Hər kəsin bilməli olduğu fizika ideyaları, tənliklərsiz izah

Bilməyə ən dəyər fizika ideyaları adi şeylərə baxışınızı dəyişənlərdir: cisimlər onları nə isə dayandırmayana qədər hərəkətini davam etdirir, enerji nə yaranır, nə yox olur, nizamsızlıq artmağa meyllidir, zaman və məkan hərəkətdən asılıdır, kiçik miqyasda isə təbiət ayrı-ayrı hissələr və ehtimallarla işləyir. Bunların heç birini anlamaq üçün tənliklər lazım deyil. Hər biri üçün yaxşı nümunə və adi yanlış anlama haqqında aydın təsəvvür lazımdır.

Budur beşi, təxminən kəşf olunma ardıcıllığı ilə.

#1. Hərəkətin davam etməsi üçün itələməyə ehtiyac yoxdur

Təxminən iki min il boyu, çox vaxt Aristotelə aid edilən sağlam düşüncəyə görə, hərəkət edən şeylər təbii olaraq yavaşıyıb dayanır, deməli hərəkət daimi səbəb tələb edir. Bu, gündəlik təcrübəyə uyğundur. Qutunu yerdə itələyin, itələməyi dayandırın, qutu da dayanır.

Qalileo, sonra isə Nyuton bunu tərsinə çevirdi. Cismə qüvvə təsir etmədikcə, o, eyni sürətlə və eyni istiqamətdə hərəkətini davam etdirir. Qutu ona görə dayanır ki, sürtünmə də qüvvədir. Sürtünməni kosmosdakı kimi aradan götürsəniz, atılmış qayka sonsuza qədər gedər.

Bu, Nyutonun birinci qanunudur və giriş fizikasında ən çox yanlış başa düşülən ideyadır. Fizika tələbələri üzərində aparılan araşdırmalar dəfələrlə göstərib ki, bir çox insan kurs keçdikdən sonra da köhnə, intuitiv baxışı saxlayır. Avtomobil sürətlənəndə oturacağa "sıxıldığınızı" hiss etmisinizsə, bu, ətalətdir: bədəniniz əvvəlki vəziyyətini davam etdirirdi, oturacaq isə sizi irəli itələməli oldu.

#2. Enerji saxlanır, yalnız formasını dəyişir

Enerji nə yaradıla, nə də məhv edilə bilər. O, bir formadan digərinə keçir: yeməkdəki kimyəvi enerji bədəninizdə istiliyə və hərəkətə çevrilir, bəndin arxasındakı suyun qravitasiya enerjisi turbində elektrik enerjisinə çevrilir.

Enerji yoxa çıxmış kimi görünəndə, adətən istiliyə çevrilib. Dayanana qədər əyləc basan avtomobil hərəkət enerjisini itirir, əyləclər isə qızır. Heç nə itməyib; sadəcə yayılıb.

Bu qaydanın arxasında daha dərin səbəb var. 1918-ci ildə riyaziyyatçı Emmi Nöter sübut etdi ki, saxlanma qanunları simmetriyalardan irəli gəlir. Enerji ona görə saxlanır ki, fizika qanunları bu gün dünənki kimidir. Bu, elmin ən gözəl nəticələrindən biridir və fizikadan kənarda geniş tanınmır.

Yayğın yanlış təsəvvur: evdə "enerji qənaət etmək" bu qanunu pozmur. Bu, elektrik kimi faydalı enerjinin daha az faydalı aşağı temperaturlu istiliyə çevrilməsinin qarşısını almaq deməkdir.

#3. Entropiya: yumurtanı niyə geri qarışdırmaq olmur

Enerji həmişə saxlanırsa, onu niyə sonsuza qədər təkrar istifadə edə bilmirik? Cavab entropiya və termodinamikanın ikinci qanunudur: izolyasiya olunmuş sistemdə entropiya artmağa meyllidir.

Entropiya çox vaxt "nizamsızlıq" kimi təsvir olunur, bu isə kobud, amma sürüşkən ixtisardır. Daha yaxşı təsvir Lüdviq Bolsmandan gəlir. Entropiya atomların kənardan eyni görünən mikroskopik düzülüşlərinin sayını hesablayır. Qaz molekullarının otağa yayılmasının bir küncə yığılmasından qat-qat çox yolu var, ona görə qaz yayılır və heç vaxt öz-özünə yenidən toplanmır. Bolsmanın entropiya düsturu Vyanada onun məzar daşında həkk olunub.

Hesablamaya həll olunmuş nümunə. 4 sikkə atın. Dörd şir almağın tam olaraq 1 yolu var, iki şir və iki yazı almağın isə 6 yolu. 4 sikkə ilə fərq kiçikdir. Bir qurtum havadakı təxminən 10²³ molekulla isə "qarışıq" düzülüşlər "nizamlı" olanlardan o qədər çoxdur ki, nizamlı hal təsadüfən praktiki olaraq heç vaxt baş vermir.

Adi etiraz: canlılar yüksək nizamlıdır, bəs həyat ikinci qanunu pozmur? Xeyr. Yer izolyasiya olunmuş sistem deyil. O, günəş işığını qəbul edir, istiliyi kosmosa şüalandırır və bütün qurğunun ümumi entropiyası yenə də artır. Həyat başqa yerdə daha böyük artımla ödənilən yerli azalmadır.

