Популярно о физике.

[arseniiv]

Walker_XXI в сообщении #1099513 писал(а):

Есть ведь и другая крайность (опять же переходящая в лженауку), когда человек не видит разницы между реальностью и описывающей её матмоделью, начинает отождествлять их, считая, что любые математические формулы чуть ли не автоматически имеют физический смысл.

Тут проблема не в формулах, а в непонимании соотношении теории и эксперимента. Исправляется не на уровне наличия/отсутствия формул.

-- Пн фев 15, 2016 07:37:38 --

Хотя тут ещё есть этакая «проблема вычислений в компонентах» — говорят, некоторые люди за компонентами не видят соответствующие геометрические объекты — тензоры, спиноры, какие-то не являющиеся этими элементы гладких многообразий, и что там ещё (интересно, что-нибудь нужное сейчас физике здесь пропущено?). Но насколько эта проблема существует?

[Munin]

Walker_XXI в сообщении #1099513 писал(а):

Есть ведь и другая крайность (опять же переходящая в лженауку), когда человек не видит разницы между реальностью и описывающей её матмоделью, начинает отождествлять их, считая, что любые математические формулы чуть ли не автоматически имеют физический смысл.

Есть. Но во-первых, намного реже, а во-вторых, наносящая намного меньше вреда. Человек с таким искажением может продолжать быть хорошим расчётчиком (как в науке, так и инженером, например).

Walker_XXI в сообщении #1099513 писал(а):

Плох тот физик, который не в состоянии пояснить физический смысл выписываемых им уравнений, рассказать на качественном уровне об описываемом теорией явлении.

Я не хочу здесь заводить об этом спор. Но думаю, это несколько наивно. Уравнения имеют физический смысл в начале выкладок и в конце, но не в произвольно взятой промежуточной точке. Тот же Фейнман не понимал физический смысл операторов рождения и уничтожения, например. Я не понимаю физический смысл варьирования $\dot{q}(t)$ независимо от $q(t).$ И уверен, вы не сможете его мне объяснить, и даже придумать.

Walker_XXI в сообщении #1099513 писал(а):

И, думаю, все вспомнили Р.Фейнмана, который умел простым языком раскрыть физический смысл сложнейших уравнений.

Заметьте, не всех уравнений, а только некоторых уравнений, специально им выбранных.

[Anton_Peplov]

Munin в сообщении #1099583 писал(а):

Я не понимаю физический смысл варьирования $\dot{q}(t)$ независимо от $q(t).$

Вот! Я тоже не понимаю. А его и нету, скорее всего. По крайней мере, если "понять физический смысл" означает "состыковать с бытовой интуицией".

[Munin]

Munin в сообщении #1105739 писал(а):

Вкратце, примерно до середины 20 века учёные спускались по уровням "что из чего состоит". Молекулы - из атомов; атомы - из электронов и ядер; ядра - из протонов и нейтронов.

А с середины 20 века выяснилось, что на микроскопическом масштабе природа переходит от такой "лестницы" к другой "лестнице" - к более абстрактной и математической, на взгляд дилетантов. Вместо внутреннего строения частиц - необходимо познать их математические симметрии. И эти симметрии образуют свою, новую "лестницу". И по ней дальше учёные продвинулись ещё на несколько шагов: изотопический спин и ядерная демократия; киральная симметрия; восьмеричный путь и теория кварков; теория Ферми, $V-A$-теория и теория ПВБ; ГИМ и фермионные поколения; электрослабое взаимодействие и механизм Хиггса *). Более того, впереди просматриваются ещё несколько ступенек, пока не подтверждённых экспериментально, но логически следующих из наблюдаемых данных: Великое Объединение, суперсимметрия.

Вот только это требует серьёзной смены мировоззрения, которая практически не затронула никого из не-физиков. К тому же, она требует достаточно глубоких знаний, и дилетантам по этой причине просто недоступна. Поэтому дилетанты и продолжают думать про "деление материи" и "что из чего состоит". Этот вопрос давно уже не на повестке дня в физике.

*) ПВБ - промежуточные векторные бозоны (впоследствии - $W$ и $Z$), ГИМ - Глэшоу, Илиопулос, Майани.

