одного тела на другое приводит как к изменению скорости всего тела как целого, так и к изменению скорости отдельных его частей.

Мерой этого действия является сила. Часто не указывают, какое тело и как действовало на данное тело. Просто говорят, что на тело действует сила, или к нему приложена сила.

Действие одного тела на другое может производиться как при непосредственном контакте (давление, трение), так и посредством создаваемых телами полей (электромагнитное поле, гравитационное поле).

Проявлением действия силы является изменение ускорения тела.

Сила, как и скорость, — векторная величина, т. е. имеет не только численное значение, но и направление. Сила обычно обозначается буквой $F↖{→}$, модуль силы — буквой $F$ (без стрелки). Прямая, вдоль которой направлена сила, называется линией действия силы. Когда говорят о силе, важно указать, к какой точке тела приложена действующая на него сила. Если речь идет об абсолютно твердом (недеформируемом) теле, то можно считать, что сила приложена к любой точке на линии ее действия.

Итак, результат действия силы на тело зависит от ее модуля, направления и точки приложения.

Иначе говоря, сила — векторная величина, характеризующаяся численным значением, направлением в пространстве и точкой приложения.

Единицей силы в СИ является ньютон (H). Один ньютон (1 H) — это сила, которая за $1$с изменяет скорость тела массой $1$ кг на $1$ м/с. Эта единица названа в честь великого английского ученого Исаака Ньютона (1642-1727). На практике применяются также килоньютоны и миллиньютоны:

$1кH|=1000H, 1мH=0.001H.$

Принцип суперпозиции сил

Обычно на любое движущееся тело действует не одна, а сразу несколько сил. Так, например, на парашютиста, спускающегося на землю, действуют сила тяжести и сила сопротивления воздуха. На тело, висящее на пружине, действуют две силы: сила тяжести и сила упругости пружины.

В каждом подобном случае несколько сил, приложенных к телу, можно заменить одной суммарной силой $F↖{→}$, равноценной по своему действию этим силам. Сила, производящая на тело такое же действие, как несколько одновременно действующих сил, называется равнодействующей этих сил:

$F↖{→}=∑↙{i=1}↖{n}{F_i}↖{→}={F_1}↖{→}+{F_2}↖{→}+…+{F_n}↖{→}$

В этом состоит принцип суперпозиции (наложения) сил.

Равнодействующая сила, действующая на частицу со стороны других тел, равна векторной сумме сил, с которыми каждое из этих тел действует на частицу.

Для нахождения равнодействующей силы пользуются правилами сложения векторов (поскольку сила — векторная величина), в частности, сложение двух сил производится по правилу параллелограмма.

О двух силах, равных по величине и направленных вдоль одной прямой в противоположные стороны, говорят, что они уравновешивают, или компенсируют друг друга. Равнодействующая $F$ таких сил всегда равна нулю и потому изменить скорость тела не может.

Для изменения скорости тела относительно Земли необходимо, чтобы равнодействующая всех приложенных к телу сил была отлична от нуля. В том случае, когда тело движется в направлении равнодействующей силы, его скорость возрастает; при движении в противоположном направлении скорость тела убывает. Таким образом, направление скорости не всегда совпадает с направлением действующей силы $F$, а вот изменение направления скорости (а следовательно, и направление ускорения) всегда совпадает с направлением действующей силы.

Второй закон Ньютона

Второй закон Ньютона формулируется так:

Ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей всех сил, приложенных к телу, и обратно пропорционально его массе. Направление ускорения совпадает с направлением равнодействующей всех сил.

Следует помнить, что во втором законе Ньютона, так же, как и в первом, под телом подразумевается материальная точка, движение которой рассматривается в инерциальной системе отсчета.

Математически второй закон Ньютона выражается формулой:

$a↖{→}={F↖{→}}/{m}$

В скалярном виде второй закон можно записать:

${a_x}↖{→}={{F_x}↖{→}}/{m}$

$a={F}/{m}$

Отсюда можно вывести два следствия:

1. Чем больше сила, приложенная к телу, тем больше его ускорение, и следовательно, тем быстрее изменяется скорость движения этого тела.
2. Чем больше масса тела, тем меньшее ускорение оно получает в результате действия данной силы и потому тем медленнее изменяет свою скорость.

Из формулы $a↖{→}={F↖{→}}/{m}$ следует:

$F↖{→}=a↖{→}m$

Формулировка второго закона механики, данная самим Ньютоном, такова:

Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

В современном виде закон этот записывается следующим образом:

${d(mυ↖{→})}/{dt}=F↖{→}$

где $mυ↖{→}$ — количество движения тела. Количество движения называют также импульсом тела $p↖{→}$:

$p↖{→}=mυ↖{→}$

Когда равнодействующая сил, приложенных к телу, постоянна ($F↖{→}=const$), дифференцирование в ${d(mυ↖{→})}/{dt}=F↖{→}$ можно заменить разностью $∆$, поскольку изменение скорости (ускорение) постоянно:

$∆p↖{→}=F↖{→}∆t$

Второй закон Ньютона иногда называют основным законом динамики.2$

Третий закон Ньютона

Третий закон Ньютона гласит:

Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе — взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны.

В своем первом законе Ньютон описал движение тела, не подверженного действию других тел. В этом случае тело либо сохраняет свое состояние покоя, либо движется равномерно и прямолинейно (относительно инерциальной системы отсчета).

Во втором законе Ньютона речь идет о прямо противоположной ситуации. Теперь на данное тело действуют внешние тела, причем их количество может быть произвольным. Под действием окружающих тел рассматриваемое тело начинает двигаться с ускорением, причем произведение массы данного тела на его ускорение оказывается равным действующей силе.

Сформулировав эти два закона, Ньютон обратился к анализу ситуации, когда во взаимодействии участвуют только два тела. Допустим, имеются два тела $А$ и $В$, которые притягивают друг друга с силами $F$ и $F’$, Может ли одна из этих сил быть больше другой? Размышление над этой проблемой привело Ньютона к выводу, что такого быть не может: силы взаимодействия двух тел всегда равны друг другу. Каким образом Ньютон пришел к такому заключению? Вот как он рассуждал: «Относительно притяжения дело может быть изложено вкратце следующим образом: между двумя взаимно притягивающимися телами надо вообразить какое-либо препятствие, мешающее их сближению. Если бы одно из тел $А$ притягивалось телом $В$ сильнее, нежели тело $В$ притягивается телом $А$, то препятствие испытывало бы со стороны тела $А$ большее давление, нежели со стороны тела $В$, и, следовательно, не осталось бы равновесия. Преобладающее давление вызвало бы движение системы, состоящей из этих двух тел и препятствия, в сторону тела $В$, ив свободном пространстве эта система, двигаясь ускоренно, ушла бы в бесконечность. Такое заключение нелепо и противоречит первому закону. Отсюда следует, что оба тела давят на препятствие с равными силами, а значит, и притягиваются взаимно с таковыми же».

Следует помнить, что силы, о которых говорится в законе Ньютона, никогда не уравновешивают друг друга, поскольку они приложены к разным телам. Две равные по модулю и противоположно направленные силы уравновешивают друг друга в том случае, если они приложены к одному телу. Тогда их равнодействующая равна нулю, и тело при этом находится в равновесии, т. е. либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно.

Опыты подтверждают вывод Ньютона. Если, например, взять две тележки и на одной из них закрепить магнит, а на другой кусок железа, а затем соединить их с динамометрами, то мы увидим, что показания этих приборов совпадут. Это означает, что сила, с которой магнит притягивает к себе железо, равна по величине силе, с которой железо притягивает к себе магнит. Эти силы равны по абсолютной величине и противоположны по направлению: сила притяжения к магниту направлена влево, а сила притяжения к железу вправо.

Итак, третий закон Ньютона на более привычном для нас языке может быть сформулирован так:

Силы, с которыми взаимодействуют любые два тела, всегда равны по величине и противоположны по направлению.

Математически он записывается в следующем виде:

${F_1}↖{→}=-{F_2}↖{→}$

Знак «минус» показывает, что векторы сил направлены в противоположные стороны. Используя второй закон Ньютона, можно записать:

$m_1{a_1}↖{→}=-m_2{a_2}↖{→}$

Отсюда следует, что

${a_1}/{a_2}={m_2}/{m_1}$

Таким образом, отношение модулей ускорений двух взаимодействующих тел определяется исключительно их массами (чем меньше масса тела, тем большее ускорение оно приобретает) и не зависит от природы сил взаимодействия.

Третий закон Ньютона обосновывает введение самого термина «взаимодействие»: если одно тело действует на другое, то второе также действует на первое. Другими словами, не может быть такого, чтобы одно тело на другое действовало, а второе на первое — нет. Как писал сам Ньютон, «если кто нажимает пальцем на камень, то и палец его также нажимается камнем. Если лошадь тащит камень, привязанный к канату, то и обратно (если можно так выразиться) она с равным усилием оттягивается к камню».

Сила упругости. Закон Гука

Упругость — свойство тел изменять форму и размеры (деформироваться) под действием нагрузок и самопроизвольно восстанавливать первоначальные форму и размеры при прекращении внешних воздействий.

Деформацией (от лат. deformatio — искажение) называют любое изменение размеров и формы тела.

Деформации бывают разных видов: растяжения, сжатия, сдвига, изгиба, кручения. Все перечисленные виды деформации возможны в твердых телах. В жидкостях и газах возможны только деформации объемного сжатия и растяжения, т. к. эти среды не обладают упругостью формы, а только объема (как известно, жидкость принимает форму сосуда, в котором находится, а газ занимает весь предоставленный ему объем).

Деформация называется упругой, если она возникает и исчезает одновременно с внешним воздействием.

Деформация, которая не исчезает после прекращения внешнего воздействия, называется пластической.

Если, например, пружину несколько растянуть, а затем отпустить, то она снова примет свою первоначальную форму. Но ту же пружину можно растянуть настолько, что после того, как ее отпустят, она так и останется растянутой.

При деформации тел возникают силы упругости, которые используются, например, в динамометрах. Пластические деформации применяют при лепке из пластилина и глины, при обработке металлов — ковке, штамповке.

Сила, возникающая в теле в результате его деформации и стремящаяся вернуть тело в исходное положение, называется силой упругости.

Сила упругости возникает и при растяжении (например, если подвесить гирю на нить), и при изгибе, и при других видах деформации.

Возникновение силы упругости можно понять из следующего опыта. На рисунке, изображена ненагруженная пружина. Если на нее сверху поместить гирю, то под действием силы тяжести гиря начнет двигаться вниз, сжимая пружину, т. е. деформируя ее, но через некоторое время остановится. Так как тело (гиря) неподвижно, значит, силы, действующие на него, уравновешены, т. е. сила тяжести уравновешена силой, действующей на гирю со стороны сжатой пружины. Это и есть сила упругости.

Если на опору поместить достаточно легкий предмет, то ее деформация может оказаться столь незначительной, что изменение формы опоры будет незаметным. Но деформация все равно будет иметь место, а вместе с ней будет действовать и сила упругости, препятствующая падению тел, находящихся на данной опоре. В случае, когда деформация тела незаметна и изменением размеров опоры можно пренебречь, силу упругости называют силой реакции опоры.

Силы упругости возникают всегда при попытке изменить форму или объем твердого тела, при изменении объема жидкости или газа.

В отличие от сил тяготения, которые действуют между телами всегда, силы упругости возникают в теле лишь при определенном условии: тело должно быть деформировано.

Закон Гука

Закон Гука — основной закон теории упругости. Он был открыт английским ученым Робертом Гуком в 1660 г., когда ему было 25 лет. Закон Гука гласит:

Сила упругости, возникающая при упругой деформации растяжения или сжатия тела, пропорциональна абсолютному значению изменения длины тела.

Если удлинение тела обозначить через $х$, а силу упругости через $F_{упр}$, то закон Гука можно записать в виде следующей математической формулы:

$F_{упр}=-kx$

где $k$ — коэффициент пропорциональности, называемый жесткостью тела. Знак минус перед правой частью уравнения указывает на противоположные направления силы упругости и удлинения $х$. Единицей жесткости в СИ является ньютон на метр ($1$ Н/м).

У каждого тела своя жесткость. Чем больше жесткость тела (пружины, проволоки, стержня и т. д.), тем меньше оно изменяет свою длину под действием данной силы.

Следует помнить, что закон Гука справедлив только для упругой деформации. Закон Гука хорошо выполняется только при малых деформациях. При больших деформациях изменение длины перестает быть прямо пропорциональным приложенной силе, а при очень больших деформациях тело разрушается.

Сила трения

Взаимодействие, возникающее в месте соприкосновения тел и препятствующее их относительному движению, называют трением, а характеризующую это взаимодействие силу — силой трения.

Силы трения, как и силы упругости, имеют электромагнитную природу. Трение между двумя твердыми телами называют сухим трением.

Различают три вида трения: трение покоя, трение скольжения и трение качения.

1. Трение покоя — трение, возникающее при отсутствии относительного перемещения соприкасающихся тел.

Трение покоя удерживает грузы, находящиеся на движущейся ленте транспортера, от соскальзывания, препятствует развязыванию шнурков, удерживает гвозди, вбитые в доску, и т. д.

Сила трения покоя — это сила, препятствующая возникновению движения одного тела относительно другого. Направлена сила трения покоя всегда против силы, приложенной извне параллельно поверхности соприкосновения и стремящейся сдвинуть с места предмет, т. е. против предполагающегося движения. Измерить силу трения покоя можно с помощью груза, перекинутого через блок и связанного с телом через динамометр.

Сила трения покоя растет вместе с силой, стремящейся сдвинуть тело с места. Но для любых двух соприкасающихся тел она имеет некоторое максимальное значение $(F_{тр.п.})_{max}$, больше которого она быть не может. Например, для деревянного бруска, находящегося на деревянной доске, максимальная сила трения покоя составляет $0.6$ от его веса. Максимальная сила трения покоя пропорциональна силе нормального давления, равного по модулю силе реакции опоры $N$:

$(F_{тр.п.})_{max}=μ_{п}N$,

где $μ_{п}$ — коэффициент трения покоя.

Максимальная сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения поверхностей. Она зависит от качества обработки соприкасающихся поверхностей и от материалов тел.

2. Трение скольжения. Приложив к телу силу, превышающую максимальную силу трения покоя, мы сдвинем тело с места, и оно начнет двигаться. Трение покоя при этом сменится трением скольжения.

