|
|||||||||||||||||||||||
|
База почтовых индексов России и Украины Для коммерческой деятельности в Интернете Подписка на рассылку материалов. Служба отправки бумажных писем через Интернет
|
Границы БесконечностиНачало Человек Земля Вселенная Технологии Что же там вдали, за Границами Бесконечности? Этот вопрос мучил , наверное, очень многих людей. Знание превратило яркие точки детства - звёзды ночного неба - в огромные плазменные шары. Звёзды скомпоновались в Галактики, Галактики в Скопления, а что дальше? Наша Вселенная Наша Галактика содержащая около 1011 звезд имеет форму линзы диаметром 80 тысяч световых лет и толщиной ~ 30 тысяч световых лет. Она находится на периферии гигантского скопления (более тысячи) галактик с центром в направлении созвездия Девы, удаленным на расстояние ~ 60 миллионов световых лет. Ближайшая к нам галактика M31 в созвездии Андромеды удалена от нас на расстояние порядка 2 миллионов световых лет. Вроде бы всё ясно, всё дальше и дальше. Но ХХ-й век принёс неожиданность. Оказалось что ,возможно, никаких Границ Бесконечности нет и наша Вселенная закольцована сама на себя. И День Творения действительно был. Но давайте по порядку. Расширяющаяся Вселенная Коэффициент пропорциональности h называют постоянной Хаббла. Cледует отметить, что его определение по данным эксперимента является очень трудной задачей. Так как хотя скорости по эффекту Доплера можно определить достаточно точно, измерение расстояний до далеких галактик - труднейшая проблема, и до сих пор она решается лишь косвенными методами. Сам Хаббл при оценке расстояний занизил их на порядок, поэтому и получил на порядок большее, чем принято считать сейчас, значение h (170 вместо 15 км/с на 1 миллион световых лет). Однако многие астрономы и сегодня придерживаются точки зрения , что значение h заметно больше общепринятого. Логическая предпосылка, вытекающая из факта Расширения Вселенной , о том что когда-то вся Вселенная была собрана в одной точке и породила ТЕОРИЮ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА. НАЧАЛО ВСЕЛЕННОЙ
или БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ. И тут началось... А вот что и почему началось мы как раз и не знаем, но зато имеем этому название - Большой Взрыв. ( Подробнее о днях творения ) Трудно удержаться от искушения мысленно рассматривать процесс расширения Вселенной как взрыв сгустка материи, осколки которого разлетаются в беспредельном изначально существовавшем вакууме. Но это не верно. Расширяется Всё пространство. Однако заметно это становится только в галактических масштабах.. В качестве аналогии удобно рассмотреть медленно раздувающийся воздушный шар, покрытый точками - галактиками. Когда шар раздувается, его резиновая оболочка растягивается, и точки на ее поверхности все дальше отходят друг от друга. Заметим, что сами точки на поверхности не движутся в направлении к чему-нибудь или от чего-нибудь. Раздвижение точек происходит вследствие расширения самой поверхности. Сейчас считается что Вселенная расширяется на 5-10% в миллиард лет. О том, что это такое, пока есть только предположения. ( Подробнее ) Одно из них принадлежит немецкому астрофизику Лейбундгуту. Он считает, что в межгалактическом пространстве есть внутренняя энергия, она заполняет вакуум и стремится к расширению занимаемого ею объема. Вот вам и АНТИГРАВИТАЦИЯ. Очень интересна трактовка этой силы данная в работе А.В. Рыкова "Антигравитация во Вселенной и ряд её приложений". Согласно данным этой работы современное ускорение расширения Вселенной -4.4938*10-10 мс-2. Реликтовое Излучение В 1964 году астрономы Р. Пензиас и А. Вильсон решили измерить фоновое радиоизлучение нашей Галактики в направлениях вне ее плоскости эклиптики. Для этого они воспользовались построенной для связи со спутниками рупорной антенной лаборатории фирмы Белл-Телефон, сконструированной так, чтобы обеспечить сверхнизкий уровень собственных шумов. Последнее очень важно, так как ожидаемое фоновое радиоизлучение галактики также подобно радиошуму, который следовало выделить на фоне других шумов от атмосферы, самой антенны и ее усилительных цепей. После тщательного анализа и оценки всех этих "паразитных" шумов Пензиас и Вильсон начали измерения на сравнительно коротких волнах с длиной 7,35 см (микроволновый диапазон), для которых радиошум галактики должен практически отсутствовать. Они ожидали, что весь сигнал будет тогда простой суммой уже известных "паразитных шумов". Но оказалось, что кроме них система регистрирует некоторый слабый дополнительный радиошум, интенсивность которого не зависит ни от направления антенны, ни от времени суток. Пензиас и Вильсон не понимали природы этого дополнительного радиошума и даже разобрали, почистили и вновь собрали всю антенну, чтобы исключить добавочные помехи от возможных загрязнений. Но это практически не изменило результат, и им пришлось констатировать, что по непонятным (для них) причинам их антенна принимает дополнительный слабый радиошум внеземного происхождения, интенсивность которого постоянна во времени и не зависит от направления. Измеренная ими на длине волны 7,35 см интенсивность этого радиосигнала оказалась равной интенсивности излучения на данной длине волны абсолютно черного тела с температурой около 30 кельвина. Пензиас и Вильсон наткнулись на этот факт случайно и некоторое время даже не решались опубликовать свои результаты, поскольку не понимали природы обнаруженного ими радиошума (в 1978 году они получили за