Естествознание. Концепции пространства — времени. Фундаментальные поля: концепции объединения

НССУЗ НП «Региональный финансово-экономический техникум» ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ (Третья лекция) __________________________________ http://rfet.ru © РФЭТ © Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав. 2 СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 4. КОНЦЕПЦИИ ПРОСТРАНСТВА — ВРЕМЕНИ................4 Глава 4.1. Античные и классические концепции пространства и времени.....................................................................................................4 Глава 4.2. Парадоксы движения...........................................................11 Глава 4.3. Концепция четырехмерного пространства — времени...17 4.3.1. Преобразование координат и скоростей в СТО...................20 4.3.2. Применение СТО в современном естествознании...............23 4.3.3. Гипотеза частицы — максимона............................................26 4.3.4. Концепция квантования пространства и времени...............27 Глава 4.5. Общая теория относительности Эйнштейна.....................30 РАЗДЕЛ 5. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПОЛЯ: КОНЦЕПЦИИ ОБЪЕДИНЕНИЯ.......................................................................................39 Глава 5.1. Концепции близко- и дальнодействия...............................39 Глава 5.2. Сопоставление свойств полей............................................41 Глава 5.3. Первая концепция объединения полей..............................46 Глава 5.4. Свойства полей – волн........................................................50 5.4.1. Взаимодействие электромагнитных полей с частицами вещества.............................................................................................52 5.4.2. Суперпозиция полей и частиц................................................58 Глава 5.5. Концепции объединения фундаментальных взаимодействий.....................................................................................63 3 РАЗДЕЛ 4. КОНЦЕПЦИИ ПРОСТРАНСТВА — ВРЕМЕНИ Глава 4.1. Античные и классические концепции пространства и времени «Никакая теория, в которой изначально принимается факт существования пространства и времени, не может объяснить эти понятия». Джон Арчибальд Уилер, американский физик Движение, пространство и время — самые общие понятия в естествознании и в гуманитарной культуре. Мы пользуемся этими понятиями ежедневно, часто не давая себе отчета о их физической сути. А если задуматься? Не попадем ли мы в положение сороконожки, которая задумалась, как же она ходит, и замерла? Как следует из главы 2.1, биологическое эволюционное развитие аппарата восприятия объективной реальности опережает развитие понятийного (модельного) аппарата сознания. Поэтому человек не всегда может зафиксировать возникающее ощущение как сознательное, т. е. как сравненное (идентифицированное) с уже имеющейся у него базой понятий. Тогда оно остается на уровне подсознания. Так, некоторые люди интуитивно предчувствуют надвигающееся землетрясение или иную опасность. Скорее всего, эти редкие индивиды способны воспринимать некоторые элементы реальности, недоступные (утрачена способность!) большинству. В современной массовой культуре подобных людей называют экстрасенсами, что неточно. Без какой-либо сенсорики (восприятия в ощущениях) никакая информация, даже на уровне подсознания, не появится. 4 Отчасти способность ощущать пространство и время заложена в человеке генетически. Установлено, что за ориентировку в пространстве и во времени ответственно то полушарие мозга, которое ведает образным мышлением. После рождения эта способность актуализируется, и в нашем сознании начинает формироваться образ пространства через движение рук, ног, головы и другие моторные реакции. Можно сказать, что образы пространства и времени даны нам на уровне первичных биологических ощущений. Так как они исходные, то для их идентификации еще нет понятийного аппарата. Поэтому крайне трудно дать рациональное, логическое определение этой категории, как и Движению, и Времени. Однако это не означает, что мы не можем договориться о способах измерения этих ощущений. Конечно, в физике (основе классического естествознания) не принято было пользоваться методами, подобными современному методу прямого субъективного шкалирования (см. раздел 2.1). Вместо этого для интервала пространства использовали такие условные меры, как пядь, локоть, фут, стадия. Но что это, как не продолжение первичных движений рук и ног? Первое знакомство с пространством, первое ощущение его мы получаем в раннем детстве, когда хотим все потрогать вокруг себя. (И себя самого — это Я). И убеждаемся, что есть что-то бестелесное, что потрогать никак не удается, но что отделяет одни предметы от других. Примем эту фразу за определение пространства! Выработка рационального понятия пространства идет по цепочке, которую мы привели ранее в главе 2.1. Сначала опыт: Осознание: Понятие: Обобщение: Движение рук, затем подключается зрение. Близкое – Далекое – Перспектива. Интервал пространства как расстояние. Пространство, в котором находится Все. Правое полушарие нашего мозга вырабатывает понятие интервала пространства, которое чувственно, которое можно измерить в единицах ощущения или в условных но понятных, мерах (локоть или 5 метр). Левое (рациональное) полушарие вырабатывает логическое понятие абстрактного Пространства как категории философской, математической и физической. Классическая концепция пространства — это пространство математическое, идеальное. Его истоки лежат в античной натурфилософии. У Демокрита вещество делится на неразрезаемые атомы, но пустота (пространство) на какие-либо части не делится. Атомы движутся в пустоте, они вечны и время не имеет ни начала, ни окончания. У Платона пространство и материя являются фактически синонимами. Пространству свойственно принимать любые оттиски тел, вмещать всякое рождение тел, причем само оно остается лишенным формы. Чтобы полностью вместить все виды тел, пространство должно быть субстратом, субстанцией совершенно лишенным качества тел, быть бестелесным. Аристотель (он ученик Платона) признавая пространство, отвергает существования пустоты. Все пространство у него сплошь занято телами и они могут двигаться «уступая место» друг другу. Понятие «место» играет у Аристотеля весьма важную и самостоятельную роль. Место объемлет предмет, но оно не есть сам предмет и его форма, поскольку оно отделимо от предмета. Важным свойством «места» является наличие у него верха и низа, причем абсолютного верха и низа. В мире существует абсолютный верх и абсолютный низ. Абсолютный верх — это то, куда движется огонь, абсолютный низ — центр Земли. Легкие тела движутся в свойственное им место вверх, тяжелые — вниз. Такова причина «естественного» движения в наблюдаемом мире. Все остальные движения носят насильственный характер, никакого самодвижения видимых тел Аристотель не допускает. То место наделено у Аристотеля как бы некоторой силой и служит системой координат. В своем объяснении движения Аристотель столкнулся с явлением сохранения движения тел после воздействия на них какой-либо силы. Что является двигателем камня, летящего горизонтально? Ари6 стотель утверждает, что промежуточным двигателем здесь является воздух, который в момент