3470. Про Вселенную

Oct 23, 2014 20:31

1. Четыре силы Вселенной

Оригинал взят у koptchick в Четыре силы Вселенной
Со школьной скамьи все мы хорошо знаем закон Всемирного тяготения и закон Кулона. Первый объясняет нам, как взаимодействуют (притягиваются) друг с другом массивные объекты типа звёзд и планет. Другой же показывает (вспомним опыт с эбонитовой палочкой), какие силы притяжения и отталкивания возникают между электрически заряженными предметами.



Но исчерпывается ли этим всё множество сил и взаимодействий, которые определяют облик наблюдаемой нами Вселенной?


Современная физика говорит о том, что во Вселенной существуют четыре типа основных (фундаментальных) взаимодействий между частицами. О двух из них я уже сказал выше и с ними, казалось бы, всё просто, т.к. проявления их постоянно окружают нас в повседневной жизни: это гравитационное и электромагнитное взаимодействие.



Так, за счёт действия первого мы крепко стоим на земле и не улетаем в открытый космос. Второе же, например, обеспечивает притяжение электрона к протону в атомах, из которых все мы состоим и, в конечном счёте, притяжение атомов друг к другу (т.е. оно ответственно за образование молекул, биологических тканей и т.д.). Так что именно из-за сил электромагнитного взаимодействия, например, оказывается, что снести голову надоевшему соседу не так уж просто, и с этой целью нам приходится прибегать к помощи топора разнообразных подручных средств.

Но есть ещё, так называемое, сильное взаимодействие. За что ответственно оно? Не удивлял ли вас в школе тот факт, что, несмотря на утверждение закона Кулона о том, что два положительных заряда должны отталкиваться друг от друга (лишь противоположные притягиваются), ядра многих атомов преспокойно существуют себе. А ведь состоят они, как вы помните, из протонов и нейтронов. Нейтроны - они на то и нейтроны, что нейтральны и электрического заряда не имеют, а вот протоны заряжены положительно. И что же, спрашивается, за силы, могут удержать вместе (на расстоянии в одну триллионную долю микрона - что в тысячу раз меньше самого атома!) несколько протонов, которые, по закону Кулона, должны со страшной энергией отталкиваться друг от друга?



(cильное взаимодействие - обеспечивает притяжение между частицами в ядре; электростатическое - отталкивание)

Вот эту поистине титаническую задачу по преодолению Кулоновых сил берёт на себя сильное взаимодействие. Так что, ни много, ни мало, за счёт него протоны (как, впрочем, и нейтроны) в ядре всё же притягиваются друг к другу. Кстати, сами протоны и нейтроны также состоят из ещё более "элементарных" частиц - кварков. Так вот кварки также взаимодействуют и притягиваются друг к другу "сильно". Но, к счастью, в отличие от того же гравитационного взаимодействия, которое работает и на космических расстояниях во многие миллиарды километров, сильное взаимодействие является, как говорят, короткодействующим. Это означает, что поле «сильного притяжения», окружающее один протон работает лишь на крохотных масштабах, сопоставимых, собственно, с размерами ядра.

Поэтому, например, протон, сидящий в ядре одного из атомов, не может, наплевав на Кулоновское отталкивание, взять, да «сильно» притянуть к себе протон из соседнего атома. В противном случае, вся протонная и нейтронная материя во Вселенной смогла бы «притянуться» к общему центру масс и образовать одно огромное «суперядро». Нечто похожее, впрочем, происходит в толще нейтронных звёзд, в одну из которых, как можно ожидать, однажды (лет эдак миллиардов через пять) сожмётся наше Солнце.



Итак, четвёртое и последнее из фундаментальных взаимодействий в природе - это, так называемое, слабое взаимодействие. Не даром оно так названо: мало того, что работает оно даже на ещё более коротких, чем сильное взаимодействие, расстояниях, так ещё и мощи оно весьма малой. Так что, в отличие своего сильного "собрата", Кулоновского отталкивания, оно никак не перетянет.

Ярким примером, демонстрирующим слабость слабых взаимодействий, являются частицы под называнием нейтрино (можно перевести как «маленький нейтрон», «нейтрончик»). Эти частицы, по природе своей, в сильных взаимодействиях не участвующие, электрического заряда не имеющие (оттого не восприимчивые и к электромагнитным взаимодействиям), массой обладающие ничтожной даже по меркам микромира и, следовательно, практически нечувствительные к гравитации, по факту, способны лишь к слабым взаимодействиям.


