Автор: Атанас Кумбаров

Екип от учени от университета Джон Хопкинс откри две нови частици на под-атомно ниво – редки, но важни роднини на познатите ни протони и неутрони. Наречени „Сигма-съб-би” (Sigma-sub-b) частици, двете екзотични и невероятно бързо разпадащи се частици са като редки бижута,изкопани от цели планини данни.

Тези частици са членове на „барйонната” фамилия, наименувана след гръцката буква „барис”, която означава „тежък”. Барйоните съдържат потри кварка, които са фундаменталните градивни частици на материята.Най-простите барйони са протона и неутрона, които изграждат ядрата на атомите на обикновената материя. Новите членове на фамилията, обаче, са нестабилни и краткотрайни, но те ни помагат да разберем силите, които свързват кварките заедно в материя.

Съдържайки вторият най-тежък кварк b (от ”bottom” –дъно/дънен), новите частици са най-тежките барйони, които дори са по-тежки от цял хелиев атом, който съдържа два протона, но същевременно частиците са по-леки от литиев атом, в чието ядро има три протона.

Колко редки са Сигма-съб-би? Екипа е разгледал сто трилиона сблъсъка между протони и анти протони в Теватрон (Фермилаб) – най-мощният ускорител на планетата – и е открил само 240 Сигма-съб-би кандидати.Това се дължи на факта, че новите частици живеят само за части от секундата.

Малко по малко учените придобиват представа как кварките изграждат материята и как сили на податомно ниво свързват кварките. Това откритие, което е било предречено по-рано, помага за запълването натака наречената „периодична таблица на барйоните”.

(щракнете изображението, за да го уголемете)

Има шест различни вида кварки: up (горен), down (долен), strange(странен), charm (чаровен), bottom (дънен) и top (върхов), които биват означавани с буквите u, d, s, c, b и t.Едната, от двете новооткрити частици, се състои от два горни и един дънен кварк (u-u-b) , а другата от два долни и един дънен кварк (d-d-b) . За разлика протоните са u-u-d, докато неутроните са d-d-u.

Ускорителят Теватрон помогна на учените да пресъздадат условията от ранния период на Вселената, възпроизвеждайки екзотичната материя, която е съществувала малко след Големия взрив. Докато материята около нас е изградена само от горни и долни кварки, екзотичната материя се състои от всякакви кварки.

Теватрон се намира в националната лаборатория Ферми, позната още като Фермилаб. Теватрон ускорява протони и анти протони до скорост близка до тази на светлината и ги кара да се сблъскват. При сблъсъка енергията се трансформира в материя, както предрича небезизвестното уравнение на Айнщайн E=m c₂.Случаите на произвеждане на дънни кварки, при които те се трансформират в Сигма-съб-би са изключително малки според законите на квантовата физика, но учените са успели да ги засекат благодарение на големия брой сблъсъци, които може да възпроизведе Теватрон.

Автор: Атанас Кумбаров

Международен екип от учени, ръководен от проф. Майкъл Кремър е наблюдавал три години двоен пулсар – уникална двойка естествени часовници открити през 2003 г. – за да докаже, че Общата теория на относителността на Айнщайн е точна до поразителните 0,05%. Двойният пулсар PSR J0737-3039A и PSR J0737-3039B са на 2 000 св.г. от нас в посока на съзвездието Кърма. Той се състои от две много компактни неутронни звезди, всяка от които е по-масивна от Слънцето, но диаметърът им е само 20 км. Те обикалят една около друга за 2,4 часа при скорост от 1 000 000 км/ч.
Разстоянието между тях е само половин милион километра. Двете звезди генерират радио пулсове всеки път, когато радио лъчите им преминават през Земята. Това е единствената позната система от двойни радио пулсари, чиито радио лъчи минават през Земята. Освен това ни дават идеална възможност да тестваме Общата теория на относителността на Айнщайн.
Гравитационно червено отместване: забавянето на времето кара честотата на пулсации да се забави, когато лъчите минават покрай едната неутронна звезда и обратното.
Шапиро забавяне: пулсациите от единия пулсар се забавят при преминаване край другия пулсар поради изкривяването на време пространството. Наблюденията предоставят два теста за Общата теория на относителността на Айнщайн.
Гравитационна радиация и орбитално западане: двете неутронни звезди губят енергия поради излъчването на гравитационни вълни. Това води до постоянно спирализиране на орбитите на двете звезди, което евентуално ще доведе до сливането на двете тела в едно.
Чрез прецизни измервания на вариациите на пулсациите на двете неутронни звезди с три от най-големите радио телескопа на планетата Ловъл, Паркс и Робърт Си Бърд, изследователите наблюдавали движението на звездите точна така, както предвидил Айнщайн.
След като пулсарите са видими като радио излъчващи часовници с изключителна точност, става възможно да бъде измерено разстоянието от тях до общия им център на тежестта. По-масивният пулсар е по-близо до центъра и обратното. От тук става възможно изчисляването на съотношението на масите. Това съотношение е много важно за гравитационните теории и затвърждава познатите ни модели.

Въпреки, че всички независими тестове, които могат да бъдат извършени с двойни пулсари се съгласяват с Общата теория на относителността на Айнщайн, този, който ни дава най-голяма точност е Шапиро забавянето навремето. Забавянето на сигнала при преминаване покрай неутронна звезда е 90 милионни от секундата, а съотношението между предположените и наблюдаваните стойности е 1,0001 /- 0,0005 – 0,05% разлика. Освен това учените открили, че пулсарите потъват към общия им център на тежестта със 7 милиметра на ден.

Мнения и коментари…

Теорията на относителността е съвкупност от две теории, създадени от родения в Германия физик Алберт Айнщайн. Тези теории са (1) Специалната теория на относителността, публикувана през 1905 година; и (2) Общата теория на относителността, издадена през 1915 година. Те са два от фундаменталните блокове, изграждащи модерната физика.

