Altı temel fizik ilkesi
Einstein bir keresinde şöyle demişti: "Bu dünya hakkında en anlaşılmaz şey, aslında anlaşılabilir olmasıdır." En azından onun sayesinde, evreni daha derin bir anlayışa sahibiz. Ve modern fiziğin iki temel taşı olan kuantum mekaniğinin ve genel göreliliğin arkasında her birimizin bilmesi gereken altı temel ilke vardır.
İlke 1-
Sabit ışık hızı prensibi
1860'larda Maxwell, selefleri temelinde elektrik ve manyetizmayı birleştirdi. Elektromanyetik teorinin en büyük başarılarından biri, elektromanyetik dalgaların varlığını tahmin etmek ve elektromanyetik dalgaların boşluktaki yayılma hızının vakumdaki ışık c hızıyla aynı olduğunu kanıtlamak ve böylece ışığın elektromanyetik doğasını ortaya çıkarmaktır. Ayrıca şu sonuca varmıştır: "Herhangi bir eylemsizlik sistemine göre ışığın hızı c'dir." Yani, ışığın hızı sabittir. Bu tuhaf. Tecrübelerimize göre, hareket halindeki bir arabaya mermi atan bir kişi yol kenarında duran bir seyirci için merminin hızı, ateşlediği hız artı arabanın hızıdır.
Yukarıda: Polis A'nın attığı mermi soyguncuyu 100 mil hızla vururken, polis B'nin attığı mermi 100-50 = 50 mil hızla soyguncuyu vurdu. Altta: Polis A ya da B, soyguncuyu ışık hızında vuracaklar c. (Resim kaynağı: M. Rulison)
Bununla birlikte, 20 yıldan fazla bir süre sonra, Amerikalı fizikçiler Michelson ve Morey, ışık-eteri yaymak için bir ortam arıyorlardı ve deneyleri beklenmedik bir şekilde bir sonuca ulaştı: ışık hızı sabittir! Sadece bu değil, ışık hızı da evrenin hız sınırıdır. Madde, bilgi, yerçekimi veya diğer kuvvetler ışık hızını geçemez. Einstein, sabit ışık hızının doğa kanunu olduğuna inanıyordu ve bu, iki görelilik teorisinin inşasının başlangıç noktası haline geldi.
Genişletilmiş okuma: "Einstein'ın Beş Düşünce Deneyi"
Özel Görelilik Teorisi:
Einstein, sabit ışık hızı ilkesinin bazı garip sonuçlara sahip olduğunu keşfetti. Birbirine yakın olan, her biri ışık hızının% 90'ı oranında hareket eden iki uzay gemisinden birinde oturduğunuzu hayal edin. Sizin açınızdan diğer uçağın hızı nedir? Tam sayı umurumuzda değil ama kesinlikle ışık hızından daha hızlı olmayacak. 1905'te Einstein, uzay ve zamanın sabit ışık hızını tatmin etmek için büküldüğü özel bir görelilik teorisi yayınladı. Örneğin, hareket halindeki saat daha yavaştır, bu da bir uzay gemisinde yaşlanıp daha yavaş büyüyeceğiniz anlamına gelir. Aynı zamanda, hareket halindeki cetvel daha kısa görünecektir. Hızın günlük yaşamdaki bu etkileri ihmal edilebilir düzeydedir, ancak hız ışık hızına yaklaştığında çok önemli hale gelir.
Hareket halindeki saat daha yavaş hareket eder. (Resim kaynağı: M. Rulison)
Genişletilmiş okuma: Özel görelilik hakkında özel bir şey var mı?
E = mc²:
Ünlü E = mc² denklemi, enerji ile kütleyi birbirine bağlamak için ışık hızını kullanan özel görelilik teorisinden türetilmiştir. Bu nedenle, Avrupa Büyük Hadron Çarpıştırıcısında, yüksek enerjide iki proton demetinin çarpışmasıyla birçok büyük parçacık üretilebilir.
Genişletilmiş okuma: "Neden E = mc²?
İlke 2-
Eşitlik İlkesi
16. yüzyılda Galileo, hava direnci olmadığında, Pisa Kulesi'nden düşen farklı kütleli iki nesnenin (bir tüy ve bir demir top gibi) aynı oranda düşeceğini ve aynı anda ineceğini fark etti. Apollo 15'in aya yaptığı görev sırasında astronot David Scott, havasız bir ay prensibini doğruladı. Newton bunun nedeninin garip bir tesadüfle karşılanması gerektiğine inanıyordu: eylemsizlik kütlesi = yerçekimi kütlesi. Bu neden oluyor? Bu önemli gerçeği göz önünde bulundurarak, Einstein eşdeğerlik ilkesini önerdi: Uzayın yeterince küçük bir alanında, gözlemci tarafından algılanan bir yerçekimi alanının fiziksel etkisi ve diğerinin düzgün bir ivmeyle yerçekimi alanı olmayan bir alanda Gözlemciler tarafından algılanan fiziksel etkiler aynıdır. Einstein, bunun hayatındaki en mutlu düşünce olduğunu düşünüyordu.
