A popular science introduction of concepts of classical physics. In Romanian.

1. Fizica: de la clasică la
cuantică și mai departe
O viziune antropologic-informațională asupra fizicii

2. Introducerea cursului
Suntem deprinși cu ideea că omul este modelat conform legilor
Naturii. Dar care este “natura” legilor Naturii? Legile naturii cum
le știm noi sunt ele insuși o creație umana, deci reflectă
posibilitațile și limitele capacității umane de a percepe, procesa
și stoca informația despre lumea inconjurătoare.
Scopul prezentului curs este de a aborda un subiect cum este
fizica din punctul de vedere informațional. Diferite părți ale fizicii,
cum ar fi fizica statistica sau mecanica cuantica, au deja vazut o
astfel de abordare. In ciclul de lecții care se va desfașura va fi
propusă o abordare sistematica pornind de la macanica clasica,
după care va fi introdusă abordarea cuantica și relativistă.

3. Planul cursului
• Lecția 1: Legile mechanicii clasice: o reflecție a naturii
(umane)
• Lecția 2: Mechanica cuantica: o resturnare a imaginii
realițătii
• Lecția 3: Fizica statistica: să știm bine ceace nu știm
• Lecția 4: Teoria relativității: încă o lovitură “imaginei
perfecte” a Naturii
• Lecția 5: Găurile negre: poate fi distrusă, sau nu,
informația?

4. Legile mechanicii clasice:
o reflecție a naturii
• Observabilele clasice și unitățile de măsură
• Aparatul matematic limbajul fizicii
• Legile lui Newton: legătură intre geometrie și
timp
• (Pre)concepția timpului absolut și spațiului
absolut

5. Suntem ființe umane in general dotate cu:
• doi ochi pentru a vedea (în 3D)
• două urechi pentru a auzi (stereo)
• două mâini pentru a accesa spațiul în jurul nostru
• un creier pentru prelucrarea și stocarea datelor…
“Observatorul”

6. Suntem ființe umane in general dotate cu:
• doi ochi pentru a vedea (în 3D)
• două urechi pentru a auzi (stereo)
• două mâini pentru a accesa spațiul în jurul nostru
• un creier pentru prelucrarea și stocarea datelor…
“Observatorul”

7. Suntem ființe umane in general dotate cu:
• doi ochi pentru a vedea (în 3D)
• două urechi pentru a auzi (stereo)
• două mâini pentru a accesa spațiul în jurul nostru
• un creier pentru prelucrarea și stocarea datelor…
“Observatorul”

8. Suntem ființe umane in general dotate cu:
• doi ochi pentru a vedea (în 3D)
• două urechi pentru a auzi (stereo)
• două mâini pentru a accesa spațiul în jurul nostru
• un creier pentru prelucrarea și stocarea datelor…
“Observatorul”

9. Suntem ființe umane in general dotate cu:
• doi ochi pentru a vedea (în 3D)
• două urechi pentru a auzi (stereo)
• două mâini pentru a accesa spațiul în jurul nostru
• un creier pentru prelucrarea și stocarea datelor…
“Observatorul”

10. Suntem ființe umane in general dotate cu:
• doi ochi pentru a vedea (în 3D)
• două urechi pentru a auzi (stereo)
• două mâini pentru a accesa spațiul în jurul nostru
• un creier pentru prelucrarea și stocarea datelor…
“Observatorul”

11. Suntem ființe umane in general dotate cu:
• doi ochi pentru a vedea (în 3D)
• două urechi pentru a auzi (stereo)
• două mâini pentru a accesa spațiul în jurul nostru
• un creier pentru prelucrarea și stocarea datelor…
“Observatorul”

12. Suntem ființe umane in general dotate cu:
• doi ochi pentru a vedea (în 3D)
• două urechi pentru a auzi (stereo)
• două mâini pentru a accesa spațiul în jurul nostru
• un creier pentru prelucrarea și stocarea datelor…
“Observatorul”

13. Suntem ființe umane in general dotate cu:
• doi ochi pentru a vedea (în 3D)
• două urechi pentru a auzi (stereo)
• două mâini pentru a accesa spațiul în jurul nostru
• un creier pentru prelucrarea și stocarea datelor…
“Observatorul”

