✔
Вся атомная физика: энергетические уровни всех атомов; их размеры; испускание света при переходах атомных электронов из одного состояния в другое; эффекты бомбардировки атомов светом или частицами. Все основные закономерности химии: столкновения между атомами; сила связи атомов в молекулах; форма и размеры молекул; основные и возбуждённые состояния молекул; сопротивление молекул деформациям; механизм химических реакций; механизмы аккумуляции и переноса энергии молекулами. Все основные закономерности физики твёрдого тела: кристаллические структуры; теплота образования; упругость; тепло- и электропроводность; сверхпроводимость; коэффициент поглощения света; магнитные свойства; дислокации и прочность материалов; экситоны, фононы, плазмоны, магноны и прочие агенты, аккумулирующие и переносящие энергию на микроскопическом уровне в твёрдых телах. Статистическая механика теплового равновесия для твёрдых тел, жидкостей, газов и их систем; их фазы. Сверхтекучесть. Скорости протекания реакций
❔
Какая проблема из всего множества вопросов физики твёрдого тела нуждается в дальнейшей экспериментальной и теоретической разработке?
✔
Атом или молекула, входящие в состав твёрдого тела, переведены в возбуждённое энергетическое состояние путём поглощения пришедшего извне света. Каков механизм, с помощью которого происходит разрядка этой концентрации энергии, когда последняя распространяется по твёрдому телу в виде теплоты или колебаний решётки («фононов»)?
❔
Можно ли до биться, успехов в исследовании систем, расстояние между элементарными частицами в которых не очень велико по сравнению с размерами частиц?
✔
Да, в ядерной физике. В ядре расстояния между элементарными частицами составляют величины порядка 10⁻¹³ см, тогда как установлено, что эффективные размеры нейтрона и протона имеют порядок 10⁻¹⁴ см. Мы располагаем богатейшими данными об энергетических уровнях ядер, о размерах ядер, о несферичности атомных ядер, о радиоактивности ядер, о делении ядер и о ядерных превращениях, вызываемых их бомбардировкой. Многие стороны этих эффектов удаётся точно предсказывать, несмотря на тот факт, что неизвестна природа основных сил, действующих в ядре (это ни электрические, ни гравитационные, но некие «ядерные силы» короткого радиуса действия, убывающие с расстоянием много быстрее, чем обратный квадрат). Другие экспериментальные факты менее понятны или вообще не интерпретированы
❔
Какая из множества проблем ядерной физики представляется созревшей для дальнейшего экспериментального и теоретического исследования в настоящее время?
✔
Механизм деления ядер и, в частности, механизм того, как при делении ядер урана или других тяжёлых ядер иногда образуются наряду с двумя много более массивными осколками также ядра гелия или тяжёлого водорода
❔
Существует ли простой критерий, позволяющий в конкретных условиях указать, какое из взаимодействий является более важным: 1) внутренние взаимодействия, обусловливающие структуру элементарных частиц; 2) ядерное; 3) электромагнитное; 4) гравитационное взаимодействие?
✔
Да. Критерий — количество энергии, связанное с каждым из этих взаимодействий
❔
Каковы сравнительные значения этих четырёх видов энергии для железного шара радиусом 1 м?
✔
1) Внутренняя энергия элементарных частиц (определяемая массами покоя входящих в шар нейтронов и протонов): 3,3⋅10⁴ кг. 2) Ядерная энергия (определяемая изменением массы при объединении нейтронов и протонов и образовании 𝙵𝚎⁵⁶): 3,1⋅10² кг. 3) Электрическая энергия (определяемая энергией связи электронов в атомах железа и энергией связи атомов железа в кристаллической решётке металлического железа; вся эта энергия даётся в переводе в единицы массы): около 2⋅10⁻² кг. 4) Гравитационная энергия (энергия, требующаяся для удаления атомов железа на бесконечность против сил тяготения, переведённая в единицы массы): около 2⋅10⁻¹⁹ кг
❔
Какой из этих четырёх видов энергии возрастает быстрее всего при увеличении числа частиц?