броска тоже приводится в движение и какое-то время способен двигать камень. Данное явление он объяснял также принципом боязни пустоты. Согласно ему позади камня образуется пустое пространство, а природа боится пустоты, поэтому воздух стремится туда, где может образоваться пустота, и подталкивает некоторое время камень вперед. Эти положения стали наиболее уязвимыми в системе Аристотеля и были подвергнуты жестокой критике. Пространство в классической физике Ньютона — это абсолютная пустота, в которой возможно движение тел по инерции, равномерное и прямолинейное. В любом месте пространства можно выбрать математическую систему координат, причем естественного абсолютного верха или низа в пространстве Ньютона нет. Отметим сразу, что современное понимание пространства более физическое. Идеальный, абсолютный вакуум отсутствует в природе. Даже без стабильного вещества в физическом вакууме непрерывно рождаются и исчезают (аннигилируют) виртуальные микрочастицы. Этот вечный процесс называют виртуальным рождением пар «античастица — частица». Образно говоря, физический вакуум «кипит», «бурлит» микрочастицами. Но на макроуровне флуктуации сглаживаются и непосредственно не ощущаются. Такое понимание ближе к субстанциональной концепции, трактующей пространство как некую «субстанцию» или «среду», вещественную или полевую. Дать логическое определение времени — задача еще более трудная, чем для пространства. Время тоже бестелесно и ощущается на биологическом уровне всем организмом человека, у него нет специального «органа времени». По этому поводу ранее упомянутый религиозный авторитет Августин Аврелий (см. рис. 7) писал: «Я знаю, что такое время, пока не начинаю думать о нем». Время ощущается на первичном биологическом уровне, знание о нем — интуитивно. Оно связано с опытом: чувственное восприятие 7 вращения Земли, восход и закат Солнца, смена освещенности, температуры и так далее. Как писал Гераклит «Все течет, все изменяется...». Вновь движение, только теперь не рук, а внешних объектов, задает первичный образ времени. В гуманитарной культуре можно найти (рис. 41) иллюстрацию характерных свойств времени в виде свернутой в кольцо змеи, кусающей свой хвост, и песочных часов, символизирующих течение времени. Рис. 41. Аллегория времени Субъективное восприятие времени зависит от эмоциональнопсихологического состояния человека: то оно тянется мучительно долго в ожидании чего-либо, то пролетает незаметно в интересном занятии. Эффект дисторсии времени особенно часто наблюдается для критических ситуаций катастрофы или смертельной опасности. В конечном счете вырабатывается устойчивый стереотип мышления: «вчера» — было, «сегодня» — наступило и «завтра» — будет обязательно. Происходит осознание: «теперь» или «сейчас» отделяется от «прошлого» и «будущего». Мысленно мы можем переноситься в прошлое, пытаемся зримо представить себе будущее. В нашем сознании, как на видеопленке, последовательно зафиксированы события нашей жизни. Вырабатывается понятие: «интервал времени», измеряемый сутками и производными мерами: месяц, год, в физике — секунда. И, наконец, мы можем сделать обобщение: абстрактное время как непрерывность и последовательность, как поток или лента, на которой события оставляют метки (распределяют информацию). Эту последова8 тельность чего-то бестелесного, что отделяет в последовательности одни события от других и существует независимо от нас, мы называем Временем. Время разделяет события, которые могут происходить в одном и том же месте, в одной и той же точке пространства. Таким образом, в классическом естествознании время играет роль пространства, но в чем-то другом, в чем нельзя реально вернуться назад. Этим время принципиально отличается от пространства. Важно отметить, что у Аристотеля время определяется через движение. «Время есть не что иное, как число движения по отношению к предыдущему и последующему. Т. о. время не есть движение, а является им постольку, поскольку движение имеет число. Доказательством служит то, что большее или меньшее мы оцениваем числом, движение же большее или меньшее — временем, следовательно, время есть известное число». Аристотель сомневался в самостоятельности существования времени приводя следующие доводы. Рассмотрим какой-либо конкретный момент времени. По строгой логике рассуждений в любой данный момент бытия прошлого уже нет, а будущего еще нет. Как может нечто возникать из того, чего нет и переходить в то, чего нет? Древнеримский философ и поэт Лукреций Кар писал: «Время не может существовать само по себе, Лишь из движенья вещей получаем мы ощущение времени. Никто не ощущает время само по себе, Но знает о времени по движению всего прочего». Августин Аврелий также утверждал: «Время создается изменением вещей». Понимание сути времени как естественного хода изменения всего окружающего мира является содержанием реляционной концепции времени. Явно или неявно признав реляцию (связь) понятия времени с ходом естественных процессов, мы можем использовать их для измерения интервалов времени. 9 Альтернативой этого понимания вещей является субстанциональная концепция времени. Она выражает классическую модель идеального времени и пространства, которые не зависят от наблюдателя. Смысл концепции в представлении времени и пространства как неких сред или субстанций, в которые тела погружены и где они движутся. При этом время и пространство не зависят друг от друга и не могут влиять друг на друга. Направленность стрелы времени от прошлого к будущему является необходимым условием причинно-следственных связей между событиями. Вспомним считалочку, описывающую два таких события: «Пиф - паф!» и «Ой-ой-ой! Умирает зайчик мой...». Если бы отсутствовала однонаправленность стрелы времени, то никакое структурирование из первоначального хаоса не было бы возможным. При этом следует помнить, что не всегда «позже» гарантирует «вследствие». Зайчик мог бы умереть и по вполне естественным причинам, никак не связанными с Охотником. Но все же перестановка событий 2 и 1, когда из-за смерти зайчика пуля летит в ружье, невозможна. Перечислим свойства пространства и времени в классической субстанциональной концепции. непрерывность, однородность, Высокая симметрия пространства-среды изотропность, безграничность, трехмерность. непрерывность, однородность, Свойства времени-среды безграничность, одномерность, направленность. Свойство направленности выражает асимметрию времени. 