[Munin]

Munin в сообщении #774241 писал(а):

Физики уже заведомо не вернутся к понятию эфир. Даже если получат такие экспериментальные факты, которые 110 лет назад были бы сочтены свидетельством обнаружения эфира. Они эти экспериментальные факты иначе назовут и интерпретируют (при этом, конечно, не будут отрицать, а примут как истину). Без слова эфир.

Понятие эфир относится к физической научной парадигме начала-середины 19 века. "Парадигма" здесь - это не теория, а некая система понятий и представлений над теорией, говорящая, как что взаимосвязано и объясняется. В частности, она включает в себя идеи не доказанные, но уже "авансом" принятые учёными, позволяющие им иметь упорядоченные представления о мире и о том, что они делают. Научная парадигма может меняться, в то время как все доказанные теории, на которые она опирается, остаются на месте - просто потом они складываются иначе, как в калейдоскопе, и служат опорой новой парадигме.

С точки зрения физической парадигмы 19 века - парадигмы классической физики, мир состоял из разных веществ и частиц, и возможно, пустоты. Самые разные явления представлялись себе как разные вещества ("субстанции"): тепло - как тепловая жидкость, заряд - как две электрические жидкости (для "плюса" и для "минуса" - "стеклянное и смоляное электричество"), электрические и магнитные поля - как "испарения" жидкостей, распространяющиеся в пространстве. Такие "субстанции" могли просачиваться сквозь обычное вещество, как жидкость через пористый материал, они могли не иметь веса, цвета, запаха. Постепенно набирало силу представление, что вещество состоит из мельчайших частиц (молекул, атомов), чисто механических, причём классически-механических, ведущих себя как твёрдые тела или упругие пружинки. "Тонкие субстанции" должны были иметь частицы мельче, чем обычное вещество. Волны мыслились как присущие только веществу, и поэтому волновая теория света (победившая во времена Юнга и Френеля, в начале 19 века) требовала ещё одной "субстанции" - светоносного эфира. Это легко вписывалось в тогдашнюю картину мира. Неудивительно, что Максвелл, создавая свою теорию, тоже думал о механическом смысле электромагнитных величин. И даже в начале 20 века Абрагам, Ланжевен, Лоренц, Пуанкаре пытались создать модели электрона как твёрдого тела, или капельки жидкости, или упругой оболочки, растянутой силами электрического отталкивания.
Рекомендуемая литература: Уиттекер, "История теорий эфира и электричества", в основном 1-й том.

Ситуация поменялась в конце 19 - в начале 20 века. Причём главную роль здесь сыграла не теория относительности, которую в основном принято поминать как "убийцу эфира", а квантовая механика. И вот тут речь пойдёт о фактах, которые современные "эфиристы" не знают и не осознают в полной мере. Понятие поля сначала зародилось в физике как представление о математической абстракции, описывающей то самое вещество из твёрдых частиц. (Рассматривались поля скоростей и давлений в жидкости и газе, поля температуры и концентрации при диффузии, поля звуковых волн, напряжений, аналогично описывались струны, стержни, мембраны. В этом ряду поля световых волн и электрические с магнитными не выглядели чем-то выделяющимся.) Но когда появилась СТО, она наложила предел скорости взаимодействий $c$ абсолютно на всё. Стало ясно, что электромагнитное поле не может состоять из твёрдых роликов и упругих пружинок, потому что они никакие твёрдые частицы ненулевого размера просто не могут быть фундаментальными. Пришлось признать понятие поля несводимым к веществу - то есть, отдельной реальной (материальной) сущностью, всюду присутствующей, всё пронизывающей, и характеризующейся числами, "абстрактными функциями". Но "удар милосердия" нанесла квантовая механика: она показала, что то, что считалось несомненно частицами вещества (на тот момент, протоны и электроны) - само по себе сводится к таким же "абстрактным функциям", и обладает теми же свойствами, что и поля: всюду присутствуют, всё пронизывают, а вместо механических законов подчиняются уравнениям. Вектор объяснений развернулся в обратную сторону: если раньше физики надеялись объяснить поля через частицы, то теперь, добравшись до сути дела, они объясняли частицы через поля. И это уже не было гипотетической частью физической парадигмы, это было уже свершившимся фактом.

