7 вопросов физики, которые все еще остаются без ответа
Над чем бьются ученые со всего мира?
Если бы Исаак Ньютон переместился в будущее, он был бы рад увидеть, как далеко продвинулась физика. Вещи, которые несколько столетий назад представляли из себя загадку, сегодня преподают на школьных уроках. Ньютон был бы удивлен, увидев в работе Большой адронный коллайдер, а квантовая механика, скорее всего, показалась бы ему очень странным разделом физики. Хотя некоторые современные ученые считают так же.
Однако несмотря на многочисленные достижения, физика таит в себе еще много вопросов, на которые нет ответов.
1. Мы знаем, что материя состоит из атомов, атомы — из протонов, нейтронов и электронов, протоны и нейтроны — из кварков. Но из чего состоят кварки?
youtube.com
К сожалению, у ученых нет проверенной информации о том, являются ли кварки самой маленькой единицей или существует нечто меньшего размера. Здесь мы и сталкиваемся со Стандартной моделью, которая описывает взаимодействие элементарных частиц.
Gifer
С помощью нее в 2012 году, после серии экспериментов в женевской лаборатории ЦЕРН, был открыт бозон Хиггса, который положил начало новым исследованиям и новому пониманию реальности. Ученые надеются, что его открытие расширит Стандартную модель, что в итоге поможет выяснить, что такое темная материя.
Смотрите также
22 факта о квантовой механике, запутанных фотонах и удачном эксперименте японских ученых
2. Время движется только вперед. Или нет?
giphy.com
Благодаря Альберту Эйнштейну мы знаем, что во Вселенной есть не менее четырех измерений — три пространственных и одно временное.
Но время и пространство обладают отличными друг от друга свойствами. И эта особенность делает невозможными путешествия во времени. Если в пространстве можно двигаться вперед, назад и в любом другом направлении, то перемещаться во времени вперед или назад невозможно (а очень жаль!).
Здесь мы подходим к такому понятию, как «энтропия» — единственной функции в физике, которая показывает направленность процессов.
Shutterstock
Именно благодаря энтропии время «течет» вперед и не может быть повернуто вспять. По предположениям некоторых ученых, во время Большого взрыва общая энтропия Вселенной была гораздо ниже, чем сегодня. А значит, у нашей Вселенной могут быть «соседи», в которых время течет в обратную сторону. Однако единодушного мнения по этому поводу все еще нет.
3. Что такое антивещество, и существует ли оно?
spacegid.com / mining-cryptocurrency.ru
Антивещество — само по себе противоречие. Это вещество, которое состоит из античастиц, которое не образуется в природе. Иными словами, наблюдательные данные об обнаружении антивещества в нашей Галактике и за ее пределами отсутствуют. Так же как и данные о скоплениях антивещества в наблюдаемой части Вселенной.
Асимметрия вещества и антивещества во Вселенной — один из самых больших нерешенных вопросов физики.
4. Почему Вселенная состоит из материи, а не из антиматерии?
scitechdaily.com
Физики считают, что в момент Большого взрыва возникло равное количество обычной материи и антиматерии, но почему «выжила» только материя — загадка для ученых со всего мира.
Смотрите также
15 вещей, которые не поддаются научному объяснению
5. Существует ли точка пересечения общей теории относительности и квантовой механики?
Gifer
Общая теория относительности объясняет движение всего, начиная с листьев дерева и заканчивая планетами, а квантовая механика — свойства атомов и субатомных частиц. Идеи теории относительности и квантовой механики сочетает в себе теория струн — направление в физике, которое изучает динамику взаимодействия объектов, как одномерных протяженных объектов.
Согласно этой теории, элементарные частицы возникают в результате колебаний квантовых струн.
Но в чем загвоздка — экспериментального подтверждения этой гипотезы все еще нет. Так что этот вопрос ждет своего решения, а теория струн — научного признания.
6. Наша жизнь тоже полна вопросов, на которые нет ответов
theweek.in
В частности, то, как происходит спонтанное зарождение живых существ из неорганической материи. Например, Аристотель утверждал, что внезапное возникновение живых существ вызвано не чем иным, как воздействием духовного начала на безжизненную материю.
Получается, если взглянуть на окружающий нас мир, можно предположить, что несколько тысяч лет все было «мертвым», а потом внезапно приобрело признаки жизни. Но почему? Это еще один вопрос, который ждет логичного ответа.
7. Что такое темная материя?
wikipedia.org
Порой наблюдаемое движение небесных тел отклоняется от законов небесной механики. Осознавая расширение Вселенной, физики думают, что это расширение — больше, чем темная энергия.
Однако вопрос о том, что именно представляет собой темная энергия, пока остается нерешенным.
Обложка: 1Gai.Ru
Источники: Wikipedia / youtube.com / nbcnews.com
Смотрите также
От телепортации до путешествий во времени: все, что нужно знать о квантовой механике
Смотрите также
14 научных теорий и фактов о времени, которые расширят ваши перспективы и горизонты
Смотрите также
20 фактов о времени, которые нужно осознать
Открытые вопросы в физике
Придётся провести большие исследования прежде, чем вы придумаете теорию, которая ответит на один из этих вопросов и обеспечит вам Нобелевскую премию!
Open Questions in Physics
John Baez
Physics FAQ содержит ответы на такие часто задаваемые вопросы, ответы на которые известны.
Но в физике есть ещё множество простых и интересных вопросов, которые пока не имеют ответов. Прежде чем самостоятельно подступиться к ответам на эти вопросы, обратите внимание, что, хотя никто и не знает правильных ответов, но уже была сделана некоторая, а иногда и большая, работа по всем этим темам. Уже высказано множество разумных идей по многим из этих вопросов. Поэтому придётся провести большие исследования прежде, чем вы придумаете теорию, которая ответит на один из таких вопросов и обеспечит вам Нобелевскую премию! Можете быть уверены, что вы по-настоящему и всесторонне изучите физику прежде, чем продвинетесь в этом исследовании.