Теориите описват толкова сложни събития, че хората трудно разбират, как е възможно да се случат такива неща. На пример, един човек може да вижда, че две неща стават едновременно, докато за друг те стават в различно време. За един наблюдател часовник може да отброява времето различно, от колкото за друг. Двама наблюдатели могат да измерят дължината на пръчка правилно, но да получат различни резултати.

Галилеева относителност

В разработката на теориите си, Айнщайн използва принципите на относителността, разработени от италианския физик и астроном Галилео Галилей. Тези принципи сега са познати като Галилеева относителност.

Неопределено движение

Галилео представя основната идея на Галилеевата относителност в Диалога относно двете главни световни системи (1632 г.). В този труд, персонаж наречен Салаватиус описва два сценария, включващи корабна кабина. В двата случая, двама приятели са в кабината заедно с пеперуди други хвърчащи животинки, риба, плуваща в аквариум, бутилка, от която падат капки вода в друг съд и топка. Кабината е под борда, така че никой от двамата приятели не вижда навън.

В първия сценарий, кораба не се движи. Животните се движат естествено, а двамата приятели си подхвърлят топката и подскачат. Приятелите виждат, че животните летят с еднаква скорост към всички страни на кабината, рибата плува във всички посоки и капките вода падат право надолу. Когато единия приятел хвърля топката към другия, усилието за хвърлянето на топката не зависи от посоката на хвърлянето. Когато и двамата приятели скачат, усилието за скока не зависи от неговата посока.

Във втория сценарий, кораба плува с постоянна скорост. Т.е. посоката и скоростта на кораба не се променят. Всички действия от първия сценарий се повтарят: животните летят и плуват, водата капе и двамата приятели си подхвърлят топката и скачат. Движението на кораба няма никакъв ефект върху тези събития. Салватиус обяснява това така: всички обекти в кабината, включително и живите същества, споделят движението на кораба.

Понеже движението на кораба няма никакъв ефект върху събитията в кабината, никой от двамата приятели не може да прецени, дали кораба се движи или е в покой. Това е основната идея зад Галилеевата относителност.

Казано по-точно, реален кораб не би пътувал с постоянна скорост. На пример кораба ще пътува по крива, поради факта, че Земята е кръгла, включително и повърхността на водата е крива – заради вълните. Кораба също ще се движи в крива, поради въртенето на Земята около оста й и около слънцето. Обаче за периоди от по няколко секунди, скоростта и посоката на кораба могат да са почти постоянни.

Инерционни рамки

Физиците биха нарекли кабината инерционна рамка. Термина произлиза от факта, че в кабината, принципа на инерцията ще е валиден за кабината. Инерцията е съпротивлението на дадено тяло при опит за промяна на движението му. Тяло, което е в покой, се опитва да остане в покой поради инерцията. По същия начин, движещо тяло се опитва да запази движението си. На пример рибата в аквариума ще е в покой спрямо кабината. Поради инерцията, аквариума ще се опитва да остане в покой относно кабината.

Но представете си, че кораба рязко набира скорост и в следствие на това аквариума се плъзва и пада. Приятелите в кабината биха видели, че принципа на инерцията вече е неприложим в кабината. Тя вече няма да се движи с постоянна скорост и посока и следователно вече няма да е инерционна рамка. Понеже кабината ще се ускорява, тя би била ускорителна рамка.

Принципа ни инерцията е още познат като Първи закон на Нютон. Той е един от трите закона за движение, открити от английския учен Исак Нютон. До края на 19-ти век, повечето учени смятали, че всички естествени събития могат да се обяснят със законите на Нютон. Така че принципа на Нютон би бил перифразиран така: „Законите на природата са еднакви във всички инерционни рамки.” Под природни закони се подразбирало трите закона на Нютон.

Галилееви трансформации

Няколко вида изчисления от Галилеевата относителност са важна част от основата на теориите на Айнщайн. Тези изчисления са познати като Галилееви трансформации. Те показват как събитие, протичащо в една инерционна рамка, би изглеждало в друга инерционна рамка.

Галилеевите трансформации се базират на първия закон на Нютон: Всяка рамка, която се движи с постоянна скорост и посока относно инерционна рамка, също е инерционна рамка.

Представете си два реактивни самолета. Самолет А и самолет Б летят в еднаква посока. Нека самолет А да се движи с 30 км/ч по-бързо от самолет Б. Пътник в самолет А се движи с 5 км/ч в самолета по посоката на полета. Галилеевата трансформация ще ни даде скоростта на пътника относно самолет Б. Трансформацията ще е събиране: 30 км/ч 5 км/ч = 35 км/ч.

Сега си представете, че пътника се обръща в противоположна посока и върви с 5 км/ч. Галилеевата трансформация ще е изваждане: 30 км/ч – 5 км/ч = 25 км/ч.

Експеримента Майкалсън-Морли

През 1887 година, експеримент, проведен от двама американски физици показал, че има нещо грешно с Галилеевите трансформации. Физиците Алберт Майкалсън и Едуард Морли експериментирали със светлинни лъчи.

Експеримента Майкалсън-Морли е изпробване на теорията на шотландския учен Джеймс Максуел от 1864 година. Част от тази теория описва връзката между електрическите и магнитните полета. Електрическото поле е въздействието върху пространството, създадено от електрически заредена частица. Електрически заредените частици могат да се отблъскват и привличат. По същия начин, магнитно поле е въздействието върху пространството, породено от магнит или от ток. И по същия начин обекти с магнитно поле или такива, които пропускат ток се привличат или отблъскват.

Максуел е измислил уравнения, които показват, че могат да се комбинират в електромагнитно поле и да създават електромагнитни вълни. Уравненията също показват, че електромагнитните вълни се движат със скоростта на светлината. Максуел казал, че самата светлина е съставена от електромагнитни вълни – твърдение, което по-късно се оказало вярно. Той също казал, че съществуват и други видове електромагнитни вълни. Немският физик Хайнрих Херц открил такива вълни – познати като радиовълни – между 1886 и 1888 година.

