Fizika · Gravitatsiya va koinot · 9-sinf

Olam masshtablari

Kvarkdan Koinotgacha: har bir masshtabda fizikaning qaysi qonunlari hukmron?

Vaziyat

Toshkent teleminorasi yaqinida turgan odamni tasavvur qiling. Kamera har bir qadamda 10 marta uzoqlashsa, 7 qadamda butun Yer, 21 qadamda Somon Yo‘li galaktikasi ko‘rinadi. Kamera ichkariga yo‘nalsa — hujayra, DNK, atom, yadro va proton ichidagi kvarklar. Butun sayohat davomida o‘lcham taxminan 10⁴² marta o‘zgaradi. Har bir masshtabda ham fizika qonunlari bir xilmi yoki har birida o‘z «hukmdor» qonuni bormi?

Mavzu

Olamning fizik manzarasi: masshtablar. Kvarkdan galaktikagacha: o‘nning darajalari bo‘ylab sayohat

Asosiy tushunchalar

O‘nning darajalari
Fundamental doimiylar
Fizika bo‘limlari

Formulalar

l_{P} = \sqrt{\frac{ℏ G}{c^{3}}} \approx 1,6 \cdot 10^{- 35} m, t_{P} = \frac{l_{P}}{c} \approx 5,4 \cdot 10^{- 44} s

Plank uzunligi va vaqti — uchta fundamental doimiydan yasalgan masshtab.

R_{s} = \frac{2 G M}{c^{2}}, λ_{C} = \frac{h}{m c}

Ikki chegara: jism $R_{s}$ dan kichik bo‘lsa — qora tuynuk; $λ_{C}$ dan kichik masshtabda kvant effektlar ustun.

{(\frac{v}{c})}^{2}, \frac{ℏ}{m v L}, \frac{G M}{r c^{2}}

O‘lchamsiz sonlar: kerakli aniqlikdan kichik bo‘lsa, klassik (Nyuton) fizika yetarli.

\vec{r} = x \vec{i} + y \vec{j} + z \vec{k}, \vec{v} = \frac{d \vec{r}}{d t}, s = \int_{t_{1}}^{t_{2}} | \vec{v} | d t

Sanoq sistemasi: radius-vektor, uning hosilasi — tezlik, tezlik integrali — yo‘l.

t = \frac{L}{c} : \frac{1,496 \cdot 10^{11} m}{3,00 \cdot 10^{8} m/s} \approx 499 s

Yorug‘lik tezligi chekli: uzoqqa qarasak, o‘tmishni ko‘ramiz.

Nazariya

O‘nning darajalari: fazo va vaqt

Proton diametri ≈ 1,7·10⁻¹⁵ m, kuzatiladigan Koinot diametri ≈ 8,8·10²⁶ m. Bunday sonlarni o‘nning darajalari bilan yozish qulay: har bir qadam — 10 marta. Vaqt ham shunday: yorug‘lik protonni ≈ 6·10⁻²⁴ s da kesib o‘tadi, Koinot yoshi esa ≈ 4,4·10¹⁷ s (13,8 mlrd yil). Uzunlik birliklari masshtabga qarab tanlanadi: fm (yadro), nm (molekula), m, km, a.b. (Yer–Quyosh), yorug‘lik yili va parsek (yulduzlar), Mpk (galaktikalar). Fazo va vaqt — barcha hodisalar sahnasi; maxsus nisbiylik ularni yagona fazo-vaqtga birlashtiradi.

Sanoq sistemasi va radius-vektor

Jism qayerda ekanini aytish uchun sanoq sistemasi kerak: sanoq jismi, koordinata o‘qlari va soat. «O‘nning darajalari» sahnasida 10² m masshtabda koordinata boshi teleminora tagida: $x$ — sharqqa, $y$ — yuqoriga, $z$ — janubga. Odamning holati — radius-vektor $\vec{r} = (- 120; 0; 80)$ m. Radius-vektorning vaqt bo‘yicha hosilasi — tezlik, tezlikning integrali — bosib o‘tilgan yo‘l. Tezlik sanoq sistemasiga bog‘liq: Toshkentdagi «tinch turgan» odam Yer aylanishi bilan ≈ 350 m/s, Yer bilan Quyosh atrofida ≈ 30 km/s, Quyosh bilan Galaktika markazi atrofida ≈ 230 km/s tezlikda harakatlanadi.