(чо? нейтрино сквозь меня проходят?!)

При этом, во Вселенной нейтрино нарождается в количествах поистине колоссальных, и огромный поток этих частиц постоянно пронизывает толщу Земли. Например, в объёме спичечного коробка, в среднем, в каждый момент времени находится штук 20 нейтрино. Таким образом, можно представить себе, огромную бочку с водой-детектор, о которой я писал в своём прошлом посте, и то неимоверное количество нейтрино, которое в каждый момент времени пролетает через неё. Так вот учёным, работающим на этом детекторе обычно приходится месяцами ждать такого счастливого случая, чтоб хотя бы один нейтрино «почувствовал» их бочку и своими слабыми силами провзаимодействовал в ней.

Однако ж, даже несмотря на слабость свою, это взаимодействие играет очень немаловажную роль во Вселенной и в жизни человека. Так, именно оно оказывается ответственным за один из видов радиоактивности - именно, бета-распад, являющийся вторым (после гамма-радиоактивности) по степени опасности своего воздействия на живые организмы. И, что не менее важно, без слабого взаимодействия невозможно было бы протекание термоядерных реакций, протекающих в недрах многих звёзд и ответственных за выделение энергии светила.



Такая вот четвёрка всадников Апокалипсиса фундаментальных взаимодействий правит во Вселенной бал: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

2. Когда Вселенная была лёгкой, молодой и горячей...

Оригинал взят у koptchick в Когда Вселенная была лёгкой, молодой и горячей...
Отжив уж побольше, чем десяток миллиардов лет, она, пускай ещё и далеко не старушка, успела уже и потяжелеть, и похолодеть изрядно. В самом же начале своего жизненного пути, Вселенная вела себя и выглядела совсем иначе, нежели теперь, а, открытие бозона Хиггса и вовсе свидетельствует в пользу того, что все объекты в «горячей и молодой» Вселенной не имели массы.



Но обо всём по порядку.

Многие, наверняка, слышали о теории bazinga большого взрыва, согласно которой Вселенная родилась из некой сингулярности - точки, в первые мельчайшие доли секунды сосредоточившей в себе всю материю зачинающегося мироздания. И в те начальные мгновения вещество Вселенной, раскалённое до сверхвысоких температур, находящееся при высочайших давлениях, представляло из себя некий бульон, в котором едва ли что-то можно было различить.



Предполагается, что в первые моменты жизни Вселенной ещё не существовало тех четырёх типов взаимодействия, о которых речь шла в моём предыдущем посте. Вместо гравитации, электромагнетизма, сильного и слабого взаимодействий была некая единая «суперсила», которая лишь затем, по мере остывания материи и расширения её в пространстве, постепенно разделилась на имеющиеся теперь четыре, казалось бы, совершенно разные и не имеющие ничего общего между собой, типа взаимодействия.

То есть, грубо говоря, поначалу, во Вселенной всё было сжато настолько «плотно и жарко», что частицы не имели другого выбора, нежели чем быть чем-то единым и тождественным друг другу. Затем же, по мере разрежения вещества, каждая частица смогла как-то самоопределиться и занять комфортную для неё нишу, обретя «своё лицо» и начав взаимодействовать с окружающим миром так, как ей самой «больше нравится».



(сверху - шкала температур в кельвинах, снизу - возраст Вселенной: сначала отделяется гравитация, затем сильное взаимодействие, последними разделяются электромагнетизм и слабое взаимодействие)

Также считается, что эти четыре силы можно и заново объединить, если разогнать взаимодействующие частицы до неких немыслимых энергий (на которые никаких Больших Адронных Коллайдеров не хватит), сопоставимых с теми, которыми обладало вещество в зарождающейся Вселенной.

Вот нынешние физики и бьются над созданием «теории великого объединения» и «теории всего», которые смогли бы свести под единый знаменатель сначала слабое и электромагнитное взаимодействия с сильным, а, затем, и с гравитационным тяготением, как это и было в самой «точке отсчёта» нашей Вселенной. Подразумевается, что такая теория смогла бы разом, в одном уравнении или законе описать всё многообразие наблюдаемых в природе явлений. К настоящему моменту исследователям удалось успешно «сшить» воедино лишь электромагнитное и слабое взаимодействия, но какие наши Хокинга годы?..

[действительно, какие?]
Бессмертен, вечен, хтоничен!