Физиците си помислили, че ако светлината е изградена от вълни, то тези вълни трябва да пътуват в някаква субстанция, така както водните вълни пътуват във водата. Те нарекли тази субстанция етер и си представили, че етера изпълва пространството. Те казали, че въпреки, че етера може да излъчва вълни, той не може да се движи. Неподвижността му го прави специална инерционна рамка.

Според уравненията на Максуел, светлината се движи с определена скорост, означена с буквата с. Стойността на с е 299 792 км/с. Максуел предположил, че с е скоростта на светлината, относно етера. В такъв случай, светлината би могла да се движи по-бързо или по-бавно в инерционна рамка, вътрешна за етера.

Учените казали, че Земята също се движи в етера при въртенето й около оста й и около Слънцето. Така всяко нещо на Земята, включително и лабораторията на Майкалсън-Морли, се движела относно етера. В такъв случай скоростта на светлината относно лабораторията трябвало да е различна, когато се движи в различни посоки. С Галилеевите трансформации е било възможно да се изчисли скоростта на различните лъчи в лабораторията.

Представете си, че лабораторията се движи със 150 км/с спрямо етера. Представете си, че лъч светлина е излъчен в посока на движението. Според Галилеевите трансформации, скоростта на светлината спрямо лабораторията би трябвало да е равен на с – 150 км8/с. А сега си представете, че лъча се движи в противоположна посока. Очакваната скорост е с 150 км/с.

Майкалсън и Морли извършили експеримент за измерване на разликата в скоростта на светлината спрямо тяхната лаборатория. Въпреки че светлината се движи изключително бързо, техният експеримент показал само изключително малка разлика. Всъщност Майкалсън и Морли не открили никаква разлика. Резултата бил огромен пъзел. Физиците безуспешно се опитвали да разберат същността на светлината, без да влизат в разрез с Галилеевите трансформации и експеримента Майкалсън-Морли.

Специална теория на относителността

Айнщайн забелязал, че няма никакви доказателства за съществуването на етера. Така той премахнал етера от общата картинка. Той спори с Максуел, че скоростта на светлината трябва да е една и съща във всички инерционни рамки. В такъв случай, принципите на Галилео не са напълно верни.

За това Айнщайн представил нова теория – Специалната теория на относителността. Тя се състои от две части: (1) Няма етер и скоростта на светлината е една и съща, независимо от тяхното относително движение. (2) Природните закони са еднакви във всички рамки, където се подразбира, че законите включват и тези на Максуел.

Айнщайн базирал теорията си на тези принципи. Теорията решила пъзела на експеримента Майкалсън-Морли. Благодарения на нея бяха направени предсказания, които по-късно се оказаха верни.

Лоренцови трансформации

Специалната теория на относителността използва уравнения, познати като Лоренцови трансформации, за да опише как събития от една инерционна рамка изглеждат в друга инерционна рамка. Уравненията са именувани така в памет на холандския физик Хендрик Лоренц, който първи ги записал през 1895 година. Лоренц измисля уравненията, за да разгадае мистерията на експеримента Майкалсън-Морли.

В комплексната математика на теорията на относителността, времето и пространството не са съвсем различни неща. Вместо това учените ги наричат с едно име – времепространство. Времепространството е съвкупността от трите измерения – височина, дължина и ширина – и времето. Така времепространството е четириизмерно.

Забавяне на времето

Лоренцовите трансформации показват, че могат да се случват много странни неща. Едно от тези неща е забавяне на времето.

Представете си два космически кораба – А и Б. Корабите се движат един спрямо друг със скорост близка до с. Във всеки космически кораб има часовник. И двата часовника са точни, а хората в корабите могат да ги виждат. Странно, но хората в двата кораба ще ги четат грешно. Хората от космически кораб А ще виждат, че часовника в космически кораб Б се върти по-бавно. Хората в космически кораб Б ще виждат, че часовника в кораб А се върти по-бавно. Всъщност забавянето съществува при всички относителни скорости. Но при ежедневните скорости, дори и най-чувствителната техника не може да го установи. За това хората не знаят за забавянията, когато извършват нормалните си дейности.

Забавянето на времето е важно за изучаването на космическите лъчи – високоенергийни части, които пътуват през Вселената. Някой частици от открития космос се сблъскват с атоми от горните слоеве на атмосферата. Сблъсъците създават разнообразни частици, включително и мюони. Мюоните пътуват със скорост, близка до тази на светлината. Освен това те са радиоактивни – те се разпадат, когато се движат.

Всеки мюон може да бъде разглеждан, като собствена инерционна рамка. Учените са измерили колко бързо се разпадат мюоните спрямо времето в тяхната собствена инерционна рамка. Те се разпадат толкова бързо, че човек може да си помисли, че е невъзможно достигането им до земната повърхност. Обаче поради забавянията на времето, мюоните стигат до земната повърхност доста по-бавно спрямо земната инерционна рамка.

Лоренц-Фицджералд свиване

Друг странен ефект на Специалната теория на относителността е Лоренц-Фицджералд свиването или за по-просто Фицджералд свиване. Лоренц предположил това свиване в резултат на Лоренцовите трансформации. През 1889 година, ирландския физик Джордж Фицджералд направил подобно предположение.

Отново си представете двата космически кораба. Хората от космически кораб А ще виждат, че космически кораб Б и всички обекти в него се смаляват в посоката на движение на космически кораб Б спрямо А. Но те няма да наблюдават никаква промяна в размера на кораб Б и обектите в него, измерени от отгоре до дули или от страна до страна.

Този ефект, както и забавянето на времето, важи и обратно за хората от космически кораб Б. Те също ще виждат свиването на кораб А и обектите в него при движение относно космически кораб А. Този ефект също е на лице при всички относителни скорости.

Връзка между масата и енергията

Един от най-известните ефекти на Специалната теория на относителността е връзката между масата и енергията:. На масата може да се гледа като количество материя в обект. Уравнението казва,че обект в покой има енергия Е,равна на неговата маса, умножена по скоростта на светлината с наквадрат. Скоростта на светлината е толкова голяма, че при преобразуванена малко количество материя се получава огромно количество енергия. Например преобразуването на 1 грам материя ще освободи 90 трилиона джаулаенергия. Този енергия е равна на енергията, освободена при взривяванена 22 000 тона тротил.

