Теоретичні проблеми Вставка з Вікіпедії. Деякі з цих проблем мають теоретичний характер, що означає, що існуючі теоріївиявляються нездатними пояснити певні

РОЗДІЛ 14 РІШЕННЯ У ПОШУКУ ПРОБЛЕМИ ЧИ БАГАТО ПРОБЛЕМИ З ОДНИМ І ТИМ Ж РІШЕННЯМ? ЗАСТОСУВАННЯ ЛАЗЕРІВ У 1898 р. Уеллс уявив у своїй книзі «Війна світів» захоплення Землі марсіанами, які використовували промені смерті, здатні легко проходити через цеглу, спалювати ліси, і

ІІ. Соціальний бікпроблеми Ця сторона проблеми є, без сумніву, найважливішою та найцікавішою. Зважаючи на її велику складність ми обмежимося тут лише найзагальнішими міркуваннями.1. Зміни у світовій економічній географії. Як ми бачили вище, вартість

1.2. Астрономічний аспект проблеми АКО Питання про оцінки значущості астероїдно-кометної небезпеки пов'язане насамперед із нашим знанням про населеність Сонячна системамалими тілами, особливо тими, що можуть зіткнутися із Землею. Такі знання дає астрономія.

Нові проблеми космології Повернемося до парадоксів нерелятивістської космології. Згадаймо, що причина гравітаційного парадоксу в тому, що для однозначного визначення гравітаційного впливу або недостатньо рівнянь, або немає можливості коректно поставити

Глава 9. Проблеми уніфікації У 1947 році Брайс Девітт, який щойно закінчив аспірантуру, зустрівся з Вольфгангом Паулі і розповів, що працює над квантуванням. гравітаційного поля. Девітт не розумів, чому дві великі концепції XX ст. квантова фізиката загальна теорія

Реферат

з фізики

на тему:

«Проблеми сучасної фізики»

Почнемо з проблеми, яка приваблює зараз найбільшу увагуфізиків, над якою, мабуть, працює найбільша кількістьдослідників та дослідницьких лабораторійу всьому світі – це проблема атомного ядра і, зокрема, як найбільш актуальна та важлива її частина – так звана проблема урану.

Вдалося встановити, що атоми тол складаються порівняно важкого позитивно зарядженого ядра, оточеного деяким числом електронів. Позитивний заряд ядра і негативні заряди електронів, що оточують його, компенсують один одного. Загалом атом видається нейтральним.

З 1913 майже до 1930 р. фізики вивчали ретельно властивості і зовнішні проявитієї атмосфери електронів, що оточують атомне ядро. Ці дослідження призвели до єдиної цільної теорії, яка виявила нові закони руху електронів в атомі, раніше нам невідомі. Ця теорія отримала назву квантової, чи хвильової, теорії матерії. До неї ми ще повернемось.

Приблизно з 1930 р. основна увага була спрямована на атомне ядро. Ядро нас особливо цікавить, тому що в ньому зосереджено майже всю масу атома. А маса є мірою того запасу енергії, якою володіє дана система.

Кожен грам будь-якої речовини містить у собі точно відому енергію і до того ж дуже значну. Так, наприклад, у склянці чаю, що важить приблизно 200 р., міститься кількість енергії, для отримання якої потрібно спалити близько мільйона тонн вугілля.

Ця енергія знаходиться саме в атомному ядрі, тому що 0.999 всієї енергії, всієї маси тіла містить у собі ядра і лише менше 0.001 усієї маси може бути віднесено до енергії електронів. Колосальні запаси енергії, що у ядрах, незрівнянні ні з якою формою енергії, яку ми знали досі.

Природно, приваблива надія мати цю енергію. Але для цього спочатку потрібно вивчити її, а потім знайти шляхи її використання.

Але, крім того, ядро ​​цікавить нас і з інших причин. Ядро атома цілком визначає всю його природу, визначає його хімічні властивостіта його індивідуальність.