10 Как показала теоретически Эми Нетер, из свойств симметрии следуют законы сохранения, фундаментальные законы естествознания, сохраняющие свою ценность и в современном естествознании. Однородность времени (все моменты равноправны, возможен перенос начала отсчета времени ) Закон сохранения энергии Однородность пространства (все точки пространства равноценны, возможен перенос системы координат) Закон сохранения импульса Изотропность пространства (равноценность направлений) Закон сохранения момента импульса Современное естествознание использует реляционную концепцию В ней пространство и время существуют как атрибуты движения материального мира. Без материи нет ни пространства, ни времени, только в связи с движением материи пространство и время имеют смысл. Время создается движением материального мира, хотя нет какого-либо специфического «время образующего» движения в его бытовом понимании. Термин движение в естествознании понимается как изменение состояния всего мира: нечто не существовавшее становится существующим, тогда как существовавшее переходит в другие формы и состояния или исчезает. Иными словами, от понимания времени как длительности (интервала между событиями) мы переходим к его пониманию как процесса становления (от существующего к возникающему). Глава 4.2. Парадоксы движения По определению движение является в общем случае процессом любого изменения вообще, независимо от его характера, направления или результата. Аристотель выделял четыре вида движения: • возникновение и исчезновение сущного; • количественный рост или уменьшение; • качественное изменение (вино – уксус); 11 перемещение из одного места в другое. Самое простое движение – механическое. Но и тут не все очевидно. Что движется: объект или состояние? Чтобы пояснить, почему возникает такой вопрос, приведем сначала короткое стихотворение А.С. Пушкина «Движение»: • «Движенья нет!» — сказал мудрец бородатый. Другой смолчал и стал пред ним ходить. Сильнее он не мог бы возразить. Хвалили все ответ замысловатый. Но, господа! Забавный случай сей Другой пример на память мне приводит: Ведь каждый день пред нами Солнце ходит, Однако ж прав упрямый Галилей! В стихотворении речь идет о диспуте двух известных мыслителей античности Зенона и Антисфена. Первый утверждал отсутствие движения. В доказательство он приводил следующее логическое рассуждение. Пусть из лука выпущена стрела. При полете она последовательно проходит одну точку своей траектории за другой (см. рис 42). Что значит «проходит»? Это значит, что она там находится некоторое, пусть даже малое время в покое. Отсюда следует парадоксальный вывод: в любой (истинный, мгновенный) момент времени стрела неподвижна. «Движенья — нет». Вообще-то ответ Антисфена был не по правилам научного диспута о высокой материи. Он не стал обращаться к рациональной половине мышления и искать логическое обоснование. Он просто покаРис. 42. Полет стрелы зал, как человек воспринимает движение интуитивно. Движение есть, и это самодостаточный факт. Апория «стрела Зенона» в античности так и не была разрешена. Ошибка заключается в принятии времени как субстанции, в которой движется стрела. Поскольку время оторвано от самого движения (которое первично!) и возникает парадокс. 12 Движение в классическом естествознании описывается в рамках субстанциональной концепции пространства и времени (рис. 43). Рис. 43. Схема описания движения материальной точки в классическом естествознании Вводится система отсчета: тело отсчета и хронометр для измерения интервалов времени. Применяют модель материальной точки – тела, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием от начала координат до тела. Описание движения — векторное, перемещение, скорость, ускорение и импульс являются векторными величинами, путь по траектории и энергия — скалярные величины. Современное естествознание предпочитает рассматривать не движение объектов, а изменение их состояния. Для пояснения сути дела рассмотрим некоторые примеры. 1. В новогоднем стихотворении С. Я. Маршак верно подметил: «Как по лестнице по елке огоньки взбегают ввысь». Мы наблюдаем движение объекта-огонька по неподвижной гирлянде (рис. 44). Рис. 44. Схема движения огонька Для лестницы характерно определенное расстояние между ступенями. В гирлянде — это расстояние между соседними лампочками. Поэтому движение огонька – дискретное. Можно определить среднюю скорость движения огонька за время пробега от низа до верха гирлянды. Но можно ли спросить: как движется огонек между соседними лампочками? 13 Рис. 45. Схема движения вакансии иона 2. В электрическом поле по ряду положительно заряженных ионов Na+ в кристалле NaCl движется вакансия (вакантное для иона место) (рис. 45). Каждый из ионов смещается вправо только до соседнего свободного узла. Вакансия же пробегает в обратном направлении по всему ряду ионов. Объект, движение которого мы наблюдаем, — это вакантное состояние узла решетки. В отличие от первого примера, при смещении ионов пустое место непрерывно «перетекает» по цепочке. 3. Игра «пятнадцать». В этом случае на 16 мест игрового поля одно остается свободным (вакантным). Передвигая в двух направлениях фишки, мы вызываем движение вакансии по всему полю. Каждый ход вызывает изменение состояния всего игрового поля. Примеры 1 – 3 иллюстрируют эстафетный механизм движения, когда сигнал или эстафетная палочка проходит весь путь за счет отдельных этапов. Подобным же образом движутся дырки в полупроводниках. (Термин дырка означает вакантное энергетическое состояние.) 4. Все поле экрана монитора компьютера разбито на небольшие клетки-пиксели, координаты которых целочисленные. Чтобы на черном поле экрана высветить один пиксель, необходимо направить в точку с его координатами электронный луч. Последовательность соседних пикселей образует линию. При построении графиков на экране мы наблюдаем переход отдельных пикселей из «выключенного» состояния (не светятся) во включенное. На экране можно отобразить стрелу. Если значения координат каждого пикселя стрелы по 14 горизонтальной оси возрастут на единицу, то вся фигура сдвинется вправо на один почти незаметный шаг. Задав соответствующую программу, можно показать движение экранной (компьютерной) стрелы. Механического движения пикселей нет. Тем не менее мы наблюдаем движение объекта — стрелы. Для него можно определить среднюю скорость движения по экрану. Чем вызвано перемещение наблюдаемого объекта? Изменением состояния набора пикселей. Поэтому, описанию движения стрелы как объекта, имеющего характеристики механического движения — траекторию и скорость, можно дать эквивалентное описание. Оно не будет использовать понятия механики. Вместо этого оно будет описывать изменения во времени состояния экрана компьютера. 5. Волновое движение также является переносом состояния движения (колебательного). Здесь можно наглядно наблюдать движение максимумов и минимумов по поверхности озера или моря. Для такого движения характерно постоянное значение фазовой скорости волны (скорости переноса состояния колебания, его фазы). Напомним, что при движении волны нет переноса массы по пространству. Приведенные примеры показывают следующее. 1. Мы можем наблюдать движение не только материальных объектов (точек или тел), но и состояний. Это могут быть активные состояния элементов системы или даже «пустота» — вакансии в пространственном расположении элементов или вакансии в энергетических уровнях системы. В любом случае состояние оказывается информационно-значимым, выделенным. 2. Движение состояний, в отличие от движения материальных точек, может быть дискретным, то есть пространственно или энергетически разделенным. 3. Иногда один и тот же процесс может быть описан двумя способами и как движение объекта и как движение состояния (см. пример с экранной стрелой). 