#4. Nisbilik: zaman və məkan necə hərəkət etdiyinizdən asılıdır

Eynşteynin xüsusi nisbilik nəzəriyyəsi (1905) iki fikirdən başlayır. Fizika qanunları sabit sürətlə hərəkət edən hər kəs üçün eynidir və boşluqda işığın sürəti hər müşahidəçi üçün eynidir, təxminən saniyədə 300 000 kilometr. İkisini də qəbul etsəniz, nəyinsə güzəştə getməsi lazımdır. Güzəştə gedən zaman və məsafədir. Hərəkət edən saatlar sizinkinə nisbətən yavaş işləyir, hərəkət edən cisimlər isə hərəkət istiqamətində daha qısadır.

Bu effektlər gündəlik sürətlərdə çox kiçikdir, buna görə yüzillər boyu heç kim onları görməyib. GPS üçün isə kiçik deyil. Peyklər sürətlə hərəkət edir, bu da saatlarını bir az yavaşladır, üstəlik Yerin cazibəsində daha yüksəkdə yerləşirlər, ümumi nisbilik (1915) isə bunun onları bir az sürətli işlətdiyini deyir. Yekun təsir peyk saatlarının gündə təxminən 38 mikrosaniyə qabağa getməsidir. Mühəndislər bunu düzəldir. Düzəliş olmasa, mövqe xətaları gündə kilometrlərlə yığılardı.

Sonra E = mc² var, xüsusi nisbiliyin nəticəsi: kütlə enerjinin çox yığcam formasıdır. Sürətli hesablama bunun nə qədər yığcam olduğunu göstərir. Bir qram kütlə tam çevrildikdə 0,001 kq × (3 × 10⁸ m/s)², yəni təxminən 9 × 10¹³ coul verir. Bir qiqavat istehsal edən böyük elektrik stansiyası bu qədəri təxminən bir gündə istehsal edir. Praktikada nüvə reaksiyaları yanacağın kütləsinin yalnız kiçik bir hissəsini enerjiyə çevirir, adi kimya isə ölçülə bilməyəcək qədər kiçik hissəni.

Atmaq lazım olan yanlış təsəvvur: nisbilik "hər şey nisbidir" demir. O, hər kəs üçün eyni qalan şeylər üzərində qurulub, o cümlədən işığın sürəti və fizika qanunlarının özü.

#5. Kvant mexanikası: hissələr, ehtimallar və hüdudlar

Atomlar miqyasında üç ideya fərqlənir.

Kvantlanma. Bəzi kəmiyyətlər yalnız ayrı-ayrı miqdarlarda mövcud olur. Atomdakı elektronlar yalnız müəyyən enerjilərə malik ola bilər, buna görə hər element özünəməxsus rənglərdə işıq buraxır. Astronomlar uzaq ulduzların nədən ibarət olduğunu məhz bu barmaq izi ilə bilir.

Ehtimal. Kvant mexanikası tək müəyyən nəticələri yox, nəticələrin ehtimallarını proqnozlaşdırır. Bu proqnozlarda olduqca dəqiqdir. Bu təsadüfiliyin əsas xassə olması, yoxsa daha dərin bir şeyi əks etdirməsi fiziklərin hələ də mübahisə etdiyi suallardandır.

Qeyri-müəyyənlik. Heyzenberqin qeyri-müəyyənlik prinsipi bildirir ki, hissəcik eyni anda dəqiq təyin olunmuş mövqe və impulsa malik ola bilməz. Bu, çox vaxt "ölçmə hissəciyi narahat edir" kimi izah olunur, amma bu, məsələni kiçildir. Hədd cihazlarımızın qüsuru deyil, kvant halının nə olduğunun özündə var.

Ən böyük məşhur mif şüurlu müşahidəçinin "reallığı yaratmasıdır". Fizikada ölçmə detektor və ya mühitlə qarşılıqlı təsir deməkdir. Kvant mexanikasının şərhləri fərqlənir və mübahisə həqiqidir, amma əsas izahlar insan şüurunu tələb etmir. "Kvant" sözünün müalicə və ya arzuların gerçəkləşdirilməsini satmaq üçün işləndiyini görəndə, bunun fizikaya heç bir aidiyyəti yoxdur.

#Fizikanı öyrənməyə davam etmək üçün yaxşı yol hansıdır?

Bu siyahıdan bir ideya seçin və ona ikinci bucaqdan baxın. Entropiya sizi cəlb etdisə, istilik mühərrikləri haqqında oxuyun. Nisbilik cəlb etdisə, atmosferin yuxarı qatlarında yaranan və yerə yalnız daxili saatları yavaş işlədiyi üçün çoxlu sayda çatan hissəciklər olan müonlara baxın. Bir ideyanı düzgün araşdırmaq, on ideyanı səthi gözdən keçirməkdən yaxşıdır. Məktəbdə rəqəmlər sizi geri çəkibsə, böyüklər üçün riyaziyyatda necə yaxşılaşmaq olar bələdçimiz praktik yoldaşdır.

Fizika Topicly kataloqu mövzularından biridir və hər qısa yazı daha da dərinləşmək üçün toxuna biləcəyiniz bir neçə əlaqəli anlayışla bitə bilər, bunu bu ipi çəkməyə davam edin yazısında təsvir edirik. Onu "Hər gün termodinamikadan bir ideya izah et" kimi fərdi mövzu ilə daraltmaq olar. Məqalələr süni intellektlə yazılıb və səhvlər ola bilər, ona görə vacib hər şey üçün dərsliyi yoxlayın.

Növbəti addımınız: bu həftə bu beş ideyadan birini bizim yox, öz nümunənizlə kiməsə ucadan izah edin. Topicly Android üçün pulsuz yüklənir, iPhone versiyası tezliklə gəlir, təfərrüatlar isə yükləmə səhifəsində var.