Для представления себе физической картины мира предпримем “путешествие” по шкале расстояний. Пока определений новых понятий во введении давать не будем, познакомитесь с ними по мере изучения курса физики.В направлении микромира будем проходить следующие этапы:
макротело -> молекула -> атом -> ядро -> нуклон - кварки, лептоны.
Макротела мы воспринимаем своими органами чувств, можем фотографировать, поскольку их размеры много больше длины волны света. Молекулы же фотографировать уже не удастся, можно только получить их “реконструированное” изображение, либо с помощью электронного микроскопа, либо с помощью атомно-силового микроскопа (на рисунке приведена подобная реконструкция изображения молекулы пентацена ). Структура ядер, нуклонов может быть определена только косвенно.
По мере движения в микромир понятие линейного размера объекта теряется; не имеет смысла, например, говорить о размере электрона.
Если под макротелом будем подразумевать человека, то его характеристический размер ~1м. Можно говорить о размере молекулы, который достигает макроскопических значений для полимеров, а в молекуле водорода близок к минимальному размеру атома. За него можно принять боровский радиус атома водорода 0,53*10^-10м – расстояние, на котором вероятность обнаружить электрон максимальна. Поскольку ядра более массивны, чем электроны, для них имеет смысл определение существенно меньшего характеристического размера ~10^-10м.
По нашим сегодняшним представлениям вся материя во Вселенной состоит из трех поколений элементарных частиц - кварков и лептонов, которые обладают полуцелым спином (являются фермионами). В таблице 1.1 приведены их основные параметры.
Курсивом выделены частицы, которые экспериментально еще не наблюдались. Массы частиц измерены в энергетических единицах, принятых в физике элементарных частиц.
Между кварками и лептонами (“кирпичиками вещества”) по нашим современным представлениям существуют четыре вида взаимодействия, переносчиками которых являются частицы с целым спином. В таблице 1.2 приведены основные параметры этих взаимодействий. Во втором столбце таблицы указана величина взаимодействия, выраженная по отношению к сильному, для которого она принята равной единице. В третьем столбце таблицы указаны частицы, которые переносят соответствующее взаимодействие. В четвертом столбце указан собственный момент импульса (спин) частиц-переносчиц взаимодействия. Часть из перечисленных взаимодействий удовлетворительно описываются в рамках релятивистской квантовой теории поля.
Таблица 1.1
|
частицы
|
поколение |
заряд |
||
|
1 |
2 |
3 |
||
|
кварки |
u (up) m - 0.01 ГэВ |
c (charm) m - 1.5 ГэВ |
t (top) m - 174 ГэВ |
+ 2/3 |
|
d (down) m - 0.01 ГэВ |
s (strange) m - 0.15 ГэВ |
b (bottom) m - 5.5 ГэВ |
- 1/3 |
|
|
лептоны |
e m -5.1 10-4 ГэВ |
m m - 0.106 ГэВ |
t m - 1.78 ГэВ |
- 1 |
|
ne m< 2 10-8 ГэВ
|
nm m< 2 10-4 ГэВ |
nt m< 0.035 ГэВ |
0
|
|
Кроме указанных выше частиц необходимо отметить существование античастиц. Для каждого кварка и лептона из таблицы 1.1 имеются соответствующие античастицы: u-u', e(e-)-e(e+), v-v'. Для электрона и позитрона приведены два разных используемых символа. Все античастицы, за исключением нейтрино и антинейтрино v,v', -короткоживущие, при встрече с соответствующей частицей они аннигилируют с образованием двух и более гамма - квантов (иногда через промежуточные, также нестабильные частицы).
На каких же экспериментальных данных основана та модель, которую мы кратко описали? Отвечая на этот вопрос, остановимся только на экспериментах, проведенных на ускорителе со встречными электрон-позитронными пучками LEP (Large Electron-Positron collider) ЦЕРНа в конце двадцатого века.