Сила трения скольжения всегда направлена в сторону, противоположную относительной скорости соприкасающихся тел.

Как и максимальная сила трения покоя, сила трения скольжения пропорциональна силе нормального давления и, следовательно, силе реакции опоры:

$F_{тр}=μN$,

где $μ$ — коэффициент трения скольжения (при небольших скоростях $μ < μ_{п}$), зависящий от свойств соприкасающихся поверхностей.

Сила трения скольжения зависит также довольно сложным образом от относительной скорости соприкасающихся тел. При небольших относительных скоростях сила трения скольжения меньше силы трения покоя, и лишь при увеличении скорости $F_{тр} > (F_{тр.п.})_{max}$.

При небольших скоростях приближенно их можно считать равными:

$F_{тр}=(F_{тр.п.})_{max}=μN$

Причины возникновения силы трения

1. Шероховатость поверхностей соприкасающихся тел. Даже те поверхности, которые выглядят гладкими, на самом деле всегда имеют микроскопические неровности (выступы, впадины). При скольжении одного тела по поверхности другого эти неровности зацепляются друг за друга и всегда мешают движению.
2. Межмолекулярное притяжение, действующее в местах контакта трущихся тел. Межмолекулярное притяжение проявляется в тех случаях, когда поверхности соприкасающихся тел хорошо отполированы. Так, например, при относительном скольжении двух металлов с очень чистыми и ровными поверхностями, обработанными в вакууме с помощью специальной технологии, сила трения оказывается намного больше, чем при перемещении неровного бруска дерева по земле. В некоторых случаях эти металлы даже «схватываются» друг с другом, и дальнейшее скольжение невозможно.
3. Трение качения. Если тело не скользит по поверхности другого тела, а, подобно колесу или цилиндру, катится, то возникающее в месте их контакта трение называют трением качения. Катящееся колесо все время вдавливается в полотно дороги, и потому перед ним все время оказывается небольшой бугорок, который необходимо преодолеть. Именно этим и обусловлено трение качения. При этом чем дорога тверже, тем трение качения меньше.

Как и в предыдущих случаях, сила трения качения пропорциональна силе реакции опоры:

$F_{тр.кач.}=μ_{кач.}N$,

где $μ_{кач.}$ — коэффициент трения качения.

Благодаря тому, что $μ_{кач.} << μ$, при одинаковых нагрузках сила трения качения значительно меньше силы трения скольжения. Это было замечено еще в древности. Поэтому для перемещения тяжелых грузов наши предки подкладывали под них катки или бревна. По этой же причине люди стали использовать в транспорте колеса.

Разница в силах трения скольжения и качения объясняется тем, что при скольжении участки тела смещаются вдоль поверхности соприкосновения, и вместо разорванных межмолекулярных связей постоянно образуются новые. Когда колесо катится без проскальзывания по поверхности, молекулярные связи разрываются при подъеме участков колеса быстрее, чем при скольжении, и поэтому сила трения качения значительно меньше силы трения скольжения.

Сила сопротивления твердого тела, движущегося в жидкости и газе

На твердое тело, движущееся в жидкости или газе, действует сила сопротивления среды. Эта сила направлена против скорости тела относительно среды и тормозит движение.

В отличие от силы трения сила сопротивления среды появляется только во время движения тела в этой среде. Ничего подобного силе трения покоя здесь нет. Наоборот, всем известно, насколько легче сдвинуть с места предмет в воде, чем на твердой поверхности.

Модуль силы сопротивления среды $F_с$ зависит от размеров, формы и состояния поверхности тела, свойств жидкости или газа, в котором тело движется, и от относительной скорости движения тела и среды.2$,

где $k_2$ — коэффициент сопротивления, отличный от $k_1$.

Вся теория и формулы по физике для ЕГЭ

По общему мнению экспертов и школьников, экзамен по физике – один из самых сложных для одиннадцатиклассников. Он требует глубокого понимания материала, умения применять полученные знания на практике и мыслить логически. И, конечно же, формулы по физике для ЕГЭ очень важны, поскольку без них не удастся разобраться с заданиями КИМ, особенно с наиболее сложными из них.

Распределение заданий по разделам курса физики

Разработчики контрольно-измерительных материалов ориентируются на школьную программу и включают в них задания из всех пройденных разделов физики. Количество упражнений чаще всего зависит от объема материала, количества изученных тем и времени, затраченного на их освоение. Таблица ниже демонстрирует, как представлены разные разделы дисциплины в КИМ.

Раздел физики	Число заданий
	Вся работа	Первая часть	Вторая часть
Механика	9–11	7–9	2
Молекулярная физика	7–8	5–6	2
Электродинамика	9–11	6–8	3
Квантовая физика и элементы астрофизики	5–6	4–5	1
Всего	32	24	8

Если говорить о том, что требуется от учащихся для выполнения тех или иных заданий, то здесь ситуация выглядит так:

• на проверку знания и понимания основных физических законов, величин, постулатов, понятий и принципов направлено 11 упражнений из первой части;
• еще 11 заданий из первой части предполагают умение участников ЕГЭ описывать и объяснять свойства тел, физические явления и результаты экспериментов, а также приводить конкретные примеры использования знаний по физике на практике;
• 2 упражнения первой части посвящены способности отличать научную гипотезу от теории, а также умению делать правильные выводы из проведенного эксперимента;
• все 8 заданий второй части КИМ направлены на умение решать физические задачи;
• в некоторых вариантах также может быть задание на способность применить полученные умения и знания в жизни.

В экзаменационную работу включают вопросы с разным уровнем сложности. 21 задание базового уровня трудности – на проверку владения основными понятиями и законами. 7 усложненных упражнений, помимо основных теоретических понятий, требуют умения решать задачи с использованием 1-2 основных понятий по физике из конкретной темы. Для выполнения 4 наиболее трудных заданий участнику необходимо знать все формулы по физике для ЕГЭ, поскольку эти задачи находятся на стыке двух, а то и трех разделов дисциплины.

Механика

На изучение раздела «Механика» в школьной программе выделяется больше всего времени. Здесь изучают движение материальных тел, а также взаимодействие между ними. Главной задачей механики считается возможность в любой момент времени определить положение тела в пространстве.

Школьники знакомятся с некоторыми основными направлениями механики, такими как статика, динамика, кинематика, законы сохранения, механические волны и колебания. Этот раздел учащиеся в большинстве своем хорошо понимают и не испытывают серьезных трудностей на экзамене.

Основные элементы содержания проверяют на экзамене путем выполнения ряда заданий. Кратко остановимся на том, каким темам посвящены те или иные упражнения КИМ.

Подраздел *	Элементы содержания
Кинематика	Движение (прямолинейное равномерное и равноускоренное, движение по окружности).
Динамика	Законы Ньютона и Гука, закон всемирного тяготения, сила трения, давление.
Статика	Сила Архимеда, закон Паскаля, момент силы, давление в жидкости.
Законы сохранения	Потенциальная и кинетическая энергия, законы сохранения импульса и механической энергии, мощность силы и работа.
Механические волны и колебания	Колебания, их амплитуда и фаза, период и частота, резонанс. Маятник, звук, механические волны.

*  Теория и формулы по каждому из подразделов открываются по ссылкам.

Вопросам механики посвящены задания №1–7 первой части. 6 из них базового уровня сложности, а 1 – повышенного. Два упражнения (№22 и №23) находятся на стыке механики и квантовой физики. Еще 2 задачи включены во вторую часть.

Молекулярная физика

Молекулярная физика изучает свойства тел с точки зрения их молекулярного строения и взаимодействия частиц (ионов, молекул, атомов). Она рассматривает строение вещества, а также его изменение под воздействием внешних факторов: электромагнитного поля, давления, температуры. Проверяемые на экзамене элементы содержания перечислены в таблице ниже.

Подраздел *	Элементы содержания
Молекулярная физика	Строение твердых тел, жидкостей и газов, движение частиц, диффузия. Связь кинетической энергии с давлением и температурой газа. Уравнение Менделеева – Клайпертона. Закон Дальтона. Изопроцессы. Влажность воздуха. Агрегатные состояния вещества, их изменение.
Термодинамика	Температура и тепловое равновесие. Удельная теплота и теплоемкость. Законы термодинамики (первый и второй). Принцип действия и КПД тепловых машин. Тепловой баланс.

*  Теория и формулы по каждому из подразделов открываются по ссылкам.

В КИМ вопросам молекулярной физики посвящены задания №8–12 первой части и задачи №25 и №30 второй части. Теория для ЕГЭ по физике по этим заданиям подробно расписана в школьных учебниках, а навык работы с практическими задачами необходимо развивать путем их активного решения из печатных пособий и интернет-ресурсов.

Электродинамика, оптика и СТО

Еще один раздел физики, по объему сопоставимый с механикой, – электродинамика. Он достаточно сложен и дается учащимся нелегко. Электродинамика изучает взаимодействие тел с электромагнитными полями, излучение и свойства тока. На экзамене одиннадцатиклассникам необходимо будет подтвердить свои знания по таким темам.

Подраздел	Элементы содержания
Электрическое поле	Электрозаряд и электрополе. Закон Кулона. Потенциальность и напряжение. Проводники, диэлектрики, конденсаторы.
Постоянный ток	Сила тока. Законы Ома для полной цепи и участка цепи. Сопротивление. Работа и мощность тока. Закон Джоуля – Ленца. Полупроводники.
Магнитное поле	Магнитная индукция. Суперпозиция магнитных полей. Силы Ампера и Лоренца. Опыт Эрстеда.
Электромагнитная индукция	Закон Фарадея. Правило Ленца. Индуктивность. Энергия магнитного поля.
Электромагнитные волны и колебания	Колебательный контур и сохранение в нем энергии. Формула Томсона. Переменный ток. Производство электроэнергии, ее производство и потребление. Свойства и использование в быту электромагнитных волн.
Оптика	Распространение, преломление и отражение света. Линзы рассеивающие и собирающие. Интерференция, дифракция и дисперсия света. Устройство фотоаппарата. Глаз.

К этому разделу примыкают и темы, посвященные основам теории относительности. Это скорость света в вакууме, открытия Эйнштейна, энергия и импульс частицы. В КИМ владение материалом по электродинамике и СТО проверяется при помощи упражнений №13–18 первой части, а также №26, 31 и 32 второй части.

Для глубокой проработки курса электродинамики целесообразней использовать специальные пособия. В сжатом виде основные формулы из этого раздела представлены в кодификаторе (см. рисунки ниже).

Квантовая физика и элементы астрофизики

Наиболее трудна для понимания старшеклассниками квантовая физика, изучающая квантовую теорию поля, квантовую механику и математическое описание процессов. Разрабатываться это направление начало только в XX веке, благодаря работам Эйнштейна, Планка, Шредингера, Гейзенберга и других ученых. В школьной программе оно занимает не так много места, как другие разделы, поэтому количество заданий по квантовой физике несколько меньше.

Остановимся на некоторых элементах содержания, которые необходимо знать, чтобы успешно пройти испытание.

Подраздел	Элементы содержания
Корпускулярно-волновой дуализм	Гипотеза и формула Планка. Фотон, его энергия и импульс. Фотоэффект, уравнение Эйнштейна. Волны де Бройля. Дифракция электронов. Давление света.
Физика атома	Модель атома. Работы Бора. Фотоны, их поглощение и излучение. Линейчатые спектры. Лазер.
Физика атомного ядра	Массовое число и заряд ядра. Изотопы. Ядерные силы. Радиоактивность и радиоактивный распад. Гамма-излучение. Ядерные реакции.
Элементы астрофизики	Строение Солнечной системы. Характеристики звезд и наука об их происхождении. Галактики. Вселенная, ее масштабы и эволюция.

В экзаменационной работе квантовой физике и астрофизике посвящены задания №19–21 и №24 первой части. Задачи №26, 27 и 32 основаны на знании школьниками нескольких разделов: кроме квантовой физики, еще механики и электродинамики. Основные формулы, имеющие отношение к этой теме, вынесены в отдельную таблицу кодификатора.

Изучения одной теории по физике для подготовки к ЕГЭ недостаточно, нужно еще применять эти знания на практике, поэтому важную роль играет умение решать задачи. Участники должны быть способны анализировать графики и таблицы, интерпретировать результаты экспериментов, выявлять соответствия, разбираться в изменении физических величин в процессах.

Перед выпускниками школ с хорошим знанием физики и высоким баллом ЕГЭ открываются неплохие перспективы дальнейшего образования. А талантливый студент или аспирант вполне может трудоустроиться в крупную компанию и в полной мере реализовать свой потенциал.

Теория ЕГЭ по физике | Репетитор по физике

Как сдать ЕГЭ по физике? Безусловно, усердно готовиться к сдаче! Под лежачий камень вода не течёт! Достаточно самостоятельно повторять теорию, начиная с 7 класса, выписывая и запоминая формулы по темам и сверяя их с кодификатором на сайте ФИПИ.

Для упешной сдачи ЕГЭ по физике потребуется умение решать задачи по основным разделам физики, входящим в программу полной средней школы. На нашем сайте вы можете самостоятельно потренироваться, решая тематические тесты ЕГЭ по физике. В тесты включены задания базового и повышенного уровня сложности. Пройдя их, вы определите необходимость более подробного повторения того или иного раздела физики и совершенствования навыков решения задач для успешной сдачи ЕГЭ по физике. 

Важным этапом подготовки к ЕГЭ по физике 2022 года является ознакомление с демонстрационным вариантом ЕГЭ по физике 2022 года. Демоверсия 2022, обычно, утверждается  Федеральным институтом педагогических измерений (ФИПИ) в августе текущего года. Демонстрационный вариант составляется с учетом всех поправок и особенностей предстоящего экзамена по предмету в будущем 2022 году.

Что же представляет собой демонстрационный вариант ЕГЭ по физике? Демонстрационный вариант содержит типовые задания, которые по своей структуре, качеству, тематике, уровню сложности и объёму полностью соответствуют заданиям будущих реальных вариантов КИМ по физике 2022 года. Ознакомиться с демонстрационным вариантом ЕГЭ по физике 2022 можно будет на сайте ФИПИ: www.fipi.ru

В 2020 году произошли незначительные изменения в структуре ЕГЭ по физике: задание 28 стало заданием с развёрнутым ответом на 2 первичных балла, а задание 27 – качественная задача, подобная 28 заданию в ЕГЭ 2019. Таким образом, задач с развёрнутым ответом вместо 5 стало 6. Задание 24 по астрофизике также немного изменилось: вместо выбора двух правильных ответов теперь необходимо выбрать все правильные ответы, которых может быть либо 2, либо 3. 