Этот список «открытых» вопросов разделён на три группы: Сплошная среда и Нелинейная динамика, Космология и Астрофизика, Элементарные частицы и Квантовая физика.
Есть много интересных и фундаментальных вопросов в других областях и их даже больше, чем перечислено здесь. Они не упоминаются не потому, что менее важны, просто они выходят за рамки этой статьи.
Но в физике есть ещё множество простых и интересных вопросов,
которые пока не имеют ответов. Прежде чем самостоятельно подступиться
к ответам на эти вопросы, обратите внимание, что, хотя никто и
не знает правильных ответов, но уже была сделана некоторая, а
иногда и большая, работа по всем этим темам. Уже высказано множество
разумных идей по многим из этих вопросов. Поэтому придётся провести
большие исследования прежде, чем вы придумаете теорию, которая
ответит на один из таких вопросов и обеспечит вам Нобелевскую
премию! Можете быть уверены, что вы по-настоящему и всесторонне
изучите физику прежде, чем продвинетесь в этом исследовании.
Конечно, такое разделение
несколько искусственно, так как физика элементарных частиц и нелинейная
динамика используются в космологии, есть и другие связи между
этими группами. Следовательно, сама классификация тоже несколько
произвольна.Сплошная среда и Нелинейная динамика
1 . Как объяснить сонолюминисценцию? Сонолюминисценция
— это вызываемые звуком слабые вспышки света в жидкости. В точках
низкого давления в жидкости образуются пузырьки, которые схлопываются
при проходе волны высокого давления. Вспышка света происходит
в момент схлопывания. Точная причина этого явления сейчас интенсивно
обсуждается и исследуется.
2 . Как правильно понимать турбулентность и как рассчитывать, к чему она приводит? Это одна из старейших проблем из всех перечисленных.
3 . Какова причина высокотемпературной сверхпроводимости? Можно ли создать материал, который является сверхпроводником при комнатной температуре? Теория сверхпроводимости при очень низких температурах была создана в 1957 году, но высокотемпературная сверхпроводимость, открытая в 1986 году, всё ещё не объяснена.
Космология и Астрофизика
1 . Что происходило в момент Большого взрыва и до него? На самом ли деле была начальная сингулярность? Следующий вопрос, может быть, не имеет смысла, но, возможно, и имеет. Возвращается ли история вселенной к исходной точке вечно и точно, или только частично?
2 . Будущее вселенной вечно или нет? Будет ли «Большое схлопывание» в будущем? Бесконечна ли пространственная протяжённость вселенной?
3 .
Как объяснить направление времени? Другими словами,
почему будущее так сильно отличается от прошлого? Если вселенная
конечна и она периодически схлопывается, то обратится ли термодинамическое
направление времени при коллапсе в сторону этого «большого
схлопывания»?
4 . Действительно ли пространство-время четырёхмерно? Если да, то почему? Или почему это глупый вопрос? Сохраняет ли пространство-время свои геометрические свойства в очень малых масштабах?
5 . Существуют ли чёрные дыры? (Очень похоже, что существуют.) Действительно ли они излучают энергию и испаряются в соответствии с теорией Хокинга? Если да, то что происходит по истечении конечного времени в момент их полного испарения? Что остаётся? Действительно ли в чёрной дыре нарушаются все законы сохранения кроме сохранения энергии, импульса, момента вращения и электрического заряда? Что происходит с информацией, которая содержится на объекте, падающем на чёрную дыру? Она исчезает при испарении дыры? Требует ли это модификации квантовой механики?
6 .
Справедлива ли Гипотеза о космической цензуре?
Грубо говоря, гарантируется ли, что в изолированной гравитирующей
системе, в которой могут развиться сингулярности, эти сингулярности
будут скрыты за горизонтом событий? Если эта гипотеза не верна,
то как эти сингулярности проявляются? То есть какие принципиальные
физические последствия это имеет?
7 . Почему галактики распределены в виде скоплений и нитей? Верно ли, что большая часть материи во вселенной — это барионы? Та ли это материя, которую ищет современная физика?
8 . Почему кажется, что масса галактик превышает массу всего, что мы можем наблюдать, даже если принять во внимание спорные невидимые «тёмные карлики», «Юпитеры» и т.п.? Существует ли «Скрытая масса»? Если да, то это барионное, нейтринное или другое, более экзотическое вещество? Если нет, то это проблема в понимании гравитации, или в понимании чего-то другого? 9 .
Какова причина вспышек космического гамма излучения?
Есть буквально сотни теорий об этих загадочных вспышках, которые,
предположительно, исходят из различных космических катаклизмов.
10 . Каково происхождение и природа космических лучей
сверхвысокой энергии? Рекордная зарегистрированная (by the Fly’s
eye detector in the US) энергия в потоке космических лучей составляет
3×10
Элементарные частицы и Квантовая физика
1 . Почему законы физики не симметричны относительно левого и правого, будущего и прошлого, материи и антиматерии? То есть в чём состоит механизм нарушения CP инвариантности и какова причина нарушения чётности в Слабом взаимодействии? Существуют ли правые Слабые токи, которые так слабы, что пока не обнаружены? Если да, то что «портит» симметрию? Объясняется ли CP инвариантность полностью в рамках Стандартной модели, или для её объяснения нужна новая сила или механизм?
2 .
3 . Почему имеется 3 группы лептонов и кварков? Почему они имеют именно такие отношения масс? Например, мюон — это частица, во всём похожая на электрон, за исключением того, что мюон в 207 раз тяжелее. Почему он существует, и почему именно во столько раз тяжелее? Имеют ли кварки или лептоны внутреннюю структуру?