Таким образом, эфир оказался физике не нужен в гораздо более сильном смысле, чем по Оккаму. Если раньше про него думали, что он принесёт долгожданные объяснения и наведёт ясность, то теперь объяснения уже появились, ясность уже наступила, и в новую схему объяснений эфир не вписывается никак. Более того, если вдруг он и будет экспериментально обнаружен, то он в свою очередь потребует объяснений, и будет интерпретирован в свете современной парадигмы, как некоторое очередное поле (или вещество, состоящее из полей). Слова "эфир" при этом могут не произносить. Современные эксперименты, аналогичные поиску эфира в конце 19 - начале 20 века, называются поиском новых полей (например, векторных - соответствующих "эфирному ветру") и их макроскопических проявлений. Причём уже хорошо известно, что такие поля если и есть в природе, то на известные секторы физики - на электромагнетизм, фермионы, сильное и слабое взаимодействие, гравитацию - оказывают пренебрежимо малое воздействие.

Munin в сообщении #774612 писал(а):

Имеет смысл рассматривать слово "эфир", как оно употреблялось в 17-19 веках, и в начале 20 века. В середине и конце 20 века, и в начале 21 века, это слово употребляют только в контексте лженауки (недоверие к научным экспериментальным результатам и проверенным теориям), и разные авторы начинают приписывать ему самые разные свойства, лишь бы только оправдать употребление слова. Последовательность, непротиворечивость и взаимосогласованность употребления этого термина прекратились.

(чуть больше цитат здесь: post1141673.html#p1141673 )

[Munin]

Искал и нашёл старенькое:

Munin в сообщении #599746 писал(а):

Начать надо с того, что вообще означает слово "распадается". На языке физики это означает следующее: "летела одна частица, а потом стало несколько". (Или даже не "летела", а "была", с пространственно-временной точки зрения это одно и то же.) Это понятие очень легко наблюдать в экспериментах детекторами, например, в фотоэмульсии, или в пузырьковой камере: сначала идёт один след, а потом несколько расходящихся линий. Но мы в обычной жизни привыкли, что "распадается" означает, что что-то целое делится на куски, и эти куски потом и существуют отдельно в виде обломков. В физике это не так! Сначала со внутренностями частиц просто не могли разобраться (они слишком мелкие), а потом выяснилось, что с делением на куски этот процесс не имеет ничего общего. Но название уже закрепилось. На самом деле, речь идёт о процессах взаимного превращения частиц. В частном случае, когда одна частица превращается во многие. Бывают и другие частные случаи, несколько в несколько, и несколько в одну, и они тоже изучаются квантовой физикой, но просто не называются "распадами".



Убедиться, что это не "разделение на куски", можно, например, так. Бывает, что нейтрон распадается с образованием протона, а бывает (в других внешних условиях), что протон распадается с образованием нейтрона. Если бы это были "куски", то понятно, что они образовали бы бесконечную рекурсию вложенности :-)


Теперь, картина выглядит так. Есть множество разных частиц, точнее, типов частиц. Они умеют превращаться друг в друга - то есть, между ними нарисованы какие-то стрелочки. При этом, масса частицы играет роль уровня энергии $(mc^2),$ на котором находится частица. С верхних на нижние уровни переходы случаются самопроизвольно, как и для обычного камня, скатывающегося с горы в низину. Разумеется, если между этими уровнями есть стрелочка, а если нет - "камень" остаётся сверху. Если стрелочек много, то "камень" скатывается по любому пути до самого нижнего уровня, до которого может, так что с него уже не ведёт следующих стрелочек вниз. И наоборот, чтобы загнать "камень" наверх, нужно приложить энергию - чем и занимаются ускорители.

Физика элементарных частиц изучает, что это за частицы (уровни), и какие между ними есть превращения (стрелочки). Оказывается, что существует очень большая плотная сеть стрелочек, которая почти описывается словом "каждая в каждую", но с некоторыми исключениями. Исключения выглядят так: у частиц бывают некоторые свойства, и частицы превращаются с сохранением этих свойств, и не могут нарушить этого сохранения. Например, у частиц есть электрический заряд, так что частица с зарядом +1 не может распасться так, чтобы у итоговых частиц у всех был заряд 0. Нет, они должны в сумме образовывать снова +1, например, 0, 0 и +1, или в другом варианте, +1, +1 и -1. Электрический заряд - самое наглядное из этих свойств, его можно отдельно померять, например, по закону Кулона. Но есть и другие свойства, которые далеко не столь наглядны, и часто единственным их проявлением является то, что они запрещают какие-то распады и превращения. Но от этого они не становятся менее реальными: это наглядно видные "пустые места" в сети стрелочек. Эти свойства называются "квантовые числа" элементарных частиц, и они перечислены в таблицах.