Преобразуването на маса създава енергия в Слънцето и другите звезди. То също създава топлинната енергия, по-късно използвана за получаване на електричество в атомните електроцентрали. В допълнение, преобразуването на маса в енергия е отговорно за невероятната разрушителна сила на ядрените оръжия.

Обща теория на относителността

Айнщайн създал Общата теория на относителността, за да модифицира закона на Нютон за гравитацията по такъв начин, че да е в съгласие със Специалната теория на относителността. Ключовото разминаване е в описанието на начина, по който обектите си упражняват сили по между си.

В Специалната теория на относителността, нищо не може да се движи между две точки със скорост по-голяма от тази на светлината. Този принцип важи както за лъчи светлина, така и за сили.

Представете си атома на най-простата форма на водорода. Този атом е изграден от един протон и един електрон, който обикаля около протона. Електрона притежава отрицателен електрически заряд, а протона положителен. Позицията на протона определя движението на електрона. Това се дължи на факта, че протона упражнява сила на привличане върху електрона – приложение на принципа „противоположни заряди се привличат”.

Протона упражнява сила чрез електромагнитни вълни, на които може да се гледа като лъчи светлина. Протона излъчва лъч, който бива абсорбиран от електрона. Така движението на електрона зависи от позицията на протона в момента на излъчване на този лъч.
Според закона на Нютон за гравитацията.Закона обяснява движението на планетите. Според закона, движението на планетите зависи от позицията на Слънцето и другите планети. Всички тези обекти си взаимодействат чрез гравитационната сила.
Но Нютон казва, че силата между обектите се предава мигновено, без значение на разстоянието между тях. Това е, закона описва гравитационното взаимодействие чрез като функция на разстоянието. Това описание е в разрез със Специалната теория на относителността.

Принцип на равнозначността

За да премахне действието спрямо разстоянието, Айнщайн започнал с наблюдение, което нарича принцип на равнозначността. Според този принцип, гравитационната маса на обект е равнозначна на неговата вътрешна маса.

Гравитационната маса помага за определянето на гравитацията на обект. Масите m₁ иm₂ са гравитационни маси в закона на Нютон.

Вътрешната маса е мярка за инерцията на даден обект. Инерционната маса е дадена във втория закон на Нютон: F=ma, където Fе упражнената сила върху даден обект и a е ускорението на обекта.Закона е в сила на пример, когато бутате обект по пода. Ако силата ви е по-голяма от силата на триене между обекта и пода и всяка друга сила,която работи против вас, обекта ще се плъзга все по-бързо и по-бързо. Ускорението ще зависи от вашата сила и масата на обекта минус съпротивляващите се сили.

Унгарския физик Лоранд Еотвос е потвърдил принципа на равнозначността експериментално през 1889 година. Айнщайн видял, че принципа разкрива тясна връзка между начина, по който обект се движи във времепространството и гравитационната сила, която му действа. Тогава той осъзнал, че гравитацията е свързана с времепространството.

„Труден експеримент”

За да опише как Айнщайн би работил, за да елиминира действие спрямо разстояние, той предложил пример, наречен „труден експеримент”. Първо си представете асансьор, който пада свободно към повърхността на Земята. Да предположим, че човек в асансьора изпуска камък. Камъка ще пада заедно с човека, като направо ще увисне във въздуха отстрани него.

Сега си представете, че асансьора е в открития космос – толкова далечеот всички звезди и планети, че почти никаква гравитационна сила да нему действа. Човека пуска камъка и той отново увисва до него.

Айнщайн казал, че „трудния експеримент” разкрива една обща истина:когато човек пада свободно, той не може да определи, дали му действа гравитация. Така че гравитацията трябва да е характеристика на времепространството, в което пада наблюдателя.

В днешно време, принципа, който стои в основата на примера на Айнщайн е познат като феномена „безтегловност”. Астронавтите в совалката и космическата станция са толкова близо до Земята, че те изпитват 90% от гравитацията й. Но както камъка в асансьора, те падат свободно. Така чете се чувствата така, сякаш не им действа никаква гравитация.

Изкривяване на времепространството

Айнщайн превел този принцип по математически път в Общата теория наотносителността. В неговата теория, материята и енергията изкривяватвремепространството и изкривяването е гравитацията.

Айнщайн предположил, че астрономите могат да направят определенинаблюдения, за да тестват Общата теория на относителността.Най-невероятното от тях е прегъване (пречупване) на лъчи светлина отгравитацията на Слънцето. В реалния свят масата и енергията саеквивалентни и понеже светлината пренася енергия, гравитацията й влияе.Прегъването на светлина е слабо, но Айнщайн изчислил, че при слънчевозатъмнение, то може да се наблюдава. През 1919 година, британскияастроном Артър Едингтън наблюдавал прегъване на светлина и таканаправил Айнщайн световноизвестен.

Информацията от следния материал е предоставена от професор MichaelDine, преподавател по физика в Калифорнийския университет – Санта Круз.Тя е публикувана в „Книга за света“ на НАСА.

Информацията е преведена, оформена и систематизирана от Атанас Кумбаров (kumbarov@gmail.com). Авторските права за материала са собственост на Michael Dine. Авторските права за превода са собственост на Атанас Кумбаров.

Фундаментални взаимодействия – четирите сили, които управляват Вселената

Природата работи по впечатляващо подреден начин чрез невидими механизми, които определят движението на всяка частица във Вселената. Тези механизми, познати като фундаментални взаимодействия, представляват основата, която поддържа цялото съществуване на материята такава, каквато я познаваме.

Фундаменталните взаимодействия са механизмите, чрез които частиците си взаимодействат помежду си и които не могат да бъдат обяснени с по-фундаментално взаимодействие. Те са четири на брой – гравитационно, електромагнитно, силно ядрено и слабо ядрено взаимодействие. Тези четири сили определят как се държи материята във всички мащаби – от субатомно ниво до космически размери.