свое открытие Нобелевскую премию). Согласно утверждениям теоретиков, на ранней стадии Вселенная была заполнена равновесным излучением с очень высокой температурой. В процессе расширения Вселенной это излучение охлаждалось, оставаясь равновесным, и к настоящему времени температура опустилась до значений нескольких градусов Кельвина (Подробнее о днях творения ). Именно это "реликтовое излучение", оставшееся от начальной фазы горячей ранней Вселенной, и обнаружили Пензиас и Вильсон. Они узнали об этом, вступив в контакт с физиками из Принстонского университета, которые были знакомы с теорией горячей (на ранней стадии) Вселенной и уже строили специальную антенну для обнаружения реликтового излучения. Но Пензиас и Вильсон их опередили. В настоящее время измерения выполнены для десятков различных длин волн как в микроволновой, так и в инфракрасной области спектра электромагнитных волн (согласно распределению максимум интенсивности при T = 3 K соответствует длине волны 0,1 см, более короткие волны относятся уже к инфракрасной области). По последним данным, полученным с помощью установленной на спутниках аппаратуры, современное значение температуры реликтового излучения 2,74 K. Точность этих измерений уже настолько высока, что она позволила обнаружить наличие слабой анизотропии реликтового излучения, объясняющейся движением земного наблюдателя через заполненное излучением пространство. Вследствие того же эффекта Доплера излучение прямо по направлению движения должно казаться немного более горячим, а в обратном направлении - более холодным. Эти небольшие (порядка 10-3 от основной величины) вариации температуры были обнаружены экспериментально, и они имеют характерную косинусоидальную угловую зависимость. По этим данным можно вычислить скорость движения Земли ( Солнца, Галлактики , Группы Галлактик и т.д.) относительно этого "нового эфира", образованного фоном реликтового излучения. В итоге получается значение около 600 км/с. Фактически удалось получить результат противоположный результату известного опыта Майкельсона - Морли, в котором, было доказано что относительная скорость Земли и прилегающего светоносного "эфира" близка к нулю (интерферометр реагировал только на вращение Земли). А возможным это стало только потому, что в космических экспериментах использовались "фотоны со стороны", у которых отсутствовала инерциальная связь с приёмниками излучения (в противовес экспериментам с интерферометром Майкельсона). Значит виновата всё же методика эксперимента, но не "светоносный эфир". Помимо этой "кажущейся" анизотропии, в экспериментах обнаружена и настоящая (не связанная с движением Земли) анизотропия реликтового излучения. Она очень мала (порядка 10-5 от основной величины), поэтому с высокой степенью точности реликтовое излучение можно считать однородным и изотропным. Но сам факт наличия хотя бы очень слабой анизотропии принципиально важен для различных теорий, пытающихся объяснить и описать математически происхождение галактик.. Анализ реликтового излучения показывает, что Вселенная в свою раннюю фазу должна была расширяться со скоростью, превышающей скорость света. В миллиардные доли секунды она из частицы, меньшей, чем атомное ядро, достигла астрономических размеров. ( Подробнее о днях творения ) И здесь нет противоречия с теорией относительности, с ее постулатом о предельной скорости света. Эйнштейн утверждал, что скорости не могут выйти за пределы световой, когда тела движутся в пространстве, но в момент взрыва само исчезающе малое пространство также расширялось вместе с продуктами взрыва. НАЧАЛО НАЧАЛ Ученым давно известно, что вещество не вечно — оно возникает и исчезает. При концентрации достаточного количества энергии происходит рождение новых частиц вещества ( точнее пары частицы и античастицы). Например, электрон (имеющий отрицательный электрический заряд) всегда рождается в паре с антиэлектроном, который называют позитроном. Последний имеет такую же массу, как электрон, но противоположный (положительный) электрический заряд. Аналогично рождение каждого протона сопровождается рождением антипротона. В целом античастицы принято называть антивеществом. При столкновении частицы с античастицей происходит их аннигиляция, при этом высвобождается заключенная в них энергия ( например фотоны излучения). Ясно, что смесь вещества и антивещества крайне неустойчива. Однако или процессы не совсем симметричны или что-то, всё таки, что-то остаётся.( Подробнее о днях творения ) Время. Количественной мерой "времени" является единица времени называемая "секунда" , равная 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Но физические процессы в атоме цезия зависят от внешних условий и, следовательно, любое их изменение , например параметров гравитационного или электромагнитного полей, скорости света, или скорости (или плотности) атома цезия, неизбежно будет трактоваться в экспериментах как изменение темпа времени. “Ядерные часы” показывают что на крыше здания время течет чуть быстрее, чем у его основания. Но не стоит во всём винить атомы цезия - вполне заметное замедление времени при движении можно наблюдать и воспользовавшись, разогнанными до скорости близкой к световой, субатомными частицами. Например, в эксперименте, проведенном в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН), частицы, называемые мюонами, удалось разогнать до скорости при которой их масштаб времени растянулся в 24 раза. Мюоны удобны для таких исследований, поскольку