Казалось бы, создать «теорию всего» - задача совершенно утопическая и исполнимая едва ли. Однако, в своих руках физики имеют замечательнейшее средство, которое их пока ещё не подводило и в которое они свято верят. Имя ему - забухать симметрия.



Что мы обычно называем симметрией? Например, некоторую геометрическую фигуру или форму здания мы называем зеркально-симметричной, если её или его отображение в поднесённом зеркале оказывается неотличимым от оригинала. Примерно тот же смысл в понятие симметрии вкладывают и физики. Но об этом расскажу уже в следующем посте.

3. О симметрии...

Оригинал взят у koptchick в Избыточный вес, или являются ли лишние килограммы помехой симметрии?
В прошлый раз я остановился на том утверждении, что тайным орудием физиков в их благородном деле по построению «теории всего» служит такая вещь как симметрия. Как же она может им помочь?



Представим, что у нас есть две лаборатории, притом одна из них отличается от другой по принципу зеркального отражения. То есть все приборы, детекторы и экспериментальные установки повторяют имеющиеся в первой из лаборатории так, если бы мы смотрели на них в виде отражения в зеркале.



Проведём теперь в каждой из лабораторий эксперимент, проверяющий некий физический закон или сделаем наблюдение над некоторым явлением, процессом. Так вот если результаты измерений в каждой из лабораторий окажутся полностью идентичными, то физики скажут, что данный закон обладает зеркальной симметрией, или зеркальная симметрия в данном процессе (явлении) сохраняется. В противном же случае говорят, что симметрия нарушилась.

Так, под сохранением симметрии физики понимают способность своих законов оставаться в силе, несмотря на некоторые изменения тех условий, в которых они наблюдаются (например, замену лаборатории на зеркально-отражённую). Это называется устойчивостью физических законов к преобразованиям симметрии. И, надо сказать, учёные имеют все основания холить и пестовать симметричность своих теорий.



(квадрат обладает симметрией к ряду преобразований: поворотам на углы, кратные 90 градусам, зеркальным отражениям вдоль горизонтальной, вертикальной, диагональных осей)

Действительно, если уж физик написал некоторое уравнение и претендует на то, чтобы называть его фундаментальным и содержащим в себе универсальный закон природы, то справедливо будет ожидать, что верным это уравнение останется как в моей лаборатории, так и в Антарктиде, и на Луне, и в соседней галактике - на то это уравнение и фундаментальное. В этом состоит симметрия пространственная (или трансляционная).

То же самое касается вопроса симметрии во времени. Допустим, во вчерашнем эксперименте физик свой закон проверил, но, коль скоро, он универсален, то естественно ожидать, что уравнение останется справедливым и завтра, и через год, и через миллиард-другой лет - аналогично и в прошлом.



Существует множество других (вращательная, фазовая, лоренцева и т.д.), надёжно зарекомендовавших типов симметрии в физике. И, мало того, что тест на симметричность является эдакой проверкой на вшивость фантазии физика-теоретика, сочинившего своё уравнение с претензией на фундаментальность, понятие симметрии позволяет физикам практически задаром формулировать самые принципиальные законы природы, такие как закон сохранения энергии, электрического заряда, количества движения и т.д.

И тут физики, как никогда, оказываются обязаны математикам, точнее, немецкому математику Амалии Эмми Нётер (Noether), в 1918 году опубликовавшей выведенную ей теорему о связи между различными типами симметрий и законами сохранения определённых величин. Так, например, согласно этой теореме, именно с равноправностью (симметрией между) «вчера», «сегодня» и «миллион лет вперёд/назад» удивительным образом оказывается связан факт того, что энергия из «ничто» не берётся и в «никуда» не исчезает…

[Эмми наша Амалия Нётер]




Так вот писали физики свои симметричные уравнения и законы, да бед не ведали до тех пор, пока не захотелось им построить «теорию великого объединения», чтобы свести к одному сразу электрическое, слабое и сильное взаимодействия. А уж уравнение такой теории, естественно, должно быть симметричным и универсальным настолько, что дальше некуда…

И тут-то начались проблемы у физики - да не с чем-нибудь, а с лишними килограммами… Оказалось, что наличие в уравнениях этой теории такого параметра как масса элементарных частиц не позволяет им быть достаточно симметричными, дабы претендовать на заявленную физиками универсальность… Но на выручку симметрии пришёл Хиггс-бозон! Об этом в следующий раз.



Большой Взрыв, симметрия, Вселенная

Previous post Next post
Up