Гравитацията е най-познатата сила в нашето ежедневие. Тя е причината да стоим на земята, а не да се реем из пространството. Тази сила винаги привлича и никога не отблъсква. Макар че е най-слабата от четирите взаимодействия, тя има неограничен обхват, който се простира из цялата Вселена.

Гравитацията е силата, която събира материята, кара телата да имат тегло и държи планетите в орбита около Слънцето. Тя поддържа структурата на галактиките и определя движението на космическите тела в необятния космос.

Електромагнитното взаимодействие определя поведението на електрически заредените частици. За разлика от гравитацията, тази сила може да привлича или отблъсква. Частици с еднакъв заряд се отблъсват, а тези с различен заряд се привличат.

Именно електромагнитната сила държи електроните около ядрата на атомите, формирайки стабилни атоми и молекули. Тя е отговорна за химичните връзки в молекулите и за повечето явления в нашето ежедневие – от триенето между обувките и пода до светлината, която ни позволява да виждаме.

Електромагнитното взаимодействие е причината за излъчването и поглъщането на светлина и други форми на електромагнитна радиация. Когато заредена частица бъде ускорена или когато електрон преминава от високо към по-ниско енергийно състояние в атома, се излъчва светлина.

Силното ядрено взаимодействие е мощната сила, която свързва протоните и неутроните в атомното ядро, преодолявайки електромагнитното отблъскване между положително заредените протони. Тази сила действа на изключително малки разстояния – около 10⁻¹⁵ метра.

Силното взаимодействие е най-мощната от всички сили. То е резултат от по-фундаментална „цветна сила“, която свързва кварките в групи по три, формирайки протоните и неутроните. Благодарение на здравата връзка, която създава силното взаимодействие, при свързването на леки атомни ядра (термоядрена реакция) или при разпадането на тежки ядра (ядрена реакция) се освобождават огромни количества енергия.

Тази енергия захранва звездите, включително нашето Слънце, както и атомните електроцентрали и атомните бомби.

Слабото ядрено взаимодействие предизвиква разпада на някои атомни ядра и е отговорно за процеса на бета-разпад. При този процес неутрон спонтанно се превръща в протон, електрон и антинеутрино.

Когато неутрон претърпи този процес в атомно ядро, ядрото излъчва електрон (бета-частица) и неутронът се трансформира в протон. Това увеличава броя на протоните в ядрото, променяйки атомния номер и превръщайки атома в друг химичен елемент.

Слабото взаимодействие играе ключова роля при синтезирането на различни елементи в ядрата на звездите и при свръхновите. Обхватът на тази сила е дори по-малък от този на силното взаимодействие – около 10⁻¹⁷ метра.

Силите в природата се разделят на дългообхватни и късообхватни. Силното и слабото ядрено взаимодействие са ефективни само на изключително малки разстояния. За разлика от тях, електромагнитното и гравитационното взаимодействие са дългообхватни, като силата е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието.

Когато сравняваме силите, гравитацията е най-слабата, следвана от слабото ядрено взаимодействие, електромагнитното и най-накрая силното ядрено взаимодействие. Например, електромагнитното отблъскване между два протона е трилион трилиона пъти по-силно от гравитационното им привличане.

Въпреки това, поради ограничения обхват на ядрените сили и електрическата неутралност на материята в големи мащаби, гравитацията определя движението на планетите, звездите и галактиките.

Според съвременните квантови теории, фундаменталните сили пренасят енергия между частиците чрез преносни частици. Всяка сила има своя преносител:

• Електромагнитното взаимодействие се пренася чрез фотони
• Слабото ядрено взаимодействие – чрез масивните W и Z бозони
• Силното ядрено взаимодействие – между нуклеоните чрез мезони, а между кварките чрез глуони
• Гравитационното взаимодействие – чрез теоретичните гравитони

При днешните условия във Вселената четирите фундаментални взаимодействия се проявяват отделно и с различна интензивност. При изключително високи енергии обаче, теорията предполага, че те могат да се обединят.

В съвременните ускорители на частици са постигнати енергии, при които слабото ядрено и електромагнитното взаимодействие се сливат в единна електро-слаба сила. Според някои теории, електро-слабата и силната ядрена сила могат да се обединят при енергии, трилион пъти по-високи от тези, които можем да постигнем на Земята.

Някои учени предполагат, че при достатъчно високи енергии всички сили, включително гравитацията, ще се обединят в единна суперсила. Ако тази теория е вярна, в първите моменти след Големия взрив Вселената е била доминирана от тази суперсила. С разширяването и охлаждането на Вселената, енергията на частиците е намаляла, и силите са се разделили, придобивайки днешните си характеристики.

Това разделяне е станало на етапи: гравитацията се е отделила около 10⁻⁴³ секунди след началото на времето, силното взаимодействие – около 10⁻³⁵ секунди, а слабото и електромагнитното – 10⁻¹¹ секунди след Големия взрив.

Разбирането на фундаменталните взаимодействия и тяхното обединение при високи енергии продължава да бъде едно от най-големите предизвикателства в съвременната физика. То може да ни даде ключ към разгадаването на най-дълбоките тайни на Вселената.

Закони на Нютон са законите на класическата механика, които позволяват да се запишат уравненията на движение за всяка механична система.

Уравненията на Нютон се предшестват от опитите на Галилей, свързани с търкаляне на сфери по наклонени плоскости. Галилей открива закономерност, съгласно която сферите падащи от дадено вертикално разстояние (дори и сферите да изминават различно хоризонтално разстояние), винаги достигат еднаква скорост. Галилей дори успява да изведе втория закон на Нютон за дадения случай, въвеждайки понятието сила (в случая действаща върху частицата). Нютон по-късно разбира, че законът, открит от Галилей за дадения частен случай, е приложим за всички случаи. По такъв начин вторият закон на Нютон е изведен чрез математическа индукция от опитни данни.