В 2021 году изменений в структуре, количестве и форме заданий ЕГЭ по физике не произошло, не изменился и уровень сложности, что не может не радовать.

В 2021 году на сайте ФИПИ появился “Навигатор самостоятельной подготовки к ЕГЭ по физике”, в котором представлены задания по всем темам, входящим в единый госэкзамен, а так же кодификаторы по каждому разделу физики.

Целесообразно при участии в основном потоке сдачи ЕГЭ ознакомиться с экзаменационными материалами досрочного периода ЕГЭ  по физике, публикуемыми на сайте ФИПИ после проведения досрочного экзамена. При подготовке следовать “Методическим рекомендациям для выпускников по самостоятельной подготовке к ЕГЭ по физике”, ежегодно публикуемым на сайте ФИПИ. Однако, в этом году досрочный ЕГЭ в очередной раз отменён Минпросвещения.

Фундаментальные теоретические знания по физике крайне необходимы для успешной сдачи ЕГЭ по физике. Важно, чтобы эти знания были систематизированы. Достаточным и необходимым условием освоения теории является овладение материалом, изложенным в школьных учебниках по физике. Для этого требуются систематические занятия, направленные на изучение всех разделов курса физики. Особое внимание следует уделить подготовке к расчётным и качественным задачам, входящих в ЕГЭ по физике в части задач повышенной и высокой сложности с развёрнутым ответом, решение которых необходимо для получения высокого балла за экзамен 75+

Только глубокое, вдумчивое изучение материала с осознанным его усвоением, знание и интерпретация физических законов, процессов и явлений в совокупности с навыком решения задач обеспечат успешную сдачу ЕГЭ по физике.

Периоды дистанционного обучения в выпускных классах дают возможность выпускникам сконцентрироваться на подготовке к ОГЭ и ЕГЭ по физике, что значительно повышает качество приобрённых знаний и позволяет совершенствовать навыки решения задач.

Если вам нужна подготовка к ЕГЭ или ОГЭ по физике, вам будет рада помочь репетитор по физике – Виктория Витальевна. 

 

Формулы ЕГЭ по физике 2022

Механика – один из самых значимых и наиболее широко представленных в заданиях ЕГЭ раздел физики. Подготовка по этому разделу занимает  значительную  часть времени подготовки к ЕГЭ по физике. 

Кинематика

Равномерное движение:

v = const        S_x = v_x t

x = x₀ + S_x      x = x₀ + v_x t

Равноускоренное движение:

a_x = (v_x  – v_0x)/t

v_x = v_0x + a_xt

S_x = v_0xt + a_xt²/2           S_x =( v_x² – v_0x²)/2a_x

x = x₀ + S_x                     x = x₀ + v_0xt + a_xt²/2

Свободное падение:

y = y₀ + v_0yt + g_yt²/2           v_y = v_0y + g_yt            S_y = v_0yt + g_yt²/2

Путь, пройденный телом, численно равен площади фигуры под графиком скорости.

Средняя скорость:

v_ср = S/t                     S = S₁ + S₂ +…..+ S_n                    t = t₁ + t₂ + …. + t_n

Закон сложения скоростей:

Вектор скорости тела относительно неподвижной системы отсчёта равен геометрической сумме скорости тела относительно подвижной системы отсчёта и скорости самой подвижной системы отсчёта относительно неподвижной.

Движение тела, брошенного под углом к горизонту     

Уравнения скорости:

v_x = v_0x = v₀cosa

v_y = v_0y + g_yt = v₀sina – gt

Уравнения координат:

x = x₀ + v_0xt = x₀ + v₀cosa t

y = y₀ + v_0yt + g_yt²/2 = y₀ + v₀sina t + g_yt²/2

Ускорение свободного падения:   g_x = 0         g_y = – g

Движение по окружности

a_ц = v²/R =ω ²R        v =ω R          T = 2πR/v

Статика

Момент силы  М = Fl , где l – плечо силы F – кратчайшее расстояние от точки опоры до линии действия силы

Условия равновесия рычага:

Сумма моментов сил, вращающих рычаг по часовой стрелке, равна сумме моментов сил, вращающих против часовой стрелки

М₁ + М₂ +… + М_n   = Мn+1 + М_n+2+ …..

Равнодействующая всех сил, приложенных к рычагу равна нулю

Закон Паскаля: Давление, производимое на жидкость или газ передаётсяв любую точку одинаково во всех напрвлениях

Давление жидкости на глубине h :    p =   ρgh ,  учитывая давление атмосферы:   p = p₀ +  ρgh 

Закон Архимеда :   F_Арх = P вытесн  –   Сила Архимеда равна весу жидкости в объёме погружённого тела

Сила Архимеда  F_Арх =  ρg Vпогруж   –    выталкивающая сила

Подъёмная сила  F под = F_Арх – mg

Условия плавания тел: 

F_Арх  >  mg  –  тело всплывает

FАрх = mg  –   тело плавает

F_Арх < mg  –  тело тонет

Динамика

Первый закон Ньютона:

Существуют инерциальные системы отсчёта, относительно которых свободные тела сохраняют свою скорость.

Второй закон Ньютона:          F = ma

Второй закон Ньютона в импульсной форме:     FΔt = Δp      Импульс силы равен изменению импульса тела

Третий закон Ньютона:   Сила действия равна силе противодействи. Силы равны по модулю и противоположны по направлению     F₁ = F₂

Сила тяжести        F_тяж = mg

Вес тела       P = N  ( N – сила реакции опоры)

Сила упругости Закон Гука       F_упр  = kΙΔxΙ

Сила трения      F_{тр =} µ N

Давление     p = F_д/S        [  1 Па  ]

Плотность тела    ρ = m/V          [  1 кг/м³  ]

Закон Всемирного тяготения         F = G m₁ m₂/R²

Fтяж = GMзm/Rз² = mg            g = GM_з/R_з²

По Второму закону Ньютона:  ma_ц = GmMз/(R_з + h)²

 mv²/(R_з + h) = GmM_з/(R_з + h)²

 – первая космическая скорость  

     –   вторая космическая скорость    

 

Работа силы    A = FScosα

Мощность    P = A/t = Fvcosα 

Кинетическая энергия              Eк = m ʋ²/2 = P²/2m

Теорема о кинетической энергии:    A =  ΔЕ_к

Потенциальная энергия           E_п = mgh   –    энергия тела над Землёй на высоте h

Е_п = kx²/2    –     энергия упруго деформированного тела  

А  = –  Δ E_п     –      работа потенцильных сил

Закон сохранения механической энергии

 ΔЕ = 0                    ( Е_к1 + Е_п1  = Е_к2 + Е_п2 )

Закон изменения механической энергии

 ΔЕ = Асопр                   ( А_сопр  –  работа всех непотенциальных сил )

Колебания и волны

Механические колебания

Т – период колебаний – время одного полного колебания [ 1с ]

 ν – частота колебаний – число колебаний за единицу времени  [ 1Гц ]

T = 1/ ν

ω – циклическая частота  [1 рад/с ]

ω = 2πν = 2π/T   T = 2π/ω  

Период колебаний математического маятника:     T = 2π(l/g)^1/2

Период колебаний пружинного маятника:     T = 2π(m/k)^1/2

Уравнение гармонических колебаний:  x = x_m sin(ωt +φ₀)

Уранение скорости:   ʋ = x^, = x_mωcos(ωt + φ₀ ) = ʋ_mcos(ωt + φ₀)     ʋ_m = x_mω 

Уравнение ускорения:    a = ʋ^, = – x_mω²sin(ωt + φ₀ )       a_m = x_mω²

Энергия гармонических колебаний       m ʋ_m²/2 = kx_m²/2 = m ʋ²/2 + kx²/2 = const

Волна – распространение колебаний в пространстве

скорость волны  ʋ =  λ /T

Уранение бегущей волны

x = x_msinωt  –  уравнение колебаний 

x – смещение в любой момент времени,  x_m – амплитуда колебаний

ʋ – скорость распространения колебаний

Ϯ – время, через которое придут колебания в точку x:     Ϯ = x/ʋ

Уранение бегущей волны:   x = x_m sin(ω( t –  Ϯ )) = x_m sin(ω( t –  x/ʋ ))

x – смещение в любой момент времени

Ϯ – время запаздывания колебаний в данной точке

 

Молекулярная физика и термодинамика

Количество вещества  v = N/N_A

Молярная масса   M = m₀N_A

Число молей     v = m/M

Число молекул     N = vN_A = N_Am/M

Основное уравнение МКТ    p = m₀nv_ср²/3

Температура – мера средней кинетической энергии молекул   E_ср = 3kT/2

Зависимость давления газа от концентрации и температуры   p = nkT

Связь давления со средней кинетической энергией молекул  p = 2nE_ср/3

Связь температур   T = t + 273

Уравнение состояния идеального газа      pV = mRT/M = vRT = NkT  –  уравнение Менделеева 

p =  ρRT/M

p₁V_1//T₁ = p₂V₂/T₂ = const   для постоянной массы газа  –   уравнение Клапейрона

Закон Дальтона:  Давление смеси газов равно сумме давлений газов, находящихся в сосуде

p = p₁ + p₂ + …

Газовые законы

Закон Бойля-Мариотта:    pV = const       если  T = const   m = const

Закон Гей-Люссака:    V/T = const       если   p = const     m = const

Закон Шарля:     p/T = const       если     V = const      m = const

Относительная влажность воздуха 

     φ = ρ/ρ₀· 100% 

Внутренняя энергия       U = 3mRT/2M    

Изменение внутренней энергии   ΔU = 3mRΔT/2M   

Об изменении внутренней энергии судим по изменению абсолютной температуры!!!

Работа газа в термодинамике       A‘ = pΔV

Работа внешних сил над газом        A = – A’

Расчёт количества теплоты

Количество теплоты, необходимое для нагревания вещества (выделяющееся при его охлаждении)        Q = cm(t₂ – t₁)

с – удельная теплоёмкость вещества

Количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического вещества при температуре плавления        Q = λm

λ – удельная теплота плавления

Количество теплоты необходимое для превращения жидкости в пар      Q = Lm

L – удельная теплота парообразования

Количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива      Q = qm

q – удельная теплота сгорания топлива

 

Перый закон термодинамики       ΔU = Q + A               

                                                           Q = ΔU + A’

Q – количество теплоты, полученное газом

Перый закон термодинамики для изопроцессов:

Изотермический процесс:  T = const

Q = A’

Изохорный процесс:   V = const

ΔU =Q

Изобарный процесс:    p = const

ΔU = Q + A

Адиабатный процесс:     Q = 0      (в теплоизолированной системе)

ΔU = A

КПД тепловых двигателей

η = (Q₁ – Q₂) /Q₁ = A’/Q₁= 1 – Q₂/Q₁

Q₁ – количество теплоты, полученное от нагревателя

Q₂ – количество теплоты, отданное холодильнику

Максимальное значение КПД теплового двигателя (цикл Карно:)     η =(T₁ – T₂)/T₁

T₁ – температура нагревателя

T₂ – температура холодильника

Уравнение теплового балланса:   Q₁ + Q₂ + Q₃ + … = 0             ( Q_получ = Q_отд )

 

Электродинамика

Наряду с механикой электординамика занимает значительную часть заданий ЕГЭ и требует интенсивной подготовки для успешной сдачи экзамена по физике.

Электростатика

Закон сохранения электрического заряда: 

В замкнутой системе алгебраическая сумма электрических зарядов всех частиц сохраняется

Закон Кулона       F = kq₁q₂/R²  = q₁q₂/4πε₀R² – сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме

Одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются

Напряжённость – силовая характеристика электрического поля точечного заряда

E = F/q

E = kq₀/R²   – модуль напряжённости поля точечного заряда q₀ в вакууме

Направление вектора Е совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд в данной точке поля

Принцип суперпозиций полей:   Напряжённость в данной точке поля равна векторной сумме напряжённостей полей, действующих в этой точке:           

    φ =  φ₁ + φ₂ + …

Работа электрического поля при перемещении заряда  A = qE( d₁ – d₂) = – qE(d₂ – d₁) =q(φ₁ – φ₂) = qU

A = – ( W_p2 – W_p1)

Wp = qEd = qφ –  потенциальная энергия заряда в данной точке поля

Потенциал  φ = W_p/q =Ed

Разность потенциалов – напряжение:     U = A/q    

Связь напряжённости и разности потенциалов   E = U/d

Электроёмкость

C = q/U    

C =εε₀S/d    –  электроёмкость плоского конденсатора

Энергия плоского конденсатора:  W_p = qU/2 = q²/2C = CU²/2

Параллельное соединение конденсаторов:   q = q₁ +q₂ + … ,     U₁ = U₂ = …_,      С = С₁ + С₂ + …  

Последовательное соединение соединение конденсаторов:   q₁ = q₂ = …,   U = U₁ + U₂ + …,    1/С =1/С₁ +1/С₂ + … 

Законы постоянного тока

Определение силы тока:        I = Δq/Δt      

Закон Ома для участка цепи:        I = U/R

Расчёт сопротивления проводника:       R = ρl/S

Законы полследовательного соединения проводников:

I = I₁ = I₂             U = U₁ + U₂               R = R₁ + R₂

U₁/U₂ = R₁/R₂

Законы параллельного соединения проводников:

I = I₁ + I₂             U = U₁ =  U₂               1/R = 1/R₁ +1/R₂ + …                        R = R₁R₂/(R₁ + R₂)  –  для 2-х проводников

I₁/I₂ = R₂/R₁

Работа электрического поля      A = IUΔt     
Мощность электрического тока       P = A/Δt = IU I²R = U²/R     

Закон Джоуля-Ленца                   Q = I²RΔt       –           количество теплоты, выделяемое проводником с током

ЭДС источника тока        ε = A_стор/q

Закон Ома для полной цепи           

IR = U_внеш – напряжение на внешней цепи

Ir = U_внутр – напряжение внутри источника тока

Электромагнетизм

Магнитное поле – особая форма материя, вознкающая вокруг движущихся зарядов и действующая на движущиеся заряды

Магнитная индукция – силовая характеристика магнитного поля

B = F_m/IΔl        

F_m = BIΔl

Сила Ампера – сила, действуюшая на проводник с током в магнитном поле

F= BIΔlsinα

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: 