15 Более важный пример дуализма описания движения связан с электромагнитными волнами. Теория Максвелла (классическая электродинамика) показала, что свет может быть представлен моделью синусоидальных волн, распространяющихся в вакууме со скоростью света. В квантовой теории (квантовая механика) свет представляется моделью квантов (фотонов), энергию которых определяет формула Планка: E=hν (15) Здесь h – постоянная Планка, v – частота световой волны. Квантовая механика описывает движение электрона в атоме, как изменение состояния. При поглощении фотона и переходе электрона с одного энергетического уровня на другой изменяется состояние атома. Вопрос о том, как движется электрон между уровнями (или между орбитами), равноценен вопросам о движении пикселя между выключенным состоянием и включенном или о движении огонька между лампочками. Подобные вопросы просто не имеют физического содержания. Иными словами, движение электрона в атоме, то есть связанного с ядром атома, это движение (эволюция) состояния. Движение же свободного электрона, например в электронно-лучевой трубке, проще и понятнее описывать как движение по траектории объекта с известными значениями массы и заряда, т. е. как движение материальной точки. Симметричны ли процессы движения? Многие механические и химические процессы обратимы. Уравнения классической динамики обратимы по отношению к направлению времени. Наряду с ними существуют процессы принципиально необратимые: распад радиоактивных ядер, охлаждение нагретых тел, диффузия примесей в твердых телах, выравнивание концентраций, старение организмов и т. д. Асимметрия процессов движения (необратимых) задает направление стрелы времени. 16 Глава 4.3. Концепция четырехмерного пространства — времени Важнейшим достижением классического естествознания явилось открытие законов сохранения импульса и энергии. Эти законы остаются в силе и для современного естествознания, так как законы сохранения являются следствием свойств симметрии пространства и времени и не зависят от конкретного вида внутренних сил в замкнутой системе — электрических, механических, магнитных или ядерных. Проверка этих фундаментальных законов природы в области скоростей движения частиц, стремящихся к скорости света, приводит к неожиданным результатам. Взаимодействием может быть удар двух частиц, например электрона и атома. При этом возможны потери кинетической энергии электрона. Если происходит возбуждение электронной оболочки атома, удар будет неупругим. При соударении двух протонов возбуждения не происходит, и удар является абсолютно упругим. Для таких случаев законы сохранения позволяют найти величины векторов импульсов частиц после удара. Отметим, не приводя вычислений, характерную особенность разлетающихся частиц: сумма углов разлета должна быть равна прямому углу. Для регистрации столкновений протонов использовали метод ядерных фотоэмульсий, в которых заряженные частицы оставляют автографы — треки. После проявления фотопластинок следы, оставленные частицами разных энергий, рассматривали при увеличении, производили измерения углов разлета и пробегов рассеянных частиц (рис. 46). Проведенные в середине ХХ-го в. эксперименты показали, что в области скоростей, много меньших скорости света, имеется точное согласие с предсказаниями классической механики. А вот при высоких энергиях протонов, при которых их скорость сопоставима со скоростью света, угол разлета оказывается заметно меньше девяноста 17 градусов. Это означает, что либо закон сохранения импульса не выполняется при высоких, релятивистских скоростях, либо происходит увеличение массы протонов. Чтобы расчеты были в согласии с экспериментальными данными и чтобы можно было пользоваться классическим определением импульса P=mV, необходимо было признать, что масса частиц зависит от скоРис.46. Обработка следов рости их движения: микрочастиц (16) Именно такую зависимость предсказывала специальная теория относительности (далее в тексте СТО) Альберта Эйнштейна. В основу СТО положены два постулата. 1. Во всех инерциальных системах отсчета скорость света неизменна (является инвариантом) и не зависит от движения источника, приемника или самой системы отсчета (17) В классической механике Галилея - Ньютона величина скорости относительного сближения двух тел (например автомобилей) всегда больше скоростей этих тел и зависит как от скорости одного объекта, так и от скорости другого. Невольно мы переносим свойства тел на свойства света, поэтому нам трудно поверить, что скорость света не зависит от скорости его источника, но это научный факт. 2. Реальное пространство и время образуют единый четырехмерный пространственно-временной континуум (сокращенно будем его обозначать ПВК) так, что при переходе между системами отсчета сохраняется неизменным величина пространственно временного интервала между событиями 18 (18) Величина ΔS определяется следующим выражением (19) где Δr – пространственный интервал; Δt – временной интервал. С общенаучной точки зрения СТО опирается на убеждение в том, что физические процессы не должны зависеть от движения системы отсчета (выбираемой по желанию наблюдателя). В отличие от динамики Ньютона (см. ниже 4.3.1), в СТО не существует событий одномоментных во всех системах отсчета. Здесь два события, одновременные в одной системе отсчета, выглядят разновременными с точки зрения другой, движущейся или покоящейся, системы отсчета. В качестве иллюстрации приведем пример мысленного эксперимента с «поездом Эйнштейна» (рис. 47). Пусть двери вагона открываются при срабатывании фотоэлементов. В центре вагона находится наблюдатель №1, он зажигает лампочку, свет которой и будет сигналом для появления тока в фотоэлементах и, соответственно этому, для открывания дверей. Рис. 47. Мысленный эксперимент с поездом Эйнштейна Что увидят наблюдатели? Так как в движущейся системе свет от центра до краев вагона проходит одинаковые пути с одинаковой скоростью, то для наблюдателя №1 (он считает свою систему неподвижной, а платформу — движущейся) двери откроются одновременно. Для наблюдателя №2, который находится на платформе, мимо которой мчится «поезд Эйнштейна», задняя дверь приближается на19 встречу световой волне, а передняя дверь, наоборот, удаляется. С той же скоростью, что и в движущейся системе, свет пройдет до фотоэлементов дверей разные расстояния. Путь до задней двери короче и она откроется первой, затем откроется передняя дверь. Для неподвижного наблюдателя события будут разновременными. Конечно, рассмотренный пример является мысленным экспериментом, так как скорость реального поезда не может быть сопоставима со скоростью света. Подчеркнем, что мы считали скорость распространения света во всех системах одинаковой. Именно из-за этого возможна разновременность в разных системах отсчета. 