4 . Есть ли логичная и приемлемая релятивистская
квантовая теория поля, которая может описать взаимодействующие
поля в четырёхмерном пространстве-времени? В частности, является
ли Стандартная модель математически непротиворечивой? А квантовая
электродинамика? Даже классическая электродинамика точечных частиц
пока не имеет строгой математической формулировки.
5 . Правильно ли квантовая хромодинамика описывает динамику кварков? Можно ли рассчитать массы адронов (таких как протон, нейтрон и др.) правильно, исходя из Стандартной модели? Предсказывает ли квантовая хромодинамика освобождающий фазовый переход кварк-глюон при высокой температуре? Какова природа этого перехода? Существует ли он в природе?
6 . Почему материи больше, чем антиматерии, по крайней мере здесь? Действительно ли материи больше, чем антиматерии везде во вселенной?
7 . Как понимать «измерение» в квантовой механике? Существует ли такой физический процесс, как «коллапс волновой функции»? Если да, то как и при каких условиях он происходит? Если нет, то что происходит на самом деле?
8 . Каковы гравитационные последствия, если они есть, огромной (может быть, бесконечной) энергии вакуума, которая, похоже, следует из квантовой теории поля? Действительно ли она так огромна? Если да, почему она не проявляется как огромная космологическая постоянная?
9 .
Почему поток солнечных нейтрино не согласуется
с теорией? Важно ли это? Если да, то ошибка содержится в модели
Солнца, в теории ядерной физики, в теории нейтрино? Действительно
ли нейтрино не имеют массы?
Большой вопрос
(TM)Этот завершающий вопрос относится к двум последним группам.
Как объединить Квантовую механику и Общую теорию относительности, чтобы создать квантовую теорию гравитации? Справедлива ли Эйнштейновская (классическая) теория гравитации в микроскопическом пределе, или возможны/необходимы исправления, которые незаметны в пределах существующих наблюдений? Действительно ли гравитация — это кривизна? Или это что-то другое — тогда почему она похожа на кривизну?
Ответ на этот вопрос неразрывно связан с перечисленными выше
вопросами, и в то же время он, похоже, будет ответом на большую
часть этих вопросов.
J.Baez, 1997
Перевод Е.Корниенко
7 самых больших вопросов физики без ответов
Большие вопросы
Физики разгадали некоторые из самых больших загадок Вселенной. Но они еще не сделаны.
Steven Hunt / Getty Images
Дэн Фальк , он был бы рад увидеть, как далеко продвинулась физика. Вещи, которые несколько столетий назад казались глубоко загадочными, теперь преподаются на уроках физики для первокурсников (хорошим примером является состав звезд).
Ньютон был бы ошеломлен, увидев огромные эксперименты, такие как Большой адронный коллайдер (БАК) в Швейцарии, и, возможно, был бы возмущен, узнав, что его теория гравитации была заменена теорией, придуманной каким-то парнем по имени Эйнштейн. Квантовая механика, вероятно, показалась бы ему странной, хотя современные ученые думают так же.
Но как только он наберет скорость, Ньютон, несомненно, будет аплодировать тому, чего достигла современная физика — от открытия природы света в 19века до определения структуры атома в 20 веке до прошлогоднего открытия гравитационных волн. И все же современные физики первыми признают, что у них нет ответов на все вопросы. «Есть основные факты о Вселенной, о которых мы не знаем», — говорит доктор Дэниел Уайтсон, физик из Калифорнийского университета и соавтор новой книги «У нас нет идей: Путеводитель по неизвестной Вселенной».
Далее следует краткий обзор семи крупнейших нерешенных проблем физики. (Если вам интересно, почему в списке нет таких головоломок, как темная материя и темная энергия, это потому, что они были в нашей предыдущей статье о пяти самых важных вопросах о Вселенной.)
1. Из чего состоит материя?
Мы знаем, что материя состоит из атомов, а атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. И мы знаем, что протоны и нейтроны состоят из более мелких частиц, известных как кварки.
Может ли более глубокое исследование обнаружить еще более фундаментальные частицы? Мы не знаем наверняка.
У нас есть так называемая Стандартная модель физики элементарных частиц, которая очень хорошо объясняет взаимодействие между субатомными частицами. Стандартная модель также использовалась для предсказания существования ранее неизвестных частиц. Последней частицей, которая была обнаружена таким образом, был бозон Хиггса, открытый исследователями LHC в 2012 году9.0003
Но есть загвоздка.
«Стандартная модель не все объясняет», — говорит доктор Дон Линкольн, физик частиц из Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab) недалеко от Чикаго. «Это не объясняет, почему существует бозон Хиггса. Это не объясняет в деталях, почему бозон Хиггса имеет такую массу». На самом деле бозон Хиггса оказался намного менее массивным, чем предполагалось — теория утверждала, что он будет примерно «в квадриллион раз тяжелее, чем есть на самом деле», — говорит Линкольн.
Один из детекторов частиц в Большом адронном коллайдере ЦЕРН.
Rex Features via APНа этом загадки не заканчиваются. Известно, что атомы электрически нейтральны — положительный заряд протонов уравновешивается отрицательным зарядом электронов — но почему это так, Линкольн говорит: «Никто не знает».
2. Почему гравитация такая странная?
Нет силы более привычной, чем гравитация — в конце концов, именно она удерживает наши ноги на земле. А общая теория относительности Эйнштейна дает математическую формулировку гравитации, описывая ее как «искривление» пространства. Но гравитация в триллион триллионов триллионов раз слабее трех других известных взаимодействий (электромагнетизма и двух видов ядерных сил, действующих на крошечных расстояниях).
Одна возможность — на данный момент спекулятивная — заключается в том, что в дополнение к трем измерениям пространства, которые мы замечаем каждый день, существуют скрытые дополнительные измерения, возможно, «свернутые» таким образом, что их невозможно обнаружить. Если эти дополнительные измерения существуют — и если гравитация способна «просачиваться» в них — это может объяснить, почему гравитация кажется нам такой слабой.