Если 4 пальца левой руки направить по направлению тока в проводнике так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, тогда большой палец, отогнутый на 90 градусов укажет направление действия силы Ампера

Сила Лоренца- сила, действующая на электрический заряд, движущийся в магнитном поле

F_л = qBʋsinα

Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки:

Если 4 пальца левой руки направить по направлению движения положительного заряда ( против движения отрицательного), так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, тогда отгнутый на 90 градусов большой палец укажет направление силы Лоренца

Магнитный поток     Ф = BScosα      [ Ф ] = 1 Вб  

Правило Ленца: 

Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем препятствует тому изменению магнитного потока, котрым он вызван

Закон электромагнитной индукции:

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через повернхность, ограниченную контуром   

ЭДС индукции в движушихся проводниках:

Индуктивность L = Ф/I            [ L ] = 1 Гн

Ф = LI

ЭДС самоиндукции:

Энергия магнитного поля тока :    W_m = LI²/2

Энергия электрического поля:     Wэл = qU/2 = CU²/2 = q²/2C

Электромагнитные колебания – гармонические колебания заряда и тока в колебательном контуре

q = q_m sinω₀t   – колебания заряда на конденсаторе

u = U_msinω₀t   –  колебания напряжения на конденсаторе

U_m = q_m/C

i = q’ = q_mω₀cosω₀t   – колебания силы тока в катушке

I_max = q_mω₀    – амплитуда силы тока

Формула Томсона   

Закон сохранения энергии в колебательном контуре

CU²/2 + LI²/2 = CU²_max/2 = LI²_max/2 = Const

Переменный электрический ток:

Ф = BScosωt

e = – Ф’ = BSωsinωt = E_msinωt

u = U_msinωt

i = I_msin(ωt +π​/2) 

Свойства электромагнитных волн 

 

Оптика

Закон отражения:     Угол отражения равен углу падения    

Закон преломления:      sinα/sinβ = ʋ_1/ ʋ₂ = n  

n  – относительный показатель преломления второй среды к первой

n = n₂/n₁     

n₁ – абсолютный показатель преломления первой среды       n₁ = c/ʋ₁

n₂ – абсолютный показатель преломления второй среды       n₂ = c/ʋ₂

При переходе света из одной среды в другую меняется его длина волны, частота остаётся неизменной   v₁ =  v₂    n₁ λ₁ = n₁ λ₂

Полное отражение

Явление полного внутреннего отражения наблюдается при переходе света из более плотонй среды в менее плотную, когда угол преломления достигает 90°  

Предельный угол полного отражения: sinα₀ = 1/n = n₂/n₁

Формула тонкой линзы  1/F = 1/d + 1/f

d – расстояние от предмета до линзы

f – расстояние от линзы до изображения

F – фокусное расстояние

Оптическая сила линзы    D = 1/F

Увеличение линзы    Г = H/h = f/d 

h – высота предмета

H – высота изображения

Дисперсия – разложение белого цвета в спектр – зависимость показателя преломления света от его цвета

Интерференция – сложение волн в пространстве

Условия максимумов:   Δd = k λ   –  целое число длин волн

Условия минимумов:     Δd = ( 2k + 1) λ/2  –  нечётное число длин полуволн

 Δd – разность хода двух волн

Дифракция – огибание волной препятствия

Дифракционная решётка 

dsinα = k λ  –  формула дифракционной решётки

d – постоянная решётки

dx/L = k λ         

x – расстояние от центрального максимума до изображения

L – расстояние от решётки до экрана

 

Квантовая физика

Энергия фотона   E = hv

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта    hv = A_вых + mʋ²/2

mʋ²/2 = eU_з                U_з –  запирающее напряжение

Красная граница фотоэффекта:     hv = A_вых          v_min = A_вых/h            λmax = c/v_min

Энергия фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от интенсивности света. Интенсивность пропорциональна числу квантов в пучке света и определяет число фотоэлектронов

Импульс фотонов 

E = hv = mc²

m = hv/c²          p = mc = hv/c = h/ λ    –    импульс фотонов

Квантовые постулаты Бора:

Атом может находиться только в определённых квантовых состояниях, в которых не излучает  

Энергия излучённого фотона при переходе атома из стационарного состояния с энергией Е_k в стационарное состояние с энергией Еn :

hv = E_k – E_n

Энергетические уровни атома водорода     E_n = – 13,55/n² эВ,   n =1, 2, 3,…

 

Ядерная физика

Закон радиоактивного распада. Период полураспада T – время, за которое распадается половина из большого числа имеющихся радиоактивных ядер

N = N₀ · 2 ^-t/T

Энергия связи атомных ядер Е_св = ΔMc² = ( Zm_P +Nm_n – M_я )с²

Радиоактивность

Альфа-распад:    

Бетта-распад:       электронный

Бетта-распад:           позитронный

 

Астрофизика 

Физическая природа тел солнечной системы

Физическая природа звёзд

Связь между физическими характеристиками звёзд

Диаграмма Герцшпрунга-Рессела

Ускорние свободного падения вблизи поверхности планеты:     

 g = GM/R²

G – гравитационная постоянная

M – масса планеты

R – радиус планеты

Первая космическая скорость:

       

Вторая космическая скорость:  

Ускорение свободного падения   g = v₂²/2R = v₁²/R

Второй закон Ньютона : 

ma_ц = mv₁²/R = mg = GMm/R²

 

Тесты для подготовки к ЕГЭ по механике представлены по разделам:

Тесты для подготовки к ЕГЭ по молекулярной физике и термодинамике:

Тесты для подготовки к ЕГЭ по электродинамике:

Тесты для подготовки к ЕГЭ по оптике:

Тесты для подготовки к ЕГЭ по квантовой физике:

Задания ЕГЭ по физике 2021

Изменения в КИМ ЕГЭ 2021 г. по физике нет.

Структура заданий ЕГЭ по физике-2021

Экзаменационная работа состоит из двух частей, включающих в себя 32 задания.

Часть 1 содержит 26 заданий.

• В заданиях 1–4, 8–10, 14, 15, 20, 25–26 ответом является целое число или конечная десятичная дробь.
• Ответом к заданиям 5–7, 11, 12, 16–18, 21, 23 и 24 является последовательность двух цифр.
• Ответом к заданию 13 является слово.
• Ответом к заданиям 19 и 22 являются два числа.

Часть 2 содержит 6 заданий. Ответ к заданиям 27–32 включает в себя подробное описание всего хода выполнения задания. Вторая часть заданий (с развёрнутым ответом) оцениваются экспертной комиссией на основе критериев.

Темы ЕГЭ по физике, которые будут в экзаменационной работе

1. Механика (кинематика, динамика, статика, законы сохранения в механике, механические колебания и волны).
2. Молекулярная физика (молекулярно-кинетическая теория, термодинамика).
3. Электродинамика и основы СТО (электрическое поле, постоянный ток, магнитное поле, электромагнитная индукция, электромагнитные колебания и волны, оптика, основы СТО).
4. Квантовая физика и элементы астрофизики (корпускулярноволновой дуализм, физика атома, физика атомного ядра, элементы астрофизики).

Продолжительность ЕГЭ по физике

На выполнение всей экзаменационной работы отводится 235 минут.

Примерное время на выполнение заданий различных частей работы составляет:

1. для каждого задания с кратким ответом – 3–5 минут;
2. для каждого задания с развернутым ответом – 15–20 минут.

Что можно брать на экзамен:

• Используется непрограммируемый калькулятор (на каждого ученика) с возможностью вычисления тригонометрических функций (cos, sin, tg) и линейка.
• Перечень дополнительных устройств и материалов, использование которых разрешено на ЕГЭ, утверждается Рособрнадзором.

Важно!!! не стоит рассчитывать на шпаргалки, подсказки и использование технических средств (телефонов, планшетов) на экзамене. Видеонаблюдение на ЕГЭ-2021 усилят дополнительными камерами.

Баллы ЕГЭ по физике

• 1 балл — за 1-4, 8, 9, 10, 13, 14, 15, 19, 20, 22, 23, 25, 26, задания.
• 2 балла — 5, 6, 7, 11, 12, 16, 17, 18, 21, 24, 28.
• 3 балла — 27, 29, 30, 31, 32.

Всего: 53 баллов (максимальный первичный балл).

Что необходимо знать при подготовки заданий в ЕГЭ:

• Знать/понимать смысл физических понятий, величин, законов, принципов, постулатов.
• Уметь описывать и объяснять физические явления и свойства тел (включая космические объекты), результаты экспериментов… приводить примеры практического использования физических знаний
• Отличать гипотезы от научной теории, делать выводы на основе эксперимента и т.д.
• Уметь применять полученные знания при решении физических задач.
• Использовать приобретенные знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни.

С чего начать подготовку к ЕГЭ по физике:

1. Изучать теорию, необходимую для каждого заданий.
2. Тренироваться в тестовых заданиях по физике, разработанные на основе демонстрационного варианта ЕГЭ. На нашем сайте задания и варианты по физике будут пополняться.
3. Правильно распределяйте время.

Желаем успеха!

Темы на егэ по физике. Теория по физике

Видеокурс «Получи пятерку» включает все темы, необходимые для успешной сдачи ЕГЭ по математике на 60-65 баллов. Полностью все задачи 1-13 Профильного ЕГЭ по математике. Подходит также для сдачи Базового ЕГЭ по математике. Если вы хотите сдать ЕГЭ на 90-100 баллов, вам надо решать часть 1 за 30 минут и без ошибок!

Курс подготовки к ЕГЭ для 10-11 класса, а также для преподавателей. Все необходимое, чтобы решить часть 1 ЕГЭ по математике (первые 12 задач) и задачу 13 (тригонометрия). А это более 70 баллов на ЕГЭ, и без них не обойтись ни стобалльнику, ни гуманитарию.

Вся необходимая теория. Быстрые способы решения, ловушки и секреты ЕГЭ. Разобраны все актуальные задания части 1 из Банка заданий ФИПИ. Курс полностью соответствует требованиям ЕГЭ-2018.

Курс содержит 5 больших тем, по 2,5 часа каждая. Каждая тема дается с нуля, просто и понятно.

Сотни заданий ЕГЭ. Текстовые задачи и теория вероятностей. Простые и легко запоминаемые алгоритмы решения задач. Геометрия. Теория, справочный материал, разбор всех типов заданий ЕГЭ. Стереометрия. Хитрые приемы решения, полезные шпаргалки, развитие пространственного воображения. Тригонометрия с нуля – до задачи 13. Понимание вместо зубрежки. Наглядное объяснение сложных понятий. Алгебра. Корни, степени и логарифмы, функция и производная. База для решения сложных задач 2 части ЕГЭ.

Физика – достаточно сложный предмет, поэтому подготовка к ЕГЭ по физике 2019 займет достаточное количество времени. Кроме теоретических знаний комиссия будет проверять умение читать графики схемы, решать задачи.

Рассмотрим структуру экзаменационной работы

Она состоит из 32 заданий, распределенных по двум блокам. Для понимания более удобно расположить всю информацию в таблице.

Вся теория ЕГЭ по физике по разделам

• Механика. Это очень большой, но относительно простой раздел, изучающий движение тел и происходящие при этом взаимодействия между ними, включающий в себя динамику и кинематику, законы сохранения в механике, статику, колебания и волны механической природы.
• Физика молекулярная. В этой теме особое внимание уделяется термодинамике и молекулярно-кинетической теории.
• Квантовая физика и составные части астрофизики. Это наиболее сложные разделы, которые вызывают трудности как во время изучения, так и во время испытаний. Но и, пожалуй, один из самых интересных разделов. Здесь проверяются знания по таким темам как физика атома и атомного ядра, корпускулярно-волновой дуализм, астрофизика.
• Электродинамика и спецтеория относительности. Здесь не обойтись без изучения оптики, основ СТО, нужно знать, как действует электрическое и магнитное поле, что такое постоянный ток, каковы принципы электромагнитной индукции, как возникают электромагнитные колебания и волны.

Да, информации много, объем очень приличный. Для того чтобы успешно сдать ЕГЭ по физике, нужно очень хорошо владеть всем школьным курсом по предмету, а изучается он целых пять лет. Потому за несколько недель или даже за месяц подготовиться к этому экзамену не удастся. Начинать нужно уже сейчас, чтобы во время испытаний чувствовать себя спокойно.

К сожалению, предмет физика вызывает трудности у очень многих выпускников, особенно у тех, кто выбрал его в качестве профилирующего предметы для поступления в вуз. Эффективное изучение этой дисциплины не имеет ничего общего с зазубриванием правил, формул и алгоритмов. Кроме того, усвоить физические идеи и почитать как можно больше теории недостаточно, нужно хорошо владеть математической техникой. Зачастую неважная математическая подготовка не дает школьнику хорошо сдать физику.

Как же готовиться?

Всё очень просто: выбирайте теоретический раздел, внимательно читайте его, изучайте, стараясь понять все физические понятия, принципы, постулаты. После этого подкрепляйте подготовку решением практических задач по выбранной теме. Используйте онлайн тесты для проверки своих знаний, это позволит сразу понять, где вы делаете ошибки и привыкнуть к тому, что на решение задачи даётся определенное время. Желаем вам удачи!

Физика – одна из основных наук естествознания. Изучение физики в школе начинается с 7 класса и продолжается до конца обучения в школе. К этому времени у школьников уже должен быть сформирован должный математический аппарат, необходимый для изучения курса физики.

• Школьная программа по физике состоит из нескольких больших разделов: механика, электродинамика, колебания и волны оптика, квантовая физика, молекулярная физика и тепловые явления.

Темы школьной физики

В 7 классе идет поверхностное ознакомление и введение в курс физики. Рассматриваются основные физические понятия, изучается строение веществ, а также сила давления, с которой различные вещества действуют на другие. Кроме того изучаются законы Паскаля и Архимеда.

В 8 классе изучаются различные физические явления. Даются начальные сведения, о магнитном поле и явления, при которых оно возникает. Изучается постоянный электрический ток и основные законы оптики. Отдельно разбираются различные агрегатные состояния вещества и процессы, происходящие при переходе вещества из одного состояния в другое.

9 класс посвящен основным законам движения тел и взаимодействия их между собой. Рассматриваются основные понятия механических колебаний и волн. Отдельно разбирается тема звука и звуковых волны. Изучается основы теории электромагнитного поля и электромагнитные волны. Кроме того происходит знакомство с элементами ядерной физики и изучается строение атома и атомного ядра.