Якщо залізо відрізняється від міді, від вуглецю, від свинцю, то ця відмінність лежить саме в атомних ядрах, а не в електронах. Електрони у всіх тіл ті самі, і будь-який атом може втратити частину своїх електронів аж до того, що можуть бути зірвані всі електрони з атома. Поки ціле і незмінне атомне ядро ​​зі своїм позитивним зарядом, воно завжди притягне до себе стільки електронів, скільки необхідно компенсувати його заряд. Якщо ядрі срібла 47 зарядів, воно завжди приєднає себе 47 електронів. Тому, поки цілю ядро, ми маємо справу з тим самим елементом, з тією ж речовиною. Варто змінити ядро, як із одного хімічного елементавиходить інший. Тільки тоді здійснилася б давня і давно вже за безнадійністю залишена мрія алхімії – перетворення одних елементів на інші. на сучасному етапіІсторії ця мрія здійснилася, не зовсім у тих формах і не тими результатами, які очікувалися алхіміками.

Що ми знаємо про атомне ядро? Ядро у свою чергу складається з ще дрібніших складових частин. Ці складові є найпростіші відомі нам у природі ядра.

Найлегше і тому найпростіше ядро ​​– це ядро ​​атома водню. Водень – перший елемент періодичної системи з атомною вагою близько 1. Ядро водню входить до складу інших ядер. Але, з іншого боку, легко бачити, що всі ядра не можуть складатися лише з водневих ядер, як давно вже понад 100 років тому, припускав Проут.

Ядра атомів мають певну масу, яка дається атомною вагою, і певним зарядом. Заряд ядра визначає той номер, який даний елементзаймає в періодичної системиМенделєєва.

Водень у цій системі – перший елемент: у нього один позитивний заряд і один електрон. Другий порядок елемент має ядро ​​з подвійним зарядом, третій – з потрійним тощо. аж до останнього і найважчого з усіх елементів – урану, ядро ​​якого має 92 позитивні заряди.

Менделєєв, систематизуючи величезний досвідчений матеріал у галузі хімії, створив періодичну систему. Він, звичайно, не підозрював на той час існування ядер, але не думав, що порядок елементів у створеній ним системі визначається просто зарядом ядра і нічим більше. Виявляється, що ці дві характеристики атомних ядер – атомна вагаі заряд не відповідають тому, що ми могли б очікувати, виходячи з гіпотези Проута.

Так, другий елемент - гелій має атомну вагу 4. Якщо він складається з 4 ядер водню, то і заряд його повинен був бути 4, а тим часом заряд його 2, тому що це другий елемент. Таким чином, треба думати, що в гелії всього 2 ядра водню. Ядра водню ми називаємо протонами. Але крім того, в ядрі гелію є ще 2 одиниці маси, які заряду не мають. Другу складову частинуядра доводиться вважати незарядженим ядром водню. Доводиться розрізняти ядра водню, які мають зарядом, чи протони, і ядра, які мають зовсім електричним зарядом, нейтральні, їх ми називаємо нейтронами.

Усі ядра складаються з протонів та нейтронів. У гелії 2 протона та 2 нейтрони. В азоті 7 протонів та 7 нейтронів. У кисні 8 протонів та 8 нейтронів, у вуглеці С протонів та 6 нейтронів.

Але далі ця простота дещо порушується, число нейтронів стає все більше і більше, але в порівнянні з числом протонів, і в останньому елементі - урані є 92 заряди, 92 протона, а атомна вага його 238. Отже, до 92 протонів додано ще 146 нейтронів.

Звичайно, не можна думати, що те, що ми знаємо у 1940 р., є вже вичерпним відображенням. реального світуі різноманіття закінчується цих частинках, які є елементарними в буквальному значенні слова. Поняття елементарності означає лише певний етап у нашому проникненні у глиб природи. на даному етапіми знаємо, однак, склад атома лише до цих елементів.