4.3.1. Преобразование координат и скоростей в СТО Напомним, что в классическом естествознании время и координаты, например при движении одной системы отсчета по отношению к другой вдоль оси Х, связаны соотношениями: X* = X − Ut t*= t (время единое для всех систем!). В СТО пространственные координаты связаны преобразованием Лоренца: (20) Как мы видим, от классического выражения эта зависимость отличается введением знаменателя, который стремится к единице при уменьшении скорости движения системы отсчета U (принцип соответствия теорий выполняется). Так как в теории Эйнштейна время и пространственные координаты равноправны, то формулы преобразования должны быть аналогичными по форме и симметричными. Поэтому формулу для преобразовании времени можно записать по аналогии, поменяв местами координаты Х и t: 20 Знак вопроса в скобках поставлен потому, что от времени можно вычитать только величину с размерностью времени. Чтобы получить необходимую размерность следует произведение UX разделить на квадрат скорости (естественно, скорости света!). Для размерностей будем иметь: [X/с] = [t], а [и/с]=1 — безразмерная величина. Тогда получим (21) Преобразования, которые мы проделали не являются выводом формулы для преобразования времени. Но они демонстрируют возможности аналогии, как научного метода в естествознании. Здесь используется то принципиально новое, что появляется в теории Эйнштейна — полное равноправие временной и пространственных координат. Формулы преобразований Лоренца (20) и (21) позволяют получить ряд неожиданных на первый взгляд следствий. Следствие 1 Следствие 2 Следствие 3 Первое следствие выражает релятивистское сокращение длин отрезков в движущейся системе отсчета по сравнению с их длинами в неподвижной системе. Второе следствие — это релятивистский эффект уменьшения интервалов времени между двумя последовательны21 ми причинно связанными событиями в быстро движущейся системе отсчета. Третье следствие определяет закон сложения скоростей тел в СТО. Из него автоматически получается, что если скорость V = с, то и V*=с при любой скорости движения системы отсчета U. Эти следствия показывают, что размеры релятивистских объектов в направлении движения (видимые с точки зрения неподвижного наблюдателя!) уменьшаются, тогда как длительность процессов в релятивистских объектах увеличивается (для неподвижного наблюдателя). Необходимо подчеркнуть, что необычные изменения, вытекающие из приведенных формул, являются чисто кинематическими эффектами и не связаны с действием каких-либо сил природы. В специальной теории относительности сохраняются все основные определения классической физики — импульса, работы, энергии. Однако появляется и новое: в первую очередь — зависимость массы от скорости движения — формула (16). Поэтому нельзя использовать классическое выражение для кинетической энергии, ведь оно получено в предположении о неизменности массы объекта и при высоких, релятивистских скоростях должно быть заменено на новую зависимость (25) Это самая известная формула специальной теории относительности. Оказывается, что изменение релятивистской энергии тела эквивалентно изменению его динамической массы. Используя формулу (25), можно связать энергию с величиной массы покоя: (26) 22 В этом выражении присутствует квадрат скорости, что роднит его с формулой кинетической энергии в механике Ньютона. Однако для неподвижного тела релятивистская энергия не обращается в ноль: (27) Очевидно, что для этой энергии нет аналога в классическом естествознании, где для неподвижного тела имеется потенциальная энергия взаимодействия частей тела, но она явным образом зависит от расстояния между взаимодействующими частями тела. Можно сказать, что W0 – это потенциальная энергия внутренних уровней взаимодействия, которые не могут быть сведены к механическому движению, гравитационному или кулоновскому взаимодействиям. Чтобы найти величину кинетической энергии тела в СТО, необходимо из полной энергии вычесть энергию покоящегося тела. В классическом естествознании из однородности пространства следует закон сохранения импульса, а из однородности времени следует сохранение энергии. В СТО сохраняется объединенная величина «энергия-импульс». Таким образом роль СТО в современном естествознании — это роль объединительной концепции пространствавремени и энергии-импульса. 4.3.2. Применение СТО в современном естествознании Как уже было рассмотрено в главе 3.1, каждая элементарная частица имеет своего двойника, который отличается от нее лишь знаком электрического заряда. Массы покоя частицы и ее античастицы одинаковы, например, электрон и позитрон имеют массы покоя, равные 0,911-10-30 кг или 0,511 МэВ. В ядерной физике на основании эквивалентности массы и энергии – формула (27) величину массы элементарных частиц выражают в энергетических единицах – электроновольтах (эВ) и производных единицах мегаэлектроновольтах. Если частица и античастица встречаются в одной точке пространства, то они взаимно аннигилируют, т е. исчезают как частицы с отличными от нуля массами покоя. Согласно СТО полная энергия 23 двух частиц переходит в энергию фотонов — частиц электромагнитных излучений. Фотоны имеют нулевое значение массы покоя, поэтому они могут двигаться со скоростью света (неподвижных фотонов не бывает). Источником позитронов в лабораториях обычно служат радиоактивные нуклиды, например ядра изотопа фосфора с массовым числом 31. Другие античастицы образуются в ходе реакций между микрочастицами, разогнанными до высоких скоростей в ускорителях. Особенностью аннигиляционного электромагнитного излучения является высокая энергия образующихся фотонов. Высокая – по сравнению с энергией химических связей атомов в молекулах или электронов с ядрами атомов. Напомним, что для ионизации атома водорода необходимо 13,6 эВ. А энергия фотона при аннигиляции бета-частиц будет равна (28) В энергию излучения переходит удвоенная энергия-масса покоя частиц и обычно малая кинетическая энергия электрона и позитрона. Возможна и обратная реакция перехода энергии гамма-квантов в энергию-массу пары «частица — античастица» (рис. 48). Этот процесс более эффективно происходит вблизи тяжелых ядер, где велики искажения пространственно-временного континиума. Рис. 48. Схема процесса образования пар частица - античастица Энергии гамма-кванта должно быть достаточно для появления массы покоя двух частиц и сообщения компонентам образованной пары кинетической энергии (чтобы «близнецы» могли разлететься друг от друга). Образовавшаяся античастица оказывается в чуждом 24 для нее мире, окруженной многими обычными частицами вещества и вскоре аннигилирует. В ядерных реакциях был обнаружен необычный эффект, названный дефицитом (дефектом) массы. Рассмотрим, например, реакцию образования одного из трех изотопов водорода — дейтерия (рис. 49). Когда протон и нейтрон сближаются на расстояние действия ядерных сил, происходит образование ядра дейтерия. При этом выделяется энергия W, во много раз (в миллионы раз) большая, чем в обычных химических реакциях, например, чем в реакции образования молекулы водорода из двух атомов. Согласно выводам теории относительности, выделение и передача во внешнюю среду энергии сопровождается уменьшением полной массы системы. Рис. 49. Схема образования ядра дейтерия По этой причине экспериментально определяемая масса ядра дейтерия меньше, чем сумма масс свободных протона и нейтрона. Величина разности масс получившегося ядра и исходных частиц получила название дефицита или дефекта масс: (28) Подобный эффект сопровождает образование и других ядер. Без понимания возможности эквивалентных изменений энергии и массы нельзя объяснить наличие дефицита масс у ядер всех химических элементов. Возможен и обратный процесс — распад ядра на составные части. Но при этом стабильному в обычных условиях ядру необходимо сообщить энергию, достаточную для покрытия дефицита масс. В результате сумма масс освободившихся частиц будет больше, чем масса 25 покоя исходного ядра. Такого эффекта в классическом естествознании даже не предполагалось! Еще заметнее этот эффект проявляется при распаде субядерных элементарных частиц, когда в реакциях с другими микрочастицами подведенная извне энергия переходит в массу новых образующихся частиц. Закон сохранения энергии-массы не запрещает рождение все более массивных микрочастиц при столкновении микрочастиц на ускорителях (см. рис. 31), была бы достаточной величина подводимой в зону реакции энергии! До каких пор возможно такое «утяжеление» вновь рождающихся частиц? Фантазируя, некоторые писатели полагают возможным даже рождение новых вселенных в результате каких-то мощных энергетических процессов, управляемых разумными существами в других галактиках... Однако это не так. Самая массивная из известных в настоящее время микрочастиц скалярный Z-бозон, имеет массу, сравнимую с массой атома серебра. Для микрочастиц это большая величина, но она не сопоставима даже с разновесом в 1 грамм! Ниже мы рассмотрим, по каким физическим соображениям возрастание массы микрочастиц ограниченно некоторым фундаментальным пределом, и поэтому вселенные в известных сейчас взаимодействиях не образуются. 