Първият закон на Нютон гласи, че една затворена система продължава да е в състояние на покой или праволинейно равномерно движение.По своята същност, законът постулира инертността на телата. Това може би изглежда очевидно в днешно време, но не винаги е било така, особено в началото на природните изследвания. Така например, Аристотел твърди, че причината на всяко движение е силата, т.е. в неговата система отсъства движение по инерция.
На какво всъщност влияе силата, диктува Вторият закон на Нютон: сила, действаща на системата отвън, води до ускорение на системата F = ma.Трябва да отбележим, че ако системата е затворена, то върху нея не въздействат никакви външни сили. Следователно по втория закон на Нютон,нейното ускорение е нула, което означава, че тя може да се движи само с постоянна скорост. По такъв начин първият закон на Нютон се явява частен случай на втория.
Третият закон на Нютон обяснява какво става с две взаимодействащи си тела. Да вземем за пример затворена система,състояща се от две тела. Първото тяло може да въздейства на второто с някаква сила F₁₂, а второто върху първото със сила F₂₁.Какво е взаимоотношението между двете сили? Третият закон на Нютон утвърждава: силата на действие е равна по абсолютна стойност и противоположна по направление на силата на противодействие, F₂₁ = −F₁₂. Трябва да подчертаем, че тези сили са приложени към различни системи, и поради това съвсем не се компенсират.

Сили на инерцията

Ако трябва да сме напълно точни, законите на Нютон са верни само в инерциални отправни системи. Ако трябва да запишем уравненията на движение в неинерциална отправна система, то те ще се отличават по вид от втория закон на Нютон. Обаче ако опростим нещата и добавим даде на фиктивна „сила на инерцията“, то тогава уравненията придобиват отново вид подобен на втория закон на Нютон. Математически това е коректно, но от гледна точка на физическата реалност, не трябва да приемаме новата фиктивна сила за реално съществуваща в резултат на някакво реално взаимодействие. Трябва да се подчертае, че „силата на инерция“ е само една удобна параметризация, характеризираща начина, по който се различават законите за движение в инерциални и неинерциални отправни системи.

Законите на Нютон и лагранжевата механика

Законите на Нютон не са най-дълбокият начин да се формулира класическата механика. В рамките на лагранжевата механика съществува една единствена формула (описание на механическото действие) и един единствен резултат (телата се движат така, че действието да е минимално) и от тях могат да бъдат изведени всички закони на Нютон.Освен това, в рамките на лагранжевия формализъм могат лесно да бъдат разглеждани хипотетични ситуации, в които действието приема какъв да е вид. При този процес, уравненията за движение вече престават да приличат на законите на Нютон, но при това самата класическа механика си остава все така приложима.

Решаване на уравненията за движение

Уравнението F = ma (т.е. вторият закон на Нютон) е диференциално уравнение от втори ред, защото ускорението е втора производна на координатите спрямо времето. Това означава, че еволюцията на механичната система във времето може да се определи еднозначно, ако знаем нейните начални координати и скорости. Трябва да се отбележи, че ако уравненията описващи нашия свят, бяха от първи ред, то от света биха изчезнали явления като инерцията, колебанията и вълните.

История на законите на Нютон

Нютонови закони на движение

В началото на своята книга „Philosophiae Naturalis Principia Mathematica“ („Математически принципи на натурфилософията“, 1687) сър Исак Нютон (1642 – 1727) обединява трите закона, наречени на негово име, и ги постановява като научна база за изучаване на движението. Това е най-прочутият от всички приноси на големия английски учен в областта на физиката. Преди това всеки от тези закони е бил излаган отделно от другите.

Първи закон на Нютон

Първият закон на Нютон е: „Всяко тяло продължава своето състояние на покой или равномерно движение по права линия, освен ако е принудено да промени това си състояние чрез сили, приложени върху него.“ Неговото най-старо изложение е в китайската книга „Мао Джин“ от около 300 г. пр. Хр. Тази работа е едно описание на възгледите на философа Мао Дзу, заедно с философски и научни дефиниции и теореми, подготвени от неизвестни последователи на Мао, част от които е този закон.

Втори закон на Нютон

Между времето на Мао и непосредствените предшественици на Нютон първият закон е формулиран нееднократно. Обаче първите учени, достигнали до втория и третия закон, не са ги изложили като Нютон. Великият италиански физик Галилео Галилей (1564 -1642) е използвал втория закон: че промяната на движението е пропорционална на приложената сила и става в посока на правата, по която действа тази сила.

Трети закон на Нютон

През шейсетте години на XVII век холандският учен Кристиян Хюгенс ван Зуйлихем (1629 – 1693) е позна¬вал третия закон: „На всяко действие има равно и обратно противодействие.“ Познавал го е и англичанинът сър Кристофър Рен (1632-1723), който го е включил в работа от 1668 г.

Повече за гравитацията: https://www.chitatel.net/gravitation/

Идея за гравитацията: https://www.chitatel.net/idea-of-gravity/

Първите изследвания в областта на ядрената физика в началото на XX в., довели до епохални открития и изменения в нашите представи за структурата на материята, са извършени със сравнително примитивни средства. Ядрените частици например са наблюдавани с помощта на екрани от сцинтилиращи вещества, които „святкат“ („изсветват“), когато ядрената частица попадне върху тях. Наблюденията с тези „сцинтилиращи“ екрани били не само твърде уморителни за изследователите, но и доста несигурни.
Успехите, които постигна ядрената физика от двадесетте години на ХХ в. насам до голяма степен се дължат на откриването на нови методи за регистриране на ядрените частици, т.е. на построяването на специални детектори на ядрени частици. Голям принос в тези успехи има и построяването на специални устройства, създаващи снопове от ядрени частици с високи енергии (така наречените ускорители на ядрени частици).
Ще разгледаме някои от детекторите на ядрени лъчения:

СЦИНТИЛАЦИОНЕН ДЕТЕКТОР:

Действието му се основава на луминесценция, предизвикана от удар на частици с висока енергия в някое вещество (например ZnS), способно да луминисцира под действието на такива удари. При удар на бързи частици, например a-частици, възниква светла точка, толкова интензивна, че може да бъде възприета непосредствено с око. В следствие на това е възможно да се пресметне броят на частиците, попаднали върху екран, покрит с ZnS, който е съществена част от един сцинтилационен детектор.
В сцинтилационните броячи вместо окото за регистрация на оптичното излъчване се използват електронни прибори с значително по-висока чувствителност – фотоумножители.