В 10 классе начинается углубленное изучение механики (кинематики и динамики) и законов сохранения. Рассматриваются основные виды механических сил. Происходит углубленное изучение тепловых явлений, изучается молекулярно-кинетическая теория и основные законы термодинамики. Повторяются и систематизируются основы электродинамики: электростатика, законы постоянного электрического тока и электрический ток в различных средах.

11 класс посвящен изучению магнитного поля и явления электромагнитной индукции. Подробно изучаются различные виды колебаний и волн: механические и электромагнитные. Происходит углубление знаний из раздела оптики. Рассматриваются элементы теории относительности и квантовая физика.

• Ниже идет список классов с 7 по 11. Каждый класс содержит темы по физике, которые написаны нашими репетиторами. Данные материалы могут использоваться как учениками и их родителями, так и школьными учителями и репетиторами.

Сессия приближается, и пора нам переходить от теории к практике. На выходных мы сели и подумали о том, что многим студентам было бы неплохо иметь под рукой подборку основных физических формул. Сухие формулы с объяснением: кратко, лаконично, ничего лишнего. Очень полезная штука при решении задач, знаете ли. Да и на экзамене, когда из головы может «выскочить» именно то, что накануне было жесточайше вызубрено, такая подборка сослужит отличную службу.

Больше всего задач обычно задают по трем самым популярным разделам физики. Это механика , термодинамика и молекулярная физика , электричество . Их и возьмем!

Основные формулы по физике динамика, кинематика, статика

Начнем с самого простого. Старое-доброе любимое прямолинейное и равномерное движение.

Формулы кинематики:

Конечно, не будем забывать про движение по кругу, и затем перейдем к динамике и законам Ньютона.

После динамики самое время рассмотреть условия равновесия тел и жидкостей, т.е. статику и гидростатику

Теперь приведем основные формулы по теме «Работа и энергия». Куда же нам без них!

Основные формулы молекулярной физики и термодинамики

Закончим раздел механики формулами по колебаниям и волнам и перейдем к молекулярной физике и термодинамике.

Коэффициент полезного действия, закон Гей-Люссака, уравнение Клапейрона-Менделеева – все эти милые сердцу формулы собраны ниже.

Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на .

Основные формулы по физике: электричество

Пора переходить к электричеству, хоть его и любят меньше термодинамики. Начинаем с электростатики.

И, под барабанную дробь, заканчиваем формулами для закона Ома, электромагнитной индукции и электромагнитных колебаний.

На этом все. Конечно, можно было бы привести еще целую гору формул, но это ни к чему. Когда формул становится слишком много, можно легко запутаться, а там и вовсе расплавить мозг. Надеемся, наша шпаргалка основных формул по физике поможет решать любимые задачи быстрее и эффективнее. А если хотите уточнить что-то или не нашли нужной формулы: спросите у экспертов студенческого сервиса . Наши авторы держат в голове сотни формул и щелкают задачи, как орешки. Обращайтесь, и вскоре любая задача будет вам «по зубам».

Физика теория- конспект 8 класс

Темы по физике 8 класс

---

В данном разделе представлены краткие конспекты по темам, изучаемым по физике в 8 классе. Чтобы перейти к конспекту, нажмите на название нужной темы.

---

Молекулярная физика и термодинамика

1. Тепловые явления

1.1. Внутренняя энергия.
1.2. Теплопередача
1.3. Количество теплоты. Удельная теплоемкость
1.4. Плавление и кристаллизация
1.5. Испарение, насыщенный пар. Влажность воздуха
1.6. Кипение и конденсация

---

2. Молекулярно-кинетическая теория

2.1. Основные положения МКТ
2.2. Температура
2.3. Изопроцессы. Газовые законы
2.4. Уравнение состояния. Уравнение Менделеева-Клайперона

---

3. Термодинамика

3.1. Внутренняя энергия. Работа в термодинамике
3.2. Первый закон термодинамики
3.3. Теплоемкость. Количество теплоты. Уравнение теплового баланса
3.4. Плавление и кристаллизация
3.5. Кипение и конденсация. Насыщенный пар. Влажность воздуха
3.6. Подробный разбор задачи на применение уравнения теплового баланса

---

Электродинамика

1. Электростатика. Электризация

1.1. Электрический заряд. Закон Кулона
1.2. Электрическое поле. Напряженность
1.3. Потенциал
1.4. Проводники и диэлектрики

---

2. Постоянный электрический ток

2.1. Электричество. Сила тока
2.2. Напряжение. Единицы напряжения
2.3. Сопротивление. Закон Ома
2.4. Последовательное и параллельное соединение проводников
2.5. Подробное решение задачи на расчет электрических цепей
2.6. Работа и мощность тока

---

3. Магнитное поле

3.1. Понятие о магнитном поле. Магнитная индукция
3.2. Магнитное поле вокруг проводника с током. Правило буравчика
3.3. Сила Ампера

---

Оптика

Геометрическая оптика

1. Основные законы геометрической оптики
2. Зеркала. Закон отражения света
3. Преломление света. Показатель преломления
4. Линзы. Построение изображений в линзе
5. Подробный разбор построения изображения в линзе
6. Формула тонкой линзы. Оптическая сила. Увеличение

---

Ядерная физика

Ядерная физика

1. Опыт Резерфорда. Планетарная модель атома
2. Энергия связи
3. Радиоактивность
4. Ядерные реакции

---

Задание № 24 в ЕГЭ по физике. Теория и практика решения астрономических задач» | Физика

Задание № 24 в ЕГЭ по физике. Теория и практика решения астрономических задач»

Автор: Окулова Татьяна Ювинальевна

Организация: МАОУ В(С)ОШ

Населенный пункт: Пермский край, г. Березники

Предисловие

В 2017 году астрономия вернулась в общеобразовательные школы в качестве обязательного предмета в 10-11 классах, и в программу ЕГЭ по физике с 2018 года ввели одно задание (№24) по тематике астрономии и астрофизики, которое оценивается в 2 балла. Суть заданий заключается в том, что используя информацию из таблицы, необходимо выбрать из пяти предложенных вариантов ответов два верных.

Условно все задания по астрономии можно разделить на 4-е типа:

• о звездах.

• о планетах Солнечной системы

• о спутниках планет Солнечной системы.

• о различных объектах Солнечной системы: астероид, комета и т.д.

 

В данном методическом пособии мною проведён разбор всех типов задач, с подробными комментариями по поводу правильного выбора варианта ответов. Кроме того, для восстановления в памяти основной сути вопроса перед каждым типом заданий, в мини формате излагается теоретический материал.

Далее предлагаются аналогичные задания для самостоятельного решения, выполнение этих заданий играет ведущую роль при подготовке к экзамену.

Все задания в пособии взяты из сборника: « ЕГЭ. Физика», под редакцией М.Ю. Демидовой, которые соответствуют проекту демоверсии ЕГЭ 2020 года.

Настоящее пособие рекомендую для учеников 10 и 11 классов и их педагогов, желающих качественно подготовиться к решению задач астрофизической тематики в ЕГЭ по физике.

Методические рекомендации при работе с пособием:

Все задания №24 из ЕГЭ по физике разбиты на основные типы, по каждому из которых изложен теоретический материал, проведен анализ таблицы или диаграммы, сопровождающей задание. После этого приводится выполнение задания с пояснениями и комментариями.

Для закрепления материала предлагается выполнить несколько заданий самостоятельно. Ответы к заданиям, для самопроверки прилагаются в пособии.

 

Тема 1. Звезды. Диаграмма Герцшпрунга-Рассела

Теоретический материал.

Звезда – массивный газовый шар, излучающий свет и удерживаемый в состоянии равновесия силами собственной гравитации и внутренним давлением, в недрах которого происходят (или происходили ранее) реакции термоядерного синтеза. Диаграмма Герцшпрунга – Рассела показывает зависимость между абсолютной звёздной величиной, светимостью, спектральным классом и температурой поверхности звезды. Звёзды на этой диаграмме образуют хорошо различимые участки, 4 особые зоны ( см.рис.): главная последовательность, белые карлики, гиганты и сверхгиганты. Это классы звезд по их размерам.

Основная часть звезд Вселенной, более 90%, относятся к главной последовательности.

Мы можем увидеть, что большинство таких звезд имеют размеры большие, чем 0,1 диаметра Солнца и не превышают 10 солнечных диаметров (условное обозначение Солнца – ʘ):

0,1𝐷ʘ < 𝑫г.п. < 10𝐷ʘ.

Следующая область – звезды гиганты.

Их размеры больше звезд главной последовательности. Из диаграммы мы видим, что диаметр гигантов может быть от 10 до 100 солнечных диаметров:

10𝐷ʘ < 𝑫г. < 100𝐷ʘ

Самые большие звезды нашей Вселенной – это сверхгиганты. Их размеры превышают 100 солнечных диаметров:

𝑫𝒄.г. > 100𝐷ʘ.

В нижней части диаграммы располагается область белых карликов. Они имеют достаточно малые размеры:

0,001𝐷ʘ < 𝑫б.к. < 0,1𝐷ʘ.

Поэтому, чтобы определить принадлежность звезды к тому или иному классу, необходимо ее размеры сравнить с размерами Солнца.

В нижней части диаграммы указаны основные спектральные классы звезд – классы звёзд по спектру излучения, в первую очередь, по температуре их поверхности: O, B, A, F, G, K, M. О том, к какому спектральному классу относится та или иная звезда, будем судить о температуре ее поверхности:

Класс O – самый высокий класс в иерархии, а класс M – самый низкий. Чем выше класс, иерархии, тем звезды горячее, больше, ярче. А чем ниже класс, тем, соответственно они холоднее,

Вопрос, про плотность: чем больше звезда, тем более она разряжена.

Название спектральных классов можно запомнить, если выучить простую считалку: «Один(O) бритый(B) англичанин(A) финики(F) жевал(G) как(K) морковь(M)». Кратко о Солнце, звезде нашей Солнечной системы. Оно относится к звездам G – класса, так как имеет температуру 5800 градусов Кельвина. Это соответствует желтому цвету. Все звезды, которые будут иметь температуру выше, будут относиться к классам F, A, B, O, а те, что ниже – к классам K, M.

Размеры белых карликов невелики, однако это достаточно массивные звезды, значит, они имеют большую плотность. Это наибольшая плотность среди всех классов звезд. Сверхгиганты при таких же или еще меньших массах очень большие звезды. Таким образом, их плотность будет наименьшей. 𝜌с.г. ≪ 𝜌г.п. ≪ 𝜌б.к.

Из диаграммы Герцшрунга-Рассела также можно сделать вывод о длительности «жизненного цикла» звезды. Чем выше ее температура, тем меньше времени «проживет» звезда. И наоборот, «жизненный цикл» звезды тем больше, чем ее температура ниже.

Слева на диаграмме отображается светимость звезд. Светимость – это физическая величина, равная энергии, излучаемой с поверхности звезды за 1 с.

Справа указана абсолютная звездная величина. Это еще одна энергетическая характеристика звезды.

Анализ диаграммы, показывает, что

• большая часть звёзд, в том числе и Солнце, лежит на диаграмме так называемой Главной последовательности.
• отдельно выделяются группы звёзд, образующие области красных гигантов и сверхгигантов (правый верхний угол)
• белых карликов (внизу).
• звёзды правой нижней части Главной последовательности обычно называются красными карликами
• звёзды левой верхней части – голубыми гигантами.

В течение своего жизненного цикла звезда перемещается по диаграмме Герцшпрунга – Рессела по сложным траекториям.

Для звёзд главной последовательности также работает правило – чем горячее звезда, тем быстрее она эволюционирует (поскольку горячие звёзды главной последовательности более массивны, чем холодные).

На земном небе звёзды образуют созвездия – характерные фигуры, известные астрономам ещё с древних времён. Созвездия – исключительно видимые объединения звёзд – звёзды одного созвездия обычно никак не связаны друг с другом и могут находиться на колоссальных расстояниях одна от другой. Исключения составляют так называемые двойные и кратные системы из нескольких звёзд, связанных между собой гравитационными силами (например, система альфа Центавра состоит из трёх звёзд).

 

Полный текст статьи см. в приложении.
 

Приложения:

1. file0.docx.. 6,1 МБ

Опубликовано: 18.09.2020

7 самых больших вопросов по физике, на которые нет ответов

На этом загадки не заканчиваются. Атомы, как известно, электрически нейтральны – положительный заряд протонов компенсируется отрицательным зарядом электронов, – но Линкольн говорит: «Никто не знает, почему это так».

2. Почему гравитация такая странная?

Нет силы более знакомой, чем гравитация – в конце концов, это то, что удерживает наши ноги на земле. И общая теория относительности Эйнштейна дает математическую формулировку гравитации, описывая ее как «искривление» пространства.Но гравитация в триллион триллионов триллионов раз слабее трех других известных сил (электромагнетизма и двух видов ядерных сил, действующих на крошечных расстояниях).

Одна возможность – на данный момент спекулятивная – состоит в том, что помимо трех измерений пространства, которые мы замечаем каждый день, есть скрытые дополнительные измерения, возможно, «свернутые» таким образом, что их невозможно обнаружить. Если эти дополнительные измерения существуют – и если гравитация способна «просачиваться» в них, это могло бы объяснить, почему гравитация кажется нам такой слабой.

«Может быть, гравитация так же сильна, как и эти другие силы, но она быстро растворяется, выплескиваясь в эти другие невидимые измерения», – говорит Уайтсон. Некоторые физики надеялись, что эксперименты на LHC дадут намек на эти дополнительные измерения, но пока безуспешно.

3. Почему кажется, что время течет только в одном направлении?

Со времен Эйнштейна физики думали, что пространство и время образуют четырехмерную структуру, известную как «пространство-время». Но пространство очень сильно отличается от времени.В космосе мы можем перемещаться, как захотим. Что касается времени, мы застряли. Мы становимся старше, а не моложе. И мы помним прошлое, но не будущее. Время, в отличие от пространства, кажется, имеет предпочтительное направление – физики называют его «стрелой времени».

Некоторые физики подозревают, что второй закон термодинамики дает ключ к разгадке. В нем говорится, что энтропия физической системы (грубо говоря, количество беспорядка) со временем увеличивается, и физики думают, что это увеличение определяет направление времени.(Например, разбитая чашка имеет больше энтропии, чем неповрежденная – и, конечно же, разбитые чашки всегда появляются после неповрежденных, а не раньше.)

Энтропия может расти сейчас, потому что раньше она была ниже, но почему это низко для начала? Была ли энтропия вселенной необычно низкой 14 миллиардов лет назад, когда она возникла в результате Большого взрыва?

