Про физику
Копирую два сообщения из дайра. Не очень хорошо вышло, но уж как есть.
Более всего удивляет хаос в собственной голове. Вот же вроде и сама двадцать раз это все уже рассказывала с разных сторон и разными подходами, ан вот нет, не нравится что получилось и как-то все бессвязно.
Не нравится.
Возможно, потому что надо было говорить не о самом взрыве, а о проблемах в физике? Кто знает.
Итак.
Большой взрыв
Я редко говорю о физике, помня о падении общего образования в стране и о том, что и во времена СССР желающих копаться в "настоящей" науке, а не разных ее сенсационных гипотезах малообразованных людей, было мало.
К тому же места, где я бываю, большей частью посещаются девушками, которым с рождения внушается мысль о куклах, тряпках и запрете на технику для женского пола.
Я учитываю, что это обычно никому неинтересно и не нужно. (И я хорошо помню реакцию в том же ХС на всякие мои идеи о различных сказках на научно-технические темы, в результате которой я из этого ХС ушла).
Но сейчас вот стих нашел.
Тем более, что я обещала Шаф рассказать про БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ.
Вот после этого лирического отступления, я начну.
про Большой Взрыв
Я постараюсь по-возможности кратко.
Итак... Большой Взрыв - это... Это...
Ну, вот, уже и начинаются проблемы.
Большой Взрыв - это рождение нашей Вселенной, это точка высшей сингулярности, это процесс отделения четырех типов взаимодействия друг от друга, это время существования планковских размеров и энергий, это...
Придется по-порядку, причем так, как нравится мне лично ))).
А что делать, все же на моей территории находимся.
На сегодняшний день фундаментальной физике известны четыре типа взаимодействия: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное.
Каждый тип взаимодействия создает свое поле и имеет свою частицу переносчика. Что это значит?
Ну, вот если мы возьмем электрон, скажем, то вокруг него образуется "поле". Электромагнитное. Если мы внесем в это поле другой электрон, они возьмутся расталкиваться.
Никогда не задумывались, а откуда "тот другой" электрон узнал о существовании первого? Ну, поле-то поле, да, а что это за зверь такой - "поле"? А почему не "эфир", который так любили в средние века?
Так вот история науки все время шла по спирали поле-частица. Или волна-частица.
То, понимаешь, древние греки все объявляют частицами, тогда понятно как они взаимодействуют: через удар. Удар может быть упругий - столкнулись и разлетелись, а может быть неупругий - столкнулись и слиплись. Далее, как повезет, разлетелись, слиплись навсегда, развалились на части и т.п. - все это будет неупругое взаимодействие.
Все вроде понятно, да?
А вот свет берет и огибает препятствие. Это как может быть?
Или интерферирует? Как это частица берет и огибает? Она же прямо вроде как летит-то...
Гюйгенс, Ньютон, волновая оптика. Свет - это волна.
Значит-таки волна. Волна может обогнуть, интерферировать, давать кольца, радугу, что угодно.
Ан-нет, а взаимодействовать-то вот как? Волна электромагнитная неощутима. Ее нельзя пощупать. Она "пихается" так же, как и частица, только вот зачем нам такое непонятное нечто, когда проще все объяснить частицами?
А вот еще Максвелл и Фарадей пришли на сцену и доказали, что электромагнитное взаимодействие - волна и ПОЛЕ. Засада.
А зато Дж.Дж.Томпсон доказал, что есть внутри вещества электрон. И он-то и есть заряд и переносчик. Опять частица.
А Герц взялся доказывать, что нет никаких электромагнитных волн. Вранье! Нету! Не бывает! Хорошо доказывал. Тщательно.
Вошел в историю как первооткрыватель радиоволн.
А там вот Лебедев-то Петр в России возьми, да измерь прямое давление света. Которое может создать только прямая бомбардировка частицами. Ай, как нехорошо-то выходит. Таки выходит частица... Неприятно-то как.
И опять на сцену выходит свет-частица.
А даже Рентген снова доказывается, что его лучи - все ж таки волна. И опять свет-волна.
И так продолжалось довольно долго, пока не явился 20-й век во всем своем великолепии квантовой механики, раз и навсегда поставившей точку в этом вопросе.
Правда точку-то такую, что никого не обрадовала. Квантовая механика гласит, что свет - это и волна, и частица, нате вам, откушайте.
Я не буду останавливаться на том, что это выворачивает мозги и "традиционные" представления. Это неважно.
Поверим, что так оно и есть, тем более, что это многократно доказано прямыми экспериментами.
Позже оказалось, что если мы говорим "волна", а это означает "поле", то обязательно должна появиться частица, которая переносит это поле. Ну, вот свет - электромагнитная волна, значит квант света - фотон - переносчик электромагнитного взаимодействия.
Ну, или если бы фотон состоял из каких-то частиц, то они бы и стали переносчиками, но уже внутри фотона, например.
А потом и началось.
А какие взаимодействия бывают в нашем мире? Ну, про электромагнитное все давно знают. Попробуем еще?
Гравитационное, ага? Легче всего сообразить про него.
А почему атомы удерживаются в стабильном состоянии? Ведь у них ядро положительно заряжено, а электронная оболочка - отрицательно. Почему не прилипнут? А почему не расталкиваются протоны в ядре между собой? А электроны?
