Элементарные частицы и структура Вселенной

     Сильное взаимодействие обеспечивает и самую сильную связь элементарных частиц. В частности, связь нуклонов в атомном ядре обусловлена сильным взаимодействием. Этим объясняется исключительная прочность атомных ядер, лежащая в основе стабильности вещества в земных условиях.

-18-

 Слабое взаимодействие и процессы, связанные с ним, протекают крайне медленно по ядерному времени. Но его интенсивность растёт вместе с энергией.

    Гравитационное взаимодействие доминирует в случае больших масс объектов. Но в мире элементарных частиц на расстояниях порядка размера атомного ядра это взаимодействие ничтожно. Оно, возможно, становится

существенным  лишь на расстояниях порядка 10^-33 см. (В.С.Барашенков «Вселенная в электроне», М.: Дет. Лит., 1988).

1.4 Практическое  применение элементарных частиц

      На первый взгляд кажется, что изучение элементарных частиц имеет чисто теоретическое значение. Но это не так. Применение элементарным частицам нашли во многих сферах жизни.

      Самое простое применение элементарных частиц – на ядерных реакторах и ускорителях. На ядерных реакторах с помощью нейтронов разбивают ядра радиоактивных изотопов, получая энергию. На ускорителях элементарные частицы используются для исследований. (И.В.Савельев «Курс общей физики», том 3.М.: Наука, 1987)

    В электронных микроскопах используются пучки «жёстких» электронов, позволяющие увидеть более мелкие объекты, чем в оптическом микроскопе.            Нейтрино в перспективе поможет учёным проникнуть в глубины Вселенной и получить сведения о раннем периоде развития галактик.

     Потоки нейтронов, получаемые на импульсных источниках, позволяет диагностировать живые клетки, не нарушая их нормальной работы.

     Пучки протонов используются в медицине вместо скальпеля. Дело в том, что протоны наносят вред только тем клеткам, в которых они остановились.

     Клетки же, которые протоны просто преодолели, практически не страдают от них. Должным образом подобрав энергию пучка протонов, можно истребить болезнь, не причиняя вреда здоровым соседним клеткам. Проводились опыты

-19-

на собаках, которым облучали больной гипофиз. Теория блестяще подтвердилась, и теперь в Гатчине лечат опухоли, при которых хирургическое вмешательство противопоказано.

     Также некоторые элементарные частицы испускает горячая плазма. Они дают информацию о многих процессах, происходящих внутри неё. С помощью диагностики плазмы в перспективе можно добиться управления термоядерной реакцией. ( Горбачев В.В. Концепции современного естествознания М., МГУП, ч1, 2003)

2. СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ
1. Определение вселенной

       Вселенная представляет собой уникальный, всеобъемлющий предмет для размышления и изучения. Стремление понять мир, в котором мы живем, конечно, было всегда, с тех пор как люди начали мыслить.

     Окружающий нас мир при всем его многообразии и изменчивости — не хаотическое скопление предметов и событий, а единое системное образование. В природе отчетливо просматривается многоступенчатая иерархия структурных уровней организации материи от элементарных частиц до крупномасштабных галактик. Каждый структурный уровень характеризуется специфической организацией и размерами, каждая ступень иерархической лестницы закономерно связана с другими. Благодаря взаимным связям этот огромный и разнообразный мир предстает перед нами как гармония, полная загадок и тайн. Большая их часть связана с вопросами происхождения и устройства Вселенной, ответы на которые дают космология, космогония и астрономия. (Шкловский И. С. Вселенная, жизнь, разум / Под ред. Н. С. Кардашева и В. И. Мороза, 6-е изд., доп.— М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987 (Проблемы науки и техн. прогресса). 