Для некоторых физиков, включая Шона Кэрролла из Калифорнийского технологического института, это недостающий элемент головоломки. «Если вы скажете мне, почему ранняя Вселенная имела низкую энтропию, я смогу объяснить остальное», – говорит он.По мнению Уайтсона, энтропия – это еще не все. «Для меня, – говорит он, – самый глубокий вопрос заключается в том, почему время так отличается от пространства?» (Недавнее компьютерное моделирование, кажется, показывает, как асимметрия времени может возникать из фундаментальных законов физики, но работа противоречива, и окончательная природа времени продолжает вызывать страстные споры.)

Связанные

4. Откуда все взялось. антивещество идет?

Антивещество может быть более известным в художественной литературе, чем в реальной жизни.В оригинальном «Звездном пути» антивещество реагирует с обычным веществом, приводя в движение варп-двигатель, который приводит в движение U.S.S. Предприятие на скоростях, превышающих скорость света. В то время как варп-драйв – это чистая выдумка, антивещество вполне реально. Мы знаем, что для каждой частицы обычного вещества может быть идентичная частица с противоположным электрическим зарядом. Антипротон, например, похож на протон, но с отрицательным зарядом. Между тем, античастица, соответствующая отрицательно заряженному электрону, является положительно заряженным позитроном.

Физики создали антивещество в лаборатории. Но когда они это делают, они создают равное количество материи. Это предполагает, что в результате Большого взрыва материя и антивещество были созданы в равных количествах. Однако почти все, что мы видим вокруг себя, от земли под ногами до самых далеких галактик, состоит из обычной материи.

Что происходит? Почему материи больше, чем антивещества? Мы предполагаем, что Большой взрыв каким-то образом произвел немного больше вещества, чем антивещества.«Что должно было произойти в начале истории Вселенной – в самые моменты после Большого взрыва – так это то, что на каждые 10 миллиардов частиц антивещества приходилось 10 миллиардов и одна частицы материи», – говорит Линкольн. «И вещество и антивещество уничтожили 10 миллиардов, оставив один. И этот маленький «единица» – это та масса, которая составляет нас ».

Но почему вообще небольшой избыток вещества над антивеществом? «Мы действительно этого не понимаем, – говорит Линкольн. «Это странно.«Если бы начальные количества вещества и антивещества были равны, они бы полностью уничтожили друг друга в виде всплеска энергии. В этом случае, говорит Линкольн, «нас бы не было».

Квантовая физика | New Scientist

Что такое квантовая физика? Проще говоря, это физика, которая объясняет, как все работает: лучшее, что у нас есть, описание природы частиц, из которых состоит материя, и сил, с которыми они взаимодействуют.

Квантовая физика лежит в основе того, как работают атомы, и почему химия и биология работают именно так.Вы, я и столб ворот – по крайней мере, на каком-то уровне мы все танцуем под квантовую мелодию. Если вы хотите объяснить, как электроны движутся через компьютерный чип, как фотоны света превращаются в электрический ток в солнечной панели или усиливаются в лазере, или даже как солнце продолжает гореть, вам нужно будет использовать квантовую физику. .

Здесь начинаются трудности, а для физиков – самое интересное. Начнем с того, что единой квантовой теории не существует. Существует квантовая механика, основная математическая структура, лежащая в основе всего этого, которая была впервые разработана в 1920-х годах Нильсом Бором, Вернером Гейзенбергом, Эрвином Шредингером и другими.Он характеризует простые вещи, такие как изменение положения или импульса отдельной частицы или группы из нескольких частиц с течением времени.

Но чтобы понять, как все работает в реальном мире, квантовая механика должна быть объединена с другими элементами физики – в первую очередь, специальной теорией относительности Альберта Эйнштейна, которая объясняет, что происходит, когда вещи движутся очень быстро, – чтобы создать то, что известно как квантовая теория относительности. теории поля.

Три разные квантовые теории поля имеют дело с тремя из четырех фундаментальных сил, посредством которых взаимодействует материя: электромагнетизм, который объясняет, как атомы держатся вместе; сильное ядерное взаимодействие, которое объясняет стабильность ядра в сердце атома; и слабое ядерное взаимодействие, которое объясняет, почему некоторые атомы подвергаются радиоактивному распаду.

За последние пять десятилетий эти три теории были объединены в ветхую коалицию, известную как «стандартная модель» физики элементарных частиц. Несмотря на все впечатление, что эта модель слегка скреплена липкой лентой, это наиболее точно проверенная картина основной работы материи из когда-либо созданных. Его коронная слава пришла в 2012 году с открытием бозона Хиггса, частицы, придающей всем другим фундаментальным частицам их массу, существование которой было предсказано на основе квантовых теорий поля еще в 1964 году.

Обычные квантовые теории поля хорошо работают при описании результатов экспериментов на ускорителях частиц высокой энергии, таких как Большой адронный коллайдер ЦЕРНа, где был открыт Хиггс, который исследует материю в ее мельчайших масштабах. Но если вы хотите понять, как все работает во многих менее эзотерических ситуациях – как электроны движутся или не проходят через твердый материал и, таким образом, превращают материал в металл, изолятор или полупроводник, например, – все становится еще сложнее.

Миллиарды и миллиарды взаимодействий в этой многолюдной среде требуют разработки «эффективных теорий поля», которые затушевывают некоторые кровавые детали. Трудность построения таких теорий заключается в том, почему многие важные вопросы физики твердого тела остаются нерешенными – например, почему при низких температурах некоторые материалы являются сверхпроводниками, пропускающими ток без электрического сопротивления, и почему мы не можем заставить этот трюк работать при комнатной температуре. .

Но за всеми этими практическими проблемами кроется огромная квантовая загадка.На базовом уровне квантовая физика предсказывает очень странные вещи о том, как работает материя, которые полностью расходятся с тем, как вещи работают в реальном мире. Квантовые частицы могут вести себя как частицы, расположенные в одном месте; или они могут действовать как волны, распространяясь по всему пространству или сразу в нескольких местах. Как они выглядят, кажется, зависит от того, как мы их измеряем, и до того, как мы измерим, кажется, что они вообще не обладают определенными свойствами, что приводит нас к фундаментальной загадке о природе базовой реальности.

Эта нечеткость приводит к очевидным парадоксам, таким как кошка Шредингера, в которой благодаря неопределенному квантовому процессу кошка остается мертвой и живой одновременно. Но это не все. Квантовые частицы также, кажется, могут мгновенно влиять друг на друга, даже когда они находятся далеко друг от друга. Это действительно сбивающее с толку явление известно как запутанность, или, как сказал Эйнштейн (великий критик квантовой теории), «жуткое действие на расстоянии». Такие квантовые возможности совершенно чужды нам, но они являются основой новых технологий, таких как сверхзащищенная квантовая криптография и сверхмощные квантовые вычисления.

Но что все это значит, никто не знает. Некоторые люди думают, что мы должны просто согласиться с тем, что квантовая физика объясняет материальный мир в терминах, которые мы не можем согласовать с нашим опытом в более широком, «классическом» мире. Другие думают, что должна быть какая-то лучшая, более интуитивная теория, которую нам еще предстоит открыть.

При этом в комнате несколько слонов. Для начала, существует четвертая фундаментальная сила природы, которую пока что квантовая теория не смогла объяснить.Гравитация остается территорией общей теории относительности Эйнштейна, строго неквантовой теории, которая даже не касается частиц. Десятки лет интенсивные попытки подвести гравитацию под квантовый зонтик и таким образом объяснить всю фундаментальную физику в рамках одной «теории всего» ни к чему не привели.

Между тем космологические измерения показывают, что более 95 процентов Вселенной состоит из темной материи и темной энергии, материалов, для которых у нас в настоящее время нет объяснения в рамках стандартной модели, и загадок, таких как степень роли квантовой физики в беспорядке. механизмы жизни остаются необъясненными.В некоторой степени мир является квантовым, но вопрос о том, является ли квантовая физика последним словом о мире, остается открытым. Ричард Уэбб

Что такое теория всего?

Теория всего (TOE) – это гипотетическая основа, объясняющая все известные физические явления во Вселенной. Исследователи искали такую ​​модель с момента развития квантовой механики и теории относительности Альберта Эйнштейна в начале 20 века.

Каждый из этих столпов современной физики описывает свою соответствующую область исследования – самые маленькие и самые массивные вещи в космосе – с поразительной точностью, но и квантовая механика , и теория относительности терпят неудачу в применении друг к другу. Пока что всеобъемлющая теория всего ускользает от ученых, и некоторые считают, что конечная цель нереальна.

Доблестные усилия Эйнштейна

Эйнштейн начал поиск объединяющей теории в 1920-х годах, по данным Американского физического общества (APS).Он никогда полностью не принимал странные парадоксы квантовой механики и считал, что математика, описывающая электромагнетизм и гравитацию , единственные две силы, известные в то время, можно объединить в единую структуру.

«Я хочу знать, как Бог создал этот мир», – сказал Эйнштейн молодой студентке физики по имени Эстер Саламан в 1925 году. «Меня не интересует то или иное явление, спектр того или иного элемента. хочу знать Его мысли; остальное – просто детали.«

Но поиски Эйнштейна оказались донкихотскими при его жизни.« Большинство моих интеллектуальных потомков оказываются очень молодыми на кладбище разочарованных надежд », – написал он в письме в 1938 году. На смертном одре он попросил его последние заметки по теории всего, что ему приносили, согласно APS.

Эйнштейн считал, что теория всего объяснит, «как Бог создал этот мир». (Изображение предоставлено НАСА)

Потенциальные кандидаты

В середине 20 века физики разработали Стандартную модель, которую назвали «теорией почти всего ».”Он описывает взаимодействия всех известных субатомных частиц и трех из четырех фундаментальных сил: электромагнетизма и сильных и слабых ядерных сил, но не гравитации.

Связано: Странные кварки и мюоны, о боже! Рассеянные частицы (инфографика)

Модель, которая также включала гравитацию, будет известна как теория квантовой гравитации . . Некоторые исследователи считают, что теория струн является такой основой и подходит для теории всего. Теория струн утверждает, что частицы на самом деле являются одномерными, подобными струне сущностями, колеблющимися в 11-мерной реальности. Колебания определяют свойства различных частиц, такие как их масса и заряд.

Или, может быть, ее не существует

Но другие ученые считают идею теории струн интеллектуальным тупиком. Питер Войт, физик-теоретик из Колумбийского университета, неоднократно ругал своих коллег за то, что они гнались за тем, что он считает воображаемой мечтой.

«Основная проблема исследований по унификации теории струн заключается не в том, что прогресс был медленным за последние 30 лет, – писал Войт в своем блоге , – а в том, что результаты были отрицательными, и все изученное более четко показывает, почему эта идея не работает “.

В своем бестселлере «Краткая история времени» (Bantam Books, 1988) физик Стивен Хокинг описал свое желание помочь в создании теории всего (что также было названием его биографического фильма «» 2014 года).Но позже в жизни знаменитый ученый изменил свое мнение; он думал, что такая теория будет недосягаема навсегда, потому что человеческие описания реальности всегда неполны, согласно лекции 2002 года , доступной на веб-сайте, посвященном покойному физику.

Этот факт не огорчил его, а, скорее, вселил надежду. «Теперь я рад, что наши поиски понимания никогда не закончатся и что перед нами всегда будут стоять новые открытия», – сказал Хокинг. “Без этого мы бы застопорились.”

Дополнительные ресурсы:

Единая теория поля | физика

Единая теория поля, , в физике элементарных частиц, попытка описать все фундаментальные силы и отношения между элементарными частицами в терминах единой теоретической основы. В физике силы могут быть описаны полями, которые опосредуют взаимодействия между отдельными объектами.В середине XIX века Джеймс Клерк Максвелл сформулировал первую теорию поля в своей теории электромагнетизма.Затем, в начале 20-го века, Альберт Эйнштейн разработал общую теорию относительности, полевую теорию гравитации. Позже Эйнштейн и другие попытались построить единую теорию поля, в которой электромагнетизм и гравитация выступили бы как разные аспекты единого фундаментального поля. Они потерпели неудачу, и по сей день гравитация остается вне попыток создания единой теории поля.

На субатомных расстояниях поля описываются квантовыми теориями поля, которые применяют идеи квантовой механики к фундаментальному полю.В 1940-х годах квантовая электродинамика (КЭД), квантовая полевая теория электромагнетизма, получила полное развитие. В КЭД заряженные частицы взаимодействуют, когда они испускают и поглощают фотоны (мельчайшие пакеты электромагнитного излучения), по сути, обмениваясь фотонами в игре субатомной «ловушки». Эта теория работает настолько хорошо, что стала прототипом теорий других сил.

Британская викторина

Викторина “Все о физике”

Кто был первым ученым, проведшим эксперимент по управляемой цепной ядерной реакции? Какая единица измерения для циклов в секунду? Проверьте свою физическую хватку с помощью этой викторины.

В 1960-х и 1970-х годах физики элементарных частиц обнаружили, что материя состоит из двух типов основных строительных блоков – элементарных частиц, известных как кварки и лептоны. Кварки всегда связаны вместе в более крупных наблюдаемых частицах, таких как протоны и нейтроны. Они связаны сильной силой ближнего действия, которая подавляет электромагнетизм на субъядерных расстояниях. Лептоны, в состав которых входит электрон, не «чувствуют» сильную силу. Однако и кварки, и лептоны испытывают второе ядерное взаимодействие – слабое взаимодействие.Эта сила, которая отвечает за определенные типы радиоактивности, вместе классифицируемые как бета-распад, мала по сравнению с электромагнетизмом.

В то время, как картина кварков и лептонов начала кристаллизоваться, значительные успехи привели к возможности разработки единой теории. Теоретики начали использовать концепцию локальной калибровочной инвариантности, которая постулирует симметрии основных уравнений поля в каждой точке пространства и времени ( см. Калибровочную теорию ). И электромагнетизм, и общая теория относительности уже включали такие симметрии, но важным шагом было открытие того, что калибровочно-инвариантная квантовая теория поля слабого взаимодействия должна включать дополнительное взаимодействие, а именно электромагнитное взаимодействие.Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг независимо друг от друга предложили единую «электрослабую» теорию этих сил, основанную на обмене четырьмя частицами: фотоном для электромагнитных взаимодействий и двумя заряженными частицами размером W и нейтральной частицей Z для слабого взаимодействия. взаимодействия.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

В 1970-х годах была разработана аналогичная квантовая теория поля для сильного взаимодействия, названная квантовой хромодинамикой (КХД).В КХД кварки взаимодействуют посредством обмена частицами, называемыми глюонами. Теперь цель исследователей – выяснить, можно ли объединить сильное взаимодействие с электрослабым взаимодействием в теории великого объединения (GUT). Есть свидетельства того, что силы различных сил меняются в зависимости от энергии таким образом, что они сходятся при высоких энергиях. Однако задействованные энергии чрезвычайно высоки, более чем в миллион миллионов раз превышающие энергетический масштаб электрослабого объединения, что уже было подтверждено многими экспериментами.

