Лекция № 17

Современная физическая картина мира

1. Введение (в основном историческое).

2. Фундаментальные (элементарные ) частицы.

3. Стандартная космологическая модель.

1. Естественно -научное представление о мире восходит к Галилею и Ньютону. Окружающий нас мир состоит из частиц, связанных между собой силами. Законы классической механики Ньютона определяют, как движутся тела, вещество (совокупности частиц) в пространстве и времени под действием сил. При этом обнаружилось нечто удивительное: эти законы применимы как к очень большим, так и очень малым телам. Небесная механика, техническая механика (механика жидкостей и газов, гидравлика, сопротивление материалов, теория механизмов и машин и т.д.), теория теплоты были сформулированы на основе механики Ньютона. Ее успех привел к тому, что механика была принята как основа всех естественных наук. Предполагалось, что для объяснения явлений природы достаточно указать их механизм.

Ньютоновская картина мира была дополнена новой физической реальностью - полем. Представление о классическом электромагнитном поле возникло в недрах теории Фарадея-Максвелла. При изучении электрических и магнитных явлений пришло осознание того, что не поведение заряженных частиц (тел), а поведение чего-то находящегося между ними, то есть поля, может быть существенно для понимания явлений в мире. Принципиально новый момент состоял в том, что поле понадобилось считать не формой движения какой-либо среды (эфира), а специфической формой материи с весьма необычными свойствами. В отличие от частиц, классическое поле беспрепятственно создается и уничтожается (испускается и поглощается зарядами), обладает бесконечным числом степеней свободы и не локализуется в определенных точках, но может распространяться, передавая взаимодействие (сигнал) от одной частицы к другой с конечной скоростью. Логически неизбежность понятия поля следует от отказа от мгновенного действия частиц друг на друга на расстоянии - нужно заполнить пространство между взаимодействующими частицами передающим это взаимодействие от точки к точке агентом - полем. Теория относительности была следующим этапом развития теории поля. Теория относительности представляет мир в виде четырехмерного континуума: физические процессы протекают в четырехмерном пространстве (сt, х, у, z). Расстояние между двумя точками в трехмерном пространстве и время между двумя событиями не являются абсолютными, как в механике Ньютона.

Событием, изменившим представление о том, что реально в физическом мире, было создание квантовой механики, атомной физики. В 1900 г. Планк сделал выдающееся открытие, оказавшее влияние на все последующее развитие физики. Тепловое излучение тел не удалось объяснить на основе термодинамики и электродинамики. Чтобы прийти к результатам, согласующимися с опытом, Планк предположил, что излучение должно трактоваться, как состоящее из отдельных порций, квантов энергии, где h = 6,62  10^-34 Дж с - постоянная Планка, а v- частота. Идею о квантах энергии использовали: Бор, который с ее помощью сумел понять строение и стабильность атома; де-Бройль, выдвинувший идею о соответствии между движением частиц и связанных с ними волн (дуализм); Гейзенберг, сформулировавший принцип неопределенности - в мире атомов мы лишены возможности точно предсказывать поведение частиц - можно говорить только о вероятностном статистическом описании. Квадрат волновой функции, входящей в уравнение Шредингера, определяет только вероятность событий в микромире. Развитие атомной физики (после открытий радиоактивности, опытов Резерфорда) к 30-м годам привело к следующим представлениям о структуре вещества в нашем мире. Элементарными кирпичиками мироздания были три частицы: протон, нейтрон и электрон. Атомы состоят из электронов, образующих оболочки и ядер. Ядро по своему строению резко отличается от атома. Атом почти пуст, ядро же заполнено достаточно плотно. Какие силы связывают части ядра? Электромагнитная сила удерживает электроны вокруг ядра. Ядро состоит из протонов и нейтронов. Нейтрон - нейтральная частица. Уже поэтому электрические силы не подходят для описания взаимодействия в ядрах. В ядре между протонами и нейтронами должны действовать силы нового типа - сильные силы (сильные взаимодействия).

Весь список фундаментальных составных частей вещества не исчерпывается только этими тремя частицами. К 60-м годам были открыты уже десятки частиц. Отличительное свойство, которое делало электроны, протоны и нейтроны непременными составными частями вещества, - их стабильность.

