Научно-техническая библиотека СибГИУ

Пять физических терминов, которые меняют представление о мире.

скролл

Физика —
диалект,
на котором
говорит Вселенная.

Физика лежит в основе большинства современных технологий — от полупроводников в смартфоне до принципов работы МРТ. Понимание её базовых законов помогает не просто решать задачи, но и видеть связи между явлениями, которые на первый взгляд никак не связаны.

01 / 05 · Притяжение

Гравитация

F = G · m₁m₂ / r²

Из одного закона тяготения выводятся приливы, орбиты планет, жизненный цикл звёзд и отклонение света вблизи массивных объектов. Гравитация — самая универсальная сила природы, и при этом единственная, которую физики пока не могут описать на квантовом уровне.

Год
1687 — «Математические начала натуральной философии»
Автор
Исаак НьютонУниверсальный закон тяготения
Цитата
«Гравитация объясняет движение планет, но не может объяснить, кто привёл их в движение».— Ньютон
А ещё
Эйнштейн (1915) показал, что гравитация — это искривление пространства-времени массой.
Чёрные дыры и складки времени
К прочтению · 01
Чёрные дыры и складки времени
Кип Торн
Нобелевский лауреат — о том, как масса искривляет пространство и время.
Демонстрация Орбитальное движение
Звезда, планета и её спутник. Меняйте параметры — и наблюдайте как меняется поведение системы. При экстремальных значениях спутник может сорваться с орбиты.
Масса звезды 120
Масса планеты 20
Скорость 100%
02 / 05 · Сохранение движения

Инерция

F = m · a · · · I закон Ньютона

До Галилея господствовало аристотелевское представление: тело движется, пока на него действует сила, и останавливается, как только она исчезает. Это казалось очевидным — ведь именно так ведут себя предметы в повседневном опыте. Галилей показал, что эта интуиция обманчива: трение и сопротивление воздуха скрывают истинное поведение тел. В идеальных условиях — без внешних воздействий — тело не останавливается. Оно продолжает двигаться с той же скоростью в том же направлении бесконечно долго. Ньютон оформил это как первый закон механики.

Год
1632 — мысленный эксперимент с кораблём в трюме
Автор
Галилео ГалилейПринцип относительности
Цитата
«Всякое тело продолжает удерживаться в своём состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока…»— I закон Ньютона
А ещё
Именно инерция объясняет, почему ремень безопасности нужен сильнее всего во время резкого торможения.
Демонстрация Передача импульса
Забейте красный и жёлтый шары в лузы.
Масса синего 30
Масса красного 30
Масса жёлтого 60
Трение 20%
Занимательная физика
К прочтению · 02
Занимательная физика
Яков Перельман
Лучшее введение в физику на русском языке — без формул, через опыты и парадоксы.
03 / 05 · Стрела времени

Энтропия

ΔS ≥ 0 · · · II начало термодинамики

Энтропия — это мера беспорядка, хаоса или неопределённости в системе. Разбитая чашка имеет несравнимо больше микросостояний, чем целая — поэтому она никогда не собирается обратно. Не потому что это запрещено — просто вероятность настолько мала, что за всё время существования Вселенной этого не случится ни разу. Именно энтропия задаёт направление времени: уравнения механики не знают разницы между прошлым и будущим, а реальные процессы — нет.

Год
1865 — введён термин «энтропия»
Автор
Рудольф КлаузиусВторое начало термодинамики
Цитата
«Энергия Вселенной постоянна. Энтропия Вселенной стремится к максимуму».— Клаузиус, 1865
А ещё
Информация и энтропия — одно и то же. Удалить файл с компьютера физически означает увеличить энтропию — и выделить тепло. Это доказал Ральф Ландауэр в 1961 году.
Демонстрация Необратимое смешение
Перед вами максимальный хаос — частицы рассеяны случайно, информации нет. Двигайте слайдер вправо, уменьшая энтропию, и наблюдайте как из беспорядка постепенно проявляется структура.
Энтропия
Порядок и беспорядок в природе
К прочтению · 03
Порядок и беспорядок в природе
Питер Эткинс
О втором законе термодинамики — без формул, но с точностью настоящего учёного.
04 / 05 · И то, и другое

