Тайны вселенной. По ту сторону микромира

Вс, 07/28/2013 - 22:45

Из всего сказанного можно сделать вывод, что фотон оказывается не только частицей видимого света, но и призрачной частицей, которую “видят” только заряженные частицы, претерпевающие рассеяние. Поэтому наблюдаемые фотоны называют реальными, а фотоны, переносящие взаимодействие, — виртуальными, что говорит об их скоротечности и почти призрачном существовании.

Описание электромагнитного взаимодействия с использованием понятий виртуальных фотонов основывается на продуманной до мельчайших деталей и оснащенной совершенным математическим аппаратом теории, известной под названием квантовой электродинамики (КЭД), впервые сформулированной в конце 40-х годов. Физики получили в свое распоряжение теорию, удовлетворяющую основным принципам как квантовой теории, так и теории относительности.

Чтобы проверить величину согласования теории с реальными показателями, было проведено ряд экспериментов, в которых Уиллису Лэмбу из Университета (шт. Аризона, США) удалось доказать полную состоятельность теории КЭД, где вычисления и эксперименты совпадали по более девяти знакам после запятой. Поэтому теория КЭД была принята как модель для квантового описания трех других фундаментальных взаимодействий.

Очевидно, что полям, связанным с другими взаимодействиями, должны соответствовать иные частицы-переносчики. Так, для описания гравитации был введен гравитон, играющий такую же роль, что и фотон, то есть при гравитационном взаимодействии двух частиц между ними происходит обмен гравитонами. Например, именно гравитоны переносят сигналы Луны океанам, следуя которым те поднимаются во время приливов и опускаются при отливах. Гравитоны, снующие между Землей и Солнцем, удерживают нашу планету на орбите, и те же гравитоны накрепко приковывают все, что находится на ее поверхности. Гравитоны, как и фотоны, перемещаются в пространстве со скоростью света и имеют такую же “нулевую массу покоя”, но отличаются от фотона тем, что те имеют спин 1, а у них спин равен 2. Это важное различие определяет направление силы: при электромагнитном взаимодействии одноименно заряженные частицы, например, электроны, отталкиваются, а при гравитационном — все частицы притягиваются друг к другу.

Основная идея обмена частицами-переносчиками распространяется и на остальные взаимодействия — слабое и сильное (табл. 3).

Связь между кварками обеспечивает сильное взаимодействие. Такую связь может создать силовое поле, сходное с электромагнитным, но более сложное.

Электрические силы приводят к образованию связанного состояния двух частиц с зарядами противоположных знаков. В случае кварков возникают связанные состояния трех частиц, что свидетельствует о более сложном характере силового поля, которому соответствует, три разновидности “заряда”. Частицы-переносчики взаимодействия между кварками, связывающие их попарно или тройками, называют глюонами.

Ситуация несколько иная, если взять случай слабого взаимодействия. Радиус этого взаимодействия чрезвычайно мал, поэтому переносчиками слабого взаимодействия должны быть частицы с большими массами покоя. Энергию, заключенную в такой массе, приходится “брать в долг” в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга. Но поскольку “взятая в долг” масса (а значит, и энергия) столь велика, принцип неопределенности требует, чтобы срок погашения такого кредита был чрезвычайно коротким — всего лишь около 10-26 сек. Столь короткоживущие частицы не успевают отойти особенно далеко, и радиус переносимого ими взаимодействия очень мал.

В декабре 1982 года итальянским физиком Карлом Руббиа в ЦЕРНе были открыты W-частицы и Z-частицы, которые являются двумя типами переносчиков слабого взаимодействия. Z-частицы, являясь по сути новой разновидностью света, кроме массы покоя подобны фотону. W-частицы отличаются от Z-частиц наличием электрического заряда.

Пустое пространство кажется не очень перспективным объектом для исследования, однако именно в нем скрыт ключ к полному пониманию существующих в природе взаимодействий. Довольно-таки легко представить вакуум — область пространства, из которой удалено буквально все — частицы, поля, волны. На практике достичь абсолютного вакуума практически невозможно. Даже в космическом пространстве всегда присутствует остаток газа или плазмы, а также реликтовое фоновое излучение, оставшееся от Большого взрыва. Однако всегда для рассмотрения можно представить идеализированный вакуум.