«Возможно, гравитация так же сильна, как и эти другие силы, но она быстро разбавляется, выплескиваясь в другие невидимые измерения», — говорит Уайтсон. Некоторые физики надеялись, что эксперименты на БАК дадут намек на эти дополнительные измерения, но пока безрезультатно.
3. Почему кажется, что время течет только в одном направлении?
Со времен Эйнштейна физики рассматривали пространство и время как образующие четырехмерную структуру, известную как «пространство-время». Но пространство отличается от времени в некоторых очень фундаментальных аспектах. В космосе мы вольны двигаться как хотим. Когда дело доходит до времени, мы застряли. Мы взрослеем, а не моложе. И мы помним прошлое, но не будущее. Время, в отличие от пространства, кажется, имеет предпочтительное направление — физики называют его «стрелой времени».
Некоторые физики подозревают, что второй закон термодинамики дает ключ к разгадке. В нем говорится, что энтропия физической системы (грубо говоря, степень беспорядка) со временем увеличивается, и физики считают, что это увеличение определяет направление времени.
(Например, разбитая чашка имеет большую энтропию, чем целая, и, конечно же, разбитые чашки всегда возникают после целых, а не раньше.)
Энтропия может расти сейчас, потому что раньше она была ниже, но почему это низко для начала? Была ли энтропия Вселенной необычно низкой 14 миллиардов лет назад, когда она возникла в результате Большого взрыва?
Для некоторых физиков, включая Шона Кэрролла из Калифорнийского технологического института, это недостающая часть головоломки. «Если вы можете сказать мне, почему в ранней Вселенной была низкая энтропия, тогда я смогу объяснить все остальное», — говорит он. По мнению Уайтсона, энтропия — это еще не все. «Для меня, — говорит он, — самая глубокая часть вопроса заключается в том, почему время так отличается от пространства?» (Недавние компьютерные симуляции, кажется, показывают, как асимметрия времени может возникать из фундаментальных законов физики, но работа вызывает споры, а окончательная природа времени продолжает вызывать страстные споры.
)
4. Куда делась вся антиматерия?
Антиматерия может быть более известна в художественной литературе, чем в реальной жизни. В оригинальном «Звездном пути» антивещество вступает в реакцию с обычным веществом, приводя в действие варп-двигатель, который приводит в движение США. Предприятие на сверхсветовых скоростях. В то время как варп-двигатель — чистая выдумка, антиматерия вполне реальна. Мы знаем, что для каждой частицы обычного вещества может быть идентичная частица с противоположным электрическим зарядом. Например, антипротон похож на протон, но с отрицательным зарядом. Между тем античастица, соответствующая отрицательно заряженному электрону, — это положительно заряженный позитрон.
Физики создали антивещество в лаборатории. Но когда они это делают, они создают равное количество материи. Это говорит о том, что Большой взрыв должен был создать материю и антиматерию в равных количествах. Однако почти все, что мы видим вокруг себя, от земли под нашими ногами до самых отдаленных галактик, состоит из обычного вещества.
Что происходит? Почему материи больше, чем антиматерии? Наше лучшее предположение состоит в том, что Большой взрыв каким-то образом произвел чуть больше материи, чем антиматерии. «То, что должно было произойти в начале истории Вселенной — в самые моменты после Большого взрыва — это то, что на каждые 10 миллиардов частиц антиматерии приходилось 10 миллиардов и одна частица материи», — говорит Линкольн. «И материя и антиматерия уничтожили 10 миллиардов, оставив один. И этот маленький «один» — это масса, из которой мы состоим».
Но почему в первую очередь небольшой избыток материи над антиматерией? «Мы действительно этого не понимаем, — говорит Линкольн. «Это странно». Если бы начальные количества материи и антиматерии были равны, они бы полностью уничтожили друг друга в результате выброса энергии. В этом случае, говорит Линкольн, «нас бы не существовало».
Национальная ускорительная лаборатория Ферми в Батавии, Иллинойс. М. Spencer Green / AP file Некоторые ответы могут прийти, когда Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) начнет собирать данные в 2026 году.
DUNE будет анализировать пучок нейтрино — крошечных, беззарядных и почти безмассовых частиц — запущенных из Фермилаборатории в подземный исследовательский центр Сэнфорда. в Южной Дакоте, примерно в 800 милях отсюда. Луч будет включать в себя нейтрино и антинейтрино с целью увидеть, ведут ли они себя одинаково, что потенциально может дать ключ к разгадке природной асимметрии материи и антиматерии.
5. Что происходит в серой зоне между твердым телом и жидкостью?
Твердые и жидкие вещества хорошо изучены. Но некоторые материалы ведут себя и как жидкость, и как твердое тело, поэтому их поведение трудно предсказать. Песок является одним из примеров. Песчинка тверда, как камень, но миллион песчинок может пройти через воронку почти как вода. Точно так же может вести себя и автомобильный транспорт, свободно движущийся до тех пор, пока он не заблокируется в каком-нибудь узком месте.
Песчинка тверда, как камень, но миллион песчинок может течь через воронку почти как вода. Владислав Данилин / Getty Images Таким образом, лучшее понимание этой «серой зоны» может иметь важное практическое применение.
«Люди спрашивали, при каких условиях вся система заклинивает или забивается?» — говорит доктор Керстин Нордстром, физик из колледжа Маунт-Холиок. «Каковы важные параметры, чтобы избежать засорения?» Как ни странно, препятствие в потоке транспорта может при определенных условиях фактически уменьшить пробки. «Это очень нелогично, — говорит она.
6. Можем ли мы найти единую теорию физики?
Теперь у нас есть две всеобъемлющие теории, объясняющие почти каждое физическое явление: теория гравитации Эйнштейна (общая теория относительности) и квантовая механика. Первый хорошо объясняет движение всего, от мячей для гольфа до галактик. Квантовая механика в равной степени впечатляет и в своей области — в области атомов и субатомных частиц.
