Тайны вселенной. Симметрия и взаимодействия

Чт, 07/25/2013 - 21:10

Четыре взаимодействия:
а – сильное; б – электромагнитное; в – слабое; г - гравитационное

Классическим примером является закон электромагнитного поля. У истоков этой теории стоял Майкл Фарадей, который установил, что электричество и магнетизм тесно связаны между собой и что одно порождает другое. Позднее, в 50-х годах XIX столетия, Джеймс Клерк Максвелл разработал теорию, связав электрическое и магнитное поле единой системой уравнений, что повлекло за собой чрезвычайно глубокие последствия.

Во-первых, это позволило соединить электрическое и магнитное поле в единое электромагнитное поле. Уравнения Максвелла можно с уверенностью считать первой единой теорией поля, то есть первым шагом на пути к суперсиле. Кажущиеся, на первый взгляд, совершенно различными две силы природы в действительности могут оказаться двумя различными проявлениями объединяющих их сил.

Во-вторых, выяснилось, что уравнениям Максвелла удовлетворяют различные синусоидальные функции (симметрия подъемов и падений кривой), которые описывают периодические колебания, или волны. Эти электромагнитные волны самостоятельно распространяются в поле, то есть в том, что кажется пустым пространством. Максвелл вывел формулу, выражающую скорость электромагнитных волн через электрические и магнитные величины и получил, что они распространяются со скоростью около 300000 км/с, то есть почти со скоростью света. Именно поэтому земляне видят Солнце.

Через несколько лет Генрих Герц в лабораторных условиях открыл радиоволны; затем были открыты гамма-, рентгеновское, инфракрасное, ультрафиолетовое и СВЧ-излучения, которые также представляют собой электромагнитные волны.

На рубеже XX века Анри Пуанкаре и Хендрик Лоренц исследовали математическую структуру уравнений Максвелла и вывели новую симметрию, которая аналогична по своему духу таким геометрическим симметриям, как вращения и отражения, но отличается от них в одном важном отношении: никому до этого не приходило в голову физически смешивать пространство и время?!

По существу новую симметрию можно рассматривать наподобие вращения, но не только в одном пространстве, оно затрагивает и время. Если к трем пространственным измерениям добавить одно временное, то получится четырехмерное пространство-время, то есть симметрии Лоренца-Пуанкаре — это своего рода вращение в пространстве-времени, в результате которого часть пространственного интервала проектируется на время и наоборот.

Пространство и время не существуют независимо друг от друга, они неразрывно связаны. Симметрии Лоренца-Пуанкаре — не просто абстрактная математика, они могут происходить в реальном мире, осуществляясь через движения, где ключом к причудливым пространственно-временным “проекциям” является скорость света и преобразования электромагнитных волн. Когда наблюдатель движется со скоростью, близкой к скорости света, пространство и время сильно изменяются, причем симметрично. Постижение столь тонкой и ранее неизвестной симметрии природы послужило толчком к созданию теории относительности Эйнштейна, которая в свою очередь ознаменовала рождение новой физики.
Поиск новых симметрий стал главным средством, помогающим физику продвигаться к пониманию мира. Так понятие симметрии можно расширить, включив в него более абстрактные понятия. Как уже отмечалось, между симметрией и законами сохранения существует тесная связь. В этом смысле закон сохранения электрического заряда — один из наиболее твердо установленных законов сохранения. Закон сохранения заряда утверждает, что заряд может быть положительным и отрицательным, и сумма их остается неизменной величиной, а при равной их величине заряды нейтрализуют друг друга, создавая в сумме нулевой заряд. Естественно, коль скоро электрический заряд сохраняется, то возникает вопрос о том, какова природа симметрии, связанная с этим законом сохранения. В физике существует много симметрий негеометрического характера. Одна из них, к примеру, связана с работой, совершаемой при подъеме объекта. Затрачиваемая энергия зависит от разности высот, которую требуется преодолеть при этом, и никак не зависит от траектории подъема. Однако энергия не зависит от абсолютной высоты: совершенно безразлично, измеряются высоты от уровня моря или от уровня суши, — важна только разность высот. Отсюда следует, что существует симметрия относительно выбора начала отсчета высот. Аналогичная симметрия существует и для электрических полей. Роль высоты в этом случае играет напряжение, иными словами — электрический потенциал. Если электрический заряд движется в электрическом поле от одной точки к другой, то затрачиваемая при этом энергия зависит только от разности потенциалов между конечной и начальной точкой. Если к системе приложить дополнительное напряжение, то энергия, затрачиваемая на перемещение электрического заряда в поле, не изменится. Это еще одна скрытая симметрия уравнений Максвелла для электромагнитного поля.

