Современные проблемы физики. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 011200.68 «Физика» Магистерская программа «Техническая физика в нефтегазовых технологиях». Очной и заочной форм обучения (стр. 2 )

Планирование самостоятельной работы магистров (СРМ)

№	Темы	Виды СРМ	Неделя семестра	Объем часов
обязательные	дополнительные
Второй семестр
1.	1.Квантовая гравитация, космология. Общая теория относительности.	1. Работа с учебной литературой. 2. Проработка лекций 3. Работа над рефератом		1-5	8
2.	2.Физика высоких энергий. Физика элементарных частиц.	1. Работа с учебной литературой. 2. Проработка лекций 3. Работа над рефератом	1. работа с дополнительной литературой	6-10	8
3.	3.Эмпирические явления без четкого научного объяснения.	1. Работа с учебной литературой. 2. Проработка лекций 3.Работа над рефератом		11-15	10
4.	4. Физика конденсированного состояния.	1. Работа с учебной литературой. 2. Проработка лекций 3. Работа над рефератом	1. работа с дополнительной литературой	16-18	10
	Итого за 2 семестр:	36
Третий семестр
1	5. Волны в неоднородных средах.	1. Работа с учебной литературой. 2. Проработка лекций 3 Работа над рефератом		1-4	8
2	6. Фазовые переходы второго рода.	1. Работа с учебной литературой. 2. Проработка лекций 3. Работа над рефератом	1. работа с дополнительной литературой	5-9	10
3	7. Нелинейные феномены: турбулентность, солитоны, хаос, странные аттракторы	1. Работа с учебной литературой. 2. Проработка лекций 3. Работа над рефератом	1. работа с дополнительной литературой	10-13	8
4	8. Нанофизика и нанотехнологии	1. Работа с учебной литературой. 2. Проработка лекций 3. Работа над рефератом	1. работа с дополнительной литературой	14-16	6
5	9. Проблема происхождения жизни и мышления с точки зрения физики	1. Работа с учебной литературой. 2. Проработка лекций 3. Работа над рефератом		17-18	4
	Итого за 3 семестр:	36
	ИТОГО:	72

4.  Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами

№ п/п	Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин	Темы дисциплины необходимые для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1.	Подготовка к защите магистерской диссертации	+	+	+	+	+	+	+	+	+

5.  Содержание дисциплины.

Второй семестр

Тема 1. Квантовая гравитация, космология. Общая теория относительности. Вопрос об объединение квантовой механики и теории относительности. Непрерывность или дискретность пространства и времени. Самосогласованная теория – как продукт дискретной структуры пространства и времени. Квантовая гравитация. Тепловое излучение черных дыр и их внутренняя структура. Испарение черных дыр. Размерность и фундаментальные свойства Вселенной. Мультивселенная. Антропный принцип существования Вселенной. Ось времени.

Тема 2. Физика высоких энергий. Физика элементарных частиц. Механизм Хиггса, частицы Хиггса, проблемы иерархии полей. Отличие планковского масштаба от электрослабого. Масса бозона Хиггса и квантовые поправки. Магнитный монополь. Распад протона и Великое объединение. Суперсимметрия пространства в природе. Механизм нарушения суперсимметрии. Фундаментальная симметрия и нейтрино. Масса нейтрино и эволюция Вселенной. Превышение вещества над антивеществом. Осцилляции нейтрино. Квантовая хромодинамика. Внутреннее устройство нуклонов. Переход кварков и глюонов в пи-мизоны и нуклоны.

Тема 3. Эмпирические явления без четкого научного объяснения. Барионная асимметрия Вселенной. Космологические постоянные и нулевая энергия вакуума. Темная энергия, темная материя. Энтропия Вселенной. Проблема горизонта. Гипотезы инфляции и переменной скорости света. Реликтовое излучение и его особенности. Нарушение симметрии электрослабого взаимодействия. Масса нейтрино. Кризис спинопротона. Удержание цвета кварка. Гипотетические частицы.

Тема 4. Физика конденсированного состояния. Аморфные тела. Переход между жидкими и твердыми фазами, стеклование. Холодный ядерный синтез. Криогенная электронная эмиссия. Высокотемпературная сверхпроводимость и сверхтекучесть. Перспективы спинтроники. Мезоскопические и сильнокоррелированные электронные системы

Третий семестр

Тема 5. Волны в неоднородных средах. Распространение волн в случайных средах. Нелинейные волны, решение с обострением. Сходство и различие световых и электронных волн. Локализация волн беспорядком. Аномальная диффузия.