      -20-

      Мы можем более наглядно представить относительные масштабы Солнечной системы следующим образом. Пусть Солнце изображается

биллиардным шаром диаметром 7 см.. Тогда ближайшая  к Солнцу планета — Меркурий находится от  него в этом масштабе на расстоянии 280 см, Земля — на расстоянии 760 см, гигантская планета Юпитер удалена на расстояние около 40 м, а самая дальняя планета — во многих отношениях пока еще загадочный Плутон — на расстояние около 300 м. Размеры земного шара в этом масштабе несколько больше 0,5 мм, лунный диаметр — немногим больше 0,1 мм, а орбита Луны имеет диаметр около 3 см. (Шкловский И. С. Вселенная, жизнь, разум / Под ред. Н. С. Кардашева и В. И. Мороза, 6-е изд., доп.— М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987 (Проблемы науки и техн. прогресса)) .

      Когда мы пытаемся выявить, что представляет собой Вселенная, первое, с чем мы сталкиваемся, это распределение небесных тел в пространстве. Нас будут интересовать в первую очередь самые крупные масштабы, доступные астрономам, и мы начнем с крупнейших структурных единиц Вселенной — с галактик.

        Подавляющая часть звезд Галактики заполняет объем, напоминающий линзу, поперечником в 100 тысяч световых лет и толщиной 12 тысяч световых лет. Вспомним, что световой год — это расстояние, проходимое светом за год, равное 10¹³ километрам. В межзвездном пространстве находятся разреженный газ и пыль, собранные в большие облака. Общая их масса составляет только 5 процентов от общей массы звезд. Помимо этого “основного тела” Галактики, в ней имеется еще одна составляющая сферической формы радиусом около 5—10 тысяч световых лет. В эту сферическую систему входят звезды, как правило, менее яркие и более старые, чем в сплюснутой системе. (Новиков И. Д. Черные дыры и Вселенная. — М.: Мол. гвардия, 1985) 
 

                                                     -21-

старые, чем в  сплюснутой системе. (Новиков И. Д. Черные дыры и Вселенная. — М.: Мол. гвардия, 1985) 

2. Расширяющаяся Вселенная

      Развитие концепций естествознания ХХ в. связано с распространением процесса активного познания на области микромира и мегамира. Теория относительности и квантовая физика знаменуют собой принципиально новый подход к изучению природы, решительный прорыв в область непознанного за счет отказа от традиционных представлений классической физики.      Становление и динамичный прогресс этих двух фундаментальных теорий оказались во многом связаны с изучением природы света. При желании в этом можно усмотреть определенную символику, поскольку свет (электромагнитное излучение) для человека является основным носителем информации, в том числе об удаленных от Земли мирах.

       Неудивительно поэтому, что концепции относительности и квантовой природы материи объединились на пути построения космологических теорий, проливая свет на, казалось бы, недоступные для человеческого познания объекты мегамира.

       Современная космология представляет собой учение о Вселенной как едином целом и о Метагалактике (всей охваченной астрономическими и астрофизическими наблюдениями области Вселенной) как части целого. Согласно основному философскому постулату космологии считается, что законы природы, установленные при изучении весьма ограниченной области Вселенной (как правило, вблизи нашей планеты), могут быть распространены (экстраполированы) на области значительно большие и в конечном счете – на всю Вселенную. (Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск, 1988.)

-22-

     Возникновение современной космологии непосредственно связано с разработкой А. Эйнштейном общей теории относительности (релятивистской теории тяготения), а также с зарождением внегалактической астрономии, которое относится к 20-м гг. нашего столетия. Естественно, что релятивистская космология началась с модели стационарной Вселенной, разработанной самим А. Эйнштейном. Отбросив ньютоновские постулаты об абсолютности пространства и времени, он ввел новые, согласно которым мировое пространство однородно и изотропно, материя в нем распределена в среднем равномерно, а гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием, что обеспечивает стационарность Вселенной. Положения об однородности и изотропности Вселенной в наши дни часто называют космологическим постулатом.

     Вскоре, однако, российский математик А. А. Фридман теоретически показал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной. Отказавшись от постулата о стационарности Вселенной, он предложил решение проблемы, которое остается общепринятым и в наше время. Работы А. А. Фридмана датируются 1922–1924 гг., а уже в 1929 г. принципиально новые результаты его исследований получили подтверждение благодаря открытию американским астрономом Эдвином Хабблом космологического красного смещения (эффекта «разбегания» галактик). Подробнее влияние этого открытия на развитие космологии будет рассмотрено ниже. 