А потому что там работает другая сила. Ядерная или сильная. Названа она так по той простой причине, что эта сила значительно "сильнее" электромагнитной. И она-то и удерживает протоны в ядре.
Что же касается слабого взаимодействия, то именно оно ответственно за образование таблицы Менделеева после железа.
А, как мы уже выяснили, раз есть тип взаимодействия, нужен переносчик.
И тут началось самое интересное.
Оказалось, что есть частицы, участвующие только в одном из типов взаимодействия, а есть те, кто участвует в нескольких.
И естественный возникающий вопрос такой: а нет ли общих переносчиков и нельзя ли объединить разные взаимодействия?
Оказалось, можно.
Первым объединили слабое и электромагнитное взаимодействия и назвали это объединение Стандартной Моделью (так и называется). Частицы-переносчики такого взаимодействия W+- и Z0 бозоны (везде второй знак должен стоять верхним индексом). Они оказались очень тяжелыми. Почти в 50 раз тяжелее протона, который сам в 2 000 раз тяжелее электрона.
А ведь в мире элементарных частиц, чем тяжелее, тем короче жизнь.
Что же случается с частицей, когда она "умирает"? Она распадается на массу других. А те - на опять же другие, более легкие и т.п. Процесс останавливается на уровне современного мира частиц.
И тут предположили совсем простую вещь.
Если мы наблюдаем СЕЙЧАС данный состав и количество частиц во Вселенной, может "отмотаем" время назад и посмотрим, как оно было? Начали "мотать назад" и быстро поняли, что да, где-то в прошлом должен быть момент, когда эти тяжелые бозоны жили себе и не тужили, жили относительно долго (в тех условиях), а легких частиц, которые живы сейчас, и вовсе не было. Или почти не было.
Естественно возник вопрос, а что дальше?
А нельзя объединить следующее "по списку" сил взаимодействие - сильное?
Оказалось, можно. Эта теория называется "теория великого объединения" и она предсказывает, что есть частица, которая будет переносчиком всех трех типов взаимодействия: электромагнитного, сильного и слабого. Нет, ее еще не нашли. Совсем.
Однако есть масса косвенных признаков, что она есть. Мы просто "не дошли" по шкале энергий до создания такой частицы.
Точнее, создали БАК. Или LHC, как его зовет остальной мир. Там должный найти бозон Хиггса, который и есть тот самый общий переносчик. Как только найдут, сразу можно считать теорию доказанной (она и сейчас имеет массу КОСВЕННЫХ доказательств, но в физике обычно требуют прямых и только тогда говорят, что теория ЕСТЬ).
Впрочем, на LHC может и не найдут Хиггса. Есть вариант, что и там не хватит энергии для обнаружения, и это очень неприятный для нас вариант, поскольку он будет означать, что даже ускорителя, опоясывающего земной шар, не хватит для следующего варианта энергии Хиггса.
Хуже всего с гравитацией. Про нее ничего неизвестно. Да, конечно, надо ожидать и волну, и частицу, только вот частицы пока нет, волны тоже нет.
Теоретики уже чего только не придумали: и что достаточно всего одного "гравитона" или "гравитино". И что их вообще может не быть, а есть искривление пространства, которое и создает поле. Т.е. нет никакого поля, на самом деле.
Поясняю: представьте две точки на листе бумаги. Через них можно провести прямую и это будет кратчайшее расстояние или геодезическая.
Так?
Так, да не так. В евклидовой геометрии это верно.
А вот представьте теперь сферу. Земной шар. Две точки. Кратчайшее расстояние вовсе и не прямая. А дуга.
Так вот кратчайшее расстояние в римановой геометрии или геометрии на сфере - дуга.
А теперь предположим, что сфера стала невидимой. А геометрия осталась.
А мы наблюдаем за телом на сфере со стороны. И видим, что почему-то оно не двигается равномерно и прямолинейно, а двигается по дуге сферы, словно бы на него действует ускорение и какая-то сила. Похоже на гравитацию, правда? Тело вроде бы ничего не делает, на него ничего не действует, а оно падает.
Возможно, природа гравитации в геометрии пространства или локальной геометрии пространства. Никто пока не знает. Гипотез на этот счет существует такое чудовищное количество, что в них, по правде сказать, нет смысла разбираться неспециалистам. Не потому, что "маленькие и не поймете", а потому что они меняются достаточно регулярно, доказательств им пока нет никаких, в общем, это не более чем математические развлечения на сегодняшний день.
Но они регулярно выдают какие-то предсказания, которые пытаются проверить и выдать хоть что-то на эту тему. Пока, увы, безуспешно.
Однако вполне популярным в мире физике вариантом является тот, который объединяет все четыре взаимодействия в одно. И, конечно, если мы опять "пойдем назад" по шкале времени, разыскивая точку, когда все они были едины, мы попадем... на Большой Взрыв.
Т.е. Большой Взрыв - это не просто очень плотное вещество. Если бы. Это место, где есть только ОДНА частица, по сути. Переносчик ВСЕХ взаимодействий. Которая распалась на все то, что является сейчас нашей Вселенной.
Но чтобы ее создать заново... Нужна энергия, примерно равная энергии рождения Вселенной. Думаете, нереально?
Кто знает...
Примерно такие вот дела.