Тема 6. Фазовые переходы второго рода. Квантовые фазовые переходы. Переход волн в частицы. Затвердевание электронной жидкости. Моттовский переход. Переход сверхпроводника в изолятор. Локальная теория критических явлений. Локальный подход и построение единой теории жидкости.

Тема 7. Нелинейные феномены: турбулентность, солитоны, хаос, странные аттракторы. Нелинейные температурные волны в веществе. Базовые модели самоорганизации. Автоволновые процессы. Детерминированный хаос. Солитоны в диспергированных средах. Современные модели турбулентности. Бифуркация, перемежаемость и фликершум.

Тема 8. Нанофизика и нанотехнологии. Нанофизика и квантовый транспорт. Нанотехнологии. Стратегии и развитие нанотехнологий. Углеродные нанотрубки. Графен и топологические изоляторы. Теплообмен в присутствии наночастиц. Фуллерены.

Тема 9. Проблема происхождения жизни и мышления с точки зрения физики. Проблемы возникновения жизни. Ранние стадии биологической эволюции. Варианты первичного биосинтеза. Выбор кода. Биологическая асимметрия. Информация и ее свойства. Проблемы возникновения мышления. Свойства процесса мышления. Теория распознавания. Нейрокомпьютинг. Мышление и распознавание образов.

6.  Темы практических занятий

Второй семестр

Тема 1. Квантовая гравитация, космология (5 часов).

Тема 2. Физика элементарных частиц (5часов).

Тема 3. Темная материя и темная энергия (4 часа).

Тема 4. Сверхпроводимость. Турбулентность (4 часа).

Третий семестр

Тема 5. Нелинейные волны (4 часа).

Тема 6. Фазовые переходы (5 часов).

Тема 7. Детерминированный хаос. Модели самоорганизации (4 часа).

Тема 8. Графен. Углеродные нанотрубки. Фуллерены. (3 часа).

Тема 9. Информация. Энтропия. Распознавание образов (2 часа).

7.  Примерная тематика рефератов.

1. Фундаментальные константы природы и их роль в современной физике

2. Симметрия и законы сохранения в физике

3. Вещество: суперструны, стандартная кварково-лептонная модель, адроны, ядра, атомы, молекулы. Газовое, плазменное, твердое и жидкое состояния вещества.

4. Фундаментальные физические поля. Электромагнетизм и гравитация.

5. Скалярные поля. Бозон Хиггса. Слабое и сильное взаимодействия.

6. Глобальная и локальная калибровочная инвариантность. Поиск скрытых симметрий природы. Полевые теории Янга-Миллса.

7. Группа симметрии электрослабого взаимодействия. Модель Вайнберга-Салама. Квантовая хромодинамика и симметрия сильного взаимодействия.

8. Теории великого объединения (ТВО). Проблемы распада протона и существования магнитных монополей. Суперсимметрия и супергравитация.

9. Геометрический подход Эйнштейна-Калуцы в теории поля. Расслоенное пространство-время. Многомерные модели пространственно-временного континуума.

10. Связь физики элементарных частиц с космологией. Уравнение модели Вселенной. Этапы ее прошлой и будущей эволюции.

11. Фазовые переходы второго рода.

12. Свойства наноустройств.

13. Графен и электронные свойства.

14. Квантовый эффект Холла.

15. Конвективный теплообмен в присутствии наночастиц.

16. Нанотехнологии и развитие наук о жизни.

8.  Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы магистров. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (модуля).

8.1. Примерные задачи для самостоятельных и контрольной работы

Задача 1. Мезон, состоящий из пары «очарованных» кварков (), имеет в основном состоянии 13S1 массу М1=3,7 ГэВ, а в первом возбужденном состоянии 23S1 массу М2=3,7 ГэВ. Считая его водородоподобной системой, оценить в нерелятивистском приближении значение константы сильного взаимодействия αS.

РЕШЕНИЕ.

Энергия связи кваркония, находящегося на уровне n, в рассматриваемом приближении равна , где - приведенная масса мезона, Mc – масса одного кварка. По условия задачи , откуда Поэтому

Задача 2. Оценить значение массы mG,при которой имеет место объединение электромагнитного и гравитационного взаимодействий.

РЕШЕНИЕ.

Объединение электромагнитного и гравитационного взаимодействий имеет место, если осуществляется порядковое равенство - искомое значение массы объединения. В результате имеем ~~. Откуда ~ ~ ~, - масса Планка.

Задача 3. Принимая за величину постоянной Хабблаее значение в современную эпоху, выразить через постоянные фундаментальных взаимодействий размер Вселенной в атомных единицах (радиусах Бора).