Ця проста картина насправді була з'ясована не так легко. Довелося подолати цілий рядутруднень, ціла низка протиріч, які і момент свого виявлення здавалися безвихідними, але які, як завжди в історії науки, виявилися тільки різними сторонамибільш загальної картини, що уявляла собою синтез того, що здавалося протиріччям, і ми переходили до наступного, глибшого розуміння проблеми.

Найважливішим із цих труднощів виявилося таке: на початку нашого століття було вже відомо, що з надр радіоактивних атомів (про ядру тоді ще не підозрювали) вилітають б-частки (вони виявилися ядрами гелію) і в-частки (електрони). Здавалося, те, що вилітає з атома, це є те, з чого він складається. Отже, здавалося, ядра атомів складаються з ядер гелію та електронів.

Помилковість першої частини цього твердження ясна: очевидно, що неможливо скласти ядро ​​водню з вчетверо більш важких ядер гелію: частина не може бути більшою за ціле.

Виявилася невірною і друга частина цього твердження. Електрони дійсно вилітають у ядерних процесів, Проте електронів в ядрах немає. Здавалося б, тут – логічне протиріччя. Чи це так?

Ми знаємо, що атоми випромінюють світло, світлові кванти(Фотони).

Що ж ці фотони запасені в атомі у вигляді світла і чекають на момент для вильоту? Очевидно, що ні. Ми розуміємо випромінювання світла таким чином, що електричні заряди в атомі, переходячи з одного стану в інший, звільняють деяку кількість енергії, яка перетворюється на форму променистої енергії, що розповсюджується в просторі.

Аналогічні міркування можна сказати і щодо електрона. Електрон з цілого ряду міркувань неспроможна перебувати у атомному ядрі. Але він не може і створюватися в ядрі, як фотон, тому що має негативний електричний заряд. Твердо встановлено, що електричний зарядтак само, як і енергія та матерія загалом, залишається незмінним; загальна кількість електрики ніде не створюється та ніде не зникає. Отже, якщо виноситься негативний зарядядро отримує рівний йому позитивний заряд. Процес випромінювання електронів супроводжується зміною заряду ядра. Але ядро ​​складається з протопопів і нейтронів, отже, один із незаряджених нейтронів перетворився на позитивно заряджений протон.

Окремий негативний електрон не може виникнути, ні зникнути. Але два протилежні заряди можуть при достатньому зближенні взаємно компенсувати один одного або навіть зовсім зникнути, виділивши свій запас енергії у вигляді променистої енергії (фотонів).

Які ж це позитивні заряди? Вдалося встановити, що, крім негативних електронів, у природі спостерігаються і можуть бути створені засобами лабораторій та техніки позитивні заряди, які за всіма своїми властивостями: за масою, за величиною заряду цілком відповідають електронам, але мають позитивний заряд. Такий заряд ми називаємо позитроном.

Таким чином, ми розрізняємо електрони (негативні) і позитрони (позитивні), що відрізняються тільки протилежним знакомзаряду. Поблизу ядер можуть відбуватися процеси з'єднання позитронів з електронами, так і розщеплення на електрон і позитрон, причому електрон йде з атома, а позитрон входить в ядро, перетворюючи нейтрон в протон. Поруч із електроном йде і незаряджена частка – нейтрино.

Спостерігаються такі процеси в ядрі, у яких електрон передає свій заряд ядру, перетворюючи протон на нейтрон, а позитрон вилітає з атома. Коли атома вилітає електрон, заряд ядра збільшується на одиницю; коли вилітає позитрон або протон, заряд та номер у періодичній системі зменшується на одну одиницю.

Усі ядра побудовані із заряджених протонів та незаряджених нейтронів. Постає питання, якими силами вони стримуються в атомному ядрі, що їх пов'язує між собою, що визначає побудову різних атомних ядер з цих елементів?

10 невирішених проблем сучасної фізики
Нижче наведемо список невирішених проблем сучасної фізики.