Фрагмент методички про спектр водорода и интерес в его изучении, в связи с исследованием разницы между водородом и антиводородом, и поиском нарушения CPT-инвариантности
Как видите, изучение спектра водорода сыграло большую роль для развития физики и астрономии.читать дальше Можно сказать, что «звездный миг» этого спектра состоялся в тот момент, когда последовательность спектральных серий подтвердила зарождавшуюся квантовую механику и фактически послужила открытиям уравнений Шредингера и Дирака. Позже наблюдение лэмбовского сдвига или расщепления 2s и 2p1/2 уровней (дважды вырожденных) привели к созданию так называемой теории перенормировки в квантовой электродинамике - логичному развитию квантовой механики. Обзор и историю этих событий можно посмотреть в работе Каршенбойма [5]. Однако и сегодня не только исследования с помощью спектра водорода, но и изучение самого этого спектра представляет интерес для науки.
Например, спектры антиводорода и обычного водорода теоретически должны совпадать. Если это не так, то мы получим нарушение так называемой СРТ-инвариантности. СРТ-инвариантность - это один из самых фундаментальных на сегодня законов сохранения, который гласит, что при одновременном изменении знаков у времени, пространства и заряда частицы (т.е. смены, скажем, «+» на «-» у радиус-вектора частицы r, времени t, и знака заряда), не произойдет никаких изменений в характере протекания физических процессов, мир останется неизменным.
Если СРТ-инвариантность окажется нарушенной, теоретикам придется заново обосновывать базовые положения Стандартной модели, которая объединяет электромагнитное и слабое взаимодействия, и придумывать обоснование ОТО - общей теории относительности. Лоренц-инвариантность тоже окажется нарушенной, и положения специальной теории относительности тоже придется пересматривать.
Кстати, лет пятьдесят назад считали, что, скажем, СР-инвариантность должна быть всегда и «стоять вечно», однако давно доказано, что она нарушается. Так что нарушение СРТ, хотя и перевернет основы существующей физики, но не является совсем невероятным событием.
Еще одним интересным вопросом является изучение влияния гравитационного поля на атомы водорода и антиводорода, поскольку даже малейшее различие перевернет всю современную космологию.
Поиски нарушения СРТ-инвариантности и вообще любых различий между атомами водорода и антиводорода ведутся во многих лабораториях мира по самым разным физическим процессам и самыми разными способами. Из экспериментов по осцилляциям нейтральных К-мезонов (каонов) [6],[7] известен верхний предел на относительную величину СРТ-нарушения. Он равен 10-18, что представляется совершенно фантастической величиной, тем не менее, атомная спектроскопия позволяет предложить новый эксперимент по улучшению этого результата.
В этом эксперименте предлагается методами лазерной спектроскопии сравнивать переход из состояния 2s, запрещенного правилами отбора, в состояние 1s. Естественная ширина такого перехода из-за запрещенности очень мала и составляет всего 10-15, так что при сведении к минимуму отношения сигнал-шум, точность положения центра линии достигнет величины 10-3, что даст нам желаемую суммарную точность в 10-18.
Чтобы перевести атом в возбужденное 2s состояние и измерить его ширину, предлагается использовать так называемый метод двухквантовой бездоплеровской спектроскопии. Суть этой спектроскопии высокого разрешения в том, что при поглощении атомом двух фотонов, движущихся в противоположном направлении, вклады доплеровского уширения линий будут разных знаков и линейный доплеровский эффект пропадет, останется только квадратичный, а форма линии такого двухфотонного поглощения будет совпадать с формой однородно уширенной линии отдельного атома.
Идея эксперимента, таким образом, будет простой: лазерный луч пройдет через газ водорода или антиводорода, отразится от зеркала и снова пройдет через газ. Атом газа поглотит два фотона и перейдет из состояния 1s в состояние 2s. Далее, внешние электрические поля приведут к тому, что появится примесь из разрешенного 2p-состояния, из которого атом быстро вернется в невозбужденное 1s состояние. Испущенный квант будет зарегистрирован системой измерения. При этом из условия задачи «уйдет» линейный эффект Доплера и останется квадратичный, который даст требование на охлаждение атомов: их температура не должна превышать сотых градусов Кельвина. Сегодняшние методы лазерного охлаждения позволяют достичь примерно в десять раз меньшей величины, так что реализация эксперимента становится возможной.
Надо сказать, что придется использовать именно такую схему, с запрещенным переходом, поскольку даже переход из состояния 1s в состояние 2p (т.е. первое возбужденное состояние атома водорода), который одно время являлся эталоном измерения времени, известен всего лишь с точностью до 10-14.
Кроме чисто спектроскопических проблем, существует еще множество сложностей для проведения эксперимента с антиводородом. Для начала надо создать достаточно много антипротонов и позитронов - античастиц электронов, заставить их соединиться и образовать антиводород, затем замедлить его до энергии, когда станет возможным его детальное изучение. При этом надо получить очень высокий вакуум, чтобы удержать антиводород, ведь любой антиатом при соприкосновении с веществом уничтожится - аннигилирует, с высвобождением огромного количества энергии. К тому же заряженными частицами управляют с помощью электрических или магнитных полей, а вот чем управлять нейтрально заряженными объектами, чьих соприкосновений с веществом нельзя допустить? Нужно получить спектр антиводорода и сравнить его со спектром водорода, полученным в тех же условиях с той самой точностью 10-18!