РЕШЕНИЕ.

Поскольку эволюция крупномасштабных структур определяется дальнодействующими силами, искомая величина должна зависеть от констант и . Время жизни Вселенной ~H-1~3*10-7с . Время прохождения светом комптоновской длины волны электрона tc~~10-20 c. Отношение tH/tc ~ 3*1037~. Поэтому радиус Хаббла ~ сtH ~ ctC=~1026м.

Задача 4. Пользуясь моделью «мешков», оценить величину отношения энергии кварков к энергии глюонного поля в кварковой модели адронов.

РЕШЕНИЕ.

Пусть адрон состоит из n легких кварков, находящихся в «сферическом мешке» с характерным радиусом R. Из соотношения неопределенностей следует, что в этом случае импульс каждого кварка в ультрарелятивистском приближении p ~ , а энергия системы n кварков Ek ~ . Если плотность энергии глюонного поля ε, то энергия глюоков Eg ~ . Полная энергия «мешка» E= Ek+ Eg= +. Равновесный радиус «мешка» R0 определяется из условия dE/dR=0, откуда R0=. Поэтому при R=R0 отношение Ek / Eg=3 и не зависит от количества кварков в адроне.

Задача 5. Ядерная материя составляет основную часть вещества в видимой части Вселенной. Показать, что она является вырожденным газом Ферми. Разницей между протонами и нейтронами пренебречь.

РЕШЕНИЕ.

Известно, что радиус ядра в зависимости от числа частиц N содержащихся в нем нуклонов (протонов и нейтронов) меняется по закону R≈ (1,3*10-15м)N1/3. Для концентрации нуклонов внутри ядра имеем n=N/V=N/(4/3πR3) ≈1044м-3. Таким образом, плотность ядерного вещества не зависит от порядкового номера элемента в таблице Менделеева. Для энергии Ферми получим значение 27МэВ и, соответственно, для температуры Ферми 3*1011К. Поскольку характерной температурой для ядерной материи является температура термоядерных реакций T≈107÷108 К, условие вырожденности TF>>T для газа Ферми выполнено.

Задача 6. Оценить для идеального газа при давлении p=105 Па и температуре Т=300 К размер так называемого физически бесконечно малого объема (ФБМО) и количество находящихся в нем частиц (атомов или молекул).

РЕШЕНИЕ.

В статической физике и физике сплошных сред под ФБМО подразумевают очень малую область пространства, содержащую достаточно много частиц. При этом какие-либо количественные оценки параметров ФБМО отсутствуют. Для их получения будем полагать, что ФБМО – это минимально возможный объем VФ ~ t3Ф с числом частиц ~ nl3Ф , в котором начинают проявляться статистические свойства системы, т. е. за время ~ lФ/u0 ~ l/u0NФ хотя бы одна, но любая из содержащихся ФБМО частиц испытывает столкновение. При этом lФ ~ l/NФ ~ l/nl3Ф, где l ~(nr02)-1- обычная длина свободного пробега; n, u0, r0 – соответственно характерная концентрация, скорость и размер частиц. Используя выражение для числа Ван-дер-Ваальса W~r0/l ~ nr03, для lФ будем иметь lФ4~l2r02, lФ2~Wl2.Отсюда lФ ~ , а число частиц ФБМО NФ ~nl3W3/2~W-1/2. При р=105 Па и Т=300 К величина W~10-4, откуда NФ ~102 частиц. Объем ФБМО VФ~ W3/2l3~3*10-26 м3. Таким образом, при описании сплошной среды, например с помощью уравнений Навье-Стокса, объем VФ является той «точкой», в которой имеет смысл понятие температуры и других макроскопических параметров.

Задача 7. Согласно теории Эйнштейна, кривизна пространства – времени создается гравитационным полем в присутствии масс и проявляется, например, при обычном бросании тела вертикально вверх. Основываясь на этом примере, вычислить кривизну пространства – времени у поверхности Земли и ее отношение к кривизне K3=R3-1 земной поверхности (R3 ≈ 6,5*106 м).

РЕШЕНИЕ.

Для определения кривизны пространство и время следует измерять в одинаковых единицах. Пусть «временной» координатой является величина x=ct (рисунок 1). Тогда при бросании тела вверх со скоростью v0 уравнение движения по оси y будет иметь вид . Учитывая, что кривизна определяется выражением

, при условии v0<<c у поверхности Земли, т. е. при t→0, будем иметь Отсюда отношение и пространство остается фактически плоским.

Рисунок 1

8.2. Вопросы к зачету по дисциплине «Современные проблемы физики» 2 семестр.