они нестабильны и через малую долю секунды распадаются на электроны и другие частицы. Это превращение характеризуется определенным периодом полураспада, т. е. мюоны как бы наделены внутренними часами. В собственной (связанной с ними самими) системе отсчета распад мюонов происходит в среднем примерно через две миллионные доли секунды, но в лабораторной системе отсчета время жизни мюонов существенно возрастает. Замедление времени при движении выступает рука об руку с сокращением длины (теория относительности заставляет нас связывать пространство и время в единое пространство-время), и по мере приближения к предельной скорости — скорости света — оба эффекта беспредельно возрастают. Именно поэтому невозможно преодолеть световой барьер и двигаться со сверхсветовой скоростью, ибо для этого понадобилось бы вывернуть пространство-время “наизнанку” и превратить пространство во время, а время — в пространство, что дало бы возможность телам совершать путешествия в прошлое. Поэтому скорость света является предельной скоростью, с которой могут двигаться во Вселенной тела или распространяться сигналы. Замедление времени имеет и сугубо практическое значение, например, для генерации интенсивного коротковолнового излучения в широком диапазоне частот. Для этого применяются ускорители - электронные сихротоны. В них большие магниты отклоняют электроны от естественного движения по прямой, и каждый оборот по кольцу ускорителя сопровождается испусканием электромагнитного излучения, называемого синхротронным. Электроны движутся со скоростью лишь на одну десятитысячную процента меньше скорости света; при этом масштаб времени растягивается по сравнению с нашим примерно в десять тысяч раз. И хотя частота испускаемого излучения в собственной системе отсчета электронов составляет всего лишь несколько килогерц (т. е. лежит в диапазоне радиочастот), в лабораторной системе отсчета вследствие замедления времени частота увеличивается в тысячи раз. Поэтому испускаемое электронами излучение мы воспринимаем как ультрофиолетовое или рентгеновское. Вне времени Откуда же тогда возникает наблюдаемый эффект гравитационного красного смещения ? Общая теории относительности утверждает, что на самом деле изменяется не частота фотона, а темп хода «сопровождающих его часов». То есть реальное изменение свойств времени не изменяет свойств фотона, что позволяет ему бороздить Просторы Вселенной. Скорость света в этом случае получает следующее толкование. Она является предельным «по валентности времени» соединением пространства и времени. Иными словами, это соединение, содержащее максимально возможное количество квантов пространства на один квант времени. А поскольку, как это только что выяснилось из анализа процесса аннигиляции, фотон вообще не связан ни с каким квантом времени, то «проявление» его в нашем пространстве-времени (в элементарном акте взаимодействия с веществом) высвобождает физическое время, связанное с этим пространством. При этом высвобождается минимально возможное количество квантов времени, что фиксируется наблюдателем в качестве «скорости фотона». . Неопределённость Источник всех “неприятностей” связан с одним фундаментальным правилом квантовой механики, называемым принципом неопределенности Гейзенберга/ Согласно этому принципу, невозможно одновременно точно определить положение и скорость частицы. Подробнее >>> Это обстоятельство приводит к важным физическим следствиям. Когда два атома образуют молекулу, на движение электронов вокруг одного из атомов оказывает воздействие другой атом, в результате чего между атомами возникает сила притяжения. Отчасти она обусловлена тем, что данный электрон одного атома не отличим от электронов другого, а из-за размытости их положения ничто не препятствует этим электронам время от времени меняться местами. Иначе говоря, два электрона из разных атомов могут взаимно заменять друг друга. Подобные обменные взаимодействия (силы), хорошо известные в химии, порождают эффекты, доступные измерениям. Все это делает понятие расстояния весьма расплывчатым. Но это еще не все. При более тщательном рассмотрении выясняется, что не только размыто положение частицы в пространстве, но и самому пространству присуща размытость. Пространство может не только растягиваться и сжиматься, но и изгибаться и скручиваться. Именно такими деформациями пространства объясняется, согласно теории Эйнштейна, гравитация. Одно из следствий этого состоит в том, что пространство (строго говоря, пространство-время) следует считать как бы упругим, способным изменять свою геометрическую форму. Иначе говоря, мы можем наблюдать динамику пространства. Например, когда звезда коллапсирует, образуя черную дыру, первоначально слабая деформация пространства в ее окрестности стремительно нарастает, создавая чудовищно деформированное пространство — ловушку, из которой ничто не может выйти наружу. Другим примером может служить расширяющаяся Вселенная : в ней пространство между галактиками непрерывно растягивается Методом математического моделирования ( Подробнее )установлено, что в масштабах, по крайней мере в 1020 раз меньших размеров атомного ядра, структура пространства напоминает пену и характеризуется резкими и спонтанными изменениями (увеличением и уменьшением) кривизны. Подобно тому как частица “использует” все доступные ей траектории движения, пространство в ультрамикроскопических масштабах реализует все возможные способы движения. В случае частицы речь шла о мириадах