Проблема в том, что две теории описывают наш мир совершенно по-разному. В квантовой механике события разворачиваются на фиксированном фоне пространства-времени, тогда как в общей теории относительности само пространство-время гибко.
Как будет выглядеть квантовая теория искривленного пространства-времени? Мы не знаем, говорит Кэрролл. «Мы даже не знаем, что мы пытаемся квантовать».
Это не остановило людей от попыток. На протяжении десятилетий теория струн, которая изображает материю состоящей из крошечных вибрирующих струн или энергетических петель, рекламировалась как лучший способ создания единой теории физики. Но некоторые физики предпочитают петлевую квантовую гравитацию, в которой само пространство представляется состоящим из крошечных петель.
Каждый из подходов имел определенный успех — методы, разработанные, в частности, специалистами по теории струн, оказались полезными для решения некоторых сложных физических задач. Но ни теория струн, ни петлевая квантовая гравитация не были проверены экспериментально. Пока долгожданная «теория всего» продолжает ускользать от нас.
7. Как возникла жизнь из неживой материи?
Первые полмиллиарда лет Земля была безжизненной. Затем жизнь вошла в свои права, и с тех пор она процветает.
Но как возникла жизнь? Ученые считают, что до начала биологической эволюции происходила химическая эволюция, когда простые неорганические молекулы реагировали с образованием сложных органических молекул, скорее всего, в океанах. Но что в первую очередь запустило этот процесс?
Физик из Массачусетского технологического института доктор Джереми Ингланд недавно выдвинул теорию, которая пытается объяснить происхождение жизни с точки зрения фундаментальных принципов физики. С этой точки зрения жизнь является неизбежным результатом роста энтропии. Если теория верна, появление жизни «должно быть таким же неудивительным, как камни, катящиеся вниз по склону», — сказал Ингланд журналу Quanta в 2014 году9.0003
Идея весьма гипотетическая. Однако недавние компьютерные симуляции могут его поддержать. Моделирование показывает, что обычные химические реакции (типа тех, которые были обычным явлением на недавно сформировавшейся Земле) могут привести к созданию высокоструктурированных соединений — по-видимому, важной ступенькой на пути к живым организмам.
Что делает жизнь такой трудной для изучения физиками? Все живое «далеко от равновесия», как сказал бы физик. В системе, находящейся в равновесии, один компонент почти такой же, как и все остальные, без потока энергии внутрь или наружу. (Примером может служить камень; другим примером может служить ящик, наполненный газом.) В жизни все наоборот. Например, растение поглощает солнечный свет и использует его энергию для образования сложных молекул сахара, излучая при этом тепло обратно в окружающую среду.
Понимание этих сложных систем — «великая нерешенная проблема в физике», — говорит Стивен Моррис, физик из Университета Торонто. «Как нам быть с этими далекими от равновесия системами, которые самоорганизуются в удивительные, сложные вещи, такие как жизнь?»
ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ НА NBC MACH НА TWITTER, FACEBOOK И INSTAGRAM.
Дэн Фальк
Дэн Фальк — научный журналист из Торонто. Среди его книг «Наука Шекспира» и «В поисках времени».
Вопросы по физике
На этой странице я собрал коллекцию вопросов по физике, чтобы помочь вам лучше понять физику. Эти вопросы предназначены для того, чтобы бросить вызов физике и вдохновить ее на более глубокие размышления о физике. Эти вопросы не только сложные, но и веселые и интересные. Эта страница является хорошим ресурсом для студентов, которым нужны качественные задачи для практики при подготовке к тестам и экзаменам.
Чтобы увидеть вопросы, нажмите на интересующую вас категорию:
Вопросы по физике для старших классов
Вопросы по физике для колледжей и университетов
Дополнительные сложные вопросы по физике
Вопросы по физике для старших классов
Проблема № 1
Тяжелые предметы падают медленнее, чем более легкие?
См.
решение
Проблема № 2
Почему объекты плавают в жидкостях более плотных, чем они сами?
См. решение
Проблема № 3
Частица движется по окружности, и ее положение задается в полярных координатах как x = Rcosθ , и y = Rsinθ , где R — радиус окружности, а θ в радианах. Из этих уравнений выведите уравнение для центростремительного ускорения.
См. решение
Проблема № 4
Почему в свободном падении вы чувствуете себя невесомым, хотя гравитация притягивает вас? (не учитывайте сопротивление воздуха при ответе на этот вопрос).
См. решение
Проблема № 5
В чем разница между центростремительным ускорением и центробежной силой?
См. решение
Проблема № 6
В чем разница между энергией и мощностью?
См. решение
Проблема № 7
Два одинаковых автомобиля сталкиваются лоб в лоб.
Каждая машина едет со скоростью 100 км/ч. Сила удара каждой машины такая же, как при ударе о сплошную стену в точке:
(а) 100 км/ч
(б) 200 км/ч
(в) 150 км/ч
(г) 50 км/ч
См. решение
Проблема № 8
Почему можно забить гвоздь молотком в кусок дерева, но нельзя забить гвоздь рукой?
См. решение
Проблема № 9
Стрелок оттягивает лук на 0,75 м, жесткость которого составляет 200 Н/м. Стрела весит 50 г. Какова скорость стрелы сразу после выпуска?
См. решение
Проблема № 10
Когда движущийся автомобиль наталкивается на лед, срабатывает тормоз. Почему желательно, чтобы колеса катились по льду без блокировки?
См. решение
Решения для вопросов по физике для старших классов
Решение проблемы № 1
Нет. Если объект тяжелее, сила тяжести больше, но поскольку он имеет большую массу, ускорение такое же, поэтому он движется с той же скоростью (если пренебречь сопротивлением воздуха).