Выше приведенные примеры могут служить иллюстрациями того, что в физике называется калибровочными симметриями. Изменение масштаба, высоты и напряжения включают в себя “калибровку” и по своей сути абстрактны, потому как по своему характеру не геометрические. Невозможно, взглянув на соответствующее явление, увидеть симметрию, однако все три симметрии являются важными характеристиками рассматриваемой системы. Именно калибровочная симметрия напряжений обеспечивает сохранение электрического заряда.


Николай Коперник
(19.02.1473  — 24.05.1543)
Польский астроном, создатель гелиоцентрической системы мира. Совершил переворот в естествознании, отказавшись от принятого в течение многих веков учения о центральном положении Земли. Объяснил видимые движения небесных светил вращением Земли вокруг оси и обращением планет (в т. ч. Земли) вокруг Солнца

Последний пример абстрактной симметрии демонстрирует сильное ядерное взаимодействие между протонами и нейтронами. Величина и другие свойства этого взаимодействия, как показывают эксперименты, не зависят от того, о каких частицах идет речь — протонах или нейтронах, ведь они удивительно похожи друг на друга. Их массы отличаются всего лишь на 0,1%. К тому же, у них одинаковые спины и на них одинаково действуют ядерные силы. Единственное, что их отличает, так это наличие у протона электрического заряда, но поскольку при ядерных взаимодействиях электрический заряд не имеет значения, то он служит лишь меткой протона. То есть, заряд позволяет распознавать протон и отличать его от нейтрона, но никак не сказывается на ядерном взаимодействии, связывающем протоны и нейтроны. Отсюда выходит, что если протон лишить заряда, то он теряет свою индивидуальность.

Тесное сходство протона и нейтрона наводит на мысль, что здесь существует симметрия. И действительно, на ядерный процесс никак не отразится, если можно было бы заменить все протоны на нейтроны, или наоборот. Это свойство получило название — симметрия изотопического спина, или изотопическая симметрия. Название связано с тем, что ядра, отличающиеся только числом нейтронов, называются изотопами. Нынешнему состоянию Вселенной соответствует равное количество протонов и нейтронов, которые находятся в постоянном движении. Но какая причина вызывает эти движения и вообще изменения в природе?

Нетрудно заметить, что в мире существуют объекты, например, живые существа, которые имеют внутренний источник движения, а для булыжника, ножа, стрелы, чтобы прийти в движение, необходим внешний источник движения, или воздействия. Еще древнегреческие философы предприняли изучение процессов изменения и движения. Аристотель считал, что ключом к пониманию движения служит понятие сопротивления. Например, тело в воздухе движется свободнее и быстрее, чем в воде, которая является более плотной средой. В обоих случаях для преодоления сопротивления среды необходимо движение. Аристотель отверг идею атомистов о частицах, свободно движущихся в пустоте, ибо пустота, лишенная субстанции, не могла бы оказывать сопротивления движению. Следовательно, частицы в пустоте должны были бы двигаться с бесконечной скоростью, что само по себе абсурдно.
Техническое представление о силе полностью сложилось в XVII веке после великого достижения Ньютона, которым стало осознание того, что движение как таковое отнюдь не требует приложения силы. Объект будет двигаться с постоянной скоростью в заданном направлении, без какого бы то ни было внешнего воздействия. Только отклонение от равномерного прямолинейного движения требует объяснения, то есть наличия силы. Ньютон установил, что сила вызывает ускорение, и вывел точную математическую формулу, связывающую эти величины. Теория Ньютона позволила объяснить загадку движения Земли вокруг Солнца. Нет никакой видимой причины, вынуждающей Землю двигаться по орбите. В теории Ньютона такая причина и не требуется. Само движение Земли не требует объяснений; в объяснении нуждается только отклонение от равномерного прямолинейного движения. Траектория Земли в пространстве искривляется относительно направления на Солнце, что легко объяснить солнечным притяжением.

Другие материалы рубрики


  • Итак, знакомимся с действующими лицами драмы. Коричневый карлик 2M1207 спектрального класса M8 (его можно увидеть хорошо вооруженным глазом в созвездии Центавр) и его небольшой компаньон — планета 2M1207b. Последняя уже несколько лет как мучает ученых своими загадками. И вот теперь новейшее исследование позволило предположить: странные особенности данного объекта объясняются тем, что он рожден в результате совсем недавнего столкновения двух планет.



