Ştiri:

Vă rugăm să citiţi Regulamentul de utilizare a forumului Scientia în secţiunea intitulată "Regulamentul de utilizare a forumului. CITEŞTE-L!".

Main Menu

Intrebari de la liceeni despre fizica particulelor

Creat de Adi, Decembrie 07, 2008, 04:12:21 AM

« precedentul - următorul »

0 Membri şi 1 Vizitator vizualizează acest subiect.

Adi

Astazi, 6 decembrie, am primit o serie de intrebari foarte bune de la un licean din clasa a XII-a, pasionat de fizica. Le pun mai jos si raspund la ele pe rand. O sa ii raspund lui Lucian in postul urmator.

Lucian:
Sunt in clasa a 12a la informatica, dar voi urma calea fizicii, de care sunt extrem de pasionat..

Dupa cum bine stim E.cinet=1/2mv^2, este o formula aproximativa, cea corecta este relativista. Deci cresc simultan in timpul accelerarii: energia si masa si viteza, nu ? Rezulta cand aplicam formula relativista a lui Einstein, mai ales in apropierea lui c. Se zicea odata ca masa tinde chiar spre infinit daca o acceleram aproape spre c, dar tocmai azi mai aflam ca un corp adus la viteza luminii, in ziua de azi la LHC, nu mai face la fel. Dovada chiar protonii accelerati la 99,99% din c, care nu au devenit enormi, infiniti. Deci teoria si formula lui Einstein au fost gresite. Dar unde e gresala , va rog sa ne lamuriti, daca vreti si puteti.

As dori mai multe lamuriri si cu privire la ce este masa si acesti bozoni, de unde ii luam, cat mai pe intelesul nostru, al elevilor. Am cautat peste tot, dar nu am inteles nimic.

Si o ultima intrebare legat de faptul ca lumina este materie, dar nu are masa de repaus, dar are de miscare. Asta se intampla numai daca un corp are obligatoriu viteza luminii.. Este posibil ca masa de repaus sa devina total masa de miscare si invers? Deci ce este masa ?

Am auzit si termenul masa gravitationala, asta este o masa de repaus si se supune legilor gravitatiei, atrage si este atrasa.. Dar daca corpul capata viteza luminii, pierde aceasta propietate. Deci protonii accelerati la 99,99% din c, sufera sau nu aceste transformari ?
Foarte posibil ca sa aflam in foarte scurt timp si marele secret al gravitatiei, daca reuseste experimentul cu particula lui dumnezeu. Posibil ca lumina incetineste si se opreste daca se ciocneste intrun anumit fel si devine masa gravitationala, adica devine bozon higgs, asa se explica apoi totul.

Este adevarat ca lumina care trece printrun mediu, de ex sticla, are o viteza mai mica, cu un factor 1/radical epsilon relativ ? Daca da, de ce nu devine materie ? Lumina prin sticla deci poate ajunge la 150.000 km/s, dar protonii aceea in vidul acceleratorului au practic viteza dubla decat a luminii prin sticla.

In accelerator e vid, de ce se mai scade temperatura, ca tot nu se transmite protonilor nimic prin vid, ei sunt inghetati la zero kelvin.
Protonii sunt sarcini electrice pozitive, deci ei reprezinta un curent. Trebuie sa se supuna unor legi. Mai multe sarcini in miscare in acelasi sens trebuie sa se atraga, nu, asa-i teoria. Se atrag si in accelerator, formeaza protonii razleti dupa un timp un singur corp ?
Multumesc anticipat, sper ca macar un raspuns lamuritor sa primesc si sa-l inteleg.
Pagina personala: http://adrianbuzatu.ro

Adi

#1
Foarte bune intrebari, Lucian. Se vede ca stii multe lucruri si iti pui intrebari. Este foarte frumos sa vedem elevi liceeni asa de pasionati ca si tine. Sunt cateva lucruri pe care le-ai inteles gresit, asa ca le voi lamuri mai jos. Sper sa te ajute si apoi sa revii cu noi intrebari sau comentarii.