В одном кольце LEP одновременно циркулировали в противоположных направлениях несколько симметрично расположенных электронных и таких же позитронных сгустков. По мере достижения частицами нужных значений энергии, сгустки отклонялись и сталкивались в одном из четырех детекторов (DELPHI, OPAL, ALEPH, L3), где измерялись параметры образующихся частиц.
Таблица 1.2
|
вид взаимодействия |
относительная величина взаимодействия
|
частица |
спин |
|
сильное |
1 |
глюоны g (mg=0) |
1 |
|
электромагнитное |
~10^-2 |
фотоны y (my=0) |
1 |
|
слабое |
~10^-5 |
Z^o (m =91.2 Гэв) W+, W- (m =80.4 Гэв) |
1
|
|
гравитационное |
~10^-40 |
гравитон (?) |
2 |
Наиболее тщательно были измерены параметры Z^o резонанса. Он схематично представлен на рис.1 черными точками. Сама сплошная кривая на этом рисунке – зависимость сечения взаимодействия электронов и позитронов от их энергии при лобовом столкновении. Образовавшиеся Z0 бозоны распадались за время ~10^-25 с образованием пар кварк - антикварк, лептон - антилептон.
Полная ширина резонанса обусловлена суммой вкладов каждого из каналов распада . На рис.1 приведены результаты моделирования резонансов для числа поколений элементарных частиц, равного 2, 3 и 4. Экспериментальные данные наилучшим образом соответствуют числу поколений, равному трем.
Сейчас измеренное значение числа поколений равно 2.994+-0.012. Кроме этого в этих экспериментах была уточнена масса t-кварка, которая равна (174.2+-5.1) ГэВ.
Рис.1
В настоящее время LEP демонтирован и на его основе (в том же тоннеле) построен ускоритель LHC (Large hadron collider) адронов (протонов или ядер Pb) на энергии до 14 ТэВ. Поскольку в LHC ускоряются встречные пучки протонов, в тоннеле LEP изготовлено два одинаковых кольца. После ускорения протонов они отклоняются и направляются в детекторы, где происходит лобовое столкновение.
После путешествия в микромир двинемся в мега-мир по масштабной шкале. Характеристическими вехами на этом пути будут:
- радиус Земли RE ~ 6.4·106 м;
- расстояние между Землей и Солнцем RE-S ~ 1.5·1011 м;
- расстояние до ближайшей звезды (a Центавра) ~ 1017 м;
- расстояние до центра нашей Галактики (Млечный Путь) ~ 1020 м;
- расстояние до галактики (ближайшей к нашей) Магеллановы Облака, ~ 5·1020 м;
- некоторое расстояние, которое мы можем назвать радиусом Вселенной ~ 1026 м.
По современным представлениям Вселенная не является статичной, она продолжает расширяться, что является следствием Большого Взрыва (Big Bang), случившегося ~ 14 млрд. лет назад. Радиус Вселенной мы определяем, как произведение скорости света на время существования Вселенной.
Отправной точкой автора этой гипотезы Г.Гамова был вопрос о происхождении радиоактивных атомов. Если в природе мы наблюдаем только естественные распады нестабильных ядер, то когда-то должны были существовать условия для их возникновения. Кроме этого можно отметить работу А.Фридмана (1922), получившего настационарное решение в рамках общей теории относительности А.Эйнштейна (1916), которое приводило к модели расширяющейся Вселенной.
В рамки гипотезы о Большом Взрыве хорошо укладываются многие результаты экспериментальных наблюдений. Укажем некоторые из них свидетельствующие в пользу этой гипотезы и модели расширяющейся Вселенной.