ГАЙГЕР – МЮЛЕРОВ БРОЯЧ:

Когато заредена ядрена частица премине през Гайгер – Мюлеровия брояч в него се поражда електричен импулс. В съчетание със специални електронни устройства той е способен да „преброява“ преминалите частици. Принципното устройство на Гайгер – Мюлеровия брояч е следното: цилиндрична тръбичка, чиято вътрешна повърхност е метализирана, служи за катод, а по оста на цилиндъра е опъната тънка жичка, която служи за анод. В тръбичката има разреден газ, а стените й трябва да са достатъчно тънки, за да пропускат заредените частици, които попадат върху тях.

Схема на демонстрационен Гайгер – Мюлеров брояч:

На електродите на броячната тръба се прилага напрежение 380-400 V, катонишката е съединена с положителния полюс на изправителя чрезсъпротивлението R (5-10 MW), към което е включен входът нанискочестотен усилвател (УНЧ). Към изхода на УНЧ е включенвисокоговорител. Кондензаторът C е с капацитет 100-200 pF.
Когато заредена частица с достатъчна енергия попадне върху брояча ипроникне във вътрешността му, тя „разбива“ някоя от молекулите на газаи поражда двойка йони. Под действие на електричното поле положителниятйон се отправя към катода, а отрицателният – към анода и се ускоряват.Така те получават достатъчна енергия, за да йонизират молекулите нагаза и всеки нов йон да може да създаде друга двойка йони. Такавъзниква един процес на лавинна йонизация, който създава токов импулс.Този импулс може да се регистрира.
Разбира се, докато трае този процес на лавинна йонизация, броячът неможе да регистрира нови частици, тъй като вече е „задействан“ иновопопаднала частица не може да измени с нищо протичащия вече процесна лавинна йонизация (по същия начин хвърлянето на клечка кибрит взапален куп сено няма да измени нищо в горящия вече огън). Това време,през което Гайгеровият брояч не може да регистрира попадането на новачастица се нарича мъртво време на брояча.
Гайгеровите броячи, предназначени за регистране на различните типовелъчения имат различна конструкция, тъй като лъченията имат различнисвойства. Например проникващата способност на алфа-частиците е многопо-малка от тази на бета-частиците и те по-трудно преминават презстените на брояча. От друга страна гама-лъчите имат много по-малкайонизараща способност и се „улавят“ много по-трудно.
На пръв поглед броячът може да даде само информация за броя начастиците, които са попаднали върху него. Ако обаче се използва системаот няколко брояча, свързани с подходящи електронни схеми, може да сеполучи много по-богата информация за броя и движението на частиците.

Преносим Гайгер – Мюлеров брояч:

ЙОНИЗАЦИОННА КАМЕРА:

Устройството и е сходно с устройството на газоразрядните броячи, но за разлика от тях в йонизационната камера не става вторична йонизация – ударна йонизация. По този начин на електродите на йонизационната камера се събират непосредствено йоните, възникнали под действието на заредените частици. Събраият заряд обикновено се усилва с помощта на електрометрично устройство.

УИЛСЪНОВА КАМЕРА:
Нарича се още мъглинна камера на Уилсън. Верижката от йони, получена от летящата заредена частица, става видима поради кондензацията на преситените пари върху някаква течност. Този уред позволява да се проследи какви изменения стават с частицата. Камерата представлява цилиндричен съд с прозорче и е изпълнена с наситени пари на някаква течност. В нея има бутало, което в определен момент се изтегля рязко надолу.

При този процес парите стават преситени и тяхната температура е по-ниска от температурата на втечняването им. Ако в този момент през камерата премине заредена частица тя предизвиква йонизация, преситените пари се кондензират около йоните (йоните служат за кондензационни ядра на капчиците). Така по пътя на частицата се образува „следа“ от ситни капчици течност. Тази следа може да се фотографира и така да се регистрира пътят на частицата.

ДЕБЕЛОСЛОЙНИ ФОТОЕМУЛСИИ:

Уилсъновата камера може да се използва за регистране на ядрени частици със сравнително ниски енергии. Когато енергията на частицата е по-голяма, нейният пробег е също по-голям и нейната следата не може изцяло да се „помести“ в обема на Уилсъновата камера. В такъв случай е удобно да се използват дебелослойни фотоемулсии.

Тези емулсии са изградени от микрокристалчета сребърен бромид, нанесен на по-дебел слой и с по-голяма плътност, отколкото в обикновените фотографски плаки. При преминаване на ядрените частици през емулсиите, те йонизират сребърния бромид и техните следи се очертават от черни зрънца кристално сребро, т.е траекторията на частицата става видима и може да се наблюдава през микроскоп. Тъй като при йонизацията на сребърния бромид частиците губят много енергия, целият път на частицата може да завърши във фотоплаката. По този начин могат да се наблюдават някои рядко протичащи процеси между ядрените частици и атомните ядра.

1.Подходи към изучаване на топлинните явления:
-термодинамичен-не се интересува от атомно-молекулният строеж на веществото и описва състоянието му с величини като:
Обем
Налягане
Температура
Плътност
…
-молекулно кинетичен-разглежда движението и взаимодействието на градивните частици.

2.Общи характеристики на движението на градивните частици:
-то е непрекъснато
-то е масово
-то е хаотично
То НЕ води до пренасяне на вещества.

3.Температура от термодинамична гледна точка-количествена мярка за степента на нагрятост на телата.
4.Температура от молекулно кинетична гледна точка-температурата еколичествена мярка за интензивността на движение на градивните частици.

-Скала на Келвин:
Температурата по Келвин е равна на -273,15 температурата по Целзий.
Изменението на Т по Келвин е равно на изменението на Т по Целзий.

-Скала на Фаренхайт:
Температурата по Фаренхайт е равна на 9/5 от температурата по Целзий 32

Скала по Реомир:
Т по Целзий е равна на 1,25 по температурата по Реомир.