Квантовая суперпозиция

|ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩

До измерения квантовая система не находится в одном из возможных состояний — она находится в суперпозиции, с определёнными амплитудами вероятности. Это не незнание наблюдателя, а физическая реальность, подтверждённая экспериментально. В момент измерения суперпозиция коллапсирует в один конкретный результат — и вероятность каждого исхода определяется квадратом модуля амплитуды. Именно на этом принципе строится квантовый компьютер: кубит одновременно равен 0 и 1 до тех пор, пока его не измерили.

Год
1928 — закон радиоактивного распада (Гейгер, Неттол)
Автор
Эрвин ШрёдингерАвстрийский физик-теоретик
Цитата
«Если вы думаете, что понимаете квантовую механику, — значит, вы её не понимаете».— Ричард Фейнман
А ещё
На суперпозиции работают квантовые компьютеры: один кубит — это α|0⟩ + β|1⟩.
В поисках кота Шрёдингера
К прочтению · 04
В поисках кота Шрёдингера
Джон Гриббин
История квантовой механики от первых опытов до современных интерпретаций.
Демонстрация Экспоненциальный распад
Каждый атом находится в суперпозиции до момента наблюдения. Выберите атом. Нажмите «Распад» и наблюдайте — сможет ли ваш избранный атом пережить период полураспада.
05 / 05 · Граница знания

Принцип неопределённости

Δx · Δp ≥ ℏ / 2

До Гейзенберга предполагалось, что любую систему можно измерить сколь угодно точно, если использовать достаточно точные приборы. Квантовая механика опровергла это: существуют пары величин, которые принципиально не поддаются одновременному точному измерению: природа попросту не хранит эту информацию.

Год
1927 — статья в Zeitschrift für Physik
Автор
Вернер ГейзенбергОдин из отцов квантовой механики
Цитата
«Чем точнее определяется положение, тем менее точно известен импульс — и наоборот».— Гейзенберг, 1927
А ещё
На принципе неопределённости основано существование атома: электрон не может «упасть» на ядро.
КЭД — Странная теория света и вещества
К прочтению · 05
КЭД — Странная теория света и вещества
Ричард Фейнман
О квантовой электродинамике — без формул, только стрелки и вероятности.
Демонстрация Δx · Δp ≥ ℏ/2
Когда частица проходит через окно конечного диаметра, её поперечное положение становится известным с точностью до этого диаметра. Принцип неопределённости требует, чтобы поперечный импульс при этом оказался неопределён в обратно пропорциональной мере. Результат — распределение вероятностей на экране в виде дисков Эйри. Уменьшение диаметра вдвое расширяет центральный максимум вдвое.
Диаметр окна 50
Длина волны 50

Книжная полка

Книги, которые мы рекомендуем прочитать после выставки.

Чёрные дыры и складки времени
01 · Гравитация
Чёрные дыры и складки времени
Кип Торн
Занимательная физика
02 · Инерция
Занимательная физика
Яков Перельман
Порядок и беспорядок в природе
03 · Энтропия
Порядок и беспорядок в природе
Питер Эткинс
В поисках кота Шрёдингера
04 · Суперпозиция
В поисках кота Шрёдингера
Джон Гриббин
КЭД — Странная теория света и вещества
05 · Неопределённость
КЭД — Странная теория света и вещества
Ричард Фейнман
Как ломаются спагетти и другие задачи по физике
Дополнительное чтение
Как ломаются спагетти и другие задачи по физике
Игорь Иванов
История свечки
Дополнительное чтение
История свечки
Майкл Фарадей
Красота физики. Постигая устройство природы
Дополнительное чтение
Красота физики. Постигая устройство природы
Фрэнк Вильчек
Астрофизика с космической скоростью
Дополнительное чтение
Астрофизика с космической скоростью
Нил Деграсс Тайсон
Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени
Дополнительное чтение
Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени
Сергей Попов
Структура реальности
Дополнительное чтение
Структура реальности
Дэвид Дойч