Одним словом, это довольно сложный проект, требующий использования всех достижений современной техники физического эксперимента, а также оригинальных научных и технических решений, на которых мы не будем останавливаться. Желающие могут почитать статью в УФН [10]. Однако уже вы можете стать свидетелями, как он будет реализован или даже принять в нем участие. Впервые атомы антиводорода были получены в Европейском Центре Ядерных Исследований (CERN) в 1995 г. в эксперименте PS210. Уже в начале нового века там же количество полученных атомов антиводорода достигло 170 тысяч [8,11] и планируются первые спектроскопические эксперименты.
Пояснения про антиводород
Антиводород - это простейший антиатом, состоящий, соответственно, из антипротона и "антиэлектрона", который имеет собственное название - позитрон.
Античастицы - это частицы, которые имеют одинаковую массу с "частицей", но отличаются знаком заряда. Причем "заряд" подразумевается не только электромагнитный, но так же и по другим типам взаимодействий, т.е. слабому и сильному (ядерному).
При встрече частицы и античастицы происходит полная аннигиляция, т.е. полный переход их энергии, включая "энергию покоя", связанную с массой.
Иными словами, частицы пропадают полностью, выделяя энергию. Из этой энергии могут родиться другие частицы или "те же самые" (но все равно другие по квантовым состояниям), причем, как правило, рождаются они "парами", т.е. частица-античастица.
Фотон является единственным исключением из "правила аннигиляции". Его взаимодействие с другим фотоном не приводит к аннигиляции, а сам антифотон полностью тождественен фотону.
Чего еще сказать?
Законы физики одинаковы для частиц и античастиц, однако видимая часть Вселенной однозначно говорит о том, что "частиц" в мире больше (собственно, можно было все назвать наоборот: частицы - античастицами, а античастицы - частицами, с т.зр. физики ничего бы не изменилось. Современной физики).
Причина такой ассиметрии кроется либо в случайном смещении в сторону частиц в момент хаоса Большого Взрыва (это возможно), либо в ... в нарушении той самой СРТ-инвариантности, которая может дать... да что угодно, рухнет основной закон сохранения )))
Надо бы еще добавить, что на сегодняшний день физика по-прежнему ничего не знает о фундаментальных причинах, приводящих к появлению гравитации, так что тут может быть серьезная засада и еще один ответ на вопрос: "почему частицы, а не античастицы"? Кстати, в этом случае тоже должно наблюдаться нарушение СРТ-инвариантности.
Наконец, возможно, мы по каким-то причинам не видим антивселенную.
Или часть галактик состоят из антивещества, СРТ не нарушается и с Земли никакими силами определить этот факт не представляется возможным.
В общем, вопросов больше, чем ответов, разумеется.
Ах, да.
Спектр....
Что такое радуга, я не буду пояснять? ))) А это и есть простейший пример спектра.
Спектры бывают непрерывными (радуга) и линейчатыми (когда линии стоят).
Любой спектр на самом деле линейчатый, но если линий много - сливается.
Каждый химический элемент обладает своим спектром, т.е. своим набором линий и их "цветом" (в кавычках потому что видимая область спектра на самом деле чудовищно мала, а спектром называют полный набор всевозможных длин волн).
Какие линии возможны, а какие нет, определяется законами квантовой механики. Собственно, дело обстоит просто.
Атом изначально спокоен как удав и находится в основном состоянии, как говорят.
Если его пнуть, ударить, нагреть или еще как возбудить, он перейдет в возбужденное состояние. Естественно, он не любит в нем находиться, поэтому плюеется фотоном и возвращается в исходное состояние покоя.
Испущенный фотон имеет энергию. Какой она будет зависит от собственно атома и силы удара по нему. Но атом возбуждается не абы как, он может перейти только в разрешенные состояния.
Т.е. его энергия возбуждения принимает не НЕПРЕРЫВНЫЙ ряд значений, а ДИСКРЕТНЫЙ.
Ну, совсем грубо, скажем, водород не может перейти в состояние с энергией 2, но может - с энергией 3, 5, 7.
Соответственно, когда он вернется в состояние "0", он может испустить фотон с энергией 3, 5, 7, но никак не 2.
В спектре, таким образом, 2 будет пропущено, но 3, 5, 7 останутся (все цифры условны).
Каждый атом имеет свой спектр, собственно по спектру идентифицируют какой атом мы видим.
Спектры могут иметь смещение, вызванное действием электромагнитного поля, например. Изотопы (т.е. атомы с разным числом нейтронов, но одинаковым - протонов и электронов), тоже имеют смещенный спектр. Эти смещения тоже известны.
Если вернуться к антиводороду, то дело обстоит так, что его спектр должен быть полностью идентичен водородному.
Если это не так, это будет значить, что наши представления о полной идентичности законов физики для вещества и антивещества ошибочны.
На сегодня они НЕ ошибочны с относительной точностью 10^-18, что означает, что 18 знаков после запятой нам известны и они не позволяют предположить, что СРТ-инвариантность нарушается.
Но кто знает, что там дальше стоит? 21-й знак может различаться.
И это будет означать, что в масштабах не Земли и даже не Солнечной системы, и даже не нашей Галактики, но Вселенной законы физики для вещества и антивещества отличаются.