Теории великого объединения описывают взаимодействия кварков и лептонов в рамках одной и той же теоретической структуры. Это приводит к возможности того, что кварки могут распадаться на лептоны и, в частности, что протон может распадаться. Ранние попытки GUT предсказывали, что время жизни протона должно быть в районе 10 ³² лет. Это предсказание было проверено в экспериментах по мониторингу больших количеств вещества, содержащего порядка 10 ³² протонов, но нет никаких доказательств того, что протоны распадаются.Если они действительно распадаются, они должны иметь время жизни больше, чем предсказывается простейшими GUT. Есть также свидетельства того, что силы сил точно не сходятся, если только новые эффекты не вступят в игру при более высоких энергиях. Одним из таких эффектов может быть новая симметрия, называемая «суперсимметрией».

Успешное GUT все равно не будет включать гравитацию. Проблема здесь в том, что теоретики еще не знают, как сформулировать работоспособную квантовую теорию гравитации, основанную на обмене гипотетическим гравитоном. См. Также квантовая теория поля.

Новая теория всего объединяет квантовую механику с теорией относительности … и многое другое

Одна из целей современной физики – определить основные правила, которые управляют нашей реальностью. Действительно, одно из чудес Вселенной состоит в том, что всего несколько правил, кажется, описывают многие аспекты нашего мира. Более того, ученые нашли способы объединить эти правила в более простые и действенные.

Это заставило многих мыслителей предположить, что может существовать одно правило или набор правил, из которых вытекает все остальное.Это стремление к теории всего послужило движущей силой мышления, лежащей в основе современной физики. Мы построили машины и обсерватории стоимостью в несколько миллиардов долларов, чтобы проверить эти идеи, как правило, с огромным успехом.

Несмотря на этот успех, одна из выдающихся задач – объединить два совершенно разных, но фундаментальных столпа современной науки: теорию относительности, которая описывает Вселенную в большом масштабе; и теория квантовой механики, которая описывает это в мельчайших масштабах.

Обе теории почти идеально объясняют результаты почти всех когда-либо проведенных экспериментов.И все же они полностью расходятся друг с другом. Многие теоретики пытались объединить их, но прогресс был медленным.

Это создает основу для работы Стивена Вольфрама, физика и специалиста по информатике, который большую часть своей карьеры посвятил классификации простых алгоритмов, называемых клеточными автоматами, и изучению их свойств. Его главный вывод состоит в том, что простейшие алгоритмы могут создавать огромную сложность; некоторые даже генерируют случайность. И его основная гипотеза состоит в том, что Вселенная управляется некоторым подмножеством этих алгоритмов.

Новый вид науки

В 2002 году он опубликовал свои результаты в объемном фолианте под названием «Новый вид науки», который получил неоднозначные отзывы и в целом не оказал влияния, на которое, казалось, надеялся Вольфрам. Теперь он вернулся с другой, похожей идеей и еще более амбициозным заявлением.

Вновь Вольфрам изучил свойства простых алгоритмов; на этот раз те, которые немного отличаются от клеточных автоматов, но которые, по его словам, минимальны и бесструктурны, насколько это возможно.И, опять же, он говорит, что многократное применение этих простых алгоритмов приводит к созданию моделей – игрушечных вселенных, если хотите – огромной сложности. Но его новое сенсационное заявление состоит в том, что законы физики возникают из этой сложности, что они являются эмерджентным свойством этих игрушечных вселенных.

Вольфрам, который работает с несколькими сотрудниками, описывает, как относительность и кривизна пространства-времени возникают в этих вселенных. Затем он описывает, как квантовая механика является эмерджентным свойством этих же вселенных, когда они изучаются другим способом.Таким образом, относительность и квантовая механика – разные стороны одной медали. Он продолжает показывать, как они тесно связаны с другой, все более влиятельной и важной идеей в современной физике: вычислительной сложностью.

Итак, его новая теория всего состоит в том, что три столпа современной физики – теория относительности, квантовая механика и вычислительная сложность – по сути, одно и то же, рассматриваемые по-разному. «На данный момент я уверен, что базовая структура, которая у нас есть, говорит нам фундаментально, как работает физика», – говорит Вольфрам.Это потрясающее заявление.

Прежде всего необходимо признать, что трудно разработать какую-либо согласованную теорию, объединяющую теорию относительности с квантовой механикой. Если он пройдет проверку коллегами, это будет огромным достижением.

Но есть и причины для осторожности. Во-первых, неясно, отправляет ли Wolfram работу на официальную экспертную оценку. Если нет, то почему?

Во-вторых, мерилом любой новой теории являются проверяемые предсказания, которые она делает, что отличает ее от других теорий.Многочисленные интересные идеи оказались на обочине, потому что их предсказания совпадают с традиционными или более известными теориями. -35 м, которая в настоящее время считается наименьшей возможной длиной.35 таких элементов.

Но должны существовать и более простые частицы, состоящие из меньшего количества элементов. Он называет их олигонами, и, поскольку они должны проявлять силу гравитации, Вольфрам предполагает, что они составляют темную материю, которая, по мнению астрономов, заполняет нашу Вселенную, но не может видеть.

Непонятно, как физики могут проверить эти предсказания. Но, возможно, несправедливо ожидать такого уровня детализации на столь раннем этапе. (Вольфрам сказал, что всерьез начал работать над этой идеей только в октябре прошлого года.)

Социальные сети

И последнее, что стоит отметить, – это место Вольфрама в сообществе физиков. Он аутсайдер. Это не должно иметь значения, но имеет значение.

Постоянная критика «Нового вида науки» заключалась в том, что в ней не было должного признания вкладов других, работающих в той же области. Это впечатление, несомненно, пагубно повлияло на то, как идеи Вольфрама были восприняты и как они распространялись.

Будет ли на этот раз по-другому? Многое будет зависеть от его взаимодействия с сообществом.Официальная экспертная оценка будет хорошим началом. Вольфрам приложил некоторые усилия, чтобы признать полезные обсуждения, которые он провел с другими физиками, и он включает длинный список ссылок (хотя примерно четверть относится к его собственной работе или его компании Wolfram Research). В частности, Вольфрам признает работу Роджера Пенроуза по комбинаторному пространству-времени в начале 1970-х годов, которая предвосхитила подход Вольфрама.

Нравится вам это или нет, но наука – это социальное занятие. Идеи распространяются по сети, узлами которой являются люди.А если вы не являетесь частью сообщества и активно пренебрегаете его нормами, то не должно быть сюрпризом, если вашу работу игнорируют, или что сотрудничество не процветает, или что финансирование трудно найти. И хотя теоретическая работа, подобная работе Вольфрама, может процветать при минимальном финансировании, экспериментальная работа – нет.

Работа Вольфрама, безусловно, выиграет от широкого сотрудничества и развития. Получит ли он это, во многом зависит от него.

---

Ref: Класс моделей с потенциалом представления фундаментальной физики arxiv.org / abs / 2004.08210 Для неформального введения: «Наконец-то у нас может быть путь к фундаментальной теории физики… и это прекрасно»

Физики критикуют «Теорию всего» Стивена Вольфрама

Стивен Вольфрам винит себя за то, что не изменил лицо физики раньше.

«Я виню себя за то, что не сделал этого 20 лет назад», – говорит физик, ставший предпринимателем в области программного обеспечения. «Честно говоря, я также виню некоторых людей в физическом сообществе, которые пытались предотвратить это 20 лет назад.Они были успешными ». Еще в 2002 году, после многих лет работы, Вольфрам самостоятельно опубликовал A New Kind of Science, , большой труд на 1200 страниц, в котором подробно описывается общая идея о том, что природа работает по сверхпростым вычислительным правилам. Книга мгновенно стала бестселлером и получила восторженные отзывы: New York Times назвал ее «первоклассным интеллектуальным увлечением». Но аргументы Вольфрама нашли мало сторонников среди ученых. Их работа продолжалась, и он вернулся к руководству своей компанией по разработке программного обеспечения Wolfram Research.И там все оставалось – до прошлого месяца, когда в сопровождении запыхавшегося освещения в прессе (и препринта на 448 страницах) Вольфрам объявил о возможном «пути к фундаментальной теории физики», основанном на своих нетрадиционных идеях. И снова физики не убеждены – в немалой степени, как они говорят, потому, что существующие теории работают лучше, чем его модель.

По сути, новый подход Вольфрама – это вычислительная картина космоса, в которой фундаментальные правила, которым подчиняется Вселенная, напоминают строчки компьютерного кода.Этот код действует на графе, сети точек со связями между ними, которая растет и изменяется по мере того, как цифровая логика кода продвигается вперед, шаг за шагом. Согласно Вольфраму, этот график – фундамент Вселенной. Из скромного начала небольшого графа и короткого набора правил могут быстро появиться невероятно сложные структуры. «Даже когда основные правила для системы чрезвычайно просты, поведение системы в целом может быть сколь угодно богатым и сложным», – написал он в своем блоге, обобщая эту идею.«И это заставило меня задуматься: может ли Вселенная работать таким образом?» Вольфрам и его сотрудник Джонатан Горард, доктор философии по физике. Кандидат в Кембриджский университет и консультант Wolfram Research обнаружили, что такая модель может воспроизводить некоторые аспекты квантовой теории и общей теории относительности Эйнштейна, двух фундаментальных столпов современной физики.

Но способность модели Вольфрама включать общепринятую в настоящее время физику не обязательно так впечатляет.«Это своего рода бесконечно гибкая философия, в которой, независимо от того, что кто-то сказал о физике верно, они могут затем утверждать:« О, да, вы можете привить что-то подобное в нашу модель », – говорит Скотт Ааронсон, ученый-квантовый компьютер в Техасском университете в Остине.

Когда Горард спрашивает о такой критике, он соглашается – балл. «Мы просто подходящие вещи», – говорит он. «Но мы делаем это только для того, чтобы действительно пойти и провести систематизированный поиск» конкретных правил, которые соответствуют правилам нашей вселенной.

Однако

Вольфрам и Горард еще не нашли вычислительных правил, удовлетворяющих этим требованиям. А без этих правил они не могут делать никаких определенных, конкретных новых предсказаний, которые можно было бы проверить экспериментально. В самом деле, по мнению критиков, модель Вольфрама еще не воспроизвела даже самые основные количественные предсказания традиционной физики. «Экспериментальные предсказания [квантовой физики и общей теории относительности] были подтверждены с точностью до многих десятичных знаков – в некоторых случаях с точностью до одной части [10 миллиардов]», – говорит Дэниел Харлоу, физик из Массачусетского технологического института.«Пока я не вижу никаких указаний на то, что это можно сделать с помощью простых видов [вычислительных правил], предлагаемых Вольфрамом. Он утверждает, что успехи в лучшем случае качественные ». Более того, даже этот качественный успех ограничен: в модели отсутствуют важные черты современной физики. И те части физики, которые он может качественно воспроизвести, в основном присутствуют потому, что Вольфрам и его коллеги добавили их с самого начала. Такое расположение сродни объявлению: «Если мы предположим, что кролик выходит из шляпы, то, что примечательно, этот кролик выходит из шляпы», – говорит Ааронсон.«И затем [продолжается] о том, как это замечательно».

Неудивительно, что Вольфрам не согласен. Он утверждает, что его модель уже воспроизвела большую часть фундаментальной физики. «Используя чрезвычайно простую модель, мы можем воспроизвести специальную теорию относительности, общую теорию относительности и основные результаты квантовой механики, – говорит он, – что, конечно же, привело к такому большому количеству точных количественных предсказаний физики. прошлый век ».

Даже критики Вольфрама признают, что он прав по крайней мере в одном: действительно интересно, что простые вычислительные правила могут приводить к таким сложным явлениям.Но спешат добавить, что это вряд ли оригинальное открытие. Эта идея «возникла задолго до Wolfram», – говорит Харлоу. Он цитирует работы пионеров вычислительной техники Алана Тьюринга в 1930-х и Джона фон Неймана в 1950-х, , а также работы математика Джона Конвея в начале 1970-х. (Конвей, профессор Принстонского университета, умер от COVID-19 в прошлом месяце.) Напротив, Вольфрам настаивает на том, что он был первым, кто обнаружил, что практически безграничная сложность может возникнуть из простых правил в 1980-х годах.«Джон фон Нейман, он абсолютно этого не видел», – говорит Вольфрам. «Джон Конвей, то же самое».

От вундеркинда до блудного ученого

Вольфрам родился в Лондоне в 1959 году. Он был вундеркиндом, учился в Итон-колледже и Оксфордском университете, прежде чем получил степень доктора философии. В 1979 году получил степень бакалавра теоретической физики в Калифорнийском технологическом институте – в возрасте 20 лет. После получения степени доктора философии Калифорнийский технологический институт сразу же нанял Вольфрама для работы вместе со своими наставниками, включая физика Ричарда Фейнмана. «Я не знаю никого другого в этой области, кто бы понимал в таком широком смысле слова доктора Х.Вольфрам, – написал Фейнман в письме, рекомендуя его к участию в первом раунде «грантов для гения» Макартура в 1981 году. «Кажется, он работал над всем и имеет некоторые оригинальные или осторожные суждения по любой теме». Вольфрам выиграл грант – в возрасте 21 года, что сделало его одним из самых молодых, когда-либо получавших награду – и стал преподавателем Калифорнийского технологического института, а затем постоянным членом Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси. заинтересовался простыми вычислительными системами, а затем переехал в Иллинойский университет в 1986 году, чтобы основать исследовательский центр по изучению возникновения сложных явлений.В 1987 году он основал Wolfram Research, а вскоре после этого и вовсе покинул академию. Флагманский продукт компании-разработчика программного обеспечения, Mathematica, представляет собой мощное и впечатляющее математическое программное обеспечение, которое было продано миллионами копий и сегодня почти повсеместно используется на факультетах физики и математики по всему миру.