призрачных частиц, движущихся каждая по своей траектории. Аналогично мы можем говорить о бесконечном количестве призрачных пространств, каждое из которых имеет конкретную геометрию. Такая призрачная динамика пространства предполагает, что в очень малых масштабах само понятие “местоположение” утрачивает смысл. Упорядоченное расположение точек, гладкая непрерывность пространства классической геометрии исчезает в пенообразном пространстве-времени. Вместо него мы имеем беспорядочное нагромождение полуреальных пространств-призраков. И в таком беспорядочно изменяющемся океане здравый смысл полностью теряет свою силу. Понятие направления занимает центральное место в выработанной нами мысленной модели мира. Без него представление о внешнем мире утратило бы смысл. Но в квантовом мире, в масштабе атомов и их составных частей, недопустимо наивное толкование понятий направления и ориентации. Нельзя утверждать, что электрон, обращающийся вокруг атомного ядра, в такой-то момент времени находится в данном направлении от ядра, так как положение электрона размыто. Спин , Частицы,
Вещество Предположим, что экспериментатор включает прибор и сначала выбирает направление, чтобы измерить относительно него ориентацию спина частицы. На практике в качестве такого направления обычно принимают направление магнитного или электрического поля. Экспериментатор хочет определить угол между спином частицы и направлением поля. Проведя измерение, он с удивлением обнаруживает, что спин ориентирован строго по направлению поля. Эксперимент повторяется многократно, но результат всегда один и тот же: спин всегда ориентирован вдоль выбранного направления. Частица вращается одновременно во всех направлениях. Поразительные эффекты, подобные описанному, стали неотъемлемой частью современной физики, и экспериментаторы давно привыкли к тому, что спин частицы всегда направлен вдоль оси, выбранной за исходную. Это свойство сводит на нет любую попытку придать смысл понятию направления в квантовом мире. Физика частиц со спином таит немало других сюрпризов. Один из них связан с простым, на первый взгляд даже тривиальным, понятием вращения. В повседневной жизни нам всем приходилось сталкиваться о процессом вращения. Представьте себе, что вы стоите в комнате, скажем, лицом к двери. Поворачиваясь вокруг своей вертикальной оси, вы увидите перед собой все новые и новые участки стен и, повернувшись на 180°, окажетесь спиной к двери. Повернувшись еще на 180°, вы окажетесь в исходной позиции—лицом к двери,—совершив полный оборот. Мир будет выглядеть в точности таким, каким был до начала вращения. Казалось бы, что может быть проще и очевиднее? Но в мире субатомных частиц элементарный акт вращения приводит к удивительному результату. При прохождение электрона через магнитное поле определенной конфигурации его спин может поворачиваться на все больший угол, совершив в конце концов полный оборот на 360°. Основываясь на здравом смысле, естественно ожидать, что электрон вернется в исходное состояние. Однако это не так. Свойства электрона, совершившего поворот спина 3600, отличаются от свойств электрона, не подвергшегося воздействию. Чтобы вернуть в исходное состояние электрон, спин которого совершил поворот, его спин необходимо повернуть дополнительно на 360°, т. е. заставить описать два полных оборота. Только после этого не обнаружится сколько-нибудь заметного различия между “повернувшимся” и “неповернувшимся” электронами. Что это означает? Очевидно, что в простейшем случае необходим поворот на 720°, чтобы совершить полный оборот, т. е. вернуть мир в исходное состояние. Элементарная частица, например электрон, “ощущает” полный оборот в 7200.B миpe людей и в случае крупных объектов это свойство утрачено — мы не отличаем один оборот на 360° от следующего. Следовательно, мы в некотором смысле лишь наполовину воспринимаем мир, доступный электрону. Рисунок дает простую иллюстрацию сказанного, на нем изображена двойная проволочная петля с нанизанной на нее бусинкой. Издали мы не можем различить два витка, и нам кажется, что проволока просто согнута в окружность. Если бусинка, скользя по проволоке, опишет угол 360°, то мы ожидаем, что она вернется в исходную точку, но приглядевшись внимательнее, обнаруживаем, что это не так. Бусинка должна совершить еще один оборот на 360°, чтобы, обойдя всю петлю, вернуться к началу своего пути. Это странное “двойственное” представление о мире, присущее электронам и другим микрочастицам, принято считать фундаментальным свойством природы. Оно приводит к многим неожиданным, доступным наблюдению следствиям. Например, создаваемое спином электрона магнитное поле вдвое превышает магнитное поле, которое создавал бы вращающийся заряженный шарик. Частица со спином 0 похожа на точку: она выглядит со всех сторон одинаково. Частицу со спином 1 можно сравнить со стрелой: с разных сторон она выглядит по-разному и принимает тот же вид лишь после полного оборота на 360 град. Частицу со спином 2 можно сравнить со стрелой, заточенной с обеих сторон: любое ее положение повторяется после полуоборота (180 град.). Аналогичным образом частица с более высоким спином возвращается в первоначальное состояние при повороте на еще меньшую часть полного оборота. Это все довольно очевидно, а удивительно другое - существуют частицы, которые после полного оборота не принимают прежний вид: их нужно дважды полностью повернуть! Говорят, что такие частицы обладают спином 1/2, например электрон.