Citat din: Adi din Decembrie 07, 2008, 04:12:21 AM
Dupa cum bine stim E.cinet=1/2mv^2, este o formula aproximativa, cea corecta este relativista. Deci cresc simultan in timpul accelerarii: energia si masa si viteza, nu ?

Da, asa este.

Citat din: Adi din Decembrie 07, 2008, 04:12:21 AM
Rezulta cand aplicam formula relativista a lui Einstein, mai ales in apropierea lui c.

Nu inteleg ce vrei sa zici, fraza pare incompleta.

Citat din: Adi din Decembrie 07, 2008, 04:12:21 AM
Se zicea odata ca masa tinde chiar spre infinit daca o acceleram aproape spre c, dar tocmai azi mai aflam ca un corp adus la viteza luminii, in ziua de azi la LHC, nu mai face la fel. Dovada chiar protonii accelerati la 99,99% din c, care nu au devenit enormi, infiniti. Deci teoria si formula lui Einstein au fost gresite. Dar unde e gresala , va rog sa ne lamuriti, daca vreti si puteti.

Se zicea odata, dar se zice si in prezent. Da, pe masura ce viteza corpului tinde catre viteza luminii, atunci energia si masa ii devin infinite. Ai inteles gresit ca la LHC nu s-ar intampla asa. La LHC energia protonilor (cand vor fi accelerati la energia nominala) va fi de 7 TeV, adica de aproximativ 7000 de ori mai mare decat masa de repaus. Adica au o energie cinetica foarte foarte mare. De accea merg cu 99.9999996% parca din viteza luminii, dar tot au viteza mai mica decat viteza luminii. Teoria lui Einstein este in total acord cu experimentele de la toate acceleratoarele de partciule din lume (LHC nu va fi singurul). Desi au masa mai mare, protonii nu incep sa aiba un volum mai mare. Ci doar au energie cinetica mai mare, care se vede in o masa mai mare E=mc2, dar masa de repaus le ramane la fel.

Citat din: Adi din Decembrie 07, 2008, 04:12:21 AM
As dori mai multe lamuriri si cu privire la ce este masa si acesti bozoni, de unde ii luam, cat mai pe intelesul nostru, al elevilor. Am cautat peste tot, dar nu am inteles nimic.

Sigur ... am scris foarte multe texte introductorii in fizica particulelor, pe intelesul vostru al elevilor. Cel mai bun material insa este cel de la siteul www.ParticuleAdventure.org, pe care noi l-am tradus in limba romana (iar traducerea o poti citi pe siteul nostru FizicaParticulelor.ro. Cand ajungi la final, jos de tot dai next si sunt vreo 6 astfel de articole. Apoi am si o prezentare PPT, pe care insa ti-o voi da apoi. Voi putea tine si niste lectii de fizica particulelor pentru liceeni pe Skype, daca sunt dorite).

Avem un site intreg dedicat fizicii particulelor, cu multe materiale traduse si scrise, eu chiar sunt doctorand in acest domeniu, deci daca vrei sa inveti mai multe despre fizica particulelor, ai venit unde trebuie ...

Citat din: Adi din Decembrie 07, 2008, 04:12:21 AM
Si o ultima intrebare legat de faptul ca lumina este materie, dar nu are masa de repaus, dar are de miscare.

Corect, asa este. In relativitate, [tex]E^2=(m_0*c^2)^2+(p*c)^2[/tex], adica energia totala la patrat este egala cu energia de repaus la patrat plus energia de miscare la patrat. Un fel de teorema lui Pitagora pe energii. Pentru protonii de la LHC, primul termen este de 7000 de ori mai mic decat al doilea, asa ca daca incerci sa construiesti un triunghi dreptunghic pastrand proportiile ai vedea ca e ca si cum prima latura nu ar exisa si atunci poti aproxima usor ca energia este formata doar din energia de miscare. Deci la energiile de la LHC, e ca si cum protonii nu ar avea masa de repaus, e ca si cum toata energia lor ar fi energie de miscare, e ca si cum ar fi ca lumina. Totusi, in realitate au o masa mica, dar nenula, ceea ce face ca energia lor sa fie cu putin mai mare, dar totusi mai mare decat energia de miscare si deci ei sa mearga cu putin, foarte putin, dar putin mai mica viteza decat viteza luminii.

