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.



  • 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).



  • ...В начале 70-х годов появилось предложение объединить бозоны и фермионы в единую теорию, что, мягко говоря, среди ученых вызвало недоумение, ведь столь различны по своим свойствам эти две группы частиц. Тем не менее, оно возможно, если обратиться к симметрии, более широкой, нежели симметрия Лоренца — Пуанкаре, лежащая в основе теории относительности. Математическая суперсимметрия соответствует извлечению квадратного корня из симметрии Лоренца — Пуанкаре, физически же она соответствует превращению фермиона в бозон и наоборот. Разумеется, в реальном мире невозможно проделать такую операцию, тем не менее, операцию суперсимметрии можно сформулировать математически и можно построить теории, включающие суперсимметрии...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • 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


  • Вращаясь вокруг Солнца, инфракрасная обсерватория НАСА ищет следы молодых звезд и галактик, а также межзвездное пространство, в котором они образовались.
    Космический телескоп имеет очевидные преимущества в изучении инфракрасного теплового излучения, которое испускают объекты, слишком холодные, чтобы сиять в спектре видимого света. Атмосфера Земли - постоянная помеха для инфракрасных приборов, поскольку она не только впитывает слабые инфракрасные лучи из космоса, но и сама выделяет их огромное количество.
    В 1979 году НАСА представило инфракрасный космический телескоп SIRTF. Он не стал первым инфракрасным прибором на орбите, но долгое время оставался самым большим.



  • Эксперты ООН в ежегодных докладах публикуют данные, говорящие, что Землю в перспективе ждет катастрофическое глобальное потепление, обусловленное возрастающими выбросами углекислого газа в атмосферу. Однако наблюдение за Солнцем позволяет утверждать, что в повышении температуры углекислый газ «не виноват» и в ближайшие десятилетия нас ждет не катастрофическое потепление, а глобальное, и очень длительное, похолодание.

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


  • В августе 1989 года с космодрома Куру ракетой-носителем Ариана 4 был запущен на орбиту вокруг Земли искусственный спутник HIPPARCOS. Название этого аппарата напоминает имя известного древнегреческого астронома Гиппарха (II в. до н.э.), открывшего явление прецессионного движения оси вращения Земли и предложившего первую фотометрическую шкалу измерения блеска звезд. Отдавая дань уважения Гиппарху, специалисты из Европейского Космического Агентства дали своему спутнику имя, которое они составили из первых букв полного названия научного проекта: HIgh Precision PARarallax COllecting Satellite — «Спутник для получения высокоточных параллаксов». Космический аппарат просуществовал на орбите 37 месяцев, и за это время он провел миллионы измерений звезд. В результате их обработки появились на свет два звездных каталога. Первый из них — HIPPARCOS.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • 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


  • 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


  • В нашей Галактике за пределами Солнечной системы обнаружено несколько сотен планет. Исследовать их проще и дешевле при помощи автоматических зондов сверхмалого размера. Запускать эти аппараты можно с Земли из электромагнитной пушки, а ускорять и корректировать орбиты будут гравитационные поля встречных звезд.
    Полеты к звездам — любимая тема фантастов и авторов компьютерных игр. Лихо носятся их звездолеты на просторах Галактики! Вот только неясно — как и зачем? Но эти вопросы не очень волнуют любознательных читателей: «как» — это придумают инженеры, а уж «зачем» — вообще неприлично спрашивать. Вы только представьте: новые неизведанные миры, братья по разуму... Разве это неинтересно?!
    Но не все фантазии удается воплотить в жизнь. Романтическая эпоха поиска внеземных цивилизаций, рожденная в начале 1960-х успехами космонавтики и радиоастрономии, к концу столетия почти сошла на нет.