И нам снова придется искать очередную инвариантность )))
Более всего удивляет хаос в собственной голове. Вот же вроде и сама двадцать раз это все уже рассказывала с разных сторон и разными подходами, ан вот нет, не нравится что получилось и как-то все бессвязно.
Не нравится.
Возможно, потому что надо было говорить не о самом взрыве, а о проблемах в физике? Кто знает.
Итак.
Большой взрыв
Я редко говорю о физике, помня о падении общего образования в стране и о том, что и во времена СССР желающих копаться в "настоящей" науке, а не разных ее сенсационных гипотезах малообразованных людей, было мало.
К тому же места, где я бываю, большей частью посещаются девушками, которым с рождения внушается мысль о куклах, тряпках и запрете на технику для женского пола.
Я учитываю, что это обычно никому неинтересно и не нужно. (И я хорошо помню реакцию в том же ХС на всякие мои идеи о различных сказках на научно-технические темы, в результате которой я из этого ХС ушла).
Но сейчас вот стих нашел.
Тем более, что я обещала Шаф рассказать про БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ.
Вот после этого лирического отступления, я начну.
про Большой Взрыв
Я постараюсь по-возможности кратко.
Итак... Большой Взрыв - это... Это...
Ну, вот, уже и начинаются проблемы.
Большой Взрыв - это рождение нашей Вселенной, это точка высшей сингулярности, это процесс отделения четырех типов взаимодействия друг от друга, это время существования планковских размеров и энергий, это...
Придется по-порядку, причем так, как нравится мне лично ))).
А что делать, все же на моей территории находимся.
На сегодняшний день фундаментальной физике известны четыре типа взаимодействия: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное.
Каждый тип взаимодействия создает свое поле и имеет свою частицу переносчика. Что это значит?
Ну, вот если мы возьмем электрон, скажем, то вокруг него образуется "поле". Электромагнитное. Если мы внесем в это поле другой электрон, они возьмутся расталкиваться.
Никогда не задумывались, а откуда "тот другой" электрон узнал о существовании первого? Ну, поле-то поле, да, а что это за зверь такой - "поле"? А почему не "эфир", который так любили в средние века?
Так вот история науки все время шла по спирали поле-частица. Или волна-частица.
То, понимаешь, древние греки все объявляют частицами, тогда понятно как они взаимодействуют: через удар. Удар может быть упругий - столкнулись и разлетелись, а может быть неупругий - столкнулись и слиплись. Далее, как повезет, разлетелись, слиплись навсегда, развалились на части и т.п. - все это будет неупругое взаимодействие.
Все вроде понятно, да?
А вот свет берет и огибает препятствие. Это как может быть?
Или интерферирует? Как это частица берет и огибает? Она же прямо вроде как летит-то...
Гюйгенс, Ньютон, волновая оптика. Свет - это волна.
Значит-таки волна. Волна может обогнуть, интерферировать, давать кольца, радугу, что угодно.
Ан-нет, а взаимодействовать-то вот как? Волна электромагнитная неощутима. Ее нельзя пощупать. Она "пихается" так же, как и частица, только вот зачем нам такое непонятное нечто, когда проще все объяснить частицами?
А вот еще Максвелл и Фарадей пришли на сцену и доказали, что электромагнитное взаимодействие - волна и ПОЛЕ. Засада.
А зато Дж.Дж.Томпсон доказал, что есть внутри вещества электрон. И он-то и есть заряд и переносчик. Опять частица.
А Герц взялся доказывать, что нет никаких электромагнитных волн. Вранье! Нету! Не бывает! Хорошо доказывал. Тщательно.
Вошел в историю как первооткрыватель радиоволн.
А там вот Лебедев-то Петр в России возьми, да измерь прямое давление света. Которое может создать только прямая бомбардировка частицами. Ай, как нехорошо-то выходит. Таки выходит частица... Неприятно-то как.
И опять на сцену выходит свет-частица.
А даже Рентген снова доказывается, что его лучи - все ж таки волна. И опять свет-волна.
И так продолжалось довольно долго, пока не явился 20-й век во всем своем великолепии квантовой механики, раз и навсегда поставившей точку в этом вопросе.
Правда точку-то такую, что никого не обрадовала. Квантовая механика гласит, что свет - это и волна, и частица, нате вам, откушайте.
Я не буду останавливаться на том, что это выворачивает мозги и "традиционные" представления. Это неважно.
Поверим, что так оно и есть, тем более, что это многократно доказано прямыми экспериментами.
Позже оказалось, что если мы говорим "волна", а это означает "поле", то обязательно должна появиться частица, которая переносит это поле. Ну, вот свет - электромагнитная волна, значит квант света - фотон - переносчик электромагнитного взаимодействия.
Ну, или если бы фотон состоял из каких-то частиц, то они бы и стали переносчиками, но уже внутри фотона, например.
А потом и началось.
А какие взаимодействия бывают в нашем мире? Ну, про электромагнитное все давно знают. Попробуем еще?
Гравитационное, ага? Легче всего сообразить про него.
А почему атомы удерживаются в стабильном состоянии? Ведь у них ядро положительно заряжено, а электронная оболочка - отрицательно. Почему не прилипнут? А почему не расталкиваются протоны в ядре между собой? А электроны?