Затем, в 1990-х годах, Вольфрам решил вернуться к научным исследованиям, но без поддержки и вклада со стороны традиционной исследовательской среды. По его собственным словам, он изолировал себя примерно на десять лет, собрав воедино то, что в конечном итоге стало A New Kind of Science с помощью небольшой армии своих сотрудников.

После выхода книги СМИ были очарованы романтическим образом героического аутсайдера, возвращающегося из пустыни, чтобы в одиночку изменить всю науку. Wired на обложке назвал Вольфрама «человеком, который взломал код для всего». «Вольфрам заслужил некоторые права хвастовства», – провозгласила New York Times . «Никто не внес более значительный вклад в этот новый образ мышления о мире». Однако тогда, как и сейчас, исследователи в основном игнорировали и высмеивали его работу.«Существует традиция, когда ученые, приближающиеся к дряхлости, придумывают великие, невероятные теории, – сказал покойный физик Фриман Дайсон Newsweek еще в 2002 году. – Вольфрам необычен тем, что делает это в свои 40 лет».

История Вольфрама – именно то, что многие люди хотят услышать, потому что она соответствует знакомым битам драматических историй из истории науки, которые они уже знают: одинокий гений (обычно белый и мужчина), работающий в безвестности и отвергнутый истеблишментом, выходит из изоляции, победно схватив частичку Истины.Но так бывает редко – если вообще когда-либо – как на самом деле разворачиваются научные открытия. Есть примеры из истории науки, которые внешне соответствуют этому образу: подумайте об Альберте Эйнштейне, который трудился над теорией относительности, как о малоизвестном швейцарском патентном клерке на рубеже XX века. Или, в качестве более свежего примера, рассмотрим математика Эндрю Уайлса, годами работавшего на чердаке над доказательством последней теоремы Ферма, прежде чем, наконец, объявить о его успехе в 1995 году. реальный рабочий процесс науки.Наука – это коллективная работа. Эйнштейн был в тесном контакте с исследователями своего времени, и работы Уайлса следовали по пути, проложенному другими математиками всего за несколько лет до его начала. Оба они были активными, постоянными участниками широкого научного сообщества. И даже в этом случае они остаются исключением из правил. Большинство крупных научных достижений – это и совместных работ – например, квантовая физика медленно развивалась на протяжении четверти века десятками физиков по всему миру.

«Я думаю, что популярное мнение о том, что физики все ищут момент эврики, в котором они откроют теорию всего, неудачно, – говорит Кэти Мак, космолог из Университета штата Северная Каролина. «Мы действительно хотим найти более совершенные и полные теории. Но мы делаем это так, чтобы тестировать и уточнять наши модели, искать несоответствия и постепенно работать над улучшением и полнотой моделей ».

Большинство ученых с готовностью скажут вам, что их дисциплина – и всегда была – совместным, коллективным процессом.Никто не может произвести революцию в научной сфере, не получив сначала критической оценки и возможного одобрения своих коллег. Сегодня это требование выполняется через экспертную оценку – процесс, который, по словам критиков Вольфрама, он обошел своим заявлением. «Конечно, нет причин, по которым Вольфрам и его коллеги должны иметь возможность обходить формальную экспертную оценку», – говорит Мак. «И у них определенно будет гораздо больше шансов получить полезную обратную связь от сообщества физиков, если они опубликуют свои результаты в формате, с которым у нас действительно есть инструменты, с которыми можно иметь дело.”

Мэк не одинока в своих опасениях. «Трудно ожидать, что физики прочесывают сотни страниц новой теории на ровном месте, без накопления в виде статей, семинаров и презентаций на конференциях», – говорит Шон Кэрролл, физик из Калифорнийского технологического института. «Лично я считаю, что с таким подходом было бы более эффективно писать короткие статьи, посвященные конкретным проблемам, чем провозглашать прорыв без особой проверки».

Так почему же Вольфрам так озвучил свои идеи? Почему бы не пойти традиционным маршрутом? «Я действительно не верю в анонимную экспертную оценку», – говорит он.«Я думаю, что это коррумпировано. Я бы сказал, что это гигантская история о несколько коррумпированных играх. Я думаю, что это неизбежно происходит с этими очень большими системами. Какая жалость.”

Так каковы цели Вольфрама? Он говорит, что хочет внимания и обратной связи со стороны физического сообщества. Но его нетрадиционный подход – привлечение комментариев к очень длинной статье – почти гарантирует, что она останется неясной. Вольфрам говорит, что хочет уважения физиков. Те, с кем консультировались при написании этой истории, сказали, что для ее достижения ему потребуется признать и заняться предыдущей работой других в научном сообществе.

И когда Вольфрам получил некоторые отзывы о его работе от других физиков, это не вызвало особого энтузиазма. «Я разочарован наивностью вопросов, которые вы задаете, – ворчит он. “Я заслуживаю лучшего.”

Другой вид теории всего

В 1964 году во время лекции в Корнельском университете физик Ричард Фейнман сформулировал глубокую тайну физического мира. Он посоветовал своим слушателям представить два объекта, каждый из которых гравитационно притягивается к другому.Как, спросил он, мы должны предсказать их движения? Фейнман выделил три подхода, каждый из которых основывался на различных представлениях о мире. В первом подходе использовался закон всемирного тяготения Ньютона, согласно которому объекты притягивают друг друга. Второй представил гравитационное поле, распространяющееся в пространстве, которое искажается объектами. Третий применяет принцип наименьшего действия, согласно которому каждый объект движется по пути, который потребляет наименьшее количество энергии за наименьшее время. Все три подхода дали одинаковый правильный прогноз.Это были три одинаково полезных описания того, как работает гравитация.

«Одна из удивительных характеристик природы – это разнообразие схем интерпретации», – сказал Фейнман. Более того, это разнообразие применимо только к истинным законам природы – оно не работает, если законы сформулированы неверно. «Если вы сильно измените законы, вы обнаружите, что можете писать их только меньшим количеством способов», – сказал Фейнман. «Я всегда находил это загадочным, и я не знаю, по какой причине это то, что правильные законы физики выражаются таким огромным разнообразием способов.Кажется, они могут пройти через несколько калиток одновременно ».

Даже когда физики работают над пониманием материального содержания Вселенной – свойств частиц, природы Большого взрыва, происхождения темной материи и темной энергии – их работа затеняется этим эффектом Расомона, который поднимает метафизические вопросы о смысл физики и природа реальности. Нима Аркани-Хамед, физик из Института перспективных исследований, является одним из ведущих теоретиков современности.«Чудесное свойство законов изменять форму – это самая удивительная вещь, которую я знаю о них», – сказал он мне прошлой осенью. Это «должно быть ключом к разгадке истины в последней инстанции».

Традиционно физики были редукционистами. Они искали «теорию всего», которая описывает реальность с точки зрения ее самых фундаментальных компонентов. При таком способе мышления известные законы физики являются предварительными, приближающимися к еще неизвестному, более подробному описанию.Таблица – это , на самом деле набор атомов; атомы при ближайшем рассмотрении оказываются скоплениями протонов и нейтронов; каждый из них, с более микроскопической точки зрения, представляет собой трио кварков; а кварки, в свою очередь, считаются состоящими из чего-то еще более фундаментального. Редукционисты думают, что они играют в телефонную игру: по мере того, как сообщение реальности движется вверх, от микроскопического к макроскопическому масштабу, оно искажается, и они должны двигаться вниз, чтобы найти истину.Физики теперь знают, что гравитация разрушает эту наивную схему, формируя Вселенную как в больших, так и в малых масштабах. Эффект Расомона также предполагает, что реальность не структурирована таким редуктивным, восходящим образом.

Во всяком случае, пример Фейнмана приуменьшает тайну эффекта Расомона, который на самом деле двоякий. Странно, что, как говорит Фейнман, существует несколько действенных способов описания стольких физических явлений. Но еще более странным является то, что при наличии конкурирующих описаний одно часто оказывается более верным, чем другие, поскольку оно распространяется на более глубокое или более общее описание реальности.Из трех способов описания движения объектов, например, более верным оказывается подход, который проигрывает: принцип наименьшего действия. В повседневной реальности странно представить, что объекты движутся, «выбирая» самый легкий путь. (Как падающий камень узнает, по какой траектории двигаться, прежде чем он пойдет?) Но столетие назад, когда физики начали делать экспериментальные наблюдения о странном поведении элементарных частиц, только интерпретация движения наименьшего действия оказалась концептуально совместимой.Совершенно новый математический язык – квантовая механика – должен был быть разработан для описания вероятностной способности частиц реализовывать все возможности и чаще всего выбирать самый легкий путь. Из различных классических законов движения – все работоспособные, все полезные – только принцип наименьшего действия распространяется и на квантовый мир.

Снова и снова случается, что, когда существует много возможных описаний физической ситуации – все они делают эквивалентные предсказания, но все совершенно разные по предпосылкам – одно оказывается предпочтительным, потому что оно распространяется на основную реальность, как будто учитывать больше вселенной сразу.И все же это новое описание может, в свою очередь, иметь несколько формулировок – и одна из этих альтернатив может применяться даже в более широком смысле. Это как если бы физики играли в модифицированную телефонную игру, в которой с каждым шепотом сообщение переводится на другой язык. Языки описывают разные шкалы или области одной и той же реальности, но не всегда этимологически связаны. В этой модифицированной игре цель не состоит – или не только – в том, чтобы найти фундаментальное уравнение, управляющее мельчайшими частями реальности.Существование этой разветвленной, взаимосвязанной сети математических языков, каждый из которых имеет свою собственную связанную картину мира, – вот что необходимо понять.

Эта сеть законов создает ловушки для физиков. Предположим, вы исследователь, стремящийся глубже понять Вселенную. Вы можете застрять, используя тупиковое описание – цепляясь за принцип, который кажется правильным, но является всего лишь одной из маскировок природы. Именно по этой причине Поль Дирак, британский пионер квантовой теории, подчеркнул важность переформулирования существующих теорий: именно путем поиска новых способов описания известных явлений можно избежать ловушки условных или ограниченных убеждений.Это был трюк, который привел Дирака к предсказанию антивещества в 1928 году. «Не всегда бывает так, что эквивалентные теории одинаково хороши, – сказал он пять десятилетий спустя, – потому что одна из них может быть более подходящей, чем другая, для исследования. будущие разработки ».

Сегодня различные загадки и парадоксы указывают на необходимость переформулировать теории современной физики на новом математическом языке. Многие физики чувствуют себя в ловушке. У них есть предчувствие, что им необходимо преодолеть представление о том, что объекты движутся и взаимодействуют в пространстве и времени.Общая теория относительности Эйнштейна прекрасно сплетает пространство и время в четырехмерную ткань, известную как пространство-время, и приравнивает гравитацию к деформации этой ткани. Но теория Эйнштейна и концепция пространства-времени рушатся внутри черных дыр и в момент Большого взрыва. Другими словами, пространство-время может быть переводом какого-то другого описания реальности, которое, хотя и является более абстрактным или незнакомым, может иметь большую объяснительную силу.

Некоторые исследователи пытаются отделить физику от пространства-времени, чтобы проложить путь к этой более глубокой теории.В настоящее время, чтобы предсказать, как частицы изменяются и рассеиваются при столкновении в пространстве-времени, физики используют сложную схематическую схему, изобретенную Ричардом Фейнманом. Так называемые диаграммы Фейнмана показывают вероятности или «амплитуды рассеяния» различных исходов столкновений частиц. В 2013 году Нима Аркани-Хамед и Ярослав Трнка открыли переформулировку амплитуд рассеяния, которая не ссылается ни на пространство, ни на время. Они обнаружили, что амплитуды определенных столкновений частиц закодированы в объеме геометрического объекта, похожего на драгоценный камень, который они назвали амплитуэдром.С тех пор они и десятки других исследователей изучают эту новую геометрическую формулировку амплитуд рассеяния частиц, надеясь, что она уведет от нашей повседневной концепции, ограниченной пространством и временем, к какой-то более грандиозной объяснительной структуре.

Независимо от того, на правильном пути эти исследователи или нет, существует сеть объяснений реальности. Возможно, самым поразительным в этих объяснениях является то, что, хотя каждое из них рисует лишь частичную картину реальности, они математически безупречны.Возьмем общую теорию относительности. Физики знают, что теория Эйнштейна неполна. Тем не менее, это впечатляющая уловка с щадящей, сжатой математической структурой. Поиграйте с уравнениями хоть немного, и вы потеряете всю их красоту и простоту. Оказывается, если вы хотите открыть более глубокий способ объяснения Вселенной, вы не можете взять уравнения существующего описания и тонко их деформировать. Вместо этого вы должны перейти к совершенно другой, столь же совершенной математической структуре.В чем смысл, задаются вопросом теоретики, в совершенстве, обнаруживаемом на каждом уровне, если оно обязательно должно быть отменено?

Кажется невероятным, чтобы эта запутанная сеть совершенных математических описаний была случайной или случайной. У этой тайны должно быть объяснение. Но как могло бы выглядеть такое объяснение? Одна из распространенных концепций физики состоит в том, что ее законы подобны машине, которую люди создают, чтобы предсказать, что произойдет в будущем. «Теория всего» похожа на конечную машину предсказания – единое уравнение, из которого все следует.Но эта точка зрения игнорирует существование множества различных машин, созданных всевозможными гениальными способами, которые дают нам эквивалентные прогнозы.

Для Аркани-Хамеда разнообразие законов предполагает иное понимание того, что такое физика. Он говорит, что мы не строим машину, которая вычисляет ответы; вместо этого мы обнаруживаем вопросы. Законы природы, меняющие форму, кажутся ответом на неизвестный математический вопрос. Вот почему Аркани-Хамед и его коллеги считают свои исследования амплитуэдра столь многообещающими.Вычисление объема амплитуэдра – это вопрос геометрии, над которым могли бы задуматься математики, если бы они первыми обнаружили объект. Каким-то образом ответ на вопрос об объеме амплитуэдра описывает поведение частиц – и этот ответ, в свою очередь, можно переписать в терминах пространства и времени.

Аркани-Хамед теперь видит конечную цель физики в том, чтобы выяснить математический вопрос, из которого вытекают все ответы. «Вознесение на десятый уровень интеллектуального неба, – сказал он мне, – произойдет, если мы найдем вопрос, ответом на который является Вселенная, и природа этого вопроса сама по себе объясняет, почему его можно было описать.