Запрет Паули Принцип Паули имеет крайне важное значение, так как он позволил объяснить, почему под действием сил, создаваемых частицами со спином 0, 1, 2, частицы материи не коллапсируют в состояние с очень высокой плотностью: если частицы вещества имеют очень близкие значения координат, то их скорости должны быть разными, и, следовательно, они не смогут долго находиться в точках с этими координатами. Если бы в сотворении мира не участвовал принцип Паули, кварки не могли бы объединиться в отдельные, четко определенные частицы - протоны и нейтроны, которые в свою очередь не смогли бы, объединившись с электронами, образовать отдельные, четко определенные атомы. Без принципа Паули все эти частицы сколлапсировали бы и превратились в более или менее однородное и плотное "желе Взаимодействие Благодаря виртуальным частицам возникают силы, действующие между частицами вещества. При некоторых условиях частицы со спинами 0, 1, 2 существуют и как реальные; тогда их можно непосредственно зарегистрировать. С точки зрения классической физики такие частицы встречаются нам в виде волн, скажем световых или гравитационных. Они иногда испускаются при взаимодействии частиц вещества, протекающем за счет обмена частицами - переносчиками взаимодействия. (Например, электрическая сила взаимного отталкивания между двумя электронами возникает за счет обмена виртуальными фотонами, которые нельзя непосредственно зарегистрировать. Но если электроны пролетают друг мимо друга, то возможно испускание реальных фотонов, которые будут зарегистрированы как световые волны). Сегодня взаимодействие частиц вещества подразделяют на гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. О первых двух я подробно рассказывал в своей статье Антигравитация , поэтому остановлюсь только на оставшихся. Сильное взаимодействие "склеивает" частицы в атомном ядре. Оно резко падает на расстоянии от протона или нейтрона, превышающем примерно 10-13 см. Следовательно, хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, оно не может непосредственно проявляться в макроскопических телах. Сильное взаимодействие испытывают протоны и нейтроны, но не электроны. Нейтрино и фотоны также не подвластны ему. Вообще в сильном взаимодействии участвуют только более тяжелые частицы. Оно проявляется и как обычное притяжение, не позволяющее разваливаться ядру, но вместе с тем и как слабая сила, вызывая распад некоторых нестабильных частиц. Вследствие своей большой величины сильное взаимодействие является источником огромной энергии. По-видимому, наиболее важный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, — это свечение Солнца. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Именно в результате этого взаимодействия высвобождается энергия водородной бомбы. Сильное взаимодействие, по-видимому, довольно сложным образом зависит от расстояния, и объясняется в рамках кварковой модели. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из трех кварков. Чтобы это “трио” кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий “клей”; оказалось, что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон “прилипает” к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть сил тратится на прочное склеивание трио кварков, а небольшая — на скрепление двух трио кварков друг с другом. Слабое взаимодействие вызывает превращения одних частиц в другие, часто приводя продукты реакции в движение с высокими скоростями. По своему характеру слабое взаимодействие совершенно не похоже как на гравитационное, так и на электромагнитное. Во-первых, если не считать таких явлении, как взрывы сверхновых, оно не создает тянущих или толкающих усилий в том смысле, как это принято понимать в механике. Во-вторых, слабое взаимодействие ощутимо только в областях пространства чрезвычайно малой протяженности. Радиус действия слабых сил удалось точно измерить только в начале 80-х годов. Долгое время до этого считалось, что слабое взаимодействие по существу точечное и охватывает слишком малую область пространства, чтобы ее размеры можно было оценить. В отличие от “дальнодействующих” гравитации и электромагнетизма слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10-16 см от источника. Следовательно, оно не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается отдельными субатомными частицами. Электромагнитное и слабое взаимодействия, при поверхностном взгляде весьма разные по своей природе, в действительности оказались двумя разновидностями единого — так называемого электрослабого — взаимодействия, о существовании которого никто и не подозревал. Электрослабая теория в окончательной форме была создана двумя физиками, работавшими независимо, — Стивеном Вайнбергом из Гарвардского университета и Абдусом Саламом из Империал-колледжа в Лондоне, — опиравшимися на более раннюю работу Шелдона Глэшоу Суть теории Вайнберга и Салама состоит в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля (т. е. как способ, которым в природе компенсируются локальные калибровочные преобразования). Это поле призвано компенсировать изменение от точки к точке степени смешивания электронов и нейтрино. Это означает, что при испускании или поглощении кванта поля, природа частицы тут же изменяется. Электрон может превратиться в нейтрино, нейтрино — в электрон. Именно так и происходит под действием слабых сил. Теперь предстояло лишь выполнить окончательную экспериментальную проверку новой теории. Наиболее убедительная проверка заключалась в подтверждении существования пока еще "гипотетических W- и Z-частиц - переносчиков слабого взаимодействия. В лабораторных условиях W- и Z-частицы в большинстве случаев не наблюдаемы. Они остаются виртуальными частицами — переносчиками взаимодействия, которыми обмениваются другие частицы. Но если сообщить системе достаточно большую энергию, то это позволит погасить “кредит Гейзенберга” ( время нарушения законов сохранения или время переноса информации о необходимом изменении~10-28 сек.), обеспечивающий мимолетное существование W- и Z-частиц, и они могут обрести “реальность”, т. е. разлетятся и будут существовать независимо. Так как W- и Z-частицы очень массивны (примерно в 90 раз массивнее протона), для их высвобождения требуется огромная энергия; поэтому наблюдать рождение и идентифицировать W-и Z-частицы стало возможным только с созданием очень больших ускорителей новейшего типа. Открытие в 1983 г. W- и Z-частиц означало торжество теории Вайнберга — Салама. Не было больше нужды говорить о четырех фундаментальных взаимодействиях. Казавшиеся при поверхностном рассмотрении никак не связанными между собой электромагнитное и слабое взаимодействия в действительности были просто двумя компонентами единого электрослабого взаимодействия. За выдающиеся достижения Вайнберг и Салам были удостоены Нобелевской премии по физике, разделив ее с Шелдоном Глэшоу из Гарвардского университета, который ранее заложил основы этой теории.