Einstein, hiçbir fiziksel ölçümün kırmızı topun hareketini soldaki (hızlanan roket) ve sağdaki (yeryüzündeki) resimden ayırt edemeyeceğini açıkladı. Başka bir deyişle, ivme sizi "kandırabilir" ve sizi bir yerçekimi alanında olduğunuzu hissettirebilir. (Resim kaynağı: Wikimedia Commons kullanıcısı Markus Poessel)
Genişletilmiş okuma: "Einstein'ın Üstü"
Genel görelilik:
Einstein, özel görelilik kuramını eşdeğerlik ilkesiyle birleştirdi ve yepyeni bir yerçekimi kuramı olan genel görelilik geliştirdi. Wheeler'ın sözleriyle özetlemek gerekirse: "Zaman ve uzay maddeye nasıl hareket edeceğini söyler; madde uzay ve zamanın nasıl büküldüğünü söyler." Genel görelilik, evrenin büyük ölçekte nasıl çalıştığını anlamamız için bize bir çerçeve sağlar.
Eğri uzay-zaman kavramı, doğrudan eşdeğerlik ilkesinden türetilmiştir. (Resim kaynağı: Graham Templeton)
Genişletilmiş okuma: "Zaman ve mekan nedir? "Ve" Genel Göreliliğin Altı Doğrulaması "
İlke 3-
Kozmolojinin İlkeleri
Galileo döneminden önce Copernicus, dünyanın evrende özel bir yer olmadığına inanıyordu. Bir asır sonra Newton, "İlkeler" adlı kitabında, güneş sisteminin her yöne sonsuza kadar uzanan tek tip bir uzayda gömülü olduğunu varsaydı. Bunlar kozmolojik ilkelerin kökenleridir. Modern kozmolojinin ilkeleri, evrenin neresine veya herhangi bir yönüne bakarsanız bakın, evrenin aynı göründüğüne ve hiçbir yerin özel olmadığına inanır. Yerel alanlarda, maddeyi güneş sistemleri, galaksiler ve galaksi kümeleri şeklinde görsek de, yeterince geniş bir aralıkta, evrenin tek tip ve homojen olduğunu bulacağız. Kozmolojik bir model oluşturma sürecinde, bu ilke gerekli matematiği büyük ölçüde basitleştirdi. Ancak kozmolojik ilkelerin geçerliliği vizyonumuzla sınırlıdır. Örneğin, 2013 yılında gökbilimciler, evrendeki galaksilerden oluşan ve 10 milyar ışıkyılının üzerinde uzanan, kozmolojinin ilkelerine meydan okuyan Wuxian-Kuzey Korona Çin Seddi adı verilen devasa bir üstyapı keşfettiler.
Kozmoloji ilkesi, evrende hangi yöne bakarsak bakalım, maddenin aynı dağılımını göreceğimize inanır. . (Resim kaynağı: M. Rulison)
Genişletilmiş okuma: Büyük Patlama nerede başladı?
Standart kozmolojik model:
Einstein kozmolojik bir model oluşturmak için ilk kez genel göreliliği kullandığında, evrenin statik olduğuna inanıyordu: ne genişleme ne de daralma. Ancak 1920'lerde uzak galaksilerin gözlemleri onların "kırmızıya kaymış" olduklarını ortaya çıkardı, bu da uzak galaksilerin sürekli bizden uzaklaştığı anlamına geliyordu. Diğer bilim adamları, genişleyen bir evren inşa etmek için genel göreliliği ve kozmolojinin ilkelerini kullandılar. Bunlar modern standart kozmolojik modellerin başlangıcıdır. Evrenimizin 13.8 milyar yıl önce, bugün gözlemlediğimiz evrene sıcak, yoğun ve sonsuz küçük nokta genişlemesinden ortaya çıktığını anlatıyor. Bu teori aynı zamanda hala açıklamakta zorlandığımız bazı sürprizler de içeriyor.
