Электромагниттік өрістің дуалистік табиғаты мен жарық кванты ұғымын талдау.

Электромагниттік өрістің қасиеттерін зерттеу үстінде Максвелл мынадай сауалға жауап іздеді: егер айнымалы магнит өрісі электр өрісін тудыратын болса, табиғатта кері процесс болар ма екен? Өз кезегінде айнымалы электр өрісі магнит өрісін тудырмас па екен? Табиғаттың біртұтастығына, табиғат заңдарының ішкі құрылымының үйлесімділігіне кәміл сенгендіктен туған бұл ой Максвелл гипотезасының негізгі арқауы болып табылады.

Электр өрісінің өзгерісі кезінде магнит өрісінің пайда болуы.Максвелл мұндай протцесс табиғатта шынында да өтеді деп есептеді. Электр өрісі бойынша өзгеретін барлық жағдайда магнит өрісі пайда болады. Бұл электр өрісінің кернеулік сызықтары айнымалы магнит өрісінің индукция сызықтарын қамтып алатыны секілді, өрістің магнит индукциясының сызықтары электр өрісінің кернеулік сызықтарын қамтып алады. Бірақ мұнда электр өрісінің кернеулігі артқан кезде пайда болатын магнит өрісінің В индукция векторы Е векторының бағытымен оң бұранда түзеді.

Электр өрісінің кернеулігі кеміген кезде магнит индукциясының В векторы бағыты Е векторы бағытымен сол бұранда түзіледі.

Максвеллдің гипотезасы бойынша магнит өрісін, мысалы, конденсаторды заряттағанда кілтті қосқаннан кейін тек өткізгіштегі тоқ ғана емес, сонымен қатар конденсатордың астарлары арасындағы кеңістікте болатын айнымалы электр өрісі де тудырады. Әрі айнымалы электр өрісі, астарлардың арасында дәлме-дәл өткізгіштегідей электр тоғы болатын кездегідей магнит өрісін тудырады. Максвеллдің гипотезасы тәжірбиеде электромагниттік толқындардың табылуы арқылы дәлелденеді. Электромагниттік толқындар тек айнымалы магнит өрісі айнымалы магнит өрісінің тудыруының арқасында ғана пайда болады.

Электромагниттік өріс. Өзгермелі электр және магнит өрістерінің арасындағы байланыс ашылғаннан кейін бұл өрістердің жеке күйінде бір біріне тәуелсіз өмір сүре алмайтыны айқындалды.

Кеңістікте айнымалы магнит өрісі жеке өзі емес электр өрісімен қатар пайда болады. Және керісінше айнымалы электр өрісі магнит өрісінсіз пайда бола алмайды.

Тағы бір маңызды мәселе, электр өрісі магнит өрісінсіз немесе магнит өрісі электр өрісінсіз тек белгілі санақ жүйесінде қатысты ғана бола алады. Мәселен, тыныштықтағы заряд тек электр өрісін ғана тудырады. Бірақ заряд тек белгілі санақ жүйесіне қатысты ғана тыныштықта болатыны белгілі. Басқа санақ жүйелеріне қатысты ол қозғалыста бола алады, демек, магнит өрісін тудыра алады.

Дәл осындай магнитпен байланыс қан санақ жүйесіне тек магнит өрісін ғана байқаған болар едік. Бірақ магнитке қатысты қозғалыстағы бақылаушы электр өрісін де аңғарады. Себебі, магнитпен салыстырғанда қозғалыстағы санақ жүйесіндегі магнит өрісі бақылаушы оған жақындаған сайын немесе одан алыстаған сайын уақыт бойынша өзгертеді. Уақыт бойынша айнымалы магит өрісі құйынды электр өрісін тудырады.

Демек, егер осы өзгерістердің қай санақ жүйесіне қатысты қарастырылып отырғаны көрсетілмесе, кеңістікте берілген нүктесінде тек қана электр немесе тек қана магнит өрісі бар деген ұйымдарда ешқандай мағына жоқ. Магнитке қарасты тыныштық күйде тұрған санақ жүйесінде электр өрісінің болмауы жалпы электр өрісі жоқ дегенді білдірмейді. Магнитке қатысты қозғалыста болатын кез келген санақ жүйесінде бұл өрісті байқауға болады.