Так вот, в системе элементарных частиц протон - самая лёгкая частица (самый нижний уровень энергии), обладающая сохраняющимся свойством "барионное число", или "барионный заряд", с величиной 1. Есть частицы легче протона, но все они имеют барионное число 0. Так что если взять более тяжёлую частицу с ненулевым барионным числом, то распадаясь, она всегда дойдёт до протона, но не дальше. А вот других чисел, которые мешали бы тяжёлым частицам распадаться так, чтобы образовался протон, нет. По крайней мере, в той части системы элементарных частиц, которая известна на сегодня (есть предположения, что неоткрытые ещё частицы тёмной материи - это тоже какие-то "нижние уровни" какой-то другой сети стрелочек, не имеющие пути в нашу известную сеть, заканчивающуюся протоном).

На самом деле, просто картиной стрелочек всё не исчерпывается. У этих стрелочек есть свойства, например, с какой скоростью одна частица может распасться по этой стрелочке в другую частицу. Обычно это зависит от разности энергий: чем больше выигрыш энергии, тем быстрее происходит такой распад. Поэтому нейтрон, который выше протона на 1,3 МэВ, распадается за 15 минут, а $\mathit{\Delta}$-частица выше протона на целых 300 МэВ, и распадается за $10^{-23}$ секунды. Кроме того, это зависит от того, какое взаимодействие ответственно за стрелочку, например, $\mathit{\Delta}$ может распасться в протон за счёт сильного взаимодействия (быстрого), а нейтрон - только за счёт слабого (сравнительно более медленного). По сильному взаимодействию, нейтрону распадаться в протон запрещено (по крайней мере, в свободном виде, а не в ядре), и такой запрет, хоть и не отменяет стрелочку совсем, может сильно отразиться на её свойствах, иногда даже сделать её почти "невидимой" для экспериментов.

И вот мы пришли к ещё одной оговорке: на самом деле, стрелочки действуют по-разному, в зависимости от окружающих условий. Свойства протонов и нейтронов в ядре, и их взаимных превращений, отличаются от их свойств в одиночестве. Например, в виде отдельной частицы нейтрон самопроизвольно распадается на протон, но никогда не в обратную сторону. А в ядрах иногда бывает и обратный процесс. Обычно эти условия бывают не слишком разнообразны: вакуум, внутренность ядра, присутствие мюона, внутренность нейтронной звезды - вот и всё, примерно. Но теоретически такие условия можно представить себе самые разные, и поэтому теория готовится их учитывать, на всякий случай, и поэтому оговорки произносятся самые общие.

Munin в сообщении #600026 писал(а):

Надо упомянуть, что даже здесь я упустил много деталей. Например, важно то, что распад частицы - это не просто стрелочка от одной частицы к другой, в этом процессе порождается несколько частиц, например, $\beta$-распад нейтрона: $n\to p+e^{-}+\bar{\nu}_e.$ И с точки зрения выигрыша энергии, оценивается исходная масса не по сравнению с одной итоговой, а по сравнению с суммой масс всех продуктов распада. Бывают ситуации (например, их полно в физике атомных ядер), когда сам по себе распад был бы энергетически выгоден, но для него надо (по правилам взаимодействий) испустить ещё какую-то частицу, слишком массивную, так что с добавкой её массы распад становится невыгоден. Если бы разность масс нейтрона и протона была меньше массы электрона (а они и так весьма близки, 1,3 МэВ и 0,5 МэВ) - нейтрон бы не распадался в протон, а был бы, как и протон, абсолютно стабилен, и в нашей Вселенной было бы вдвое меньше водорода, а вместо него летали бы свободные нейтроны. Кстати, именно по этой причине запрещён распад нейтрона в протон через сильное взаимодействие: по правилам этого взаимодействия распад должен был бы иметь вид $n\to p+\pi^{-},$ а масса $\pi$-мезона 140 МэВ, и такого распада нейтрон себе позволить не может. В результате, нейтрон распадается не за $10^{-23}$ секунды, а за 15 минут.