ПРИЛОЖЕНИЕ Из принципа неопределённости следует интересный вывод об ограничении верхней планки скоростей и невозможности абсолютного состояния покоя. Подробнее>>> Можно говорить о скорости (точнее, об импульсе), например, электрона и поставить эксперимент с целью измерения этой величины. Эксперимент даст определенный результат. Аналогичным образом можно при желании определить положение электрона. При этом каждый раз мы будем обнаруживать его в определенном месте. Но чего нам никак не удастся сделать—и что в принципе невозможно, — так это одновременно определить обе характеристики электрона: положение и скорость. Независимо от способа измерения сам акт наблюдения местоположения электрона непредсказуемым образом нарушает его движение. Точно так же измерение импульса электрона “смазывает” данные о его местоположении. Эти два типа измерении просто несовместимы. Невозможность одновременного определения положения и импульса частицы не следует относить за счет грубого характера эксперимента или недостаточной разрешающей способности прибора, ибо в данном случае мы имеем дело с особенностью, внутренне присущей природе. Само понятие электрона, находящегося в таком-то месте, становится абсолютно бессмысленным, если мы хотим узнать его импульс. Все это говорит о том, насколько нелепа попытка представить себе мир атома как пространство, “населенное” вращающимися шариками. Если частица не может одновременно обладать определенными положением и импульсом, то мы не в состоянии разумным образом приписать ей траекторию в пространстве. Нам может быть известно, что в какой-то момент времени электрон находится в точке А, а в более поздний момент — в точке В, но мы не можем знать, как он попал из А в В. Представление о траектории (или орбите), непрерывно соединяющей исходной и конечный пункты, утрачивается. И в самом деле в некоторых технических устройствах электроны проявляют способность “туннелировать” через барьер, исчезая с одной его стороны и внезапно вновь возникая по другую сторону. Это — типично квантовый эффект Единственный способ придать смысл столь странному поведению электрона заключается в предположении, что частица попадает из А в В одновременно по всем возможным путям! Приняв такой подход, Вернер Гейзенберг, Эрвин Шредингер и Поль Дирак в 20-х годах нашего века пересмотрели механику и пришли к новой теории - квантовой механике, в основу которой был положен принцип неопределенности. В квантовой механике частицы больше не имеют таких определенных и не зависящих друг от друга характеристик, как положение в пространстве и скорость, недоступных для наблюдения. Вместо этого они характеризуются квантовым состоянием, которое представляет собой некую комбинацию положения и скорости. Квантовая механика, вообще говоря, не предсказывает, что наблюдение должно иметь какой-то единственный определенный результат. Наоборот, она предсказывает некий ряд разных результатов и дает вероятность каждого из них Несмотря на то что световое излучение состоит из волн, тем не менее, согласно гипотезе Планка, свет в каком-то смысле ведет себя так, как будто он образован частицами: излучение и поглощение света происходит только в виде порций, или квантов. Принцип же неопределенности Гейзенберга говорит о том, что частицы в каком-то смысле ведут себя как волны: они не имеют определенного положения в пространстве, а "размазаны" по нему с некоторым распределением вероятности. Это необычное свойство можно легко продемонстрировать, приспособив надлежащим образом эксперимент, впервые поставленный в XIX в. английским физиком Томасом Юнгом. Желая доказать справедливость волновой теории света. Юнг воспользовался явлением интерференции. Интерференция происходит при наложении двух волн. Если гребни одной волны совпадают в гребнями другой волны, то происходит усиление, и волновое движение становится более интенсивным. Если же гребни одной волны приходятся на впадины другой, то волны гасят друг друга, и волновое движение ослабевает. В эксперименте Юнга свет от небольшого источника падает на две близко расположенные щели в непрозрачном экране. Изображения щелей проецируются на второй экран. Достигая второго экрана, световые волны от каждой щели интерферируют. Результат интерференции зависит от того, как приходят к экрану волны — “в ногу” или “не в ногу”. Это в свою очередь зависит от того, под каким углом волны падают на экран, и поэтому результат меняется от точки к точке. В итоге мы наблюдаем серию светлых и темных полос, образующихся вследствие того, что световые волны поочередно то усиливают, то гасят друг друга. Если принять во внимание квантовую природу света, то обнаруживаются удивительные детали. Квант света — фотон — ведет себя, как частица, в том смысле, что попадает на экран в определенном месте. (Если, желая зафиксировать интерференционную картину, заменить экран фотопластинкой, то каждый фотон вызовет химические изменения в единственном зерне фотоэмульсии в четко определенном месте.) С другой стороны, интерференционная картина явно зависит от наличия двух щелей, порождающих две волны, которые налагаются друг на друга. Если одну щель закрыть, то интерференционная картина исчезает. Наблюдаемое явление нельзя объяснить ссылкой на то, что часть фотонов проходит через одну щель, а часть — через другую, так как интерференционная картина возникает в виде отдельных пятнышек, даже если на экран падают раздельно фотон за фотоном. Единственное возможное объяснение заключается в том, что каждый фотон каким-то образом проходит через обе щели и достигает экрана, неся на себе отпечаток их существования. Этим “отпечатком” является наибольшая вероятность попадания фотонов в область светлых полос, т. е. в сторону от области темных полос. В этом проявляется сосуществование двух аспектов природы света — волнового и корпускулярного. Хотя первоначально эксперимент был поставлен со светом, аналогичные соображения остаются в силе, если использовать электроны или любые другие квантовые “волны-частицы”. Вследствие нашей неспособности “прикрепить” частицу к определенному месту в случае нескольких частиц возникают необычные эффекты. Если имеется набор тождественных частиц и мы не можем сказать в каждом отдельном случае, где находится частица, здесь или там, то как можно узнать, где из них какая? Действительно, этого нельзя сделать. Индивидуальность частицы полностью стирается. Назад
Покой, а заодно
и скорость света, нам только снится Действительно, если
мы попытаемся точно остановиться в любой системе отсчета, то величина
D X станет равной нулю. При этом наш импульс должен стать бесконечным.