Вътрешна енергия
Сумата от кинетичната енергия на топлиннотодвижение на градивните частици и потенциалната енергия навзаимодействие между тях се нарича ВЪТРШНА ЕНЕРГИЯ.
Измерва се в J(джаула).
Вътрешната енергия има смисъла на механичната енергия на молекулно ниво.

Количество топлина-енергията която едно тяло получава или отдава впроцес на топлообмен с околните тела се нарича количествотоплина.Измерва се в J(джаули).
За да се осъществи топлообмен е необходимо да бъде осъществен топлинен контакт между телата и те да имат различни температури.

Специфичен топлинен капацитет-количеството топлина необходимо на тяло смаса 1кг да повиши температурата си с 1 градус по Келвин.
c=Q/m.делта t
Измерва се в J/kg . K.
Специфичният топлинен капацитет е количествена мярка за топлинната иннертност на телата.

Специфични топлини на топене и кипене

Спец. топлина на топене-количеството топлина необходимо на кристално тяло с маса 1кг за да се разтопи.
λ=Q/mJ/kg

Спец. топлина на изпарение-количеството топлина необходимо на течно тяло с маса 1кг да се изпари.
r=Q/m.J/kg

Работа при изменение обема на газ

Начини на изменение:
-чрез топлообмен,без извършване на работа
∆U=Q
-чрез извършване на механична работа без топлообмен
∆U=A
-едновременно придаване/отнемане на количество топлина и извършване на механична работа

Първи принцип на термодинамиката-закон за запазване на енергията при топлинните явления

1cal(калория)=количеството топлина необходимо за да се повиши температурата на един грам вода от 14,5 до 15,5 градуса по ЦЕЛЗИЙ.
1CAL=4,1855J

Първи приницп на термодинамиката-∆U=Q AQ=∆U A’

Изотермен процес

(p,V,T)състояние
(p◦.V◦,T◦)(p,V,T◦)изотермен процес
Т остава константа а p,V се изменят.
Закон на Бойл-Мариотp◦.V◦=p1.V1=p2.V2=…=pn.Vn При T=const.,m=const,p.V=const.

Изхорен процес

(p◦,V◦,T◦)(p◦,V◦,T)изохорен процес.
V остава константа а T,p се променят.
Закон на Шарлp1/T1=p2/T2p2/p1=T2/T1 ПРИ V=const,m=xonst p/T=const.

Изобарен процес

(p◦,V◦,T◦)(p◦,V,T)изобарен процес.
p остава конастанта а V,T се изменят
Закон на Гей-ЛюсакV1/T1=V2/T2V2/V1=T2/T1 ПРИ
p=const,m=const, то V/T=const

Сигурно като си купите Котешки езичета (сладките разбира се) ги слагате в купичка на масата. Може и да сте забелязали, как след денонощие вече не са чак толкова хрупкави. Даже осезаемо овлажнени, дори може да ви е направило впечатление, че при всяко бавно отхапване, счупването на долното бисквитено ръбче изостава с по-малко от секунда.

И да нямате тези наблюдения, аз ги имам и вече ви информирах за тях. Уви, нямам представа, какъв е вкусът на бирата Гинес (Guinnes), но пък знам какви са тайните й (макар, че щом ги знам и ги споделям, не би следвало да ги наричам „тайни”).

При повечето видове бира пяната се дължи на мехурчета въглероден диоксид(CO₂). При бирата Гинес обаче има и азотни (N₂) такива. Това прави пяната по-издържлива, а  мехурчетата по-малки. Намалява и горчивината.

В прясно налятата чаша, мехурчетата бързо се изкачват в центъра й. Течността плавно се увлича с тях, а когато достигне повърхността прави „завой” надолу и настрани към стените на халбата. Така се повличат пък най-малките азотни мехурчета надолу. Достигайки дъното някои от тях се сливат в по-големи и процеса са повтаря.

При всички видове бира по време самия пивоварен процес, хмелът освобождава α-киселината хумулон. Разликата при направата на Гинес е, че се използва хмел с по-високи нива на α-киселината. Така се освобождава нейният изомер – изо-хумулон. Изомерите са съединения с еднаква молекулна формула, но с различен ред в свързването на въглеродната верига. Както и да е, важното е, че това е основният виновник за по-специфичната горчивина на бирата (за която само съм чувала).

Тъмният цвят пък се дължи на меланоидините. Това са полимерни структури образуващи се по време на пивоварния процес.

След тази информация, освен „Консумирайте с удоволствие и мярка!” и „Наздраве!” не знам, какво друго мога ви да кажа.

Автор: Яна Ненчева

Научи повече:

Научните тайни зад уникалната пяна на Guinness

История на алкохола

История на бирата

48 факта за алкохола

Историята на бирата Guinness

Преди почти 13,7 милиарда години, вселената е била създадена само от водород, хелий и малко литий – остатъци от Големия Взрив. След около 300 милиона години са се появили първите звезди, създавайки още химични елементи във Вселената. От тогава насам, огромни звездни експлозии или супернови са създали въглерод, кислород, желязо и всички останали 94 елементи от Менделеевата Таблица.
Днес звезди и други планетарни тела носят следи от тези елементи, формирани от газ обогатен през времето от тези експлозии. През последните петдесет години, учени анализират звезди на различна възраст, търсейки начин да схематизират еволюцията на химичните елементи във вселената и да идентифицират астрофизичния феномен, който ги е създал.

Сега екип изследователи от институции включващи Масачузетския Технологичен Институт (MIT) са засекли елемента телур за пръв път в три много древни звезди. Изследователите открили следи от този трошлив, полупроводников елемент – много рядък на Земята – в звезди на възраст почти  12 милиарда години. Откритията им поддържат теорията, че телура заедно с други по-тежки елементи в периодичната таблица, вероятно е произлязъл от много рядък тип супернова по време на много бърз процес на ядрено сливане. Изследователи са публикували откритието си он-лайн в Astrophysical Journal Letters.

Източник: http://www.sciencedaily.com/