Если мы посмотрим на второй закон Ньютона, F = мА . Сила тяжести равна F = мг , где м — масса объекта, а г — ускорение свободного падения.
Приравнивая, имеем мг = мА. Следовательно, а = g .
Если бы не было сопротивления воздуха, перо падало бы с той же скоростью, что и яблоко.
Решение проблемы № 2
Если бы объект был полностью погружен в жидкость более плотную, чем он, результирующая выталкивающая сила превысила бы вес объекта. Это связано с тем, что вес жидкости, вытесненной объектом, больше веса объекта (поскольку жидкость более плотная). В результате объект не может оставаться полностью погруженным и плавает. Научное название этого явления — 9.0135 Закон Архимеда .
Решение проблемы № 3
Не ограничивая общности, нам нужно только взглянуть на уравнение для положения x , поскольку мы знаем, что центростремительное ускорение направлено к центру окружности.
Таким образом, когда θ = 0, вторая производная x по времени должна быть центростремительным ускорением.
Первая производная от x по времени t :
dx/dt = — Rsinθ (d θ /d t )
Вторая производная от x по времени t равна:
d 2 x/dt 2 = — Rcosθ (d θ /d t ) 2 − Rsinθ (d 2 θ /d t 2 )
В обоих приведенных выше уравнениях используется цепное правило исчисления, и по предположению θ является функцией времени. Следовательно, θ можно дифференцировать по времени.
Теперь оцените вторую производную при θ = 0.
У нас есть,
D 2 X /DT 2 = — R (D θ /D T ) 2
D ) 2 D ) 2 D ) 2 D) 2 T.
) 2 9000 3 . угловая скорость, которая является скоростью изменения угла θ . Он измеряется в радианах в секунду.Для удобства можно установить w ≡ d θ /d t .
Следовательно,
d 2 x/dt 2 = — R w 2
Это хорошо известная форма уравнения центростремительного ускорения.
Решение проблемы № 4
Причина, по которой вы чувствуете себя невесомым, заключается в том, что на вас не действует никакая сила, поскольку вы ни с чем не соприкасаетесь. Гравитация одинаково притягивает все частицы вашего тела. Это создает ощущение, что на вас не действуют никакие силы, и вы чувствуете себя невесомым. Это было бы такое же ощущение, как если бы вы парили в космосе.
Решение проблемы № 5
Центростремительное ускорение — это ускорение, которое испытывает объект при движении с определенной скоростью по дуге. Центростремительное ускорение направлено к центру дуги.
Центробежная сила — это воображаемая сила, которую испытывает неограниченный объект при движении по дуге. Эта сила действует против направления центростремительного ускорения. Например, если автомобиль делает крутой поворот направо, пассажиры будут склонны соскальзывать на своих сиденьях от центра поворота влево (то есть, если они не пристегнуты ремнями безопасности). Пассажирам будет казаться, что они испытывают силу. Это определяется как центробежная сила.
Решение проблемы № 6
Мощность — скорость выработки или потребления энергии. Например, если двигатель производит 1000 ватт мощности (где ватты — это джоули в секунду), то через час общая энергия, производимая двигателем, составляет 1000 джоулей в секунду × 3600 секунд = 3 600 000 джоулей.
Решение проблемы № 7
Ответ (а).
Так как столкновение лобовое, и все автомобили идентичны и движутся с одинаковой скоростью, сила удара, испытываемого каждым автомобилем, одинакова и противоположна. Это означает, что удар такой же, как удар о сплошную стену на скорости 100 км/ч.
Решение проблемы № 8
Когда вы взмахиваете молотком, вы увеличиваете его кинетическую энергию, так что к тому времени, когда он ударяет по гвоздю, он придает большую силу, которая вбивает гвоздь в дерево.
Молоток — это, по сути, резервуар энергии, в который вы добавляете энергию во время замаха и который сразу высвобождается при ударе. Это приводит к тому, что сила удара значительно превышает максимальную силу, которую вы можете приложить, просто надавив на гвоздь.
Решение проблемы № 9
Эту проблему можно решить энергетическим методом.
Мы можем решить это, приравняв потенциальную энергию лука к кинетической энергии стрелы.
Дужку можно рассматривать как разновидность пружины. Потенциальная энергия пружины равна:
(1/2) k x 2 , где k — жесткость, а x — степень растяжения или сжатия пружины.
Следовательно, потенциальная энергия PE лука это:
ПЭ = (1/2)(200)(0,75) 2 = 56,25 Дж
Кинетическая энергия частицы равна:
(1/2) м v 2 , где м — масса, а v — скорость.
Стрелу можно рассматривать как частицу, поскольку она не вращается после выпуска.
Следовательно, кинетическая энергия KE стрелы равна:
КЭ = (1/2)(0,05) v 2
Если предположить, что энергия сохраняется, то
ПЭ = КЭ
Решая скорость стрелы v получаем
v = 47,4 м/с
Решение проблемы № 10
Статическое трение больше кинетического.
Статическое трение существует, если колеса продолжают катиться по льду без блокировки, что приводит к максимальному тормозному усилию. Однако, если колеса блокируются, кинетическое трение берет верх, поскольку между колесом и льдом возникает относительное проскальзывание. Это снижает тормозное усилие, и автомобилю требуется больше времени для остановки.
Антиблокировочная тормозная система (ABS) автомобиля предотвращает блокировку колес при торможении, что сводит к минимуму время, необходимое для полной остановки автомобиля. Кроме того, предотвращая блокировку колес, вы лучше контролируете автомобиль.