14. Limitarile observatorului
• Ca și orice aparat mecanic sau electronic
“aparatele” noastre de masurare au limitari
fizice…
• De exemplu ochiul uman vazut ca o camera are
cca. 500 Mpx. (comparați cu telescopul spațial
Hubble care are 1.5 Gpx.)
• Exista regiuni în care sensurile noastre sunt cele
mai bune. De acolo începem…

15. Observabilele
• Cantițățile care le putem măsura (spre deosebire
de cele abstracte) se numesc observabile
• In mecanica clasică nu ar exista vreo restricție in
cea ce priveste observațiile, așa că practic toate
cantitațile cu care operăm pot fi numite
observabile

17. Dimensiunea
• Diferite observabile au natura diferită
• Unele cantități sunt asemănătoare cu distanța,
altele cu timpul, etc.
• In mecanica apar trei dimensiuni fundamentale:
lungimea (L), timpul (T) și masa (M)
• Orice observabilă în mecanică e o combinație
de aceste trei dimensiuni

18. Dimensiunea
• Diferite observabile au natura diferită
• Unele cantități sunt asemănătoare cu distanța,
altele cu timpul, etc.
• In mecanica apar trei dimensiuni fundamentale:
lungimea (L), timpul (T) și masa (M)
• Orice observabilă în mecanică e o combinație
de aceste trei dimensiuni

19. Dimensiunea
• Diferite observabile au natura diferită
• Unele cantități sunt asemănătoare cu distanța,
altele cu timpul, etc.
• In mecanica apar trei dimensiuni fundamentale:
lungimea (L), timpul (T) și masa (M)
• Orice observabilă în mecanică e o combinație
de aceste trei dimensiuni

20. Viteza: distanța parcursă într-o unitate de timp
[v]=L/T
Accelerarea: viteza schimbării vitezei
[a]=L/T2

21. Rolul dimensiunii
• Importanța dimensiunii e mai mare decât s-ar parea…
• Deja în mecanica clasică analiza dimensională poate
revela unele caracteristici a sistemului fără cunașterea
sistemului în detalii
• In fizica statistică și cuantică rolul dimensiunii e și mai
important:relația cunoscută ca grupul de renormări
(renormalization group) ne oferă șansa să evaluam
unele observabile în situații extreme, dificile pentru
aplicare altor metode, e.g. în tranziții de fază…

22. Unitățile de măsură
• Ca să cuantificăm rezultatele observărilor
trebuie să le comparam cu măsuri standard
• In Sistemul International (SI), sunt aleși:
• metru (L)
• secunda (T)
• kilogram (M)

23. metru, secundă, kilogram
• Defințiile unităților de măsură sunt date in
termeni tehnici, ca să poată fi reproduse cu (cea
mai mare) precizie
• Dar de ce metru, secundă, kilogram?

24. metru
• L. Da Vinci a reprezentat
dimensiunile umane în
“omul Vitruvian”…
• Pentru un om de cca.
1m60cm, raza cercului este
de approx. 1m

25. metru
• L. Da Vinci a reprezentat
dimensiunile umane în
“omul Vitruvian”…
• Pentru un om de cca.
1m60cm, raza cercului este
de approx. 1m

26. metru
• L. Da Vinci a reprezentat
dimensiunile umane în
“omul Vitruvian”…
• Pentru un om de cca.
1m60cm, raza cercului este
de approx. 1m

27. secunda
• Un om în condiție fizică
“normală” în situație
“normală” are pulsul
aprox. 60bt/min, adică
• 1 bătaie de inimă pe
secundă!

28. kilogramul
• ~ cantitatea de cireșe
care o poți mânca
dintr-o dată?

29. Unitățile și omul
• Deci omul are o percepție intrinsecă a
spațiului, timpului, și masei (prin intermediul
forței, care va fi definită mai târziu)
• Metru, secunda și kilogramul s-au “întâmplat”
să fie “unitați naturale” corpului uman

30. Observări și generalizări
• Observând realitatea,
creierul uman stochează
și generalizează
(comprimă) informația
• Capacitatea de
generalizare a creierului
uman este incredibilă,
dar nu întodeauna
constructivă: pisica
neagră, etc…

31. Matematica
• Observațiile făcute sunt (in mod automat)
procesate și generalizate de creier
• Logica și limbajul matematic sunt sistemul de
operare a creierului uman
• Este enigmatic, de ce matematica are forma
rigida așa cum o știm
• unii matematicieni cred că de vina e structura
“procesorului”: creierul uman