А потому что там работает другая сила. Ядерная или сильная. Названа она так по той простой причине, что эта сила значительно "сильнее" электромагнитной. И она-то и удерживает протоны в ядре.
Что же касается слабого взаимодействия, то именно оно ответственно за образование таблицы Менделеева после железа.
А, как мы уже выяснили, раз есть тип взаимодействия, нужен переносчик.
И тут началось самое интересное.
Оказалось, что есть частицы, участвующие только в одном из типов взаимодействия, а есть те, кто участвует в нескольких.
И естественный возникающий вопрос такой: а нет ли общих переносчиков и нельзя ли объединить разные взаимодействия?
Оказалось, можно.
Первым объединили слабое и электромагнитное взаимодействия и назвали это объединение Стандартной Моделью (так и называется). Частицы-переносчики такого взаимодействия W+- и Z0 бозоны (везде второй знак должен стоять верхним индексом). Они оказались очень тяжелыми. Почти в 50 раз тяжелее протона, который сам в 2 000 раз тяжелее электрона.
А ведь в мире элементарных частиц, чем тяжелее, тем короче жизнь.
Что же случается с частицей, когда она "умирает"? Она распадается на массу других. А те - на опять же другие, более легкие и т.п. Процесс останавливается на уровне современного мира частиц.
И тут предположили совсем простую вещь.
Если мы наблюдаем СЕЙЧАС данный состав и количество частиц во Вселенной, может "отмотаем" время назад и посмотрим, как оно было? Начали "мотать назад" и быстро поняли, что да, где-то в прошлом должен быть момент, когда эти тяжелые бозоны жили себе и не тужили, жили относительно долго (в тех условиях), а легких частиц, которые живы сейчас, и вовсе не было. Или почти не было.
Естественно возник вопрос, а что дальше?
А нельзя объединить следующее "по списку" сил взаимодействие - сильное?
Оказалось, можно. Эта теория называется "теория великого объединения" и она предсказывает, что есть частица, которая будет переносчиком всех трех типов взаимодействия: электромагнитного, сильного и слабого. Нет, ее еще не нашли. Совсем.
Однако есть масса косвенных признаков, что она есть. Мы просто "не дошли" по шкале энергий до создания такой частицы.
Точнее, создали БАК. Или LHC, как его зовет остальной мир. Там должный найти бозон Хиггса, который и есть тот самый общий переносчик. Как только найдут, сразу можно считать теорию доказанной (она и сейчас имеет массу КОСВЕННЫХ доказательств, но в физике обычно требуют прямых и только тогда говорят, что теория ЕСТЬ).
Впрочем, на LHC может и не найдут Хиггса. Есть вариант, что и там не хватит энергии для обнаружения, и это очень неприятный для нас вариант, поскольку он будет означать, что даже ускорителя, опоясывающего земной шар, не хватит для следующего варианта энергии Хиггса.
Хуже всего с гравитацией. Про нее ничего неизвестно. Да, конечно, надо ожидать и волну, и частицу, только вот частицы пока нет, волны тоже нет.
Теоретики уже чего только не придумали: и что достаточно всего одного "гравитона" или "гравитино". И что их вообще может не быть, а есть искривление пространства, которое и создает поле. Т.е. нет никакого поля, на самом деле.
Поясняю: представьте две точки на листе бумаги. Через них можно провести прямую и это будет кратчайшее расстояние или геодезическая.
Так?
Так, да не так. В евклидовой геометрии это верно.
А вот представьте теперь сферу. Земной шар. Две точки. Кратчайшее расстояние вовсе и не прямая. А дуга.
Так вот кратчайшее расстояние в римановой геометрии или геометрии на сфере - дуга.
А теперь предположим, что сфера стала невидимой. А геометрия осталась.
А мы наблюдаем за телом на сфере со стороны. И видим, что почему-то оно не двигается равномерно и прямолинейно, а двигается по дуге сферы, словно бы на него действует ускорение и какая-то сила. Похоже на гравитацию, правда? Тело вроде бы ничего не делает, на него ничего не действует, а оно падает.
Возможно, природа гравитации в геометрии пространства или локальной геометрии пространства. Никто пока не знает. Гипотез на этот счет существует такое чудовищное количество, что в них, по правде сказать, нет смысла разбираться неспециалистам. Не потому, что "маленькие и не поймете", а потому что они меняются достаточно регулярно, доказательств им пока нет никаких, в общем, это не более чем математические развлечения на сегодняшний день.
Но они регулярно выдают какие-то предсказания, которые пытаются проверить и выдать хоть что-то на эту тему. Пока, увы, безуспешно.
Однако вполне популярным в мире физике вариантом является тот, который объединяет все четыре взаимодействия в одно. И, конечно, если мы опять "пойдем назад" по шкале времени, разыскивая точку, когда все они были едины, мы попадем... на Большой Взрыв.
Т.е. Большой Взрыв - это не просто очень плотное вещество. Если бы. Это место, где есть только ОДНА частица, по сути. Переносчик ВСЕХ взаимодействий. Которая распалась на все то, что является сейчас нашей Вселенной.
Но чтобы ее создать заново... Нужна энергия, примерно равная энергии рождения Вселенной. Думаете, нереально?
Кто знает...
Примерно такие вот дела.
