Готовый перевод String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: This Crazy Little Thing Called Physics Безумная штучка под названием физика

Безумная штучка под названием физика

Физика это изучение материи и ее взаимодействия.

Физика пытается понять поведение физических систем на основании самых фундаментальных законов, которые мы можем достичь.

Теория струн может предоставить самый фундаментальный закон и объяснить все во Вселенной в единственном математическом уравнении и физической теории.

Еще один ключевой принцип физики это идея, что множество законов, которые работают в одном месте также работают и в другом - этот принцип известен как симметрия (Я раскрываю это более подробно позже в этом разделе, а также в главе 4)

Эта связь, между физикой в разных местах, позволяющая физическим понятиям быть зависимыми между собой, всего лишь один вид симметрии

Наука продвинулась путем принятия разнообразных концепций и объединения их в связанные физические законы.

Это очень широкое определение физики, но и в то же время физика это самая обширная наука.

Потому что все, что вы видите, слышите, чувствуете запах, вкус или каким бы то ни было образом взаимодействуете, все сделано из материи и взаимодействует согласно некоторым правилам, что означает, что физика, это буквально изучение всего, что происходит.

Таким образом, химия и все другие науки это приближения фундаментальных законов физики.

Даже если бы теория струн (или некоторая другая "теория всего") была бы обнаружена, другие науки были бы все равно нужны.

Попытка понять каждую отдельную физическую систему через теорию струн была бы такой же абсурдной как и попытка изучить погоду через анализирование каждого отдельного атома в атмосфере.

Кроме шуток: Из чего мы сделаны.

Одна из черт материи ("ерунда" из чего все сделано) это то, что материя требует усилия, чтобы сделать что то.

(Есть некоторые исключения, но как правило, сила это любое воздействие, которое приводит к изменению или препятствует ему, в физической величине)

Масса это свойство, которое позволяет материи сопротивляться изменению при движении (другими словами, возможность противодействовать силе).

Другая ключевая особенность материи - сохраняемость, это значит, что она не может быть создана или разрушена, а может менять только форму.

(теория относительности Эйнштейна показала, что это не было совсем так, вы можете видеть это в главе 6)

Без материи, Вселенная была бы довольно скучным местом.

Материя это все то, что окружает вас.

Эта книга, которую вы читаете, как и ваше материя-насыщенное кресло, в которым вы комфортно откинулись назад, сделано из материи.

Вы сами сделаны из материи.

Но что именно, зовется материей?

Ранние философы и ученые пытались понять материю.

Вопрос об значении материи восходит к, по крайней мере, греческим и китайским философам, кто задался вопросом о том, что делает вещи не похожими на другие.

Греческие и китайские мыслители заметили похожие тенденции и каждый придумал систему для классифицирования материи на пять фундаментальных элементов основанных на этих общих чертах.

В древнем Китае, этими пятью элементами были метал, дерево, вода, огонь и земля.

Восточная религия и философия использовали эти элементы и различные способы их взаимодействия для объяснения не только настоящего мира, но и также нравственную сферу.

Среди греческих философов, Аристотель наиболее известный и обсужденный с его версией пяти элементов: огонь, земля, воздух, вода и эфир.

Эфир был предположительно неземной, духовной субстанцией, которая заполняла вселенную.

С этой точки зрения, область вне Земли была составлена из этого эфира и не подвергался тем изменениям, которым подвергался наш мир.

На Земле, материальные объекты рассматривались как комбинации этих базовых элементов.

Например, грязь была комбинацией воды и земли.

Облако было комбинацией воздуха и воды.

Лава была комбинацией земли и огня.

В 17 веке понимание ученых о материи начало меняться, когда астрономы и физики начали осознавать, что те же законы правят материей на Земле и в космосе.

Вселенная не состоит из вечного, неизменного, неземного эфира, а из твердых шариков обычной материи.

Ньютоновских ключевое понимание в изучении материи было то, что она сопротивлялась изменению при движении (Я объясняю это более подробно позже в разделе "Сила, масса и ускорение: Вовлечение объектов в движение").

Степень, с которой объект сопротивляется этому изменению при движении это его масса.

Ученые открыли, что масса не может быть уничтожена.

Работа Антуа́на Лора́на Лавуазье́ в 18м веке предоставила физикам иное великое понимание материи.

Лавуазье и его жена, Мариа Анна, выполнили обширные эксперименты, которые показали что материя не может быть разрушена; она только изменяется из одной формы в другую.