Evrenin evrimsel zaman çizelgesi astronomik gözlemlere ve standart kozmolojik modellere dayalı olarak çizilir. (Resim kaynağı: WMAP Bilim Ekibi)
Genişletilmiş okuma: "Büyük Patlama hakkında bilmeniz gereken beş gerçek" ve "Gözlemlenebilir evren ne kadar büyük?"
İlke 4-
Niceleme
1900'de Planck, bir ampulden yayılan enerjiyi daha iyi tanımlamak için matematiği kullanmaya çalıştı. O zamanki teori, gerçek gözlemle eşleşmedi. Birkaç başarısız denemeden sonra Planck, engeli ortadan kaldırabileceğini buldu, ancak cesur bir varsayımda bulunmak zorunda kaldı: bir nesneden yayılan elektromanyetik enerji sürekli değil, enerji paketleri biçimindedir. . Planck başlangıçta bu "kuantumların" gerçekliğin tanımlarından çok teorik sınırlamalar olduğuna inanıyordu. Ancak 1905'te Einstein, ışıkla ışınlanmış metalin elektronları dışarı atacağını inceledikten sonra fotoelektrik etkiyi önerdi ve ışığın foton adı verilen ayrı parçacıklardan oluştuğuna inanıyordu. Ancak bu yalnızca başlangıç. Kuantum teorisinin gelişmesiyle, sadece enerjinin bir pay olduğunu değil, aynı zamanda yük ve spin gibi diğer birçok özelliğin de minimum bir birimi olduğunu keşfettik. Neden böyle olmalı, kimse bilmiyor.
Planck, elektromanyetik radyasyon enerjisinin sürekli değil nicelleştirilmesini önerdi. (Resim kaynağı: C24)
Genişletilmiş okuma: "On Soru, Kuantum Mekaniğini Anlama Getirmek"
İlke 5-
Belirsizlik ilkesi
Bir futbol oynarsanız, nerede olduğunu ve nereye gittiğini aynı anda bilebilirsiniz. Bununla birlikte, atom altı parçacıkların dünyasında durum o kadar basit değil. Bir parçacığın konumunu ne kadar kesin bilirseniz, momentumunu o kadar az bilirsiniz ve bunun tersi de geçerlidir. Bu, 1920'lerin ortalarında Heisenberg tarafından önerilen kuantum belirsizliği ilkesidir. Yalnızca konum ve momentumu değil, aynı zamanda enerji ve zamanı da birbirine bağlar. Belirsizlik, ölçüm cihazının doğruluğundan kaynaklanmaz, ancak temelde dünyayı ne kadar anlayabileceğimizi sınırlar. Parçacıkların, klasik fizikte aşılması imkansız olan enerji bariyerlerini geçerek güneşte nükleer füzyonu mümkün kılan "tünel açma" fırsatına sahip oldukları belirsizlik ilkesinden dolayıdır. Ayrıca, parçacıkların görünüşte boş bir boşlukta kısa bir süre görünmesini sağlar.
Parçacıkların konumunu ve hızını aynı anda bilemeyiz. (Resim kaynağı: Chad Orzel)
Genişletilmiş okuma: "Kuantum Mekaniğinin Bir Başka Zaferi: 80 Yıl Önce Doğrulanmış Bir Kehanet"
İlke 6-
Dalga-parçacık ikiliği
20. yüzyılın başlarında, fizikçiler ışığın aslında fotonlardan oluştuğunu keşfettiklerinde, insanların kafası çok karışıktı. Çünkü ondan önce ışık, girişim ve kırınım gibi tüm dalgaların özelliklerini de gösteriyordu. 1924'te De Broglie, bu davranışın evrensel olduğunu ve her iki yönde de çalıştığını öne sürdü: dalga benzeri ışık parçacıklar gibi davranabilirken, elektronlar ve diğer madde parçacıkları da dalga gibi davranabilir. Dalga-parçacık ikiliğinin bu resminde, bir kuantum nesnesi aynı anda tüm olası konumlarda veya durumlardadır, buna "süperpozisyon durumu" denir ve yalnızca ölçümden sonra bu durumlardan birine çöker. Schrödinger bununla ilgili bir düşünce deneyi tasarladı: Bir kedi aynı anda yaşıyor ve ölüyor. Kuantum süperpozisyon durumlarının büyüsü, gelecekte kuantum bilgisayarları inşa etmenin de anahtarıdır.