4.3.3. Гипотеза частицы — максимона Наш мир характеризуется набором фундаментальных постоянных, которые входят в самые существенные постулаты, определения, законы. Перечислим те из них, которые характеризуют гравитацию, квантование энергии и скорость распространения физических взаимодействий. h – постоянная Планка, размерность с – скорость света, G – гравитационная постоянная, 26 [h] = Дж.с = кг/м2 с-1, [с] = м/с-1, [G] = кг/м3 с2. Можно полагать, что комбинация этих мировых постоянных тоже будет иметь физический смысл некоторой фундаментальной величины, особенно если размерность комбинации постоянных будет совпадать с размерностью массы, времени или пространственного интервала. В частности, вы можете самостоятельно выполнить простые преобразования и убедиться, что с размерностью массы совпадает размерность следующего выражения: Поскольку имеется однозначное соответствие между уравнениями для физических величин и уравнениями для их размерностей (вспомним обязательную проверку размерностей при решении задач!), то можно записать аналогичное равенство уже для самих постоянных: (29) В настоящее время полагается, что формула (29) позволяет оценить порядок величины предельной массы элементарной частицы, больше которой не должно быть в нашей вселенной. Такая гипотетическая частица была названа академиком Марковым «макимоном». Численный расчет, который Вы сами можете проделать по формуле (29) приводит к значению mmax - 3 • 1019 масс протона, что соответствует примерно пяти сотым грамма. Если оценить затраты энергии, необходимые для рождения максимона по формуле Эйнштейна. Использованный нами научный метод соответствия размерностей можно продолжить для оценки других фундаментальных величин. 4.3.4. Концепция квантования пространства и времени Полученную выше комбинацию мировых постоянных с размерностью массы можно считать естественной единицей измерения массы, в отличие от принятой по соглашению метрологов единицей 1 кг. 27 Точно также можно ввести естественную единицу измерения расстояний. Убедимся, что размерность длины соответствует размерности следующего выражения: Перейдем к формуле для физических величин (30) Введенную постоянную называют длиной Планка, о чем напоминает ее подстрочный индекс. Если выполнить расчет, то получим для планковской длины величину порядка десяти в минус тридцать пятой степени метра. Полагают, что меньших интервалов пространства не существует. Это как бы предел дискретности, делимости пространства. Соответствующее планковское время, с минимальной длительностью, можно найти как интервал времени, необходимый свету для прохождения длины Планка: (31) Порядок величины планковского времени оказывается равен десяти в минус сорок третьей степени секунды. Несмотря на свою простоту, приведенные оценки играю очень большую роль в современном естествознании. Они служат базой для концепции квантового пространственно-временного континиума. В рамках этой концепции полагают, что пространство и время можно считать непрерывными только до тех пор, пока масштаб расстояний много больше планковской длины, а масштаб временных интервалов не подходит к рубежу планковского времени. При сопоставимых расстояниях или при сопоставимых временных «отрезках» пространствовремя дискретно. 28 Мысленно вообразите себе кубик, ребро которого равно планковской длине. Это будет самое упрощенное представление о трехмерной проекции «элементарной ячейки» четырехмерного пространственно-временного континуума. Меньших объемов различить будет невозможно. Движение частицы-объекта в такой модели будет подобно движению состояния-огонька по гирлянде лампочек, о котором мы говорили ранее. Частица-состояние исчезает в одной «ячейке» и появляется, рождается в соседней, делая дискретный шаг в четырехмерном пространстве-времени. С большого, макроскопического расстояния дискретность движения будет неразличима. Конечно, нам весьма трудно представить себе четырехмерные кубики и процесс движения по таким ячейкам. В какой-то мере здесь можно воспользоваться научным методом аналогии. Попробуем рассмотреть процесс движения частицы в привычном для нас трехмерном пространстве, но с точки зрения двухмерных существ, «плоскатиков». (Хорошим примером двухмерного наблюдателя является тень на плоскости от реального наблюдателя – тень не имеет толщины). Пересечем трехмерный тор (бублик) плоскостью. Она будет областью существования «плоскатиков» (рис. 50). Рис. 50. Связь двух положений в разных измерениях Пусть частица с площадки №1 переходит на площадку №2 по траектории, показанной на рисунке пунктиром (внутри трехмерного тора). Для нас, трехмерных существ, ничего необычного нет, мы все время видим траекторию движения. А вот для плоскатиков будет парадоксом попадание частицы с одной площадки на другую, так как они (площадки) на их плоскости пространственно разнесены. 29 Для плоских существ будет непонятным, как разделенные участки плоскости могут принадлежать чему-то общему, какому-то трехмерному тору. Ведь чтобы увидеть эту общность, надо выйти за пределы привычной плоскости, стать трехмерными существами. Приведенная аналогия нужна вот для чего. Реально микрочастица- состояние движется в четырехмерном «объеме». След же ее приборы регистрируют в трехмерном пространстве. Поэтому частица может на какое-то время «исчезать» из трехмерного сечения многомерного континуума, как она уходит из плоского сечения тора на рис. 50. И появляться «внезапно» в другом месте трехмерного сечения. В последние годы теоретики рассматривают также довольно необычные идеи о «расслоении» пространства. Считают, что каждой точке обычного пространства можно «приклеить» целый слой пространств с произвольным числом измерений. Более того, допускается даже дробная размерность пространства. Геометрические (топологические) свойства таких пространств отвечают за тот спектр масс, зарядов, спинов, которые наблюдаются для элементарных частиц в настоящее время. По последним теориям для описания наблюдаемых значений требуется двенадцатимерное пространство. Высокая размерность становится заметной только на планковских расстояниях, тогда как на больших масштабах проявляется основная размерность, равная четырем. Глава 4.5. Общая теория относительности Эйнштейна «Вещь помещенной будучи, как в Аш-два-О, в пространство, презирая риск, пространство жаждет вытеснить; но ваш глаз на полу не замечает брызг пространства ...» И. Бродский Согласно представлениям Эйнштейна, взаимное притяжение вещественных тел друг к другу обусловлено тем действием, которое 30 присутствие вещества оказывает на четырехмерный пространственновременной