32. Mișcarea…
• putem observa pozițiile spațiale ale obiectelor și
simțim timpul…
• procesând datele, putem observa schimbarea
pozițiilor în timp…
➡ Cinematica
➡ aparatul matemetic: analiza funcțiilor

33. Proprietațile mișcării
• Primul lucru care-l observăm:
• mișcarea este continuă în 3D
• reprezentată de funcții continue:
• geometria și analiza matematică
• Mai târziu vom vedea, că mișcarea nu e chiar
(întodeauna) continuă: doar așa-i percepția
noastră

34. Inerția
• Observație (Galileo):
❖ un corp isolat tinde sa-și păstreze viteza
• Nu este totuși o observație! Este o modelare din
situațiile cunoscute (extrapolare).
• I.Newton a înțăles rolul important al inerției
• Din cauza aceasta, legea interției îi poarta
numele

35. Legea I a lui Newton
• …sunt mai mult formulari, e.g.
Un corp isolat observat în sistem inerțial de
referință iși păstreaza vectorul velocitații constant
• O situație greu de realizat… Sisteme inerțiale de
referință sau corpuri isolate nu există în Natură…
• …cu toate acestea, Legea I stabilește “punctul
de pornire” pentru studierea mișcării

36. Legea a II
• O dată ce (ne-)am înțăles despre situația cand
mișcarea e neschimbată, definim factorul care o
poate schimba
• Cu ajutorul analizei realizăm că “viteza
schimbării vitezei”=accelerația ar trebui sa fie
determinată de un asemenea factor…

37. Legea a II
• Avem,
• Dar putem observa că acelaș factor are efect
diferit asupra diferitor obiecte
• masa inerțială!
• Specificând,

38. Concluziile din Legea II
• Ce ne invață Legea II?
• De fapt, deocamdată nimic!
• Observând mișcarea unui corp, oricând se poate
introduce un factor care determină schimbarea
mișcării, care sa-l numim “forță”
• Măsurabilitatea: forța sa fie compatibilă intre difereite
corpuri…
• Cum corpurile se influențează reciproc?

39. Schimbul forțelor
• Care este cel mai simplu și echitabil mod de a
face schimb de ceva?
• Egal?!

40. Legea a III
• Cea mai simplă posibilitate este
• și asta funcționează!

41. ~F21
~F12
1
2

42. Conclusiile din legile lui
Newton
• Legile n-au sens luate separat, numai toate
împreuna
• Definesc interacțiunea între corpuri, văzută din
sistem de referință inerțial
• …sistemul inerțial poate fi definit, dacă știm ce se
întâmpla în absența forțelor
• Forța are numai un rol ajutător (ca să ținem cont
de aceste interacțiuni)

43. Consecințele legilor mișcării
• Din punct de vedere conceptual problema este
soluționată: avem principiu simplu care determina
mișcarea
• Putem aplica analiza matematica să descriem
oricare situație…
• Bine, aproape oricare!…
• Unele din principalele consecințe sunt legile
conservării

45. Omogenitatea timpului:
Energia
• Legile lui Newton presupun anumite proprietăți ale
timpului și spațilui
• De exemplu, se asumă că timpul se scurge
uniform: viteza scurgerii timpului azi e la fel ca și
ieri. Și mâine va fi la fel ca și azi…
• Matematic aceasta să reflectă în existența unei
funcții a mișcării care rămâne constantă:
• energia

46. Uniformitatea spațiului:
impulsul
• Spațiul se presupune uniform: legile Naturii în
Chișinău e la fel ca în Seoul…
• Dat fiind trei direcții, avem trei funcții a mișcării
constante:
• vectorul momentului

47. Omogeneitatea spațiului
• Unde te-ai uita, spațiul e la fel…
• Momentul cinetic (sau momentul unghiular)

48. Simetrii
• Astfel de proprietăti se numesc simetrii
• E. Nother a demonstrat (matematic), ca orice
simmetrie in condițiile dinamici aduce o cantitate
conservată (constantă) legată de simetrie
• In realitate sunt mult mai multe simetrii, dar
aproape toate sunt rupte…

49. tema pe acasă :(
Încercați să vă imaginați matematic o lume în care
legile lui Newton ar fi modificate prin următoarele:
1. Orice corp isolat tinde să-și pastreze poziția
(nu vitreza!)
2. Factorii externi alterează poziția prin inducerea
vitezei
3. Legea III e inlocuită cu