Orbitalii atomici ai electronului în atomul de hidrogen, la energii diferite. Probabilitatea de a găsi electronul este dată de culoare (cu cât mai strălucitoare, cu atât mai mare probabilitatea). Credit: wikipedia.org
Poți vorbi de toată fizica în 15 minute? Sigur că nu. Dar se poate vorbi despre unele dintre cele mai importante concepte ale fizicii - pentru cineva care nu este fizician. Asta-și propune Arvin Ash în videoclipul de mai jos.
Cinci domenii ale fizicii merită amintite: (1) mecanica clasică, (2) energia și termodinamica, (3) electromagnetismul, (4) relativitatea și (5) mecanica cuantică.
Mecanica clasică. Două concepte principale merită cunoscute.
Primul se referă la a doua lege a lui Newton: F = ma. Forța este egală cu accelerația înmulțită cu masa. Dacă aplicați o forță unei mase aflate în repaus, veți afla ce accelerație veți obține. Și știind accelerația, care ne spune cum se schimbă viteza, puteți face predicții.
Al doilea - legea gravitației universale. Ne permite să determinăm mișcarea corpurilor cerești. Atracția gravitațională dintre două corpuri este produsul maselor lor împărțit la distanța dintre ele la pătrat, înmulțită cu o constantă, numită constanta gravitațională a lui Newton.
Energia nu este un vector ca forța sau impulsul, ci este doar un număr. Lucrul mecanic este strâns legat de energie. Este forța înmulțită cu distanța parcursă. Energia, pentru majoritatea obiectelor, constă din energie cinetică plus energie potențială. Energia cinetică este energia mișcării; cu cât ai mai multă masă și / sau cu cât ai mai multă viteză, cu atât ai mai multă energie.
Energia potențială gravitațională este m•g•h; masa înmulțită cu accelerația gravitațională înmulțită cu înălțimea. Energia totală a unui obiect constă din energia cinetică și energia potențială. Energia potențială poate lua multe forme. Benzina sau benzina au energie potențială chimică. Important: energia este întotdeauna conservată. Nu este creată sau distrusă. Se schimbă doar forma.
Termodinamica este studiul lucrului mecanic, al căldurii și energiei dintr-un sistem. Am arătat că energia este cât de mult lucru mecanic poți efectua. O altă formă de energie este energia termică. Dacă o mașină se mișcă și frânați, energia cinetică a mașinii se transformă în energie termică, creată prin fricțiunea frânelor mașinii. Temperatura este energia cinetică medie a atomilor dintr-un sistem. Energia termică este energia cinetică totală a atomilor dintr-un sistem.
Entropia este o măsură a dezordinii sau, mai exact, a informațiilor necesare pentru a descrie microstările unui sistem. A doua lege a termodinamicii afirmă că entropia unui sistem izolat nu poate scădea niciodată. Energia cu o entropie mai mică poate efectua mai mult lucru mecanic decât energia cu entropie ridicată.
Fluxul unic al entropiei, de la ordine către dezordine, pare a fi singurul motiv pentru care avem o direcție bine stabilită a curgerii timpului.
Electromagnetismul este studiul interacțiunii dintre particulele încărcate electric. Elementele esențiale sunt în ecuațiile lui Maxwell. Dacă aveți un obiect static cu o sarcină, aceasta va afecta numai alte sarcini. Dacă aveți un magnet static, acesta va afecta doar alți magneți. Nu va afecta sarcinile. Dar dacă aveți o sarcină în mișcare, aceasta va afecta un magnet. Și dacă aveți un magnet în mișcare, acesta va afecta o sarcină.
Relativitate specială. Einstein a presupus că viteza este aceeași în orice sistem de referință. Acesta a fost unul dintre postulate.
Al doilea postulat a fost principiul relativității - legile fizicii sunt aceleași pentru toți observatorii care se mișcă la aceeași viteză unul față de celălalt. Einstein a arătat că singurul mod în care acestea pot fi adevărate este dacă timpul nu este fix, ci relativ.
Relativitate generală. Mai târziu Einstein a arătat, folosind aceleași presupuneri, că nu există nicio modalitate de a spune dacă vă aflați într-un sistem de referință accelerat sau dacă stați în picioare pe Pământ. Un fascicul de lumină se va îndoi în prezența gravitației. Dar, întrucât lumina ia întotdeauna calea cea mai scurtă între două puncte, aceasta înseamnă că spațiu-timpul în sine se curbează.
Mecanica cuantică. Trei principii sunt importante.
Primul, al lui Max Planck, spune că energia nu este continuă, ci discretă (cuantificată). Cantitatea de energie este egală cu frecvența radiației înmulțită cu constanta lui Planck. Folosind asta, Einstein a arătat ulterior că un foton este atât undă, cât și particulă.
Al doilea este principiul incertitudinii al lui Heisenberg: nu puteți cunoaște atât poziția exactă a unei particule, cât și impulsul, în același timp. În cazul unei particule cu masă, asta înseamnă că dacă știi exact unde se află o particulă, nu știi cât de repede se deplasează. Dacă știi exact cât de repede se deplasează, nu știi exact unde este.
Al treilea este ecuația lui Schrödinger: înainte de măsurare, sistemele cuantice sunt în stări suprapuse (de superpoziție). Aceasta înseamnă că proprietățile lor pot fi exprimate doar ca o funcție de undă. O funcție de undă simplificată este un set de probabilități. Deci, într-un atom de hidrogen, nu puteți ști unde să găsiți electronul în avans. Tot ce puteți ști este probabilitatea unde l-ai putea găsi, dacă l-ai măsura. Înainte de măsurare, toate sistemele cuantice sunt nori sau unde de probabilități. Electronul este aici și acolo simultan. Asta nu reprezintă o limitare a dispozitivelor noastre de măsurare. Este o limitare a realității.
Toată fizica explicată în 15 minute
(subtitrare în lb. engleză)
Notă: toate conceptele prezente în acest articol sunt tratate și explicate pe larg, pe înțelesul tuturor, pe Scientia. Folosiți funcția de căutare a site-ului pentru a identifica articole de interes.
Textul este traducerea textului care însoțește videoclipul.