континуум (далее в тексте ПВК). В классическом естествознании априори признается, что материальные тела могут двигаться в пространстве и во времени, не оказывая какого-либо влияния на них. Есть сцена — пространство и время, и есть актеры — вещества во всех формах и проявлениях процессов превращений. Фон или сцена остаются безучастными к развитию действия. Революционная идея Эйнштейна состояла в своеобразном объединении актеров и сцены, во влиянии вещества на геометрические характеристики четырехмерного континуума. Все мы — существа трехмерные, и нам трудно (даже на интуитивном уровне) представить себе континуум четырех измерений. Снова в какой-то мере может помочь аналогия с плоскатиками, или тенями на поверхности. Мы легко будем видеть все процессы как двухмерного мира, так и трехмерного. А для плоскатиков будет весьма трудно представить себе трехмерный мир, так как их понятийный аппарат выработан для пространства с двумя только измерениями. После такого необходимого вступления разберем один из парадоксов мира плоскатиков. Пусть два массивных, но плоских объекта движутся строго на север по поверхности сферы (рис. 51). Очевидно, что расстояние S между ними будет непрерывно сокращаться. Рис. 51. Схема движения двух плоских объектов по меридианам При движении каждого по своему меридиану плоскатики замечают взаимное сближение в направлении, которое перпендикулярно направлению их перемещения. В конечном счете, чтобы не столкнуть- 31 ся, им придется использовать какую-нибудь силу, например силу тяги плоскомобилей, в которых они путешествуют. Плоскатики будут убеждены, что объективно существует сила их взаимного притяжения. Нам же очевидна иная причина сближения — кривизна поверхности сферы. Мы видим это потому, что находимся в пространстве с большей размерностью. Таким образом, если считать силой любую причину изменения состояния движения объектов, кривизна пространства играет роль, эквивалентную силе. Общая теория относительности утверждает, что причиной гравитационного притяжения всех тел является кривизна четырехмерного пространства-времени. Искажения возникают вследствие самого факта присутствия массы. По образному выражению одного из американских ученых Дж. Уилера «вещество диктует пространству, как ему искривляться, а искривленное пространство указывает веществу, как ему двигаться в нем». Если огромная масса вещества находится во вращательном движении, то окружающее пространство не только «растягивается», но и закручивается (рис. 52). Такое комплексное искажение пространствавремени особенно заметно вокруг сверхмассивных Черных дыр, которые находятся в центрах многих галактик. Но и вращение Земли сказывается на гео- Рис. 52. Деформация метрических характеристиках пространства во- пространства Землей круг нее. В 2007 г. группа ученых из НАСА (США) обнаружила закручивание пространства по слабым эффектам в движении спутника Земли. Общая теория относительности оставила след и в гуманитарной культуре. Так в фильме З. Рыбчински «Четвертое измерение» в динамике показано, как человек мог бы воспринимать искажения пространства массивными телами (кадр слева) и видеть непрямолинейное 32 движение тел, включая самого человека (рис. 53). В таком пространственно искаженном мире все предметы и части тел двигались бы по криволинейным путям. Рис. 53. Кадры из фильма «Четвертое измерение» Математическое описание ОТО дается на языке тензорного исчисления, достаточно сложного для того, чтобы приводить конкретные формулы. Общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна постулирует невозможность отличить движение тела в поле гравитации от движения по инерции. Это означает эквивалентность инерциальной и гравитационной масс, что неявно предполагалось и в динамике Ньютона. Следует отметить, что не все согласны с точкой зрения Эйнштейна на природу тяготения. Так, академик А. Логунов считает, что четырехмерное пространство всегда остается плоским, а силы притяжения возникают как следствие релятивистских эффектов. Причины сомнений, приводимые А. Логуновым, уважительны. Дело в том, что понятия энергии и импульса важны в связи с законами их сохранения. В классическом естествознании для плоского ПВК сохранение энергии определяется однородностью времени, сохранение импульса определяется однородностью пространства, сохранение момента импульса определяется изотропностью пространства. Очевидно, что для искривленного пространства-времени нет больше изотропности и однородности, так как кривизна может изменяться от точки к точке. Отсюда возникают сомнения: существуют ли вообще в ОТО законы сохранения энергии-импульса? 33 Сам А. Эйнштейн допускал несохранение энергии локально, но так, чтобы в макропределах законы сохранения восстанавливались. Полемика по этому поводу не привела к однозначности, вопрос остается дискуссионным для современного естествознания. Эмпирические доказательства правильности выводов ОТО: • отклонение луча света в поле тяготения Солнца, • смещение перигелия орбиты Меркурия. • изменение частоты электромагнитной волны в поле тяготения, Первое из прямых свидетельств в пользу ОТО были получены при наблюдении Эдингтоном одного из очередных полных затмений Солнца в 1919 г. (рис. 54). Рис. 54. Смещение луча света и прецессия орбиты Меркурия Позднее была установлена прецессия, дополнительное вращение орбиты Меркури при обращении планеты вокруг Солнца, параметры которой согласовались с предсказаниями ОТО (см. рис. 54). Наконец уже в наши годы были выполнены эксперименты по измерению малых изменений частоты электромагнитных излучений при их распространении вверх, по сравнению со случаем их движения вниз, в гравитационном поле Земли. Еще один пример: вследствие быстрого движения спутников глобальной системы GPS бортовые часы должны отставать от земных на 7 мкс в сутки. Но меньшая сила земного тяготения на орбите заставляет их уходить вперед на 45 мкс в сутки. В итоге для получения точных GPS-данных необходимо вводить в показания бортовых часов поправку на 38 мкс в сутки. Если пространственное распределение массы вещества меняется с течением времени, то должно возникать динамическое гравитаци34 онное поле. Как и для поля электромагнитного, более простое математическое описание получается для предельного случая, когда точка наблюдения находится на далеком расстоянии от источника волн. Гравитационные волны — поперечные. В общем случае неполяризованная волна описывается двумя взаимно перпендикулярными компонентами Ey и Ez, если распространение гравитационной волны идет вдоль оси ОХ. Другой возможный случай поляризации, когда «растяжения — сжатия» ориентированы по диагоналям осей координат. Мощным источником электромагнитной волны является диполь — два электрических заряда противоположных знаков. Для эффективного излучения гравитационной волны необходим квадруполь, так как сжатия и растяжения происходят в двух взаимно перпендикуРис. 55.