Современная физическая картина мира (стр. 2 из 2)
г) Слабая сила - ее действие также не зависит от электрического заряда. Она была введена для объяснения b-распада ядер. Это распад внутри ядра одного из протонов или нейтронов
или 
p - протон; n - нейтрон; е- - электрон; е+ - позитрон; ve- электронное нейтрино;
- электронное антинейтрино.Слабая сила инициирует процесс горения звезд, создавая возможность для образования химических элементов. Если два протона в атомах водорода соударяются, то иногда один благодаря слабой силе преобразуется в нейтрон, испуская позитрон и нейтрино, а нейтрон и протон соединяются, образуя дейтрон (тяжелый водород). Вслед за этим идут другие, более быстро текущие ядерные реакции, определяемые сильным взаимодействием.
Четыре силы обеспечивают взаимодействие между элементарными (или фундаментальными) частицами. Элементарными называют частицы, которые на современном уровне знания не состоят из более элементарных частиц. Квантовые возбуждения четырех фундаментальных взаимодействий представляют собой элементарные частицы, которые называют фундаментальными бозонами. Экспериментально открыты 4 бозона (со спином S=1), не считая соответствующих античастиц: фотон -
, глюон - g, нейтральный слабый бозон - Z0 и заряженные слабые бозоны - W±, являющиеся античастицами друг по отношению к другу. Квант гравитационного поля - гравитон - нейтральная безмассовая частица со спином S=2, в существовании которой абсолютно уверены физики-теоретики и которую трудно обнаружить экспериментально из-за необходимых фантастических энергий (~1019 ГэВ).О четырех фундаментальных бозонах говорят, как о переносчиках взаимодействия, как о некоем клее, скрепляющем “кирпичи” - фундаментальные фермионы. Экспериментально открыты 12 элементарных фермионов (со спином S=1/2), не считая соответствующих античастиц. Как показано в табл.1 двенадцать фермионов делятся на 3 поколения, в каждом из которых 2 лептона и 2 кварка.
Таблица 17.1
| Поколения | 1-е | 2-е | 3-е | Q | |
| кварки | Верхниенижние | u d | c s | tb | + 2/3- 1/3 |
| лептоны | Нейтринозаряженные | vee | vmm | vtt | 0 - 1 |
Примечание. Протоны и нейтроны состоят из кварков двух типов, u и d: p = uud, n = ddu.
В последнем столбце табл.1 указаны значения электрического заряда частицы данной строки. Названия и обозначения кварков происходят от английских слов: u-up, d-down, c-charm, s-strangeness, t-top (также truth), b-bottom (также beauty).
Итак, в основе физического мира образца 80-90-х годов находятся 17 “элементов”: 6 лептонов, 6 кварков, 4 векторных бозона, 1 гравитон.
3. В последние двадцать лет происходит слияние физики элементарных частиц и космологии в одну область фундаментальной физики, лежащую в основе всех естественных наук.
В развитии космологии ХХ века было два важнейших этапа. Первый начался в 20-х годах, когда советский ученый Фридман создал теорию расширяющейся Вселенной на основе общей теории относительности Эйнштейна. В модели Фридмана Вселенная начинается с сингулярности - состояния с бесконечной плотности - и развивается в состояние с меньшей плотностью. Но пространство искривлено в зависимости от количества материи во Вселенной, и это предполагает две возможности. Если количество материи меньше некоторого критического, расширение должно продолжиться до бесконечности, а группы галактик будут все дальше удаляться друг от друга. В этом случае Вселенная “открыта”. Но если материи больше критического значения, сила гравитации способна настолько искривить пространство, что сначала прекратится расширение, а затем начнется сжатие, и Вселенная снова возвратится в сверхплотное состояние (“замкнутая” Вселенная). В 1929 г. американский астроном Хаббл экспериментально определил скорость удаления галактик. Теперь это прямое доказательство расширения Вселенной называют законом Хаббла. Идя в обратную сторону, можно вычислить возраст Вселенной. Он составляет от 15 до 20 млрд лет. Второй этап связан с возникновением теории горячей Вселенной (Гамов,1948 г). В 60-х гг. эта идея получила подтверждение. Сотрудники американской “Белл Телефон” Пензиас и Вильсон изучали слабые радиосигналы, отражавшиеся спутниками, при помощи чувствительной радиоантенны и обнаружили слабый, но равномерный сигнал, приходящий со всех направлений в пространстве. Наша Вселенная оказалась заполненной радиоволнами с очень малой энергией, эквивалентной 3К. Открытие фонового (реликтового) излучения вызвало новый интерес к Большому Взрыву у специалистов по физике элементарных частиц. Оказалось возможным построить единую теорию слабых и электромагнитных взаимодействий и наметить принципы построения теории, в которую как единое целое вошли бы все фундаментальные взаимодействия поля - сильное и электрослабое, а затем и гравитационное (Теория Великого Объединения). Поэтому возникли предположения о том, что это единое фундаментальное взаимодействие и существовало на очень ранней стадии Большого Взрыва. Современные представления о возникновении и эволюции Вселенной, составляющие стандартную космологическую модель, таковы.