Поскольку P=m·V, где m – масса тела, а V – скорость, из формулы принципа
неопределённости можно получить выражение для минимальной скорости,
которая «разрешена» соотношением неопределённостей для тела массой m,
зафиксированного в пространстве с точностью D X. Назовём ее критической
нулевой скоростью и обозначим V Кр0 : Теперь о другой границе скоростей, связанной с постулатом Эйнштейна. Хорошо известен вывод СТО о том, что при увеличении скорости линейный размер тела в направлении движения уменьшается по следующему закону: L = L0 · (1 - V2/C2)1/2, где L –длина тела, измеренная из системы, относительно которой тело движется со скоростью V, L 0 - длина тела в неподвижном состоянии, С – скорость света. Вспомним, что на величину L наложено ограничение – она не может быть меньше планковского кванта пространства (l p = 1,62·10 -35 метра). А это значит, что и скорость V не может быть больше некоторой критической. Назовем ее V КрС . Тогда следовательно : VКрС = С · (1 - lp2/L02)1/2 Полученное выражение характеризует абсолютно максимальную скорость тела, которое может уместиться в одном кванте пространства. А поскольку таких маленьких тел нет, то V КрС - максимально предельная скорость для любого физического тела. Принципиально важно понимать, что такое L 0 ? Так ли уж очевидно, что для макротел это – линейный размер? Для начала рассмотрим физический смысл L 0 для элементарных частиц. Для всякой частицы есть характеристика, которая показывает минимальный размер области пространства, необходимый для её существования. Это так называемая комптоновская длина волны частицы . И для расчетов VКрС вместо L 0 нужно подставлять в формулу именно ее. Для электрона она составляет 3,8615905(64)·10-13 метра и его VКрС равна V КрС = С · (1 - 0,17 · 10-44)1/2 .Отличие V КрС от скорости света ничтожно мало, но абсолютно реально. Что же касается макротел, то для них критической будет именно эта скорость, поскольку каждое из них содержит в своём составе электроны – самые лёгкие из известных стабильных микрочастиц. При подстановке в качестве L 0 линейных размеров макротела мы получили бы еще меньшее отличие от скорости света, но достичь его нельзя именно потому, что разгон тела «остановят» входящие в его состав электроны. Если рассматривать фотоны, и, может быть, нейтрино, не имеющие массы покоя, то для них комптоновская длина волны равна бесконечности и V КрС в точности совпадает со скоростью света. Тем не менее, теперь можно утверждать, что в нашем пространстве-времени скорость движения для тел, имеющих массу покоя, ограничена как сверху величиной V КрС , так и снизу – величиной V Кр0 . Назад
Первые Мгновенья
Вселенной О первых мгновеньях мы не можем сказать ничего. Тогда просто не было мира в нашем понимании этого слова. Вселенная имела гораздо большее чем сейчас число размерностей или представляла собой сгусток энергии, сконцентрированный в одной исходной точке, теоретический размер которой равен нулю. Другие физические величины, такие как температура, давление, плотность энергии и т.д., в этой точке должны быть бесконечно большими. Такая ситуация называется сингулярностью, и, чтобы хоть немного отступить от нулевого “момента неопределенности”, модельное описание взрывоподобного рождения Вселенной начинают с некоторого минимального момента времени после взрыва. Его называют временем Планка. В момент времени
Планка, определяемом через 10- 43 секунд от точки взрыва , размеры только
что рожденной Вселенной не превышают нескольких микрон а "планковская
температура" составляет 1032 K. Чуть позже планковского времени произошло первое нарушение всеобщей симметрии, и первоначальная сила разделилась на гравитацию (за нее отвечает частица гравитино) и остальные три взаимодействия, которые пока связаны вместе (действует симметрия Великого объединения — Grand Unified Theory, GUT). Когда с момента Большого Взрыва прошло примерно 10–36 с и тепловая энергия снизилась до значения 1024 эВ при размерах Вселенной порядка 10 см, GUT-симметрия нарушилась и первые из частиц — X- и Y-бозоны (переносчики взаимодействия) — приобрели массы. Но практически сразу они распадались на кварки (будущий “материал” для протонов и нейтронов) и лептоны (частицы, участвующие в слабом взаимодействии, — нейтрино, электроны, мюоны, тау, и их античастицы) и таким образом первыми “выпали” из термодинамического равновесия. Итак, на этом этапе сильные (ядерные) взаимодействия заработали отдельно от еще неразделенных электрослабых (электромагнитных и слабых) взаимодействий. В период 10–36—10–10 секунд Вселенная состояла из смеси пока безмассовых кварков и лептонов, а также фотонов, возникших при взаимной аннигиляции электронов и позитронов, следующего (более легкого) поколения Z- и W-бозонов, ответственных за слабое взаимодействие, и других гипотетических (суперсимметричных) частиц, например нейтралино. В это время все частицы, включая нейтрино, находились в почти полном равновесии между собой, т.е. рождение частиц балансировалось их аннигиляцией. Вселенная тогда, как и в настоящее время, содержала намного больше фотонов, чем кварков. Через 10–10 с Вселенная остыла до температуры 1015 K и достигла уже более внушительного размера — около миллиарда километров. В этот момент произошло спонтанное нарушение еще одной симметрии, объединявшей слабые и электромагнитные взаимодействия. Теперь все четыре основные взаимодействия стали самостоятельными, безмассовые ранее частицы приобрели свои массы покоя, а из состояния термодинамического равновесия вышли промежуточные бозоны Через 10–6 с, когда
средняя энергия упала до 109 эВ(Т = 1013 К, размер Вселенной порядка
1011 км), из кварков начали формироваться мезоны, затем стабильные протоны
и относительно стабильные нейтроны. Протоны и нейтроны носят общее название
— барионы, поэтому обычную (состоящую из атомов и молекул) материю называют