Вопросы по физике для колледжей и университетов (в основном для первого курса)
Проблемы плотности
Проблемы с энергией
Проблемы с силой
Проблемы с трением
Проблемы с наклонной плоскостью
Проблемы с кинематикой
Проблемы с кинетической энергией
Проблемы с механикой
Проблемы импульса
Проблемы со шкивом
Проблемы со статикой
Проблемы термодинамики
Проблемы с крутящим моментом
Дополнительные сложные вопросы по физике
Приведенные ниже 20 вопросов по физике интересны и очень сложны. Скорее всего, вам придется потратить некоторое время, чтобы разобраться с ними. Эти вопросы выходят за рамки типичных задач, которые вы можете найти в учебнике по физике. В некоторых из этих вопросов по физике используются разные концепции, поэтому (по большей части) не существует единой формулы или набора уравнений, которые можно использовать для их решения. В этих вопросах используются концепции, преподаваемые в средней школе и колледже (в основном на первом курсе).
Рекомендуется упорно отвечать на эти вопросы по физике, даже если вы застряли. Это не гонка, поэтому вы можете проходить их в своем собственном темпе. В результате вы будете вознаграждены более глубоким пониманием физики.
Проблема № 1
Ниже показан кривошипно-шатунный механизм. Рычажный механизм BC длиной L соединяет маховик радиусом r (вращающийся вокруг неподвижной точки A ) с поршнем в точке C , который скользит вперед и назад в полом валу. К маховику прикладывается переменный крутящий момент T , так что он вращается с постоянной угловой скоростью. Покажите, что при одном полном обороте маховика энергия сохраняется для всей системы; состоящий из маховика, рычажного механизма и поршня (при отсутствии трения).
Обратите внимание, что гравитация г действует вниз, как показано на рисунке.
Несмотря на то, что энергия сохраняется для системы, почему лучше сделать компоненты приводного механизма максимально легкими (за исключением маховика)?
Проблема № 2
В двигателе используются пружины сжатия для открытия и закрытия клапанов с помощью кулачков. При жесткости пружины 30 000 Н/м и массе пружины 0,08 кг при какой максимальной частоте вращения двигателя не происходит «плавание клапанов»?
Во время цикла двигателя пружина сжимается от 0,5 см (клапан полностью закрыт) до 1,5 см (клапан полностью открыт). Предположим, что распределительный вал вращается с той же скоростью, что и двигатель.
Плавающие клапаны возникают, когда обороты двигателя достаточно высоки, так что пружина начинает терять контакт с кулачком при закрытии клапана. Другими словами, пружина не растягивается достаточно быстро, чтобы поддерживать контакт с кулачком, когда клапан закрывается.
Для простоты можно предположить, что к пружине применяется закон Гука, где сила, действующая на пружину, пропорциональна степени ее сжатия (независимо от динамических эффектов).
Вы можете игнорировать гравитацию в расчетах.
Проблема №3
Объект движется по прямой. Его ускорение определяется выражением
где C — константа, n — действительное число, а t — время.
Найдите общие уравнения для положения и скорости объекта в зависимости от времени.
Проблема № 4
В стрельбе из лука выпущенная стрела может колебаться во время полета. Если мы знаем положение центра масс стрелки ( G ) и форму стрелки в момент ее колебания (показано ниже), мы можем определить расположение узлов. Узлы — это «стационарные» точки на стрелке, когда она колеблется.
Используя геометрический аргумент (без уравнений), определите расположение узлов.
Предположим, что стрела колеблется в горизонтальной плоскости, так что на стрелу в плоскости колебаний не действуют никакие внешние силы.
Проблема № 5
Колесо гироскопа вращается с постоянной угловой скоростью w с при прецессии вокруг вертикальной оси с постоянной угловой скоростью w p . Расстояние от оси вращения до центра передней грани вращающегося колеса гироскопа равно L , а радиус колеса r . Стержень, соединяющий шарнир с колесом, образует с вертикалью постоянный угол θ .
Определите компоненты ускорения, перпендикулярные колесу, в точках A, B, C, D, отмеченных, как показано на рисунке.
Проблема № 6
Когда автомобиль делает поворот, два передних колеса описывают две дуги, как показано на рисунке ниже. Колесо, обращенное внутрь поворота, имеет угол поворота больше, чем у внешнего колеса. Это необходимо для того, чтобы оба передних колеса плавно описывали две дуги, имеющие один и тот же центр, иначе при повороте передние колеса будут скользить по земле.
Во время поворота задние колеса обязательно описывают те же дуги, что и передние колеса? Основываясь на вашем ответе, каковы последствия поворота рядом с бордюром?
Проблема № 7
Горизонтальный поворотный стол на промышленном предприятии непрерывно подает детали в паз (показан слева). Затем он сбрасывает эти детали в корзину (показана справа). Между этими двумя ступенями поворотный стол поворачивается на 180°. Проигрыватель ненадолго останавливается на каждой 1/8 -й оборота, чтобы получить новую деталь в слот слева.
Если скорость вращения поворотного стола составляет w радиан/сек, а внешний радиус поворотного стола равен R 2 , каким должен быть внутренний радиус R 1 , чтобы детали выпадали слота и в корзину, как показано на рисунке?
Предположим:
• Угловую скорость w поворотного стола можно считать постоянной и непрерывной; что означает, что вы можете игнорировать короткие остановки, которые проигрыватель делает на каждой 1/8 -й оборота.
• Корзина расположена под углом 180° к месту подачи.
• Прорези очень хорошо смазаны, поэтому трение между прорезью и деталью отсутствует.
• Детали можно рассматривать как частицы, что означает, что вы можете игнорировать их размеры при расчете.
• Прорези совмещены с радиальным направлением поворотного стола.
Проблема № 8
Маховик однопоршневого двигателя вращается со средней скоростью 1500 об/мин. За пол-оборота маховик должен поглотить 1000 Дж энергии. Если максимально допустимое колебание скорости составляет ± 60 об/мин, какова минимальная инерция вращения маховика? Предположим, что трения нет.
