101 ключевая идея: Физика

До открытия, сделанного Пенсиасом и Уилсоном, многие астрономы поддерживали теорию стационарной Вселенной, согласно которой ее расширение происходит вследствие образования нового вещества между расходящимися в результате этого галактиками. От стационарной модели пришлось отказаться, так как она, в отличие от теории Большого Взрыва, не объясняет наличия фонового микроволнового излучения, распространяющегося по всем направлениям. Вышеуказанная теория также объясняет, почему водорода во Вселенной в три раза больше, чем гелия.

См. также статьи «Закон Хаббла», «Электромагнитные волны».

ВЕКТОРЫ

Векторной величиной называется любая физическая величина, имеющая наряду с числовым значением и направление. Перемещение, скорость, ускорение, сила, импульс, напряженность поля — все это векторные величины.

Скалярной величиной называется физическая величина, не имеющая направления. В качестве примеров можно привести расстояние, массу, энергию и мощность.

Векторную величину можно представить в виде направленного отрезка, длина которого пропорциональна числовому значению (модулю) величины, а направление совпадает с направлением величины. Вектор величины F, направленный под углом θ к некоей прямой линии, имеет две составляющие: F cos θ параллельно линии и F sin θ перпендикулярно линии. Если указанная линия является осью x системы координат, то F x= F cos θ и F y= F sin θ. Вектор можно разложить на составляющие i и j, направленные вдоль оси x и оси у соответственно, причем F = (F cos θ)i + (F sin θ)j.

Величину вектора F и его направление можно вычислить исходя из его перпендикулярных компонентов F xи F

yпо формуле

F= (F _x²+ F _y²) ^1/2и tg θ = F _y/F _x

,где θ — угол между вектором и осью х.

Сложение векторов

Правило параллелограмма для сложения векторов — точный геометрический метод нахождения результирующего вектора двух заданных векторов. Два вектора изображаются так, чтобы они образовывали две смежные стороны параллелограмма. Результирующим вектором будет его диагональ, направленная от начала первого вектора к концу второго. Два вектора прикладываются друг к другу так, чтобы конец первого был в той же точке, что и начало второго, поэтому сумма векторов — вектор, направленный из начала первого в конец второго.

Правило параллелограмма

Правило косинусов для сложения двух векторов А и В предлагает следующую формулу для определения величины R результирующего вектора:

R ²= А ²+ В ²+ 2АВcos θ, где θ — угол между двумя векторами.

См. также статьи «Равновесие сил», «Сила и движение».

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧАСТИЦ

В природе существуют четыре основных типа сил — это гравитационные, электромагнитные, сильного ядерного и слабого ядерного взаимодействий. Эти силы действуют в результате обмена порциями энергии, которые называются квантами. Диаграммы (так называемые диаграммы Фейнмана), которые применяют для демонстрации природы этих взаимодействий, впервые составил Ричард Фейнман.

К электромагнитным относятся электростатические и магнитные силы. Переносчиками электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами служат не имеющие массы кванты — виртуальные фотоны, так как они прекратили бы взаимодействие, если бы для их обнаружения применили детектор.

Сильное ядерное взаимодействие удерживает вместе нейтроны и протоны в ядре. Протоны и нейтроны состоят из трех фундаментальных частиц — кварков, которые, в свою очередь, удерживаются вместе благодаря обмену квантами, называемыми глюонами. Глюоны в протонах или нейтронах могут образовывать кварк-антикварковую пару с такими свойствами, что антикварк и другой кварк образуют составную частицу, называемую пионом, переходящую к другому протону или нейтрону. Такой обмен пионами представляет собой механизм сильного взаимодействия.

Слабые ядерные силы заставляют протон превращаться в нейтрон в ядре с избытком протонов, или нейтрон превращается в протон в ядре с избытком нейтронов. В ходе этого процесса возникает недолговечная частица бозон (W).

Диаграммы Фейнмана

При β ^-распаде нейтрон превращается в протон и испускает W ^-бозон, который распадается на β ^-

частицу (электрон) и антинейтрино. При β ⁺— распаде протон превращается в нейтрон и испускает W ^-бозон, распадающийся на позитрон и нейтрино.

См. также статьи «Кварки», «Радиоактивность 2», «Фотон».

ВОЛНОВОЕ ДВИЖЕНИЕ 1 — ПРИРОДА ВОЛН

Электромагнитные, звуковые, сейсмические и другие типы волн обладают как характерными (типовыми), так и общими свойствами.

Механические

Механическими называются волны, распространяющиеся в веществе благодаря колебаниям его частиц. Всем типам волн, за исключением электромагнитных, для распространения необходима среда; следовательно, все они — механические.

Электромагнитные волны