Отметим, что в те же годы была создана квантовая теория поля - новые представления, в которых частицы и поля стали выступать на совершенно равных правах в качестве двух разных проявлений одного объекта - квантованного поля. Применение методов квантовой механики для объяснения свойств поля было связано с преодолением трудностей и психологических - две формы материи - частицы и поля - представлялись с классической точки зрения совершенно различными сущностями. Квантовое поле представляет собой синтез понятий классического поля типа электромагнитного и поля вероятности квантовой механики. По современным представлениям оно является наиболее фундаментальной и универсальной формой материи, лежащей в основе всех ее проявлений. На смену как полям, так и частицам классической физики пришли единые физические объекты - квантованные поля. Что же касается взаимодействия, элементарным актом его на корпускулярном уровне является мгновенное и локальное превращение одних частиц в другие. Привычное взаимодействие в виде сил, действующих со стороны одной частицы на другую есть вторичный эффект, возникающий благодаря тому, что две частицы обмениваются в результате последовательных актов испускания и поглощения третьими частицами, вообще говоря, иного сорта. В релятивистской квантовой теории поля частицы могут рождаться и уничтожаться - совершенно так же, как создается и поглощается зарядами классическое электромагнитное поле. При этом заряженные частицы рождаются и поглощаются с обязательным сохранением полного заряда, и один из выводов теории - неизбежность существования античастиц. Дадим краткую характеристику других частиц. Фотон - частица, квант электромагнитного излучения. Масса и электрический заряд фотона равны нулю. Нейтрино - гипотезу об этой частице выдвинул Паули в начале 30-х годов для объяснения -распада. Она электрически нейтральна; если масса у нее есть, то она очень мала. Существует, как предполагают, по крайней мере три различных вида нейтрино. Мюон - отрицательно заряженная частица, примерно в 200 раз тяжелее электрона. Мюоны, электроны и нейтрино относятся к классу частиц, называемых лептонами. К ним же относится еще одна -частица (1975 г.) (тау-лептон). К 60-м годам было открыто много нестабильных частиц, имеющих малое время жизни, подобных протону и нейтрону. Их назвали адронами - они принимают участие в ядерных взаимодействиях. В 1963 г. была высказана идея о том, что все адроны построены из некоторого числа действительно элементарных “кирпичиков”, которые Гелл-Манн назвал кварками. Заряд кварков может быть равным + 2/3 или - 1/3 от заряда электрона. Поиски свободных кварков велись очень тщательно, но безуспешно. Считается, что кварки не могут существовать в свободном состоянии: они “заперты” внутри адрона. В 1983 г. были открыты, предсказанные теоретически, промежуточные векторные бозоны ( и ) - сверхтяжелые двойники фотона - частицы, которые необходимы для объяснения взаимодействий типа -распада. Частицы, обеспечивающие взаимодействие между кварками, были названы глюонами.

2. В результате открытия электрона, протона и нейтрона вновь возник извечный вопрос о строении вещества, хотя суть его изменилась. Цель заключается теперь не в том, чтобы продолжить список этих частиц, а в другом: понять основополагающие принципы, которые определяют, почему природа - частицы, ядра, атомы, звезды,... - такова, какая она есть. Эволюция наших представлений о природе говорит о том, что изучение элементарных частиц, по-видимому, самый верный путь к пониманию фундаментальных законов в нашем мире. Подтверждается это и тем фактом, что изучение элементарных частиц привело к модели развития Вселенной на самых ранних этапах ее развития (Модель Большого Взрыва; Гамов,1948 год). Одни и те же физические представления необходимы для понимания и очень малого (микромир), и очень большого (Вселенная).

Каким образом возникла и как устроена наша Вселенная? Возвратимся к началу лекции и снова с позиций физики ХХ века вернемся к вопросу об устройстве Вселенной. Она состоит из частиц, между которыми действуют четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

а) Гравитационное взаимодействие действует между всеми частицами и имеет характер притяжения. Несмотря на свою исключительную слабость (атом водорода, удерживаемый лишь силами гравитации имел бы размеры порядка Вселенной) гравитационные силы играют определяющую роль в больших масштабах. Именно гравитация удерживает вместе основные структуры Вселенной. Она скрепляет звезды, удерживает планеты на орбитах, нас на Земле.

б) Электромагнитная сила удерживает электроны в атомах, соединяет атомы в молекулы.

в) Сильная (ядерная) сила, действует между адронами (мезоны, протоны, нейтроны). Эта сила не зависит от электрического заряда частиц. Радиус ее действия 10^-13 см. Сильное взаимодействие, связывая протоны и нейтроны, приводит к существованию большого числа различных атомных ядер, а следовательно атомов и химических элементов, необходимых для построения множества разнообразных молекул.

г) Слабая сила - ее действие также не зависит от электрического заряда. Она была введена для объяснения -распада ядер. Это распад внутри ядра одного из протонов или нейтронов

или

p - протон; n - нейтрон; е^- - электрон; е⁺ - позитрон; v_e - 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

Верхние

нижние

u

d

c

s

t

b

+ 2/3

- 1/3

лептоны

Нейтрино

заряженные

v_e

e

v_



v_



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

10⁶

лет

Разъединение фотонов и вещества - возникновение космического фонового излучения

10³

10^-10 ГэВ=

0,1 эВ

10¹⁰

лет (наше

время)

Возникновение галактик, звезд и нас самих

3 10^-3-10^-4эВ

эти значения присущи реликтовому излучению, но не характеризуют однородную температуру во Вселенной.

10 ^{31 2}

лет

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.

3