Проблема № 9
Процесс экструзии алюминия моделируется численно с помощью компьютера. В этом процессе пуансон проталкивает алюминиевую заготовку диаметром D через матрицу меньшего диаметра d . При компьютерном моделировании, какова максимальная скорость штампа V p , чтобы результирующая динамическая сила (предсказанная моделированием), действующая на алюминий во время экструзии, составляла не более 5% силы, вызванной деформацией алюминия? Оценить для конкретного случая, когда D = 0,10 м, d = 0,02 м, а плотность алюминия ρ = 2700 кг/м 3 .
Сила деформации алюминия во время экструзии определяется выражением
Подсказка:
Экструзия алюминия через фильеру аналогична протеканию жидкости по трубе с переходом от большего диаметра к меньшему (например, вода, протекающая через пожарный шланг). Чистая динамическая сила, действующая на жидкость, представляет собой результирующую силу, необходимую для ускорения жидкости, которая возникает, когда скорость жидкости увеличивается по мере ее перетекания из секции большего диаметра в секцию меньшего диаметра (из-за сохранения массы).
Проблема № 10
Ребенок на горизонтальной карусели сообщает мячу начальную скорость V отн . Найдите начальное направление и скорость V rel мяча относительно карусели так, чтобы относительно ребенка мяч вращался по идеальному кругу, пока он сидит на карусели. Предположим, что трения между каруселью и мячом нет.
Карусель вращается с постоянной угловой скоростью w радиан/сек, и мяч вылетает на радиус r от центра карусели.
Проблема № 11
Тяжелый корпус насоса массой м необходимо поднять с земли с помощью крана. Для простоты движение предполагается двумерным, а корпус насоса представлен прямоугольником с размерами сторон и (см. рисунок). Трос длиной L 1 крепится к крану (в точке P ) и корпус насоса (в точке O ). Кран тянет вертикально на тросе с постоянной скоростью V p .
Предполагается, что центр масс G корпуса насоса находится в центре прямоугольника. Находится на расстоянии L 2 от точки O . Правая сторона корпуса насоса расположена на расстоянии c по горизонтали от вертикальной линии, проходящей через точку P .
Найти максимальное натяжение троса при подъеме, которое включает часть подъема до отрыва корпуса насоса от земли и после отрыва корпуса насоса от земли (отрыв). На этом этапе корпус насоса качается вперед и назад.
Оценка для конкретного случая, когда:
и = 0,4 м
б = 0,6 м
с = 0,2 м
Д 1 = 3 м
м = 200 кг
I G = 9 кг-м 2 (инерция вращения корпуса насоса около G )
Предположим:
• Трение между корпусом насоса и землей достаточно велико, чтобы корпус насоса не скользил по земле (вправо) до отрыва.
• До отрыва динамические эффекты незначительны.
• Скорость V p достаточно высока, чтобы нижняя часть корпуса насоса отрывалась от земли после отрыва.
• Для аппроксимации натяжения троса можно смоделировать систему как обычный маятник во время раскачивания (можно игнорировать эффекты двойного маятника).
• Массой кабеля можно пренебречь.
Проблема № 12
Схема соединения показана ниже. Шарнирные соединения O 1 и O 2 прикреплены к неподвижному основанию и разделены расстоянием b . Связи одинакового цвета имеют одинаковую длину. Все звенья соединены штифтами и допускают вращение. Определить путь, пройденный конечной точкой P , так как синяя тяга длиной b вращается вперед и назад.
Чем интересен этот результат?
Проблема № 13
Агрегат, несущий конвейерную ленту, показан на рисунке ниже. Двигатель вращает верхний ролик с постоянной скоростью, а остальные ролики могут вращаться свободно. Лента наклонена под углом θ . Чтобы удерживать ремень в натянутом состоянии, к ремню подвешен груз массой м , как показано на рисунке.
Найдите точку максимального натяжения ремня. Вам не нужно его вычислять, просто найдите место и объясните причину.
Проблема № 14
Проверка качества показала, что рабочее колесо насоса слишком тяжелое с одной стороны на величину, равную 0,0045 кг-м. Для исправления этого дисбаланса рекомендуется вырезать канавку по внешней окружности рабочего колеса с помощью фрезерного станка на той же стороне, что и дисбаланс. Это удалит материал с целью исправления дисбаланса. Размер канавки составляет 1 см в ширину и 1 см в глубину. Канавка будет симметрична относительно тяжелой точки. На каком расстоянии по внешней окружности рабочего колеса должна быть канавка? Укажите ответ в цифрах θ . Совет: рассматривайте канавку как тонкое кольцо материала.
Внешний радиус рабочего колеса в месте расположения канавки 15 см.
Материал рабочего колеса – сталь плотностью ρ = 7900 кг/м 3 .
Проблема № 15
В рамках проверки качества осесимметричный контейнер помещается на очень хорошо смазанный фиксированный стержень, как показано ниже. Затем контейнер получает начальное чистое вращение w , без начального поступательного движения. Что вы ожидаете увидеть, если центр масс контейнера сместится от геометрического центра O контейнера?
Проблема № 16
Струя падающего материала ударяется о пластину ударного весового дозатора, и датчик горизонтальной силы позволяет рассчитать массовый расход. Если скорость материала непосредственно перед ударом о пластину равна скорости материала сразу после удара о пластину, определите уравнение для массового расхода материала на основе показаний датчика горизонтальной силы. Трением о пластину пренебречь.
Подсказка: это можно рассматривать как задачу о потоке жидкости.
Проблема № 17
SunCatcher — двигатель Стирлинга, работающий на солнечной энергии. Он использует большие параболические зеркала для фокусировки солнечного света на центральный приемник, который приводит в действие двигатель Стирлинга. В параболическом зеркале можно увидеть отражение пейзажа. Почему отражение вверх ногами?
Источник: http://www.stirlingenergy.com
Проблема № 18
В холодный и сухой зимний день ваши очки запотевают, когда вы входите в помещение после того, как какое-то время пробыли на улице. Почему это?
А если выйти на улицу с запотевшими очками, они быстро прояснятся.