Pentru lumina e simplu, m0 este zero, deci E=pc, egalitate stricta, adica intreaga energie a fotonului vine din energia de miscare si invers. Nu vei putea vedea niciodata un foton in repaus. Sper ca este un pic mai clar acum.

Citat din: Adi din Decembrie 07, 2008, 04:12:21 AM
Asta se intampla numai daca un corp are obligatoriu viteza luminii..

Exact, tocmai de aceea lumina are viteza luminii :).

Citat din: Adi din Decembrie 07, 2008, 04:12:21 AM
Este posibil ca masa de repaus sa devina total masa de miscare si invers?

Da, este posibil atunci cand o particula masiva in repaus (deci intreaga energie a sistemului este sub forma de masa de repaus) se dezintegreaza (se descompune) in alte particule cu masa mai mica. Pentru a conserva energia, aceste particule vor fi in miscare. Iar energia lor de miscare este parte din energia de repaus a particulei masive de mai inainte. Aceasta se obtine de exemlu atunci cand un neutron in repaus se dezintegreaza intr-un proton aproape in repaus, intr-un electron si un neutrino care merg cu viteza foarte mare. Sau cand un muon se dezintegreza intr-un electron si doi neutrino.

Si invers este posibil si aceasta se face in acceleleratoarele de particule. De exemplu, la acceleratorul american Tevatron, care a fost cel mai energetic accelerator de particule din lume in ultimele doua decenii (dar va fi intrecut in curand de LHC) se ciocnesc protoni si antiprotoni, adica materie si antimaterie. Ei au energii de 1000 de ori mai mari decat masa lor de repaus (deci la LHC vor avea energii de 7 ori mai mari). Astfel cand se ciocnesc, un cuarc si un anticuarc se anihileaza, iar energia lor de miscare se transforma in masa prin crearea de alte particule. Unele din ele sunt foarte masive si sunt produse aproape in repaus, precum bozonii W si bozonii Z, sau cuarcii top.

Poti sa iti inchipui energia de repaus drept energia de a exista in repaus. Cand esti in repaus, ai energia aia. Majoritatea particulelor au energie cand sunt in repaus, mai putin fotonul (si gluonii) care au energia strict zero cand sunt in repaus. Dar mecanica cuantica impiedica sa stii in acelasi timp cu precizie infinita si pozitia si viteza unei particule, de aceea nu poate un foton sa fie in repaus niciodata.

Citat din: Adi din Decembrie 07, 2008, 04:12:21 AM
Deci ce este masa ?

Masa este masura inertiei unei particule la schimbari, la forte. Cred ca stii definitia din fizica clasica, cea a inertiei. Exact asta este masa. Daca ai o forta F ce o aplici unui corp m, cu cat masa este mai mare, cu atat acceleratia este mai mica, conform F=ma.

Citat din: Adi din Decembrie 07, 2008, 04:12:21 AM
Am auzit si termenul masa gravitationala, asta este o masa de repaus si se supune legilor gravitatiei, atrage si este atrasa.