Вообще вакуум — это не пустое безжизненное пространство, лишенное вещества. Источником такого толкования является разновидность принципа неопределенности Гейзенберга, относящаяся к энергии. Как ни стараться опустошить пространство, в нем всегда будет присутствовать рой мимолетных частиц, возникновение которых “субсидируется” соотношением Гейзенберга. Эти частицы-призраки нельзя наблюдать, хотя они могут оставить следы своего кратковременного существования. Они представляют собой разновидность “виртуальных” частиц, аналогичных переносчикам взаимодействий, но не предназначенных для получения или передачи сигналов. Возникнув из пустоты, они снова превращаются в нее, являя собой наглядное доказательство существования силового поля и оставаясь при этом бесплотными призраками. Напрашивается вывод, что вакуум не безжизнен и безлик, а полон энергии. Например, “реальную” частицу, как электрон, всегда целесообразно рассматривать на фоне этой непрерывной активности. Электрон, перемещаясь в пространстве, в действительности оказывается в окружении частиц-призраков — виртуальных лептонов, кварков и переносчиков взаимодействий, — плутая в этой неразберихе. Своим присутствием он вносит возмущения в непрерывную активность вакуума, которая в свою очередь оказывает воздействие на электрон. Даже в состоянии покоя электрон не знает покоя: со всех сторон его непрерывно штурмуют другие частицы, появившиеся из вакуума.

Другие материалы рубрики


  • Космические фонтаны из водяного льда, пара и смеси других веществ, поднимающиеся над равнинами луны Сатурна, давно интригуют специалистов. Не хотят сходиться уравнения, описывающие энергетику этого мира, столь удаленного от Солнца. Однако все встает на свои места, если учесть новое открытие: волнующая активность Энцелада по геологическим меркам — мимолетный эпизод.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • ...Новая теория позволила сформулировать идеи, допускавшие экспериментальную проверку. В результате этих работ была предсказана новая разновидность света, состоящая не из обычных фотонов, а из загадочных Z–частиц. В окрестностях Женевы в 1983 году в серии экспериментов, исследующих столкновения частиц высоких энергий на ускорителе, были обнаружены Z–частицы, то есть единая теория поля получила подтверждение. Теоретики к этому времени сформулировали амбициозную теорию, объединяющую с электромагнитным и слабыми взаимодействиями еще один тип ядерных сил — сильное взаимодействие. Кроме того, были получены первые результаты исследований в области гравитации, показывавшие, каким образом гравитационное взаимодействие можно было бы объединить с другими типами взаимодействий...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • ...Итак, согласно полученным результатам, в конце первой секунды температура достигла 1010 К — это слишком много для того, чтобы могли существовать сложные ядра. Все пространство Вселенной было тогда заполнено хаотически движущимися протонами и нейтронами, вперемешку с электронами, нейтрино и фотонами (тепловым излучением). Ранняя Вселенная расширялась чрезвычайно быстро, так что по прошествии минуты температура упала до 108 К, а спустя еще несколько минут — ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Наблюдения на рентгеновской обсерватории «Чандра» показали наличие большого числа маломассивных рентгеновских двойных звезд в эллиптических и линзовидных галактиках, а также в балджах — центральных сферических компонентах — дисковых галактик. Распределение источников по светимостям хорошо описывается двумя компонентами, граница между которыми соответствует светимости порядка (2-3) 1038 эрг/с. Т.к. эта величина примерно соответствует максимальной (т.н. Эддингтоновской) светимости объекта с массой 1.4 Мо, то возможно, что более мощные источники являются аккрецирующими черными дырами, а менее мощные — нейтронными звездами. Т.о. с некоторой долей уверенности можно говорить, что мы видим в галактиках ранних типов — эллиптических и линзовидных — тесные двойные системы как с черными дырами (самые яркие источники), так и с нейтронными звездами (менее яркие).



  • Уже очень скоро сверхмассивную черную дыру в центре нашей Галактики украсит красочный венец из молодых и ярких звезд. Следы метилового спирта в огромном газовом кольце вокруг нее означают, что в нем уже формируются массивные звезды. Раньше астрономы думали, что черная дыра образованию звезд может помешать.
    В центрах большинства галактик, особенно крупных, находятся сверхмассивные черные дыры, весящие миллионы и даже миллиарды солнечных масс — куда больше тех, что возникают в конце эволюции звезд. Судя по всему, эти объекты зародились еще в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва, породившего нашу Вселенную, и с тех пор лишь росли, постепенно нагуливая массу и освещая свои вселенские окрестности ярким светом активности галактического ядра