      Из уравнений Эйнштейна следует, как известно, кривизна пространства-времени и связь этой кривизны с плотностью тяготеющих масс. Если, придерживаясь космологического постулата, считать, что во Вселенной отсутствуют гипотетические силы, противодействующие тяготению (такие силы, естественно, должны возрастать с расстоянием), то космологические

-23-

уравнения приобретают  простой вид, и из них следуют  две возможных модели. ( Горбачев В.В. Концепции современного естествознания М., МГУП, ч1, 2003)

     В случае если плотность вещества и излучения во Вселенной меньше определенной критической величины, то она неограниченно расширяется (открытая модель). Если, наоборот, эта плотность больше критической, то расширение на некотором этапе сменяется бесконечным сжатием до точечного состояния (замкнутая модель).

     В ходе эволюции Вселенной кривизна ее пространства уменьшается при расширении, увеличивается при сжатии, но знак кривизны не меняется: в открытой модели она отрицательна и в пределе равна нулю (геометрия Лобачевского), в замкнутой модели кривизна положительная (риманово пространство). Начальная стадия эволюции, согласно обеим моделям, должна быть одной и той же. Речь идет об особом, уникальном начальном состоянии материи, называемом сингулярностью (от лат. – singularis – особый, отдельный). Начиная с определенного момента такая сингулярность претерпевает взрывоподобное расширение, которое со временем замедляется. (Новиков И. Д. Эволюция Вселенной. – М., 1983.)

      Позволяя судить об общем характере эволюции Вселенной, рассмотренные модели оставляют открытым вопрос о характеристиках ее начального состояния. Задание этих характеристик представляет собой независимое положение релятивистской космологии. В конце 40-х гг. известный американский физик русского происхождения Джордж (Георгий) Гамов выдвинул гипотезу «горячей» Вселенной, которая с 60-х гг. стала общепринятой и называется теперь стандартной моделью Вселенной. В ней основное внимание уделяется физическим процессам, идущим на разных этапах расширения Вселенной, в том числе на самой ранней, наиболее

-24-

необычной стадии. Благодаря существенному прогрессу  в области физики элементарных частиц и атомного ядра общие физические законы надежно проверены при ядерных плотностях, составляющих ~10¹⁴ г/см³. Такую плотность Вселенная имеет спустя 10^–4 с после начала расширения, которое получило название «Большой взрыв». Следовательно, физические свойства эволюционирующей Вселенной поддаются изучению начиная с этого момента. (Новиков И. Д. Эволюция Вселенной. – М., 1983.)

3. Концепция «Большого взрыва»

       Стандартная модель эволюции Вселенной предполагает, что в момент перед «Большим взрывом» температура Т в сингулярности превышала 10¹³ градусов по шкале Кельвина, начало отсчета которой соответствует абсолютному нулю, или – 273 градуса по шкале Цельсия. Плотность материи должна была составлять не менее 10⁹³ г/см³. В таких условиях не могли существовать не только молекулы и атомы, но и атомные ядра. Материя представляла собой равновесную смесь различных элементарных частиц, включая фотоны. Физика элементарных частиц позволяет рассчитать состав такой смеси при разных температурах, соответствующих различным стадиям эволюции.

      Поскольку сразу после «Большого взрыва» расширение происходило с очень высокой скоростью, температура и плотность быстро понижались. Так, уже через ~0,01 с от состояния сингулярности плотность должна была упасть до ~10¹⁰ г/см³. В этот момент материя должна была представлять собой совокупность фотонов, электронов, позитронов, нейтрино, антинейтрино, а также относительно небольшого количества нуклонов. При этом пары электронов и позитронов непрерывно аннигилировали, образуя фотоны, а те, в  

-25-

свою очередь, превращались опять в электрон-позитронные  пары. Имеются основания предполагать, что уже на этой стадии произошло  нарушение симметрии между веществом и антивеществом. Речь может идти о весьма незначительной флуктуации, состоящей в превышении количества частиц над числом античастиц (один лишний электрон на миллиард аннигилирующих пар  (Новиков И.Д. Как взорвалась вселенная М. Наука 1988)