Munin в сообщении #600500 писал(а):

Цитата:

Можно ли утверждать, что превращение одной частицы в другую, происходит по пути (по стрелочкам) быстрейшей скорости превращения и максимального освобождения энергии? То есть из всего множества стрелочек, по которому может идти превращение в заданых внешних условиях, реакция пойдет по быстрейшему и максимально выгодному по освобожденной энергии, пути.


Нельзя. На самом деле, там вероятностные законы. У реакций и распадов частиц есть несколько вариантов, в которых они могут произойти. И иногда происходят одни варианты, иногда другие. Их называют каналы реакций и распадов. Экспериментально измеряют отношения вероятностей одних каналов к другим. (По некоторым теоретическим причинам, для распадов эти вероятности называются ширины, и обозначаются буквой $\Gamma,$ так что среднее время распада - которое в $1/\ln 2$ раз больше периода полураспада, и которое ещё называется время жизни - равно $\tau=1/\Gamma.$ Посмотреть реальные экспериментальные параметры распадов можно здесь: http://pdglive.lbl.gov/ ) Правда, часто бывает, что преимущественно происходит какой-то один распад, и его вероятность 99 % и выше, а на другие достаются малые доли процента, но эти малые доли процента представляют большой интерес для физики, и поэтому их отдельно отлавливают и тщательно изучают. Но бывает, что доли примерно сравнимы по величине, например, $K$-мезоны почти с равными скоростями распадаются и с образованием лептонов, и без них - только с образованием $\pi$-мезонов.

Скорости, конечно, растут при увеличении высвобождения энергии, но есть и другие факторы, влияющие на скорость: тип взаимодействия, "удачные" или "неудачные" сочетания квантовых чисел исходных частиц и продуктов распада.

[StaticZero]

Это приятно читать. Плюсую существование этой темы в закреплённом состоянии.

[Munin]

Не знаю, куда выложить, так что прицеплю к этой теме.

Немного обзорных слайдов для старшеклассников на тему "Физическая картина мира". Не претендуют на точность.

1. Масштабы явлений по шкале расстояний и по шкале времени:



(По большому счёту, это надо было делать в виде двумерного графика, и можно заполнить ещё много чем другим. Однако главная мысль здесь - это то, что повседневные явления составляют малую часть тех явлений, которые бывают в природе, и изучаются физикой.)

2. Масштабы состояний вещества по температуре и плотности:



(Это похоже на обычную фазовую диаграмму. Просто немного шире, чем обычно освещается в школе.)

3. Масштабы явлений с некоторой теоретической точки зрения:



4. Физическая картина мира в целом: какие явления вообще бывают, и как они взаимосвязаны:



5. Предыдущий слайд, с добавлением названий физических теорий, которые этими явлениями занимаются:



(Эти два слайда предназначены для того, чтобы их разглядывать, быстро перелистывая с одного на другой. Расположение надписей с первого слайда сохранено.)

6. Демонстрация того, что законы физики - это дифференциальные уравнения (уравнения, связывающие функции и их производные):



(По сути, не важно, что именно тут написано. Кажется, я даже в знаке ошибся. Важно, что везде уравнения, грубо говоря, однотипные. Обозначения максимально приведены к школьным.)

7. Научный метод на одном слайде:

[emwave]

Интересно проследить связь идей:
Поле само по себе...
Электромагнитное поле (без источников), например, реликтовое излучение ->
фотоны (квантование поля) -> свойства фотонов

[Munin]

Слишком неконкретно сказано, чтобы понять, что именно вам надо ответить.

[Munin]

Munin в сообщении #423512 писал(а):

Чем когда можно и нельзя пренебрегать - это практически всё, чему посвящена наука физика :-)

[Munin]

Munin в сообщении #775967 писал(а):

Someone в сообщении #775863 писал(а):

Это до некоторой степени вопрос определения. Допустим, Munin считает, что пространство-время — это гравитационное поле, и потому физический объект. А я, допустим, считаю, что пространство-время — это математическая модель метрических и порядковых отношений, наблюдаемых в Мире, и потому не физический объект, а логическая конструкция. А гравитационное поле - это, естественно, физический объект, определяющий те самые метрические и порядковые отношения. При этом спорить нам с Muninым не о чем, потому что все различия в этом вопросе сводятся к определениям, а об определениях не спорят. Мне, может быть, мой вариант кажется лучше, поскольку никто ещё не ушиб голову, ударившись о пустое пространство. А у Muninа могут быть свои соображения.