Электр және магнит өрістері біртұтас электромагниттік өрістердің білінуі болып табылады. Электромагниттік өріс зарядталған бөлшектердің арасындағы әрекеттесулерді іске асыратын материяның ерекше түрі. Ол шын бар, яғни бізге тәуелсіз, біздің ол жайлы білімімізге тәуелсіз өмір сүреді. Бірақ элоктромагниттік процестерді қай санақ жүйесінде қарастырып отырғанымызға байланысты біртұтас электромагниттік өрістің осы не басқа қыры көрінеді. Барлық инерциялық санақ жүйелері өзара тең құқықты. Сондықтан электромагниттік өрістің байқалатын көріністердің бірде-біреуінің артықшылығы болмайды.

Максвеллдің гипотезасы бойынша айнымалы электр өрісі магнит өрісін тудырады. Электромагниттік өріс біртұтас санақ жүйесіне тәуелді түрде өрістің бірде-бір, бірде екінші қасиеттері білінеді.

Электр зарядтары айналмалы қозғалғанда, яғни кез - келген айнымалы токта электр өрісі де, магнит өрісі де уақыт ағымына қарай өзгеріп отырады. Сонымен қатар, бұл өрістер, Максвеллдің 1865 жылғы теориялық пайымдауынша, өздерін біртұтас электормагниттік өріc түрінде көрсетеді.

16) Кванттық және статистикалық механиканың негізгі концепциялары.

Кванттық механика, толқындық механика бұл микробөлшектердің (элементар бөлшектердің, атомдардың, молекулалардың, атом ядроларының) және олардың жүйелерінің (мысалы, кристаллдардың) қозғалу заңдылықтарын анықтайтын, сондай-ақ, бөлшектер мен жүйелерді сипаттайтын физикалық шамаларды макроскопиялық тәжірибеде тікелей өлшен

етін шамалармен байланыстыратын теория.

Ол өрістің кванттық теориясында, кванттық химияда, кванттық статистикада, т.б. қолданылады. Кванттық механика бейрелятивистік (жарық жылдамдығымен салыстырғанда төмен жылдамдықтағы с) және релятивистік (жарық жылдамдығымен салыстыруға болатын жоғары жылдамдықтағы с) болып бөлінеді.

Бейрелятивистік кванттық механика (өзінің қолданылу аймағындағы Ньютон механикасы сияқты) – толық аяқталған, қайшылықтары жоқ, өз саласында кез келген есептерді шешуге мүмкіндігі бар теория. Керісінше, релятивистік кванттық механиканы мұндай теория қатарына жатқызуға болмайды. Классикалық механика кванттық механиканың жуықталған дербес түрі болып саналады.

Кванттық механиканың негізнің концепцияларын түсіндіру үшін, ең алдымен, оның негізгі ұғымдарына тоқталайық.

Кванттық механиканың тағы бір ережесі ретінде, мына сөйлемді алуға болады:

«Кванттық механика-теориялық механиканың іс-әрекеттердің Планк тұрақтысымен слыстыруға келетін физикалық құбылыстарды сипаттайтын бөлімі». Яғни негізгі ұғым ретінде алдымен Планк тұрақтысына тоқталу қажет. Планк тұрақтысы — әсерлерінің сипаты үздікті болатын көптеген физикалық құбылыстарды анықтайтын түбегейлі физикалық тұрақты. Планк тұрақтысы таңбасыменбелгіленеді. Бұл әмбебап тұрақтыны 1900 ж абсолюттық қара дененің сәуле шығару спектріндегі энергияның таралу заңдылықтарын зерттеу кезінде неміс физигі М.Планк енгізген. Оның ең дәлірек мәні Джозефсон эффектісі арқылы анықталған. і=(6,6261960,000050)*10-34 дәрежесі Дж*с.

Келесі термин Гейзенбергтің белгісіздік принципі болмақ. Белгісіздік приципі мәні- элементар бөлшектердің орналасуын анықтаудың мүмкін еместігі болып табылады. Макроәлемде дененің орналасуы мен жылдамдығын анықтау барысында біз оған әсер етпейміз, яғни біз дененің жылдамдығы мен коррдтнаталарын нөлдік белгісіздік нақтылығымен анықтай аламыз. Ал кванттық құбылыстар әлемінде кез келген өлшеу процесі жүйеге әсер етеді. Бөлшектің орналасуын өлшеу фактісінің өзі оның жылдамдығының болжанбайтын өзгерісіне әкеп соғады.