✔
Гравитационная энергия, ибо каждая частица гравитационно взаимодействует с любой другой частицей
❔
Существуют ли условия, при которых соотношение между этими четырьмя видами энергии радикально изменяются?
✔
Да, в достаточно массивной звезде (если звезда холодная, то при массе, примерно равной массе Солнца, т.е. 2⋅10³⁰ кг; если горячая, то при большей массе, когда плотность оказывается ниже и гравитационные силы должны действовать на больших расстояниях)
❔
Могут ли силы гравитационного притяжения в достаточно массивном или достаточно плотном (или и массивном и плотном одновременно) астрономическом объекте возобладать над силами, обусловливающими внутреннюю структуру элементарных частиц, и вызвать исчезновение этих частиц?
✔
Мы не знаем ответа на этот вопрос, хотя он и возбуждает большой интерес и в настоящее время интенсивно исследуется как «гравитационный коллапс». Внимание было привлечено к этому гипотетическому механизму в январе 1963 г., когда был открыт так называемый «квазизвёздный объект» — часть некой галактики, отстоящей от нас на расстоянии 2⋅10⁹ световых лет,— выделяющей за короткий по астрономическим масштабам промежуток времени в 10⁶ лет или менее энергию (около 10⁵⁴ дж), эквивалентную той, которая выделилась бы при полном превращении в энергию массы около 10⁷ солнц. Сейчас открыты и продолжают открываться многочисленные другие квазизвёздные источники (это название теперь сокращённо произносится как «квазар»)
❔
Существуют ли какие-либо другие условия, при которых можно ожидать эффектов, аналогичных гравитационному коллапсу, с исчезновением элементарных частиц, или обратных процессов, при которых давление падает и происходит расширение?
✔
Эти условия существовали на ранних этапах расширения Вселенной и должны существовать на поздних этапах, когда Вселенная будет снова сжиматься
❔
Что подтверждает представления о расширении Вселенной?
✔
Разбегание галактик: галактики, находящиеся на вдвое большем расстоянии, убегают вдвое быстрее и т.д., как если бы они вылетели из общего центра с разными скоростями около 14⋅10⁹ лет назад
❔
Какая сила доминирует в больших масштабах в динамике Вселенной?
✔
Гравитация (кривизна пространства-времени)
4. Решения упражнений
РЕШЕНИЯ УПРАЖНЕНИЙ К ГЛАВЕ 1
1. Пространство и время — подробный пример
Решение дано в тексте.
2. Практическая синхронизация часов
Установите стрелки часов в положение, соответствующее √6²+8²+0²=10 м светового времени. Нажмите кнопку пуска часов в момент прихода опорного сигнала. ▲
3. Соотношения между событиями
Ответы на вопросы а), б) и в) согласно рис. 34. Для событий 𝐴 и 𝐵: а) временноподобный интервал; б) 4 м собственного времени; в) да; для событий 𝐴 и 𝐶: а) пространственноподобный интервал; б) 4 м собственного расстояния; в) нет; для событий 𝐶 и 𝐵: а) светоподобный интервал; б) нуль; в) да, так как эти события можно связать одним световым лучом. ▲
4. Одновременность
Слово «одновременность» пригодно для описания соотношения между событием «𝐴 сталкивается с 𝐵» и событием «𝐶 сталкивается с 𝐷» лишь в конкретной инерциальной системе отсчёта. Чтобы охарактеризовать соотношение между этими двумя событиями независимо от какого бы то ни было выбора системы отсчёта, следует сказать: событие «𝐴 сталкивается с 𝐵» отделено от события «𝐶 сталкивается с 𝐷» пространственноподобным интервалом в миллион миль. ▲
5. Временно'й порядок событий
Случай светоподобного интервала. Если световой луч может непосредственно пройти от события 𝐺 к событию 𝐻, то эти события связаны между собой светоподобным интервалом,— это чисто физическое утверждение, никак не связанное с выбором инерциальной системы отсчёта. Но это значит, что событие 𝐺 предшествует 𝐻 в любой инерциальной системе, что и требовалось доказать.