Этот принцип называется сохранением массы.

Это не очевидное свойство.

Когда вы сжигаете бревно и потом смотрите на кучу пепла, это безусловно выглядит так, будто бы вы имеете намного меньше материи, чем было в начале.

Но на самом то деле, Лавуазье обнаружил, что если вы крайне осторожны в том, что бы не потерять какие-либо из этих частей, включая части, которые обычно улетучиваются во время акта сжигания - в ​​итоге вы получите столько же массы в конце горения сколько и было в начале.

Снова и снова, Лавуазье показал эту неожиданную особенность материи, которая имело место быть, так что мы теперь считаем само собой разумеющейся эту известную часть нашей вселенной.

Вода может выкипеть из жидкости в газ, но частицы воды продолжают существовать и могут, если постараться, быть восстановлены назад в жидкость.

Материя может изменить форму, но не может быть уничтожена (во всяком случае не до ядерной реакции, которая не была открыта ни до, ни во время жизни Лавуазье).

В то время как изучение материи прогрессирует со временем, вещи становятся более странными вместо того, чтобы становится более понятными..

В главе 8 я обсуждаю современное понимание материи, согласно которому мы состоим в основном из крошечных частиц, которые соединены невидимыми силами через громадное (относительно их масштаба) пустое расстояние.

Фактически, как и предполагает теория струн, вероятно, что даже те крошечные частицы на самом деле не существуют - по крайней мере не таким образом как мы обычно их представляем.

Добавьте немного энергии: Почему вещи случаются.

Материя в нашей вселенной никогда бы не делала ничего интересного если бы она не была бы дополнением энергии.

Не было бы изменений от горячего к холодного или от быстрого к медленному.

Энергия тоже сохраняемая, как было открыто на протяжении 1800х, когда законы термодинамики были изучены, но история сохранения энергии более неуловима, чем материи.

Вы можете видеть материю, но отслеживание энергии доказывает, что это сложнее.

Кинетическая энергия это энергия, участвующая во время движения объекта..

Потенциальная энергия это энергия содержащаяся в объекте, и ожидающая превращения в кинетическую энергию.

Получается, что полная энергия - кинетическая энергия добавленная к потенциальной энергии - сохраняется в любое время, когда физическая система претерпевает изменение.

Теория струн делает предсказания о физических системах, которые содержат большое количество энергии, упакованную в очень маленьком пространстве.

Энергии, необходимые для предсказаний теории струн, такое большое количество, что может быть никогда не будет возможным сооружение устройства, способным генерировать так много энергии и проверить предсказания.

Энергия движения: Кинетическая энергия.

Кинетическая энергия самая очевидная, в случае крупных объектов, но она также действует на любых масштабах.

(т.е, крупные объекты, такие как песчинка или планета, по сравнению с элементарными частицами, считались бы крупными.)

Тепло (или термальная энергия), представляющее форму кинетической энергии, на самом деле, это просто группа атомов двигающихся очень быстро.

Когда вода нагрета, частицы разгоняются до того, пока они не рвут свободные связи с другими молекулами воды и переходят в газ.

Движение частиц может быть причиной того, что энергия излучается в других формах, например, когда горящий кусок угля раскаленный добела.

Звук это другая форма кинетической энергии.

Если два бильярдных шара сталкиваются, частицы в воздухе будут вынуждены двигаться, и, как результат, шум.

Все вокруг нас, двигающиеся частицы ответственны за все что происходит во вселенной.

Сохраненная энергия: Потенциальная энергия.

Потенциальная энергия, с одной стороны, это сохраненная энергия.

Потенциальная энергия принимает на много больше форм, чем кинетическая энергия и может быть сложнее для понимания.

Пружина, например, имеет потенциальную энергию когда она растянута или сжата.

Когда пружина высвобождается, то потенциальная энергия трансформируется в кинетическую энергию, так как пружина переходит в ее первоначальную длину.

Передвижение объекта в гравитационном поле изменяет величину потенциальной энергии сохраненной в нем.

Пенни, на высоте Эмпайр-стейт-билдинга, из-за гравитации имеет большое количество потенциальной энергии, которая превращается в большое количество кинетической энергии если его уронить (хотя, как было показано в одном эпизоде Разрушители Легенд, не достаточно, чтобы убить ничего не подозревающего прохожего от удара).

Это может прозвучать немного странно, когда говорим о чем-то, что имеет больше или меньше энергии в зависимости только от расположения, но окружение это часть физической системы описанная физическими уравнениями.