Ал енді кванттық механиканың физикалық мәніне келер болсақ, оны анықтайтын мынадай өрнектер белгілі.

А)Шредингер өрнегі;

Б)Де Бройль негізін қалаған кванттық бөлшек импульсі ментолқын ұзындығы арасындағы қатынас: ; ( или ).

С) Мынау Гейзенберг ұсынған өрнек:
( т.к. )

- белгісіздік (өлшеу ақауы) микробөлшек координаталары, (немесе ) – импульс белгісіздігі (немесе бөлшек жылдамдығы, - бөлщек массасы, - Планк тұрақтысы.

Статистикалық механика- ықтималдық теориясы әдісімен бөлшектердің шектік мәні іс-әрекетін зерттейтін статистикалық физика бөлімі. Оны ғылымға Макс Борн 1955 жылы енгізген болатын. Өріс жүйесінің статистикалық динамикасы статистикалық механика шегінен асып, статистикалық өрістер теориясына жатады. Яғни, қарап отырсақ, статистикалық физиканың екі түрі белгілі болып отыр: статистикалық механика және өрістердің статистикалық теориясы. Статистикалық механиканы әдетте тепе-теңдік және теңсіздік деген екі тармаққа бөліп қарастырады. Тепе-теңдік статистикалық механиканың жүйелі құрылысы 1902 жылы Дж. Гиббс арқасында жүзеге асты. Ал теңсіздік статисткалық механика негізін 1946 жылы Боголюбов Н.Н. қалаған болатын. Статистикалық механиканы анықтайтын мынадай формулалар белгілі:

Және

Рассматриваемая цепочка уравнений получается последовательным интегрированием уравнения Лиувилля по части переменных. В результате уравнение для s-частичной функции распределения имеет вид:

17) Кеңістік пен уақыт, материя туралы Эйнштейн ілімі. Эйнштейн кеңiстiк, уақыт және материя туралы түсiнiктi түбегейлi түрде өзгертiп салыстырмалылықтың арнайы және жалпы теориясын құрды.

Жалпы, салыстырмалылық теориясы бұл кез келген дененің төрт өлшемді уақыт континуумында орналасуы болып табылады. Бұл дегеніміз х,у, z координаталарынан басқа «уақыт» өлшемнің енгізілуі болып табылады.

Х Яғни бәрімізге белгілі мына декарттық

Жүйе енді тағы бір өлшеммен толықтырылды

у

z

Салыстырмалылықтың жалпы және арнайы теорияларына жеке-жеке тоқталар болсақ.

Жалпы салыстырмалылық теориясында кеңістік- уақыт қатынастарының материалдық процестерге қатысының жаңа жақтары ашылды. Жалпы салыстырмалылық теориясы инерциялық және гра-витациялық массалардың эквиваленттік принципінен шығады. Атап айтқанда, массалардың эквиваленттік принципінің негізінде салыстырмалылық принципі қалыптасты, ол жалпы салыстырмалылық теориясында табиғат заңдарының инварианттылығын бекітті.

Салыстырмалылық теориясы кеңістіктің ауырлық күшінің әсерінен майысатындығын және уақыт барысының күшті гравитациялық өрістерде баяулайтыкын анықтады.

Жалпы салыстырмалылық теориясының фантастикалық болжамдарының бірі - өте күшті тартылыс өрісінде уақыттың толық тоқтайтындығы туралы. Тартылыс күші артқан сайын уақыттың баяулауы да күшейе түседі. Уақыттың баяулауы жарықтың гравитациялық қызыл орын ауыстыруы арқылы байқалады да, толқындар үзындығы артқан сайын оның жиілігі азая береді. Белгілі бір жағдайда толқын үзындығы шексіздікке, ал жиілігі нөлге ұмтылады. Салыстырмалылық теориясы уақыт пен кеңістіктің бірлігін көрсетті, кеңістік-уақыттық төртөлшемдік контимуум туралы түсінік қалыптасты. Салыстырмалылық теориясы масса мен энергияны e=mc2 қатынасымен байланыстырды, мұнда С - жарық жылдамдығы. Салыстырмалылық теориясында екі заң - зат массасының және энергиясының сақталуы заңдары бірігіп, энергия және зат массасының сақталуы деген бір заңға айналды.