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • ...Несмотря на то, что идея коллапса кажется простой (при сжатии ядра выделяется энергия гравитационной связи, за счет которой выбрасываются внешние слои вещества), трудно понять процесс в деталях. В конце жизни у звезды с массой более 10 масс Солнца образуется слоеная структура, с глубиной появляются слои все более тяжелых элементов.
    Ядро состоит в основном из железа, а равновесие звезды поддерживается квантовым отталкиванием электронов.
    Но в конце концов масса звезды подавляет электроны, которые вжимаются в атомные ядра, где начинают реагировать с протонами и образовывать нейтроны и электронные нейтрино. В свою очередь, нейтроны и оставшиеся протоны прижимаются друг к другу все сильнее, пока их собственная сила отталкивания не начнет действовать и не остановит коллапс.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Был ли Большой взрыв началом времени или Вселенная существовала и до него? Лет десять назад такой вопрос казался нелепым. В размышлениях о том, что было до Большого взрыва, космологи видели не больше смысла, чем в поисках пути, идущего от Северного полюса на север. Но развитие теоретической физики и, в частности, появление теории струн заставило ученых снова задуматься о предначальной эпохе.
    Вопрос о начале начал занимать философов и богословов с давних времен. Он переплетается с множеством фундаментальных проблем, нашедших свое отражение в знаменитой картине Поля Гогена «D’ou venons-nous? Que sommes-nous? Ou allons-nous?» («Откуда мы пришли? Кто мы такие? Куда мы идем?»). Полотно изображает извечный цикл: рождение, жизнь и смерть — происхождение, идентификация и предназначение каждого индивидуума. Пытаясь разобраться в своем происхождении, мы возводим свою родословную к минувшим поколениям, ранним формам жизни и прото-жизни, химическим элементам, возникшим в молодой Вселенной, и, наконец, к аморфной энергии, некогда заполнявшей пространство. Уходит ли наше фамильное древо корнями в бесконечность или космос так же не вечен, как и мы?

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • Наблюдая и изучая особенности Млечного Пути, астрономы долгое время не могли понять общую структуру и историю нашей Галактики. До 1920 г. ученые не были уверены, что Галактика — отдельный объект, один из миллиардов подобных. К середине 50-х гг. они наконец составили план Галактики, представляющий собой величественный диск из звезд и газа. В 60-х гг. теоретики считали, что наша Галактика сформировалась на раннем этапе космической истории — по новейшим оценкам, около 13 млрд. лет назад — и с той поры не претерпевала существенных изменений.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • Однако сторонники потоков воды провели всестороннее исследование гипотезы о жидкой углекислоте и других средах. Были детально рассмотрены практически все ее аспекты и сделаны убедительные выводы. Например, в аккуратной работе Стьюарта и Ниммо, вышедшей в 2002 году, результаты сформулированы следующим образом: «Мы нашли, что ни конденсированный CO2, ни клатраты CO2 не могут быть накоплены в коре Марса в достаточных количествах... Таким образом, мы заключаем, что овраги не могут быть образованы жидким CO2. В свете этих результатов потоки жидкой воды остаются предпочтительным механизмом формирования свежих протоков на поверхности».


  • Немного найдется произведений, передающих красоту космических объектов, называемых планетарными туманностями. Освещенные изнутри родительской звездой, расцвеченные флуоресцирующими атомами и ионами на фоне космической черноты, газовые структуры кажутся живыми. Ученые дали им прозвища — Муравей, Морская Звезда, Кошачий Глаз...
    Термин «планетарные туманности» — представляющие собой размытые, похожие на облака объекты, видимые только в телескоп — придумал два столетия назад английский астроном Вильям Гершель (William Herschel), исследователь туманностей. Многие из них имеют округлую форму, которая напомнила ученому зеленоватый диск планеты Уран, им же и открытой. К тому же он полагал, что округлые туманности могут быть планетными системами, формирующимися вокруг молодых звезд. Термин прижился, несмотря на то, что действительность оказалась иной: туманности такого типа состоят из газа, сброшенного умирающими звездами. Примерно через 5 млрд. лет Солнце закончит свой космический век изящным выбросом планетарной туманности, что не вполне соответствует теории эволюции звезд — основе, на которой базируется наше понимание космоса. Если звезды рождаются, живут и умирают круглыми, то как же они создают вокруг себя структуры, которые мы видим на фотографиях «Хаббла», подобные Муравью, Морской Звезде или Кошачьему Глазу?

    • Страницы
    • 1
    • 2