Da, conceptual exista masa inertiala (de care am vorbit mai sus) si masa gravitationala. Masa gravitationala joaca conceptual rolul sarcinii electrice in formula lui Coulomb, adica forta de atractie intre doua mase este cu atat mai mare cu cat masele sunt mai mari. In acest sens, masa este taria cu care forta gravitationala va actiona asupra unui corp. Este o coincidenta remarcabila in Univers ca masa gravitationala este egala ca valoare numerica cu forta inertiala (Cel putina pana pe la zecimala a 12-a parca, cat a aratat experimental fizicienul maghiar Otvos). Pe baza acestei inegalitati, Einstein si-a construit teoria generala a relavitatii, care explica forta gravitationala nu ca o forta, ci ca o curbare geometrica a spatiu-timpului. Astfel, in teoria generala a relativitatii nu mai este nevoie de conceptul de forta gravitationala, ci doar de acela ca o masa curbeaza spatiu-timpul, apoi alte corpuri se misca "in linie dreapta" adica pe o geodezica in acest spatiu-timp curb, dar cand privesti doar din spatiu, se vede o traiectorie circulara. Acesta este asadar mica introducere in teoria relativitatii, discutia este mai larga si trebuie sa citesti tu intai mai mult.

Citat din: Adi din Decembrie 07, 2008, 04:12:21 AM
Dar daca corpul capata viteza luminii, pierde aceasta propietate.

Aici ai inteles gresit. Forta gravitationala creste odata cu masa, care creste odata cu viteza. Lumina, desi nu are masa de repaus, tot are o traiectorie curbata atunci cand trece pe langa o masa. A fost una din cele trei predictii ale teoriei relativitatii generalizate a lui Einstein (din 1916), care a fost verificata experimental in 1919 de doua expeditii independente la o eclipsa totala de Soare. Deci si pentru lumina, forta gravitatioala exista si o influenteaza. La fel pentru orice particula care are energie mare si viteza mare.

Citat din: Adi din Decembrie 07, 2008, 04:12:21 AM
Deci protonii accelerati la 99,99% din c, sufera sau nu aceste transformari ?

Cum ziceam mai sus, si protonii care merg cu 99.99% din c sufera atractia gravitationala.

Citat din: Adi din Decembrie 07, 2008, 04:12:21 AM
Foarte posibil ca sa aflam in foarte scurt timp si marele secret al gravitatiei, daca reuseste experimentul cu particula lui dumnezeu.

Nu al gravitatiei, ci al masei. Particula lui Dumnezeu este bozonul Higgs, particula pe care o caut eu si altii in cadrul doctoratului meu. Gravitatia este prea slaba la nivel subatomic, la energiile prezente in acceleratoarele din prezent, de aceea poate fi neglijata. Nu avem inca o teorie a gravitatiei la nivel cuantic inca, cei mai buni candidati fiiind teoria corzilor si quantum loop gravity, dar sunt doua teorii inca in lucru.

Citat din: Adi din Decembrie 07, 2008, 04:12:21 AM
Posibil ca lumina incetineste si se opreste daca se ciocneste intrun anumit fel si devine masa gravitationala, adica devine bozon higgs, asa se explica apoi totul.

Mecanismul Higgs explica masa particulelor elementare in felul urmator. Universul este un mediu prin care merg toate particulele, inclusiv lumina. Numai ca mediul acesta este mai mult sau mai putin vascos pentru diferite particule. Cu cat este mai vascos, cu atat particulele avanseaza mai incet, pentru o anumita energie fixa, ceea ce e echivalent cu a spune ca au o masa mai mare. Astfel, vidul este permeat de campul Higgs si atunci vidul este foarte vascos pentru cuarcul top (175 GeV/c^2), bozonul Z (90 GeV/c^2), bozonul W (82 GeV/c^2), dar mai putin vascos pentru cuarcul bottom (5 GeV/c^2) si inca si mai vascos pentru proton si neutron (aproximativ 1 GeV/c^2) si inca si mai putin vascos pentru electron (0.0005 GeV/c^2) si nu este vascos deloc pentru foton (care are masa de repaus 0 GeV/c^2, strict zero).

Astfel, lumina in vid merge cu viteza maxima, viteza luminii, nu franeaza deloc, nu devine masa gravitationala, nu devine bozon Higgs si nu se explica nimic. Explicatia e data de mecanismul Higgs prezentat de mine mai sus. Desigur, este inca o ipoteza, trebuie confirmata sau infirmata experimental si de aceea cautam bozonul Higgs la acceleratorul Tevatron si la acceleratorul LHC.