  • ...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


  • Никто пока не определил, всякая ли звезда в Галактике окружена другими планетами, либо Солнце является исключением из данного правила. За последние 9 лет астрономы при наблюдении за колебательными движениями звезд, которые вызваны воздействием, оказываемым на них планетами, обнаружили сотни таких планет. Но этот метод помогает фиксировать лишь самые массивные планеты, находящиеся неподалеку от звезд. Так можно обнаружить Юпитер, Сатурн в Солнечной системе, но мелкие тела (кометы, астероиды, планеты земного типа), делающие Солнечную систему такой разнообразной, астрономы бы не смогли найти, используя эти методы наблюдения.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Невиданный успех фильма «Аватар» о событиях на экзопланете Пандора на самом деле может быть не такой уж и фантастикой. По крайней мере, обнаружение новых планет в других звездных системах дает нам надежды на то, что мы на самом деле увидим причудливых инопланетных существ.
    Фантастика зачастую является таковой лишь для определенной эпохи, и с развитием научно-технического прогресса она становится реальностью. Вот и «Аватар» не зря был снят, точнее, смонтирован именно сейчас — ведь еще десять-пятнадцать лет назад подобное казалось уж больно нереальным. Примерно, как обнаружение живого динозавра.
    Современные астрономы уже не отрицают, что где-то там, в других галактиках или даже в нашем родном Млечном пути, есть жизнь. Завлабораторией астроинформатики Главной астрономической обсерватории НАН Украины Ирина Вавилова так и говорит: «Считаю, что она существует. В форме простейших организмов — так точно».

    • 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


  • Теория эволюции звезд основана на диаграмме «спектр-светимость». Спектр звезды связан с температурой ее поверхностных слоев, светимость — это количество световой энергии, излучаемой звездой в единицу времени. По оси абсцисс откладывается последовательность спектральных классов, по оси ординат — светимость. Звезды Галактики изображаются на диаграмме точками. Точки могли бы расположиться как попало, могли бы сгуститься к одной линии. Но они сгущаются к нескольким линиям и областям, из которых выделяются пять. Им соответствуют группы звезд: звезды главной последовательности, субкарлики, красные гиганты, сверхгиганты, белые карлики. Сопоставляя диаграммы «спектр-светимость», составленные для различных звездных скоплений, можно с уверенностью утверждать, что звезды главной последовательности на определенном этапе эволюции превращаются в красные гиганты. Из диаграмм также видно, как это происходит: температура звезды начинает уменьшаться, размеры и светимость, наоборот, увеличиваются. Через некоторое время температура опять начинает расти. Скорость эволюции определяется начальной массой звезды.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • В кинокомедии «Карнавальная ночь» один из персонажей — лектор — сообщает: «Есть ли жизнь на Марсе, нет ли жизни на Марсе, науке не известно». С тех пор прошло почти полвека, но это утверждение справедливо и сегодня. Однако не менее справедливо и другое: «Где есть вода — там есть и жизнь». Сегодня с большой долей уверенности можно сказать: вода на Марсе есть. Дело за малым — отыскать там жизнь.


  • ...Пока ваш звездолет выбирается из гравитационной ловушки Гаргантюа, вы строите планы возвращения домой. К тому моменту, когда вы достигнете Млечного Пути, Земля станет на 2,4 млрд. лет старше, чем во время вашего старта. Изменения в человеческом обществе будут настолько велики, что вы не испытываете особого желания возвращаться на Землю. Вместо этого вы и команда звездолета решаете освоить пространство вокруг какой-нибудь подходящей вращающейся черной дыры. Ведь именно энергия вращения дыры в квазаре 8C 2975 позволяет квазару «проявить себя» во Вселенной, поэтому энергия вращения дыры меньших размеров может стать источником энергии для человеческой цивилизации.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • 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».


  • Космологи в замешательстве. Обычно предметы, брошенные вверх, замедляются. Планеты притягивают объекты, звезды притягивают планеты. Это нормально. Но почему тогда Вселенная расширяется? Отдельные галактики, разбросанные после Большого взрыва в разные стороны, должны притягиваться друг ко другу — и расширение должно замедляться. Но того не происходит: они разлетаются друг от друга с ускорением. Принято считать, что виновата во всем темная энергия, хотя она темная именно оттого, что о ней никто ничего не знает. Но уже ясно точно, что на предельно больших расстояниях гравитация превратилась в отталкивающую силу, а не в притягивающую.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4