Эти уравнения говорят точно, как много потенциальной энергии запасено в различных физических системах, и они могут быть использованы для предсказания исходов, когда потенциальная энергии высвобождается.

Симметрия: Почему некоторые законы были заложены для того чтобы быть нарушенными.

Изменение местоположения или позиции, при сохранении свойства системы, называется геометрической симметрией(что иногда интерпретируется как симметрия)

Другая форма симметрия это внутренняя симметрия - это когда что-то в системе можно поменять местами с чем то еще и система (в целом) не меняется.

Когда состояние симметрии при высокой энергии переходит в меньшее энергетическое основное состояние это асимметрия и называется спонтанным нарушением симметрии.

Примером послужило бы колесо рулетки, которое вращается и замедляется в "основном состоянии".

Мяч в конечном счете попадает в прорезь колеса - и игрок либо побеждает либо проигрывает

Теория струн выходит за рамки симметрий, мы наблюдаем, чтобы предсказать еще больше симметрий, которые не наблюдаются в природе.

Она предсказывает обязательную симметрию, которая не наблюдается в природе, и называется суперсимметрией.

При энергиях, которые мы наблюдаем, суперсимметрия это пример нарушения симметрии, хотя физики полагают, что в высокоэнергетических состояниях, суперсимметрия могла бы и не быть нарушенной (это то, что делает это таким интересным для изучения.)

Я раскрываю суперсимметрию в главах 2 и 10.

Трансляционная симметрия: одна и та же система, но другое место.

Если объект обладает трансляционной симметрией, то вы можете его передвигать и он по-прежнему выглядит одинаково (для детального объяснения этого, откройте главу 4)

Передвижение объектов в пространстве не изменяет физических свойств системы.

А разве я только что не сказал в последнем разделе, что потенциальная энергия под воздействием гравитации изменяется в зависимости от того, где находится объект?

Да, сказал.

Изменение местоположения объекта в пространстве может иметь влияние на физическую систему, но законы физики не изменяются (насколько мы можем судить).

Если бы Эмпайр-стейт-билдинг, Земля, или пенни, которую держат на высоте (вся "система" в этом примере) были бы сдвинуты на одно и тоже расстояние в одном и том же направлении, то не было бы заметных изменений в системе.

Внутренняя симметрия: система меняется, но результат остается тем же.

Во внутренней симметрии, некоторые свойства системы могут быть изменены без изменения конечного результата.

Например, изменение каждой частицы на ее античастицу - изменение положительного заряда на отрицательный или отрицательного на положительный - оставляет электромагнитные силы участвующие в этом полностью одинаковыми.

Это форма внутренней симметрии называется зарядовым сопряжением.

Большинство внутренних симметрий не идеальные симметрии, это означает что они ведут себя несколько по-разному в некоторых ситуациях.

Спонтанное нарушение симметрии: постепенное разрушение.

Физики предполагают, что законы вселенной раньше были более симметричны, но они прошли через процесс называемый спонтанным нарушением симметрии, в котором симметрия разваливается во вселенной, которую мы наблюдаем.

Если бы все было идеально симметричным, то вселенная была бы очень скучным местом.

Незначительные различие во вселенной - разрушенные симметрии - это то, что делает мир таким интересным, но когда физики смотрят на законы физики, они, как правило, находят, что отличия довольно малы по сравнению со сходствами.

Чтобы понять спонтанное нарушение симметрии, рассмотрим карандаш идеально сбалансированный на его кончике.

Карандаш в состоянии идеального баланса равновесия, но оно не стабильно.

Любое маленькое нарушение приведет к его падению.

Однако, нет законов физики, которые могут сказать, в какую сторону карандаш упадет.

Это состояние совершенно симметрично, потому что все направления равны.

Однако, как только карандаш начнет падать, то определенные законы физики предписывают направление в котором падение продолжится.

Симметрия спонтанно (и во всех отношениях случайна) начинает коллапсировать в одну определенную, асимметричную форму.

Так как система разрушается, другие варианты больше не доступны системе.

Стандартная модель физики элементарных частиц, а так же теория струн (которая включает Стандартную модель как низкоэнергетическое приближение), предсказывает, что некоторые свойства Вселенной были когда то чрезвычайно симметричны, но подверглись спонтанному нарушению симметрии во вселенной, которую мы сейчас наблюдаем.

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145355

Переводчики: Swarlz