Citat din: Adi din Decembrie 07, 2008, 04:12:21 AM
Este adevarat ca lumina care trece printrun mediu, de ex sticla, are o viteza mai mica, cu un factor 1/radical epsilon relativ ?

Este adevarat ca atunci cand trece printr-un mediu, lumina are o viteza mai mica, dar nu cu acest factor, ci cu 1 supra radical din epsilon ori mu, unde epsilon tine de partea electrica si mu de partea magnetica. Lumina eeste doar unda electromagnetica. Iata aici formula exacta si explicata.

Citat din: Adi din Decembrie 07, 2008, 04:12:21 AM
Daca da, de ce nu devine materie ? Lumina prin sticla deci poate ajunge la 150.000 km/s, dar protonii aceea in vidul acceleratorului au practic viteza dubla decat a luminii prin sticla.

Pentru ca definitia luminii nu e ca ceva ce merge cu viteza luminii in vid. Peste tot unde mai sus am spus eu si tu "viteza luminii" trebuie inteles "viteza luminii in vid". Trebuie precizat "in vid" tocmai pentru ca in alte medii lumina merge mai incet. S-a reusit chia sa mearga lumina cu 20 de km pe ora, adica si tu cu bicicleta pe sosea poti merge mai repede ca lumina in acel mediu.

Asa cum vei citi in traducerea Aventurii Particulelor la care ti-am dat link mai sus, in general particulele sunt de doua feluri: particule de materie (protonii, electronii) si particule care transmit fortele prin care particulele de materie interactioneaza intre ele (fotonii, bozonii W, Z, cuarcii). Deci fotonii sunt cei care permit protonilor si electronilor sa interactioneze intre ei. Din punct de vedere fizic, fiecare particula are niste proprietati particulare, precum spinul si particulele de materie au spin semi-intreg (1/2, 3/2) si particulele ce mediaza fortele si interactiunile au spin intreg (1, 2). De asta lumina nu devine materie si materia nu devine lumina. In schimb lumina poate fi absorbita de materie. Sau materia si antimateria se pot anihila pentru a produce doi fotoni de lumina. In general, orice interactiuni sunt permise la nivel elementar, daca se conserva legile de simetrie cerute.

Citat din: Adi din Decembrie 07, 2008, 04:12:21 AM
In accelerator e vid, de ce se mai scade temperatura, ca tot nu se transmite protonilor nimic prin vid, ei sunt inghetati la zero kelvin.

O alta buna intrebare. Protonii se deplaseaza intr-un tub cilindric, iar in acel tub este vid (sau un vid foarte foarte inaintat, ca tot mai scapa o molecula, doua). Temperatura joasa nu este in tub (nici nu ai cum sa definesti temperatura decat acolo unde sunt multe molecule). Numai ca orice particula tinde sa mearga in linie dreapta (principiul inertiei al lui Galilei, nu?). Ca sa tii protonii pe un cerc, trebuie sa actionezi cu o forta asupra lor care sa ii atraga spre centrul cercului. Aceasta forta este asigurata de un camp magnetic. Campul magnetic este dat de niste magneti prin care trece curent electric (electromagneti, solenoizi). Dar trebuie un camp magnetic foart efoarte intens pentru ca si protonii au energie foarte foarte mare, asa ca trebuie un curent electric intens, dar acesta ar consuma multa energie prin efectul Joule. Din fericire, exista supercondcutori, adica conductori prin care trece curent electric cu pierdeze nu mica, nici foarte mica, ci zero, de caldura. Astfel, curenti inalti pot trece prin solenoizi pentru a tine protonii pe cerc. Ei bine, dar magnetii trec de la stadiul de magneti normali la stadiul de magneti superconductori doar cand sunt foarte reci, la aproape 3 grade Kelvin. La LHC vor fi chiar 1.9 Kelvin parca. Deci temperatura aceasta nu este in teava prin care se misca protonii, caci acolo e vid, ci magnetii, care sunt in afara tevii, ei sunt raciti. Si tot acolo a avut loc defectiunea care a oprit acceleratorul pentru cateva luni, dar asta e alta poveste.