Фрагмент методички про спектр водорода и интерес в его изучении, в связи с исследованием разницы между водородом и антиводородом, и поиском нарушения CPT-инвариантности
Как видите, изучение спектра водорода сыграло большую роль для развития физики и астрономии.читать дальше Можно сказать, что «звездный миг» этого спектра состоялся в тот момент, когда последовательность спектральных серий подтвердила зарождавшуюся квантовую механику и фактически послужила открытиям уравнений Шредингера и Дирака. Позже наблюдение лэмбовского сдвига или расщепления 2s и 2p1/2 уровней (дважды вырожденных) привели к созданию так называемой теории перенормировки в квантовой электродинамике - логичному развитию квантовой механики. Обзор и историю этих событий можно посмотреть в работе Каршенбойма [5]. Однако и сегодня не только исследования с помощью спектра водорода, но и изучение самого этого спектра представляет интерес для науки.
Например, спектры антиводорода и обычного водорода теоретически должны совпадать. Если это не так, то мы получим нарушение так называемой СРТ-инвариантности. СРТ-инвариантность - это один из самых фундаментальных на сегодня законов сохранения, который гласит, что при одновременном изменении знаков у времени, пространства и заряда частицы (т.е. смены, скажем, «+» на «-» у радиус-вектора частицы r, времени t, и знака заряда), не произойдет никаких изменений в характере протекания физических процессов, мир останется неизменным.
Если СРТ-инвариантность окажется нарушенной, теоретикам придется заново обосновывать базовые положения Стандартной модели, которая объединяет электромагнитное и слабое взаимодействия, и придумывать обоснование ОТО - общей теории относительности. Лоренц-инвариантность тоже окажется нарушенной, и положения специальной теории относительности тоже придется пересматривать.
Кстати, лет пятьдесят назад считали, что, скажем, СР-инвариантность должна быть всегда и «стоять вечно», однако давно доказано, что она нарушается. Так что нарушение СРТ, хотя и перевернет основы существующей физики, но не является совсем невероятным событием.
Еще одним интересным вопросом является изучение влияния гравитационного поля на атомы водорода и антиводорода, поскольку даже малейшее различие перевернет всю современную космологию.
Поиски нарушения СРТ-инвариантности и вообще любых различий между атомами водорода и антиводорода ведутся во многих лабораториях мира по самым разным физическим процессам и самыми разными способами. Из экспериментов по осцилляциям нейтральных К-мезонов (каонов) [6],[7] известен верхний предел на относительную величину СРТ-нарушения. Он равен 10-18, что представляется совершенно фантастической величиной, тем не менее, атомная спектроскопия позволяет предложить новый эксперимент по улучшению этого результата.
В этом эксперименте предлагается методами лазерной спектроскопии сравнивать переход из состояния 2s, запрещенного правилами отбора, в состояние 1s. Естественная ширина такого перехода из-за запрещенности очень мала и составляет всего 10-15, так что при сведении к минимуму отношения сигнал-шум, точность положения центра линии достигнет величины 10-3, что даст нам желаемую суммарную точность в 10-18.
Чтобы перевести атом в возбужденное 2s состояние и измерить его ширину, предлагается использовать так называемый метод двухквантовой бездоплеровской спектроскопии. Суть этой спектроскопии высокого разрешения в том, что при поглощении атомом двух фотонов, движущихся в противоположном направлении, вклады доплеровского уширения линий будут разных знаков и линейный доплеровский эффект пропадет, останется только квадратичный, а форма линии такого двухфотонного поглощения будет совпадать с формой однородно уширенной линии отдельного атома.
Идея эксперимента, таким образом, будет простой: лазерный луч пройдет через газ водорода или антиводорода, отразится от зеркала и снова пройдет через газ. Атом газа поглотит два фотона и перейдет из состояния 1s в состояние 2s. Далее, внешние электрические поля приведут к тому, что появится примесь из разрешенного 2p-состояния, из которого атом быстро вернется в невозбужденное 1s состояние. Испущенный квант будет зарегистрирован системой измерения. При этом из условия задачи «уйдет» линейный эффект Доплера и останется квадратичный, который даст требование на охлаждение атомов: их температура не должна превышать сотых градусов Кельвина. Сегодняшние методы лазерного охлаждения позволяют достичь примерно в десять раз меньшей величины, так что реализация эксперимента становится возможной.
Надо сказать, что придется использовать именно такую схему, с запрещенным переходом, поскольку даже переход из состояния 1s в состояние 2p (т.е. первое возбужденное состояние атома водорода), который одно время являлся эталоном измерения времени, известен всего лишь с точностью до 10-14.
Кроме чисто спектроскопических проблем, существует еще множество сложностей для проведения эксперимента с антиводородом. Для начала надо создать достаточно много антипротонов и позитронов - античастиц электронов, заставить их соединиться и образовать антиводород, затем замедлить его до энергии, когда станет возможным его детальное изучение. При этом надо получить очень высокий вакуум, чтобы удержать антиводород, ведь любой антиатом при соприкосновении с веществом уничтожится - аннигилирует, с высвобождением огромного количества энергии. К тому же заряженными частицами управляют с помощью электрических или магнитных полей, а вот чем управлять нейтрально заряженными объектами, чьих соприкосновений с веществом нельзя допустить? Нужно получить спектр антиводорода и сравнить его со спектром водорода, полученным в тех же условиях с той самой точностью 10-18!