1. Доплеровское смещение линий в спектрах удаленных галактик. Длина волны, излучаемой неподвижным источником 
o, отличается от длины волны .jpg)
, излучаемой удаляющимся со скоростью v источником:
.jpg)
=.jpg)
0 * (1+ v/c)
Чем более удалена от нас галактика, тем большее смещение длины волны какой-либо спектральной линии в длинноволновую область мы наблюдаем, тем с большей скоростью удаляется от нас эта галактика. Эффект Доплера позволяет нам измерить скорость галактики. Измерение интенсивности излучения характерных звезд (цефеиды) позволяет определить расстояние до них. Эти два независимых измерения дают возможность измерить зависимость v(l), которая оказывается в первом приближении линейной:
v=H*l,
где H =0.25 10-17 с-1 - постоянная Хаббла (E.Hubble, 1929), названа по имени астронома обнаружившего зависимость величины смещения линий в спектрах излучения удаленных галактик, от расстояния до этих галактик l. Анализируя эти данные, не трудно прийти к выводу, что когда-то все вещество во Вселенной было сконцентрировано более компактно.
2. Реликтовое излучение: оно заполняет всю Вселенную и имеет спектр, соответствующий спектру излучения абсолютно черного тела (АЧТ) при температуре ~ 2.7 K (рис.2). Здесь на оси абсцисс указана длина волны излучения, на оси ординат – спектральная мощность излучения единицы поверхности АЧТ в пределах единичного телесного угла. Экспериментальные данные в диапазоне 0.5 мм – 500 мм соответствуют этому графику.
Рис.2
Эту же температуру межзвездных молекул 2.7 К экспериментаторы получают при наблюдениях, например, циана (CN)2. Средняя энергия заселенных колебательных состояний этой молекулы соответствует температуре ~ 3 К.
На ранних этапах развития Вселенной тепловое излучение, находящееся в равновесии с остальным веществом, имело, естественно, большую температуру.
Можно отметить, что поиски реликтового излучения были инициированы Гамовым на основе анализа его модели.
Отвечая на вопрос, какова динамика развития Вселенной - будет ли она всегда расширяться, или расширение сменится сжатием, современная космология требует ответа на вопрос: какова средняя плотность вещества во Вселенной? При средней плотности меньшей критической
p<=pc =3H^2/G
Вселенная будет бесконечно расширяться (G- гравитационная постоянная). В противном случае разбегание сменится сжатием, что будет говорить о том, что мы живем в пульсирующей Вселенной. Принципиальным для оценки средней плотности является ответ на вопрос о массе нейтрино. Таким образом, результаты, полученные в физике элементарных частиц, помогут ответить на вопрос, как о развитии Вселенной в будущем, так и на вопрос о ранних этапах развития сразу после Большого Взрыва.
В последнее время астрофизики интенсивно изучают проблему “скрытой массы” во Вселенной, существование которой приведет к увеличению оценки значения средней плотности вещества во Вселенной и подтвердит то, что она пульсирует.
В физике элементарных частиц сейчас большие усилия предпринимаются для построения объединенной теории взаимодействий, которая возможна, поскольку “константы взаимодействия” из второго столбца таблицы 1.2 меняются с изменением энергии взаимодействующих частиц (сближаются).
Эти гипотезы нашли отражение в картине развития Вселенной изображенной на рис.1.3, на котором условно показана зависимость радиуса Вселенной от времени после Большого Взрыва.
На первом этапе все взаимодействия объединены. На втором этапе отделяется гравитационное взаимодействие и начинается инфляционное раздувание Вселенной. На третьем этапе отделяется сильное взаимодействие, раздувание закончено, из кварк-глюонной плазмы образуются протоны и нейтроны. На четвертом этапе разделяются электромагнитное и слабое взаимодействия. На пятом этапе Вселенная становится прозрачной, образуются протогалактики, затем галактики и по прошествии ~3 1017 c образуются Солнце, Земля и жизнь на ней.
Рис.1.3
Приведенный рисунок весьма условен, поскольку координатное пространство и время – едины, и говорить о процессе генерации пространства во времени нельзя. Этот рисунок может отражать изменение метрики пространства-времени по мере развития Вселенной.