Ал арнайы салыстырмалылық теориясы бұл- вакуумда жарық жылдамдығынан аз, соның ішінде жарық жылдамдығына жақын жағдайдағы қозғалысты, механика заңдарын, кеңістіктік-уақыт қатынасындағы әртүрлі қозғалыс жылдамдықтарын сипаттайтын теория. Арнайы салыстырмалық теория шеңберінде Ньютонның классикалық механика теориясы төмен жылдамдықтардың жақындасуы болып табылады. Гравитациялық өрістегі арнайы теорияның жалпылануы жалпы салыстырмалық теориясы деп аталады. Арнайы салыстырмалық теориямен сипатталатын физикалық процестердің классикалық механика болжамдарынан ауытқуы релятивистік эффекті деген атауға ие, ал мұндай эффектілер жүзеге асатын жылдамдықтар релятивтік жылдамдық деп аталады. Арнайы салыстырмалық теориясының классикалық механикадан негізгі айырмашылығы кеңістіктік және уақыт сипаттамаларының жылдамдыққа тәуелдәлігі болып табылады. Өзiнiң теориясына Эйнштейн 2 постулатты енгiздi: Галилейдiң салыстырмалы механикалық принципiнiң жалпыламасы болатын салыстырмалылықтың арнайы принципi және вакуумдегi жарық жылдамдығының тұрақтылық принципi. Сол теориясының негiзiнде 1905 ж. масса мен энергияның байланыс заңын ашты. Эйнштейн кванттық теорияны құруға да маңызды роль атқарды. Егер 1900 ж. Макс Планк материалды осциллятордың энергиясын ғана кванттаса, ал Эйнштейн 1905 ж. жарықтық сәуле шығаруды, жарық квантының немесе фотондардың ағыны деп қарастырып, кванттық, дискреттiк құрылымын зерттедi. Жарықтың кванттық теориясының негiзiнде фотоэффект құбылысын түсiндiрдi. Аталмыш кеңістік пен уақыт, материя туралы Эйнштейн ілімді қарастыру барысында, алдымен бұл ілімде қолданылатын негізгі термин Лоренц өзгерісіне тоқталайық. Лоренц өзгерісі(преобразование) бұл псевдоэвклидтік кеңістіктегі өз ұзындығын, немесе соған эквивалентті вектордың скалярлық көбейтіндісін сақтайтын вектордың сызықтық өзгерісі болып табылады. Лоренц өзгерісі физикада, әсіресе арнайы салыстырмалық теорияда кең қолданысқа ие, себебі АСТ-да аффинналық псевдоклидтік кеңістік орнында төрт өлшемді кеңістіктік-уақыт континуумы орын алған.

18) Астрофизикалық және космологиялық концепциялар.

Бүкіл әлем туралы, оның қайдан, қалайша пайда болғандығы туралы мәселелер ежелден бері адамзатты толғандырып келе жатқан мәселелер болып табылады.

Діни көзқарастық ағымдар бул мәселерді әр алуан мағынада түсіндірді.

Ғылым пайда болғаннан кейін Әлем туралы мифтік және діни көзқарастар біртіндеп өзгере бастады. Бул арада әлем туралы анықтаманы бере кеткен жөн. Әлем дегеніміз - адамзат эмпирикалық бақылау жасай алатын, адамзат мекендеген кеңістік.

Әлемді космология ғылымы зерттейді. Космология ғылымның қорытындылары әлемнің жаратылысы мен дамуының жобалары деп аталады. Ал, космос деп Жер атмосферасынан тыс орналасқан кеңістікті атайды. Ежелгі Грецияда бул термин «тәртіп», «гармония» деген мағынада қолданылды. Сонымен космология әлемнің реттілік жүйесін, оның өмір сүру заңдылықтарын қарастырады.