Около 15 млрд. лет назад в первое мгновение Большого Взрыва Вселенная была сверхплотной и сверхгорячей, существовало единственное объединенное взаимодействие и частицы - прародители тех элементарных частиц, которые мы знаем. По мере расширения и остывания Вселенная достигла стадии, когда сильное и слабое взаимодействие разделились. Возраст Вселенной был равен 10 -35 с, а температура достигла 1027К; образовались кварки. Происходила аннигиляция частиц с античастицами, в результате которой “выживают” в основном фотоны и нейтрино. Количество вещества ненамного превосходило количество антивещества. Когда плотность частиц стала достаточно малой, кварки стали объединяться в протоны, нейтроны, другие частицы. Это произошло спустя 10-5 с. “Выжившие” протоны и нейтроны соединились в ядра гелия, а затем вместе с электронами образовали атомы гелия. Через 3 минуты дело было сделано: образовалась большая часть ядер гелия, существовавших во Вселенной. На каком-то этапе расширения Вселенной (~106 лет) вещество и излучение разделились, и в дальнейшем их охлаждение происходило независимо. Фотоны к этому времени уже не имели достаточной энергии, чтобы вызывать разрушение атомов; почти не оставалось и свободных электронов, с которыми они могли бы сталкиваться. Расчеты показали, что излучение, которое сохранилось во Вселенной от тех первых стадий эволюции Вселенной (реликтовое излучение) должно иметь температуру примерно нескольких градусов Кельвина. Открытие Пензиасом и Вильсоном этого излучения рассматривается, как одно из убедительных подтверждений модели Большого Взрыва. Основные этапы эволюции Вселенной, соответствующие стандартной космологической модели, систематизированы в табл.17.2.
Таблица 17.2
| Время | Событие | Темпе-ратура, К | Характерная энергия |
| 10-45 с | ?- Сильные эффекты квантовой гравитации | 1032 | 1019ГэВ |
| 10-35с | Синтез кварков - установилось преобладание вещества над антивеществом | 1027 | 1014 ГэВ |
| 100 с | Ядерный синтез - создание гелия и дейтерия | 109 | 10-4 ГэВ=0,1 МэВ |
| 106лет | Разъединение фотонов и вещества - возникновение космического фонового излучения | 103 | 10-10 ГэВ=0,1 эВ |
| 1010лет (нашевремя) | Возникновение галактик, звезд и нас самих | 3 10-3-10-4эВэти значения присущи реликтовому излучению, но не характеризуют однородную температуру во Вселенной.  | |
| 10 31± 2лет | Распад всей материи? | ||
Знаки вопроса в табл.2 (первой и последней строках) означают: а) квантовая теория гравитации еще не построена; б) идея Сахарова о том, что распад (нестабильность) свободного протона мог бы объяснить преобладание материи над антиматерией, экспериментально пока не подтверждена.
В конце этого параграфа разумно процитировать следующее: “смелость выдвигаемых гипотез не должна заслонять от нас скромность наших достижений в познании мира”.
В заключение следует отметить, что тема, связанная с описанием современной физической картины мира, конечно обширна и многообразна. И чтобы полнее представить ее, следует обратиться к таким, например, научным и научно-популярным книгам: А.Б. Мигдал “Поиски истины”. Москва, Молодая гвардия,1983 г.; Л.Б. Окунь “ Элементарное введение в физику элементарных частиц”. Москва, Наука, 1985 г.; “Фундаментальная структура материи”. Под ред. Дж. Малви. Пер. с анг. Москва, Мир,1984 г.; М. Клайн ”Математика. Поиск истины”. Пер. с анг. Москва, Мир,1988 г.; С. Хокинг “От большого взрыва до черных дыр: краткая история времени”. Пер. с англ. Москва, Мир, 1990 г. и обзорам в журнале “Успехи физических наук”. Античастицы; физический вакуум; планковские длина, масса и время, CGh - физика, антропный принцип и представление о суперструнах; концепция времени - вот перечень того, что не удалось включить в эту лекцию.