Деякі з цих проблем мають теоретичний характер. Це означає, що існуючі теорії виявляються нездатними пояснити певні явища, що спостерігаються, або експериментальні результати.

Інші проблеми є експериментальними, а це означає, що є труднощі у створенні експерименту з перевірки запропонованої теорії або більш детального дослідження якого-небудь явища.

Деякі з цих проблем тісно взаємопов'язані. Наприклад, додаткові вимірювання чи суперсиметрія можуть вирішити проблему ієрархії. Вважається, що повна теорія квантової гравітації здатна відповісти на більшу частину з перерахованих питань.

Яким буде кінець Всесвіту?

Розгадка багато в чому залежить від темної енергії, що залишається невідомим членом рівняння.

Темна енергія відповідальна за розширення Всесвіту, що прискорюється, але її походження - таємниця, вкрита мороком. Якщо темна енергіяпостійна протягом тривалого часу, нас, ймовірно, чекає «велике заморожування»: Всесвіт продовжить розширюватися все швидше, і в кінцевому рахунку галактики настільки віддаляться один від одного, що нинішня порожнеча космосу здасться дитячою забавою.

Якщо темна енергія зростає, розширення стане настільки швидким, що збільшиться простір між галактиками, а й між зірками, тобто самі галактики будуть розірвані; цей варіант називається "великим розривом".

Ще один сценарій у тому, що темна енергія зменшиться і не зможе протидіяти силі тяжкості, що змусить Всесвіт звернутися («велике стиск»).

Ну а суть у тому, що, хоч би як розгорталися події, ми приречені. До цього ще, втім, мільярди або навіть трильйони років - достатньо, щоб розібратися в тому, як же все-таки загине Всесвіт.

Квантова гравітація

Незважаючи на активні дослідження, теорія квантової гравітації поки що не побудована. Основна труднощі в її побудові полягає в тому, що дві фізичні теорії, які вона намагається пов'язати воєдино, - квантова механіка і загальна теорія відносності (ОТО) - спираються на різні набори принципів.

Так, квантова механікаформулюється як теорія, що описує тимчасову еволюцію фізичних систем(наприклад атомів або елементарних частинок) на тлі зовнішнього простору-часу.

В ЗТО зовнішнього простору-часу немає — воно саме є динамічним змінної теорії, яка залежить від характеристик що знаходяться в ньому класичнихсистем.

При переході до квантової гравітації, як мінімум, потрібно замінити системи на квантові (тобто зробити квантування). Виникає зв'язок вимагає якогось квантування геометрії самого простору-часу, причому фізичний сенстакого квантування абсолютно неясен і будь-яка успішна несуперечлива спроба його проведення відсутня.

Навіть спроба провести квантування лінеаризованою класичної теоріїгравітації (ОТО) наштовхується на численні технічні труднощі - квантова гравітація виявляється неперенормованої теорією внаслідок того, що гравітаційна стала є розмірною величиною.

Ситуація посилюється тим, що прямі експерименти в галузі квантової гравітації через слабкість самих гравітаційних взаємодій, недоступні сучасним технологіям. У зв'язку з цим у пошуку правильного формулюванняквантової гравітації доводиться поки що спиратися лише на теоретичні викладки.

Бозон Хіггса не має жодного сенсу. Чому ж він існує?

Бозон Хіггса пояснює, як всі інші частки набувають маси, але в той же час порушує безліч нових питань. Наприклад, чому бозон Хіггса взаємодіє зі всіма частинками по-різному? Так, t-кварк взаємодіє з ним сильніше, ніж електрон, через що маса першого набагато вища, ніж у другого.

Крім того, бозон Хіггса - перша елементарна частказ нульовим спином.

«Перед нами досконало нова областьфізики елементарних частинок, - говорить вчений Річард Руїс - Ми поняття не маємо, яка її природа ».