Космологиялық зерттеулер бірнеше алғышарттарға негізделеді. Біріншіден, дүниенің физика ғылымы қалыптастырған әмбебап заңдары барлық Әлем үшін негізгі заңдар болып табылады. Екіншіден, астрономдар жүргізген барлық бақылаулардың бүкіл Әлемге қатысы бар. Үшіншіден, нақты ақиқат ретінде бақылау жүргізуші адамзаттың өмір сүру мүмкіндігіне шек келтірмейтін қорытындылар саналады.

Космологияның жасаған қорытындылары сонымен әлем дамуы-ның және пайда болуының жобалары болып саналады.

Барлық заңдар мен ғылыми теориялар жобалар болып саналады, өйткені ғылымның даму процесінде олар басқа концепциялармен ауыстырылуы мүмкін.

Космологияда біртекті изотропты күйдегі кеңейе беретін Әлемнің жобасы цабылданған, ол 1916 жылы Альберт Эйнштейн жасаған салы-стырмалылық теориясы мен тартылыстың релятивистік теориясына негізделеді.

Ғаламщар немесе космосты қазіргі ғылым өзара байланысқан, даму үстіндегі аспан денелерінің жүйесі ретінде қарастырады. Ғаламшар жұлдыздар маңында орналасқан планеталар жүйесін, жұлдыздар мен жұлдыздар жүйесі - галактиканы, галактикалық жүйесі – метагалактикан құрайды.

Ғаламшардағы материя топтасқан космостық денелер қозғалысьін береді, Аралас материя жеқелеген атомдар мен молекулалардан және орасан зор шаңдық бұлттар мен газды-шаңдық тұмандардан тұрады.

Күн жүйесінің пайда болуы туралы теорияларды усынушылар - неміс философы И.Кант және француз математигі П.С.Лаплас. Олар-дың біріккен теорияларын Кант. Лаплас гипотезасы деп атады.

И.Канттың болжамы бойынша, Күн жүйесі мәңгілік емір сүріп келе жатқан жүйе емес. Уақыт бойында тумандықтардың тартылыс күшінің әсерінен жеке аспан денелері пайда болады және олар бір жазықтың бойымен қозғала бастайды және олардың серіктері пайда болды.

Одан 50 жылдай уақыттан кейін П.С.Лаплас ез гипотезасын ұсынды. Лапластың космогониялық гипотезасы бойынша, Күн жүйесі айнала қозғалып тұрған газды түмандықтардан пайда болды.

Күн жүйесінің пайда болуы туралы келесі көзқарастар тобы ағылшын астрофизигі Дж.Х.Джинстің гипотезасынан басталды. Оның болжамы бойынша Күн басқа бір жулдызбен соқтығысқаннан кейін бөлінген газ ағындарынан ғаламшарлар пайда болды. Бірақ, жулдыздар арасындағы орасан үлкен қашықтықты есепке алсақ мундай соқтығысу мүлдем мүмкін емес сияқты. Джинс теориясы бойынша Күн жүйесі өз қурылым заңдылықтарына бағынатыны белгілі бір реттелген жүйе деп қарастырылмайды.

Күн жүйесі пайда болуы туралы қазіргі кездің концепциялары тек цана механикалық емес, электромагниттік күштерді де есепке алуды қажет етеді. Мұндай идеяны ұсынушылар швед астрофизигі Х.Альфвен мен ағылшын астрофизигі Ф.Хойл. Күн жүйесі пайда болуында электромагниттік күштер ерекше рөл атқарғандығы шындыққа жанасымды.

Күн мен ғаламшарлар пайда болған газды булттар электромаг-ниттік күштерге бағынатын иондалған газдардан қуралды. Орасан үлкен газды булттың жинақталуынан Күн пайда болғаннан кейін, одан қалған газдың қалдықтарынан гравитациялық күштің әсерінен ғаламшарлар пайда болды. Оларды магниттік күштің әсерімен Күн әрқилы қашықтықта устап турады. Ең үлкен ғаламшарлар пайда болғаннан кейін осы процесс кішілеу масштабта қайталанады, яғни олар пайда болған газ қалдықтарынан олардың серіктері пайда болды.

Күн жүйесінің пайда болуы туралы теориялар гипотезалар деңгейінде ғана, олардың шындыққа жақындығын бір жақты қарастыруға болмайды. Әлі де қайшылықты және түсініксіз жағдайлар көп.