барионной, чтобы отличать ее от небарионной (состоящей из других имеющих
массу частиц) материи. Наш будущий материальный мир спасло то, что число частиц несколько превышало число античастиц и аннигиляция не могла быть полной. Этот небольшой излишек “выживших” барионов и есть вся барионная материя сегодняшней Вселенной. Родившиеся в результате аннигиляции фотоны (согласно расчетам специалистов по ядерным реакциям, для обеспечения реально наблюдаемого соотношения водород/гелий необходимая плотность числа фотонов была порядка 108 - 1010 на оставшуюся ядерную частицу) .к настоящему времени остыли до температуры 2.7 K и присутствуют во Вселенной в виде Космического микроволнового фона (Cosmic Microwave Background — CMB) или, другими словами, — реликтового излучения, впервые зарегистрированного в 1964 г. Из сравнения их числа с количеством барионов в современной Вселенной следует, что после аннигиляции осталась только одна миллиардная часть от первоначальных барионов. Примерно через 1 с после Большого Взрыва (Т = 1010 К, размер Вселенной увеличился до 1014 км, или 10 световых лет) плотность частиц снизилась до такого значения (~100 000 г/см3), при котором взаимодействия с участием нейтрино становятся настолько редкими, что они не могут больше находиться в термодинамическом равновесии с другими частицами. Эти нейтрино начинают жить своей независимой жизнью, свободно двигаясь по Вселенной (нейтринное реликтовое излучение). Если нейтрино имеет нулевую массу покоя, то такое излучение должно иметь температуру всего 2 К, а при ненулевой массе нейтрино, скажем порядка 10 эВ(~2·10–33г), их температура будет выше абсолютного нуля всего на несколько тысячных градуса. По этой причине, а также из-за очень малой вероятности взаимодействия нейтрино с веществом, нейтринное реликтовое излучение до сих пор не зарегистрировано. Еще через несколько секунд, при энергиях ниже миллиона эВ, перестали образовываться электроны и позитроны. Те же, что уже были, почти полностью уничтожились за счет аннигиляции, оставив в “живых” ровно столько электронов, сколько до этого сохранилось протонов, — чтобы сбалансировать их положительный электрический заряд и оставить Вселенную (как и в самом исходном состоянии) электрически нейтральной. Через 100 с после Большого Взрыва (Т = 109 К, и размеры Вселенной достигли сотен световых лет) протоны и нейтроны начали сливаться в легчайшие ядра водорода H, дейтерия D, гелия 3He, 4He и лития 7Li (более тяжелые ядра не могли тогда образоваться из-за отсутствия стабильных ядер с массовыми числами 5 и 8). Кроме водорода, в основном появлялись ядра 4He, который с тех пор составляет около 1/4 барионной массы Вселенной; оставшиеся невостребованными лишние нейтроны распались в течение нескольких последующих часов и исчезли со сцены. Этот процесс называется первичным нуклеосинтезом, а относительная распространенность в космосе легчайших ядер, которая с достаточно высокой точностью измеряется сегодня, служит хорошим тестом для проверки модели Большого Взрыва Спустя 300000 лет, когда температура упала до 10000 K и диаметр Вселенной достиг размеров десятков миллионов световых лет (1020 км), ядра стали окружаться электронными оболочками и возникли первые легкие атомы водорода и гелия. Поскольку средняя энергия к тому времени снизилась до нескольких эВ, энергии фотонов уже не хватало для разрушения атомов, и излучение в виде фотонов отделилось от материи, продолжая остывать (именно отсюда отсчитывает свою историю CMB). До этого “пробег” фотонов из-за интенсивного взаимодействия с другими частицами, а затем и атомами, был настолько мал, что фотоны были буквально “привязаны” к материи, и Вселенная, если бы на нее кто-то мог взлянуть со стороны, не светилась, т.е. была невидимой. Теперь же Вселенная стала прозрачной, или видимой. Через 1 миллион лет. Когда температура снизилась до 3000 К, гравитационное притяжение между молекулами начало превосходить их взаимное отталкивание за счет теплового движения. Гравитация, действуя на случайные флуктуации плотности в пространственном распределении молекул (в основном водорода и гелия), стала стягивать материю, формируя первоначальные крупномасштабные структуры и группирования — протогалактики, на основе которых позднее (через сотни миллионов лет после Взрыва при температуре в сотни К) стали образовываться звезды и звездные скопления — галактики. Изначальные флуктуации плотности сейчас можно детектировать в виде очень небольшой анизотропии (неоднородности) в наблюдаемом угловом распределении CMB. Первые звезды ( сотни миллионов лет после Взрыва ) состояли практически только из водорода и гелия в виде горячей плазмы с температурой в центральной части, достаточной для протекания термоядерных реакций, в результате которых образовывались более тяжелые элементы — вплоть до железа. Химические элементы тяжелее железа рождались в результате взрыва сверхновых звезд. Чем больше масса звезды, тем меньше она живет. По мере “выгорания” термоядерного топлива в достаточно массивной звезде (более десяти солнечных масс) силы гравитационного притяжения приводят к схлопыванию звезды — гравитационному коллапсу, когда внешняя часть звезды с огромной скоростью начинает сжиматься в направлении к центру. В результате такого взрыва образуются новые, более компактные объекты в виде нейтронных звезд или черных дыр и выделяется колоссальная энергия, большую часть которой уносят нейтрино. В космическое пространство, как дым после взрыва бомбы, с огромной скоростью разлетается газообразное облако остатков прежней звезды, привнося в космос новые химические элементы. Именно отсюда более поздние звездные образования, включая наше Солнце, как и планеты Солнечной системы, получают полный набор элементов таблицы Менделеева. Источники :
Начало Человек Земля Вселенная Технологии Продолжение следует...
|
||||||||||||||||||||||