Випромінювання Хокінга

Чи виробляють чорні дірки теплове випромінюванняЯк це передбачає теорія? Чи містить це випромінювання інформацію про їх внутрішньої структуричи ні, як випливає з оригінального розрахунку Хокінга?

Чому сталося так, що Всесвіт складається з матерії, а не антиматерії?

Антиматерія - та ж матерія: вона володіє точно такими ж властивостями, як речовина, з якого складаються планети, зірки, галактики.

Відмінність тільки одна - заряд. Згідно сучасним уявленнямУ новонародженому Всесвіті того й іншого було порівну. Незабаром після Великого вибуху матерія та антиматерія анігілювали (прореагували із взаємним знищенням та виникненням інших частинок один одного).

Постає питання, як так вийшло, що деяка кількість матерії все-таки залишилася? Чому саме матерія досягла успіху, а антиречовина програла «перетягування каната»?

Щоб пояснити цю нерівність, вчені старанно шукають приклади порушення CP-інваріантності, тобто процесів, за яких частки вважають за краще розпадатися з утворенням матерії, але не антиматерії.

«Передусім хотілося б зрозуміти, чи відрізняються нейтринні осциляції(перетворення нейтрино в антинейтрино) між нейтрино і антинейтрино, - говорить поділилася питанням Алісія Меріно з Колорадського університету.  - Нічого подібного досі не спостерігалося, але ми сподіваємося на наступне покоління експериментів ».

Теорія всього

Чи існує теорія, яка пояснює значення всіх фундаментальних фізичних констант? Чи існує теорія, яка пояснює чому закони фізики такі, як вони є?

Теорія всього   - гіпотетична об'єднана фізико-математична теорія, що описує всі відомі фундаментальні взаємодії.

Спочатку даний термінвикористовувався в іронічному ключі для позначення різноманітних узагальнених теорій. Згодом термін закріпився в популяризаціях квантової фізики для позначення теорії, яка б об'єднала всі чотири фундаментальні взаємодії в природі.

Протягом ХХ століття було запропоновано безліч «теорій всього», але жодна з них не змогла пройти експериментальну перевірку, або існують значні труднощі в організації експериментальної перевіркидля деяких із кандидатів.

Бонус: Кульова блискавка

Яка природа цього явища? Чи кульова блискавка є самостійним об'єктом або підживлюється енергією ззовні? чи все кульові блискавкимають одну й ту саму природу чи існують різні їх типи?

Кульова блискавка—світиться плаваючий у повітрі вогненна куля, унікально рідкісне природне явище.

Єдиної фізичної теорії виникнення та перебігу цього явища до теперішнього часу не представлено, також існують наукові теорії, які зводять феномен до галюцинацій

Існують близько 400 теорій, що пояснюють явище, але жодна з них не отримала абсолютного визнання у академічному середовищі. У лабораторних умовсхожі, але короткочасні явища вдалося отримати кількома у різний спосібТак що питання про природу кульової блискавки залишається відкритим. Станом на кінець XX століття не було створено жодного досвідченого стенду, на якому це природне явище штучно відтворювалося б відповідно до описів очевидців кульової блискавки.

Широко поширена думка, що кульова блискавка —  електричного походження, природної природи, тобто є особливого виглядублискавку, що існує тривалий часі має форму кулі, здатної переміщатися непередбачуваною, іноді дивовижною для очевидців траєкторії.

Традиційно достовірність багатьох свідчень очевидців кульової блискавки залишається під сумнівом, у тому числі:

• сам факт спостереження хоч якогось явища;
• факт спостереження саме кульової блискавки, а чи не якогось іншого явища;
• окремі подробиці явища, що наводяться у свідоцтві очевидця.

Сумніви щодо достовірності багатьох свідчень ускладнюють вивчення явища, а також створюють ґрунт для появи різних спекулятивно-сенсаційних матеріалів, нібито пов'язаних із цим явищем.

За матеріалами: кілька десятків статей з