Классикалық ғылымда ғаламшардың стационарлық күй теориясы қарастырылған, яғни ғаламшар бурын қандай күйде болса, қазір де сол күйде деп есептеледі.

Классикалық Ньютон космологиясында мынандай постулаттар бар:

Ғаламшар мәңгілік түтас дүние. Космология оны дәл қазіргі кездегі күйінде қарастырады.

Ғаламшардағы уақыт пен кеңістік абсолютті, олар материалды объектілер мен процестерге қатысты емес.

Уақыт пен кеңістік метрикалық түрде шексіз.

Ғаламшар өзгермелі емес. Тек жеке космостық денелер өзгеруі мүмкін.

Ғаламшардың қазіргі космологиялық жобалары А.Эйнштейннің салыстырмалылық теориясына негізделеді. Алғашқы жобаны 1917 жылы А.Эйнштейннің өзі жасады. Оның жобасы бойынша әлем кеңістігі шексіз, материя онда біркелкі орналасқан, денелердің тарты-лысы космологиялық тебілу күшті арқылы жүзеге асырылады.

19) Кванттық физиканың негізгі концепциялары.

Квант (нем. Quant, лат. quantum – қанша) – физиканың бөлінбес негізгі бөлімі.

1. табиғаты дискретті (үзілісті) физикалық шаманың мүмкін болатын өзгеруінің ең кіші мөлшері;

2. әсер кванты – негізгі физикалық тұрақтылардың бірі;

3. қандай да бір физикалық өрістің қасиетін тасушы бөлшек.

(мысалы, электрмагниттік өрістің кванты – фотон, дыбыс тербелістері өрісінің кванты – фонон).

Физикада болған ең ұлы төңкерiс ХХ ғасырдың бас кезiне дәл келедi. Тәжiрибеде байқалған жылудың сәуле шығару (қызған дененің электромагниттiк толқындар шығаруы)спектрлерiне энергияның үлестiрiлу заңдылықтарын түсiндiру мүмкiн болмады.Максвеллдiң сан рет тексерiлген электромагнетизм заңдарын заттың қысқаэлектромагниттiк толқындар шығару проблемасына қолданбақшы болғанда, кенет «қарсылық керсеттi». Бұл заңдардың антеннаның радиотолқындар шығаруын тамаша сипаттауы және өз кезінде электромагниттiк толқындардың барын осы зандар негiзiнде алдын ала айтуы таңқаларлық едi.

Максвеллдiң қызған дене электромагниттiк толқындар шығару салдарынан унемi энергия жұмсап шығындана отырып, абсолют нөлге дейiн салқындауы тиiс деген электродинамикасы мағынасыз тұжырым жасауға келтiрiлген-дi.

Классикалық теория бойынша зат пен толкын шығару арасында жылулық тепе-теңдiк болуы мүмкiн емес. Алайда күнделiктi тәжiрибеде шындығында мұндай ешнәрсе жоқ екенiн керсетедi. Кызған дене озiнiң барлық энергиясын электромагниттiк толқын шығаруға жұмсайды.

Физикада болған ең ұлы революция ХХ ғасырдың бас кезіне келеді тәжірибеде байқалған жылулық сәуле шығару спектрлерінде энергияның үлестірілу заңжылықтарын түсіндіру мүмкін болмады. Максвеллдің сан рет тексерілген электромагнитизм заңдарын заттардың

Классикалық теория бойынша зат пен толқын шығару арасында жылулық тепе-теңдік болуы мүмкін емес. Алайда күнделікті тәжірибеде шындығында мұндай ешнәрсе жоқ екенін көрсетеді. Қызған дене өзінің барлық энергиясын электромагниттік толқын шығаруға жұмсамайды.

Теория мен тәжірибе арасындағы осы қарама- қайшылықтан шығудың жолын іздеу барысында неміс физигі Макс Планк атомдар электромагниттік энергияны жеке порциялармен – кванттармен шығарады деп болжаған.

Әрбір порцияның Е энергиясы оны шығару жиілігі v-ге

E=hv

Пропорционалдық коэфиценті Һ Планк тұрақтысы деп аталады.