To‘rt o‘zaro ta’sir: olamning yagona manzarasi

Barcha hodisalar to‘rtta o‘zaro ta’sir bilan tushuntiriladi. Kuchli — kvarklarni proton va neytronlarda, nuklonlarni yadroda ushlaydi; ta’sir masofasi ≈ 10⁻¹⁵ m. Kuchsiz — β-yemirilish va Quyoshdagi sintezning birinchi bosqichi; ≈ 10⁻¹⁸ m. Elektromagnit — atomlar, molekulalar, kimyo, biologiya, ishqalanish va elastiklik; masofasi cheksiz. Gravitatsiya eng kuchsiz (ikki proton orasida elektr itarishdan ≈ 10³⁶ marta kuchsiz), lekin modda odatda elektrneytral bo‘lgani uchun katta masshtablarda — sayyoralar, yulduzlar, galaktikalar — u hukmron. Fizika tarixi — birlashish tarixi: elektr va magnetizm (Maksvell), elektromagnit va kuchsiz o‘zaro ta’sir (elektrokuchsiz nazariya), Standart model; gravitatsiyani kvant fizika bilan birlashtirish hali hal qilinmagan.

Nazariyalar kubi: klassik fizikaning chegaralari

Har bir nazariyani uchta doimiy bilan belgilash mumkin. $c \to \infty$ , $ℏ \to 0$ , $G \to 0$ chegarada — Nyuton mexanikasi. $v$ yorug‘lik tezligiga yaqinlashsa — maxsus nisbiylik; ta’sir ( $m v L$ ) $ℏ$ ga yaqin bo‘lsa — kvant mexanikasi; ikkalasi birga — kvant maydon nazariyasi; kuchli tortishish va $c$ — umumiy nisbiylik. Qaysi nazariya kerakligi aniqlikka ham bog‘liq: GPS soatlari uchun $10^{- 10}$ lik tuzatmalar ham muhim, futbol to‘pi uchun esa 1 % aniqlik yetadi. Eski nazariya yangisining chegaraviy holati bo‘lib qoladi — bu moslik prinsipi.

Mikrodunyo: atomistika va zarralar fizikasining bosqichlari

Atom o‘lchami ≈ 10⁻¹⁰ m (Bor radiusi 5,29·10⁻¹¹ m), yadro esa ≈ 10⁻¹⁵ m — atomdan taxminan 100 000 marta kichik, lekin massaning 99,9 %idan ko‘pi unda. Mikrodunyoni fundamental doimiylar boshqaradi: elementar zaryad $e$ , elektron massasi $m_{e}$ , Plank doimiysi $h$ , yorug‘lik tezligi $c$ . Zarralarning kvant (to‘lqin xossasi, spin, energiya sathlari) va relyativistik (antizarralar, $E = m c^{2}$ ) xossalari shu masshtabda birga namoyon bo‘ladi. Bosqichlar: elektron (1897, J. J. Tomson), yadro (1911, E. Rezerford), neytron va pozitron (1932), kvark modeli (1964), kvarklarning tajribada «ko‘rinishi» (1968–1969, SLAC), W va Z bozonlari (1983, CERN), top-kvark (1995), Xiggs bozoni (2012, LHC).

Fizika, boshqa fanlar va jamiyat; model

Fizika tabiatning eng umumiy qonunlarini kuzatish, tajriba, model va nazariya orqali o‘rganadi; uning tili — matematika. U kimyo (atom va molekula tuzilishi), biologiya va tibbiyot (biofizika, rentgen, MRT, PET), geologiya, astronomiya va muhandislikning poydevori. Elektr tarmoqlari, tranzistor va kompyuterlar, lazerlar, GPS, atom elektr stansiyalari, quyosh panellari — fizika kashfiyotlarining mahsuli; ular jamiyatning ishlab chiqaruvchi kuchlarini o‘zgartirdi. Model: o‘lchamlar taxminiy; Oy va sayyoralar ko‘rinishi uchun kattalashtirilgan; galaktikalar va kosmik to‘r sxematik; teleminora va odamning joylashuvi shartli.

Bilasizmi?

Toshkent teleminorasining balandligi 375 m. U 1985-yil 15-yanvarda ishga tushirilgan va 1985–1991-yillarda dunyodagi eng baland minoralar orasida to‘rtinchi o‘rinda bo‘lgan.
Teleminora yonida «tinch turgan» odam Yer aylanishi bilan birga taxminan 350 m/s tezlikda harakatlanadi — bu tovush tezligidan ham katta.

Tajribada nima bor

Tajriba hayotiy vaziyatdan boshlanadi: natijani taxmin qilasiz, boshqaruvlarni o‘zgartirib tajriba o‘tkazasiz va xulosa chiqarasiz. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor — kamera o‘zi harakatlanib, eng muhim joylarni tushuntiradi.