Одним словом, это довольно сложный проект, требующий использования всех достижений современной техники физического эксперимента, а также оригинальных научных и технических решений, на которых мы не будем останавливаться. Желающие могут почитать статью в УФН [10]. Однако уже вы можете стать свидетелями, как он будет реализован или даже принять в нем участие. Впервые атомы антиводорода были получены в Европейском Центре Ядерных Исследований (CERN) в 1995 г. в эксперименте PS210. Уже в начале нового века там же количество полученных атомов антиводорода достигло 170 тысяч [8,11] и планируются первые спектроскопические эксперименты.
Пояснения про антиводород
Антиводород - это простейший антиатом, состоящий, соответственно, из антипротона и "антиэлектрона", который имеет собственное название - позитрон.
Античастицы - это частицы, которые имеют одинаковую массу с "частицей", но отличаются знаком заряда. Причем "заряд" подразумевается не только электромагнитный, но так же и по другим типам взаимодействий, т.е. слабому и сильному (ядерному).
При встрече частицы и античастицы происходит полная аннигиляция, т.е. полный переход их энергии, включая "энергию покоя", связанную с массой.
Иными словами, частицы пропадают полностью, выделяя энергию. Из этой энергии могут родиться другие частицы или "те же самые" (но все равно другие по квантовым состояниям), причем, как правило, рождаются они "парами", т.е. частица-античастица.
Фотон является единственным исключением из "правила аннигиляции". Его взаимодействие с другим фотоном не приводит к аннигиляции, а сам антифотон полностью тождественен фотону.
Чего еще сказать?
Законы физики одинаковы для частиц и античастиц, однако видимая часть Вселенной однозначно говорит о том, что "частиц" в мире больше (собственно, можно было все назвать наоборот: частицы - античастицами, а античастицы - частицами, с т.зр. физики ничего бы не изменилось. Современной физики).
Причина такой ассиметрии кроется либо в случайном смещении в сторону частиц в момент хаоса Большого Взрыва (это возможно), либо в ... в нарушении той самой СРТ-инвариантности, которая может дать... да что угодно, рухнет основной закон сохранения )))
Надо бы еще добавить, что на сегодняшний день физика по-прежнему ничего не знает о фундаментальных причинах, приводящих к появлению гравитации, так что тут может быть серьезная засада и еще один ответ на вопрос: "почему частицы, а не античастицы"? Кстати, в этом случае тоже должно наблюдаться нарушение СРТ-инвариантности.
Наконец, возможно, мы по каким-то причинам не видим антивселенную.
Или часть галактик состоят из антивещества, СРТ не нарушается и с Земли никакими силами определить этот факт не представляется возможным.
В общем, вопросов больше, чем ответов, разумеется.
Ах, да.
Спектр....
Что такое радуга, я не буду пояснять? ))) А это и есть простейший пример спектра.
Спектры бывают непрерывными (радуга) и линейчатыми (когда линии стоят).
Любой спектр на самом деле линейчатый, но если линий много - сливается.
Каждый химический элемент обладает своим спектром, т.е. своим набором линий и их "цветом" (в кавычках потому что видимая область спектра на самом деле чудовищно мала, а спектром называют полный набор всевозможных длин волн).
Какие линии возможны, а какие нет, определяется законами квантовой механики. Собственно, дело обстоит просто.
Атом изначально спокоен как удав и находится в основном состоянии, как говорят.
Если его пнуть, ударить, нагреть или еще как возбудить, он перейдет в возбужденное состояние. Естественно, он не любит в нем находиться, поэтому плюеется фотоном и возвращается в исходное состояние покоя.
Испущенный фотон имеет энергию. Какой она будет зависит от собственно атома и силы удара по нему. Но атом возбуждается не абы как, он может перейти только в разрешенные состояния.
Т.е. его энергия возбуждения принимает не НЕПРЕРЫВНЫЙ ряд значений, а ДИСКРЕТНЫЙ.
Ну, совсем грубо, скажем, водород не может перейти в состояние с энергией 2, но может - с энергией 3, 5, 7.
Соответственно, когда он вернется в состояние "0", он может испустить фотон с энергией 3, 5, 7, но никак не 2.
В спектре, таким образом, 2 будет пропущено, но 3, 5, 7 останутся (все цифры условны).
Каждый атом имеет свой спектр, собственно по спектру идентифицируют какой атом мы видим.
Спектры могут иметь смещение, вызванное действием электромагнитного поля, например. Изотопы (т.е. атомы с разным числом нейтронов, но одинаковым - протонов и электронов), тоже имеют смещенный спектр. Эти смещения тоже известны.
Если вернуться к антиводороду, то дело обстоит так, что его спектр должен быть полностью идентичен водородному.
Если это не так, это будет значить, что наши представления о полной идентичности законов физики для вещества и антивещества ошибочны.
На сегодня они НЕ ошибочны с относительной точностью 10^-18, что означает, что 18 знаков после запятой нам известны и они не позволяют предположить, что СРТ-инвариантность нарушается.
Но кто знает, что там дальше стоит? 21-й знак может различаться.
И это будет означать, что в масштабах не Земли и даже не Солнечной системы, и даже не нашей Галактики, но Вселенной законы физики для вещества и антивещества отличаются.
И нам снова придется искать очередную инвариантность )))