Какие структурные уровни материи по критерию масштабности выделяет современная Наука. Кратко Охарактеризуйте микро-, макро- и мегамиры.

3 Какие всеобщие свойства пространства и времени Вы знаете?

4 Опишите основные свойства пространства и времени.

5 Какие системы отсчета называются неинерциальными? Приведите примеры инерциальных и неинерциальных систем отсчета.

6 Сформулируйте принципы, лежащие в основе специальной теории относительности.

7 Возможны ли движения с бесконечно большой скоростью? Какая скорость в природе является предельной?

8 Какой вывод о пространстве и времени следует из преобразований Лоренца? В чем заключается различие в представлениях о пространстве и времени Ньютона и Эйнштейна?

9 Сформулируйте выводы из преобразований Лоренца. Как экспериментально подтверждаются эти выводы?

10 Как возникают силы инерции? Приведите примеры. Почему силы инерции часто называют фиктивными?

11 В чем заключается принцип эквивалентности?

12 Что такое инертная масса? Что такое масса гравитационная? Запишите второй закон Ньютона и закон всемирного тяготения.

13 Какие факторы приводят к искривлению пространства?

14 Какие экспериментальные подтверждения общей теории относительности Вы знаете?

15 Как влияет гравитирующая масса на течение времени?

16 Сформулируйте основные выводы теории относительности.

Принципы симметрии и законы сохранения

 

Понятие симметрии. Теорема Нетер

Симметри я (в физике) –свойство физических величин оставаться неизменными при определенных преобразованиях. Существует ряд таких преобразований, т.н. операций симметрии, к которым относятся, например, сдвиг и поворот. Сдвиговой симметрией обладают, например, кристаллы, для которых характерно регулярное расположение частиц с периодической повторяемостью в трех измерениях. Осевой симметрией обладают правильные геометрические фигуры. Так, поворот квадрата на 90° относительно оси, проходящей через его центр перпендикулярно его плоскости, совмещает квадрат с самим собой.

Пространство и время однородны, т.е. обладают сдвиговой симметрией: параллельный перенос системы координат и сдвиг начала отсчета времени не изменяют законов природы. Пространство изотропно, т.е. обладает осевой симметрией: поворот осей координат на произвольный угол не изменяет законов природы.

В современной физике обнаруживается определенная иерархия симметрий. Приведенные выше симметрии имеют место при любых взаимодействиях. Существуют симметрии, выполняющиеся только при сильных и электромагнитных взаимодействиях, при слабых взаимодействиях эти симметрии нарушаются. К таким симметриям относятся, например, зеркальная симметрия, операция зарядового сопряжения, изотопическая инвариантность и т.д., эти симметрии называются внутренними. Зеркальная симметрия (инверсия пространства, заключающаяся в замене координат x,y,z на – x, –y, –z) означает, что отражение в зеркале не меняет физических законов. Замена всех частиц на античастицы называется операцией зарядового сопряжения, такая операция симметрии также не изменяет протекающих в природе процессов сильного и электромагнитного взаимодействий. Изотопическая инвариантность связана со сходством протона и нейтрона (они отличаются только наличием у протона электрического заряда, что не сказывается на ядерных процессах).

В 1918 г. Амали Эмми Нетер доказала фундаментальную теорему, согласно которой существование любой конкретной симметрии – в пространстве-времени, степенях свободы элементарных частиц и физических полей, – приводит к соответствующему закону сохранения. Из этой теоремы следует и конкретная структура сохраняющейся величины. Из инвариантности относительно сдвига во времени следует закон сохранения энергии; из симметрии относительно пространственных сдвигов следует закон сохранения импульса; из инвариантности относительно пространственного вращения следует закон сохранения момента импульса. Физические законы не изменяются при преобразованиях Лоренца, связывающих значения координат и времени в различных инерциальных системах отсчета (принцип относительности). Из принципа относительности следует закон сохранения скорости движения центра масс изолированной системы.

 

Закон сохранения импульса

Напомним, что импульсом материальной точки называется векторная величина, равная произведению массы этой точки на ее скорость .

Импульсом системы материальных точек или тел (далее – система) называется векторная величина, равная векторной сумме импульсов всех материальных точек, составляющих систему или произведению массы системы на скорость ее центра масс

 

(2.3.1)

Замкнутой системой называется система, на которую не действуют внешние силы. Наименьшей замкнутой системой можно считать Солнечную систему в целом.

Однородность пространства (сдвиговая симметрия пространства) приводит к закону сохранения импульса: импульс замкнутой системы с течением времени не изменяется.

В незамкнутых системах импульс сохраняется в следующих случаях:

1 Импульс системы сохраняется, если векторная сумма внешних сил равна нулю.

2 Проекция импульса на некоторое направление сохраняется, если проекция векторной суммы внешних сил на это направление равна нулю.

3 Импульс системы сохраняется, если время действия внешних сил мало.

Закон сохранения импульса является фундаментальным законом природы, выполняющимся при любых взаимодействиях в мега-, макро- и микромире. Законом сохранения импульса объясняются, в частности, отдача пушки или ружья при выстреле, реактивное движение, особенности распада ядер и элементарных частиц и др.