Citat din: Adi din Decembrie 07, 2008, 04:12:21 AM
Protonii sunt sarcini electrice pozitive, deci ei reprezinta un curent. Trebuie sa se supuna unor legi. Mai multe sarcini in miscare in acelasi sens trebuie sa se atraga, nu, asa-i teoria. Se atrag si in accelerator, formeaza protonii razleti dupa un timp un singur corp ?

Din cauza fortelor electrice, protonii tind sa se respinga, nu se atraga. Nu cred ca merge rationamentul ca sunt curenti. Trebuie luati ca si sarcini electrice. Pentru a nu se respinge si pentru a sta impreuna in detector, sa mearga ca un grup, se folosesc diferite tehnici pe care nici eu nu le stiu detaliat, dar ca idee, se trimite un fascicul de electroni in aceeasi teava si acest fascicu tinde sa adune protonii impreuan si sa ii impidice sa se indeparteze. De asemenea pe langa magnetii care tin fasciculul pe cerc, exista si magnetic care periodic duc protonii spre centru tevii, caci ei au tendinta sa se respinga intre ei sa mearga spre marginea tevii.

Citat din: Adi din Decembrie 07, 2008, 04:12:21 AM
Multumesc anticipat, sper ca macar un raspuns lamuritor sa primesc si sa-l inteleg.

Cu mare placere. Ai pus intrebari foarte bune. Sper sa te ajute raspunsurile mele. Citeste Aventura Particulelor, in engleza sau in traducerea noastra in romana, vei intelege foarte multe lucruri de acolo.

Cu bine si te mai asteptam,
Adi
Pagina personala: http://adrianbuzatu.ro

Alexu`

Salut!

Am o intrebare...la care am aflat raspunsul si am uitat...

Deci cum sa ajuns la concluzia ca sunt 10 dimensiuni spatiale si una temporara??

PS: mentionez ca am folosit search dar nam gasit

Adi

Citat din: Alexu` din Decembrie 27, 2008, 06:23:42 PM
Salut!

Am o intrebare...la care am aflat raspunsul si am uitat...

Deci cum sa ajuns la concluzia ca sunt 10 dimensiuni spatiale si una temporara??

PS: mentionez ca am folosit search dar nam gasit

Salut! Este vorba de teoria corzilor (in engleza string theory). Teoria prezice aceasta. Dar atentie, este o teorie inca neverificata experimental, deci stiinta nu pretinde ca exista 11 dimensiuni. Avem si noi pe site articole despre teoria corzilor, foloseste motorul de cautare din dreapta sus de pe site.
Pagina personala: http://adrianbuzatu.ro

Alexu`

Multumesc ca mai ajutat...
Mai am cateva intrebari asemanatoare dar incerc sami raspund singur sau sa ma documentez
Poate mai revin ;)

Adi

Pagina personala: http://adrianbuzatu.ro

HarapAlb

Citat din: Alexu` din Decembrie 27, 2008, 06:23:42 PM
Deci cum sa ajuns la concluzia ca sunt 10 dimensiuni spatiale si una temporara??
Din cate am inteles extra-dimensiunile apar din modul cum se construieste modelul cuantic al gravitatiei, practic ele sunt necesare.
In general un model teoretic cu cat este mai complex, cu atat poate sa explice mai multe fenomene. Teoretic s-ar putea construi un model cu, de exemplu, 30 de dimensiuni, insa este preferat cel cu 10 pentru ca are o complexitate minima.

Adi

Pe langa teoria corzilor, mai exista o teorie cuantica a gravitatiei, anume quantum loop gravity. Nu mai stiu daca aceasta teorie cere si ea existenta unor dimensiuni suplimentare ale spatiului.
Pagina personala: http://adrianbuzatu.ro