Işık aynı anda dalgalar ve parçacıklar gibi davranabilir. (Resim kaynağı: S. Tanzilli, CNRS)
Genişletilmiş okuma: "Çift yarık deneyinin krizi? "," Schrödinger'in Kedisi Yine Burada "ve" On Soru, Kuantum Bilgisayarları Tanıyalım "
Kuantum mekaniği:
Genel görelilik, tüm evrenin büyük ölçekte nasıl çalıştığını yönetirken, kuantum mekaniği mikro ölçekte yönetir. Kuantum mekaniği, kuantizasyon anlayışından, belirsizlik ilkesinden ve dalga-parçacık ikiliğinden türetilmiştir.Atomaltı parçacıkların işleyişini mükemmel bir şekilde tanımlamaktadır, ancak bunun arkasındaki ilkeler birçok sezgisel kavram getirmiştir. Genel görelilik gibi, kuantum mekaniği de yalnızca bir çerçevedir. Gerçek parçacıkları tanımlamak için kullanılmadan önce, özel görelilikle birleştirilmesi gerekir, çünkü bu parçacıklar genellikle ışığa yakın bir hızda hareket eder.
Kuantum dolaşıklığı:
Kuantum mekaniğinin çok şaşırtıcı bir özelliği, yani kuantum dolanıklığı vardır. Einstein ve diğer iki fizikçi 1935'te bir düşünce deneyi önerdi. Basitçe ifade etmek gerekirse, birbirleriyle ilişkili iki parçacık, ne kadar uzakta olurlarsa olsunlar, her zaman ilişkili kalacaktır. Parçacıklardan birinin durumunu bildiğiniz sürece, diğer parçacığın durumunu hemen bileceksiniz. Einstein, buna "hayaletimsi süper mesafe eylemi" adını verdi ve bu dolaşıklık durumunu etkileyen bazı görünmez kuvvetlerin olduğu konusunda ısrar etti. Bu nedenle kuantum mekaniği eksik olmalıdır. Geçmişte, birçok deney, kuantum dolanmasının var olduğunu göstermiştir ve Einstein yanlış olabilir.
Genişletilmiş okuma: "Evren Çanı Deneyi, hayaletimsi süper mesafe etkisini bir kez daha kanıtladı"
Kuantum Alan Teorisi:
Özel görelilik teorisi bize kütle ve enerjinin eşdeğer olduğunu söyler. Kuantum mekaniği bize parçacıkların her yerde görünebileceğini söylüyor. Kuantum alan teorisi, bu iki teoriyi bir araya getirerek tüm parçacıkların aslında alan tarafından "uyarıldığını" açıklar. İngiliz fizikçi Dirac, 1928'de göreli elektronların davranışını tanımlayan Dirac denklemi olan göreli kuantum mekaniği denklemini yazdı. Denklemi, zıt bir yüke sahip olması dışında, tam olarak bir elektron gibi bir parçacığı öngörür. Teori öne sürüldükten kısa bir süre sonra, bilim adamları kozmik ışınlardaki ilk parçacık karşı-pozitronu keşfettiler.
Genişletilmiş okuma: "Size doğruyu söyleyin: bildiğiniz parçacıklar aslında alanlardır"
Standart Parçacık Fiziği Modeli:
Parçacık fiziğinin standart modeli. (Resim kaynağı: CERN)
Onlarca yıllık sıkı çalışmanın ardından fizikçiler, doğadaki üç temel kuvveti ve temel parçacıkları tanımlayan standart parçacık fiziği modelini geliştirdiler. Geçtiğimiz birkaç on yılda, standart model tüm deneysel testleri güzel bir şekilde geçti. Temel kuvveti taşıyan bozon ile maddeyi oluşturan fermiyonlar arasındaki etkileşimi açıklar ve iki kuantum alan teorisi onun çekirdeğidir. Kuantum Elektrodinamiği (QED), ışık ve madde arasındaki etkileşimi tanımlar ve zayıf nükleer kuvvet ile tek bir elektrozayıf kuvvet halinde birleştirilir. Kuantum Kromodinamiği (QCD), güçlü nükleer kuvvetleri tanımlayan bir teoridir. Standart Modelin zirvesi, Higgs bozonunun keşfinin Standart Model bulmacasının son parçasını doldurduğu 2012'den geldi.
Genişletilmiş okuma: "On Soru, Parçacık Fiziğini Tanıyın" ve "Temel Kuvvetler Arasında Bir Yarışma"
Fizikçiler, bu altı temel ilkeye dayanarak, Standart Kozmoloji Modeli ve Parçacık Fiziğinin Standart Modelini geliştirdiler, her biri çok sayıda testten başarıyla geçmiş, ancak aynı zamanda altı acil sorunla da karşı karşıyayız.
Tüm genişletilmiş okumalar WeChat genel "ilkelerinde" (ID: ilke1687) görüntülenebilir.