На самом деле, вопрос ещё более ничего не стоящий. Речь не идёт о разных определениях. Речь об одних и тех же определениях, названных разными словами. Есть две терминологические традиции: физическая в теории полей, и математическая в римановой геометрии.
- В физических терминах: величины $R^{\lambda}{}_{\mu\nu\rho},\Gamma^{\lambda}_{\mu\nu},g_{\mu\nu}$ описывают гравитационное поле, а любые поля и частицы - есть физические сущности, находящиеся в пространстве-времени "как актёры на сцене".
- В математических терминах: величины $R^{\lambda}{}_{\mu\nu\rho},\Gamma^{\lambda}_{\mu\nu},g_{\mu\nu}$ описывают псевдориманово многообразие, а все остальные поля и частицы - есть геометрические сущности, находящиеся на этом псевдоримановом многообразии "как актёры на сцене".
- При этом, и там и там величины $R^{\lambda}{}_{\mu\nu\rho},\Gamma^{\lambda}_{\mu\nu},g_{\mu\nu}$ одинаково входят в уравнения движения частиц и полей, и на них самих тоже наложены одинаковые условия и уравнения. В выкладках вообще не фигурирует ссылка на ту или иную точку зрения.
При этом, поскольку и физики, и математики привычны к "плюрализму теорий", они легко принимают и ту, и другую терминологию. Например, что забавно, математик Someone предпочитает термины физического происхождения, а я - математического (по тем причинам, что они больше развивают физическую интуицию).

Между двумя терминологиями есть просто точное соответствие один-в-один. Они просто как два языка, допускающие точный перевод. В такой ситуации, люди свободно пользуются обоими языками, потом начинают их смешивать, и постепенно они сливаются воедино. (Аналогичный процесс произошёл, например, с двумя формулировками квантовой механики.)

Munin в сообщении #1175670 писал(а):

Пространство-время (я не буду говорить о пространстве) - это необходимый элемент всех физических представлений о мире. Как с античности, так и в классической физике, так и в современной (теория относительности и квантовая теория). При этом, очень долго считалось, что оно устроено очень просто (как трёхмерное координатное пространство и координатная ось), и к нему относились пренебрежительно. Именно тогда сложилось представление о "физических объектах", наподобие театра: пространство-время - сцена, а физические объекты - актёры на этой сцене. Сцена никакого участия в представлении не принимает.

Но в начале 20 века выяснилось, что пространство-время гораздо сложней, и имеет непростые свойства, с ним можно непосредственно взаимодействовать. (Хотя это и трудно продемонстрировать, и в прежние века было не замечено.) Пространство-время принимает непосредственное участие в "спектакле", и таким образом, играет двоякую роль: и "сцены", и "актёра". Прежние идеи о "физических объектах" были просто неприспособлены к такой новости. В итоге, в физике никто не заморачивается, как это назвать, зато кристально ясно, как это описать уравнениями, как рассуждать об этих предметах, и делать выводы и предсказания. Собственно, называть или не называть пространство-время физическим объектом - для физиков вопрос неинтересный, и они о нём пренебрежительно отзываются как о "философии" (в отличие от серьёзных дел, которыми они заняты).

И ещё. То, что я сказал о пространстве-времени, многие препочтут сказать о гравитационном поле. Но это опять такая же ситуация: не важно, как это назвать, важно, что мы все подразумеваем одни и те же уравнения, буковки в этих уравнениях, свойства этих уравнений, и так далее. Физики друг друга легко понимают. Ну а сторонние зрители (не вглядывающиеся в уравнения) могут быть запутаны, тут ничего не поделаешь.

[UR4III]

Огромное спасибо!
Буду рекомендовать к прочтению.

[Pavia]

Munin сообщение #1175670 написано крассиво, но непонятно о чём.

[wrest]

Pavia в сообщении #1413615 писал(а):

написано крассиво, но непонятно о чём.

Видимо об этом

Wheeler писал(а):

Space tells matter how to move
Matter tells space how to curve