Вращение лярных направлениях. цилиндра Квадрупольным моментом обладает стержень (или цилиндр), вращающийся вокруг оси симметрии (рис. 55). Мощность излучения гравитационных волн стержнем выражается формулой (32) Величина коэффициента с-5 ≅ 10-41, поэтому даже для очень больших масс М, круговой частоты ώ и длины стержня L в условиях Земли нельзя получить заметного гравитационного излучения. Однако в космосе часто встречаются двойные звезды с гигантскими величинами масс, вращающиеся вокруг общего центра. Поэтому есть принципиальная возможность поиска гравитационных волн из космоса. Гравитационные волны — это рябь на ткани пространства-времени, которая распространяется со скоростью света. Будучи предсказанными А. Эйнштейном в общей теории относительности, они до сих пор непосредственно не обнаружены. Однако косвенным образом они 35 были идентифицированы в движении двойных звезд. Так, в течение более десяти лет наблюдали отставание фазы затмения одного из пульсаров (быстро вращающейся нейтронной звезды) звездой-спутником. Отставание возникает из-за потерь энергии системы двух звезд на гравитационное излучение. Наблюдаемые данные, приведенные в виде точек на графике, хорошо согласуются с расчетами потерь энергии по формуле для квадруполя, записанной выше (сплошная кривая линия на рис. 56). Рис. 56. График данных наблюдений сдвига фазы Поэтому существование динамических гравитационных полей особых сомнений у физиков не вызывает, они доверяют надежным косвенным данным. Теперь необходимо прямое экспериментальное наблюдение динамических полей гравитации. Первая антенна гравитационных волн в виде двух алюминиевых цилиндров, была построена в начале 60-х гг. Дж. Вебером в США. Чувствительность их, как и более поздних сапфировых антенн, сделанных в России коллективом физиков МГУ под руководством В.Б. Брагинского, оказалась недостаточной. В настоящее время разработаны инженерные проекты лазерно-интерференционных гравитационных обсерваторий (проекты LIGO, VIRGO, LISA). Аббревиатура LIGO означает в переводе на русский язык «лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория». Назначение LIGO — наблюдение гравитационных волн космического происхождения. LIGO будет искать гравитационные волны, порожденные 36 процессами взрывов сверхновых звезд, на месте которых образуются нейтронные звезды и черные дыры. В настоящее время ведутся поиски гравитационных волн длиной от размера Вселенной до нескольких метров. Хорошая чувствительность уже достигнута или планируется ее достигнуть в интервале частот от 10 до 104 Гц. На этот диапазон рассчитаны две антенны LIGO: одна в Хэнфорде, другая в Ливингстоне (США) и антенна VIRGO – недалеко от Пизы в Италии. На более низкие частоты от 0,1 до 0,0001 Гц гравитационного излучения нацелен спутниковый проект LISA (Лазерно-Интерферометрическая Спутниковая Антенна) Космическая антенна будет расположена на той же орбите вокруг Солнца, что и Земля. В ней, как и в антеннах LIGO и VIRGO, будут использованы зеркала (центральный элемент в спутниках) и лазерный интерферометр для измерения их малых относительных колебаний (амплитуда 10-9 см при расстоянии между зеркалами в 5 млн. км). Антенна на околоземной орбите позволит начать изучение того, что происходило во Вселенной в первую секунду ее существования. Можно предсказать, что в ближайшие 20-30 лет с помощью этих антенн мы сможем узнать «темный» (в буквальном смысле этого слова) миг эволюции нашей Вселенной, в течение которого вся информация о происходящем была связана с излучением гравитационных волн. В завершении главы 4 отметим несколько важных для современного естествознания моментов. 1. В эволюции естествознании прослеживаются сосуществование двух концепций пространства, времени и движения — субстанциональной и реляционной. Классическое естествознание основано на первой из названных. В нем первичны трехмерное пространство и одномерное время как независимые компоненты. Вещество не влияет на эти однородные и высоко симметричные среды (субстанции). Масса тела является мерой вещества, инертности и гравитационного взаимодействия. 2. Развитием идеи независимости всех процессов движения от выбора системы отсчета явилась специальная теория относительно37 сти. В ней показано, что классическое разделение общего пространства – времени при больших скоростях движения недопустимо. Мир оказывается четырехмерным континуумом, в котором время есть равноправная составляющая, симметричная пространственным координатам. В нем выполняются законы сохранения энергии импульса, следствием чего становятся эффекты релятивистского увеличения массы, увеличения интервалов времени между причинно-связанными событиями и уменьшение продольных размеров тел. 3. Общая теория относительности вносит еще более значимые концептуальные изменения в понимание связи пространства-времени с движением массивных тел. Обнаруживается единство и самосогласование процесса движения тел и изменений геометрических характеристик (метрик) пространственно-временного континуума. Поскольку искажения ПВК оказывают действие эквивалентное силе классической физики, то можно говорить о геометризации природы гравитационных сил. Возле объектов вселенной с огромной массой (Черных дыр) пространство в максимальной степени искажается и закручивается, а течение времени замедляется. 4. Очевидно, что общая теория относительности ближе к реляционной концепции, связывающей течение (и измерение) времени с общим движением материального мира. Она оказывается созвучной представлениям античных натурфилософов. В частности, напомним о роли «места» пространства у Аристотеля (см. главу 4.1) – он полагал, что оно может оказывать силовое действие на тело. Как и у Платона, в ОТО пространство «материализуется», поскольку на материальные тела действие оказывают только материальные субстраты. 5. Квантовые аспекты теории пространства-времени выражаются в возможности проявления в нашем трехмерном мире некоторых эффектов, связанных с более высокими пространственными измерениями. В частности это могут быть виртуальные появления и исчезновения микрочастиц, движущихся по квантовым «кубикам» пространственно-временного континуума. 38 РАЗДЕЛ 5. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПОЛЯ: КОНЦЕПЦИИ ОБЪЕДИНЕНИЯ Глава 5.1. Концепции близко- и дальнодействия В настоящее время в качестве основных в современном естествознании выделяют следующие физические поля передающие взаимодействия (табл 10). Таблица 10. Фундаментальные взаимодействия и переносчики Фундаментальные взаимодействия Гравитационное Электромагнитное Электрослабое Сильное Микрочастицы поля Гравитон (?) Фотон Векторный бозон Глюон Знаком вопроса в табл. 10 отмечена частица, существование которой еще не подтверждено в эксперименте. По определению, в классическом естествознании полем называют область пространства, в каждой точке которого на помещенное туда пробное тело (имеющее свойства m, q, s), действует однозначно определенная сила. Здесь поле понимается, как область физически измененного пространства, чем-то заполненного. Поле начинается от его непосредственного источника и может простираться до бесконечности (дальнодействие!). Полагается, что при удалении на бесконечность от источника его действие на пробное тело убывает до нуля. Считается также очевидным материальность поля. Иначе как бы передавалось действие одной материальной частицы вещества на другую через нечто нематериальное? Таким образом, в концепции дальнодействия классического естествознания выделяются две противоположности (вспомним Аристотеля!). Им соответствуют принципиально различные понятия нашего сознания. 39 Физикоматематическая модель: Материальная точка Подчеркивается: Локальность (протяженность объекта стремится к нулю) Материальная среда Безграничность (протяженность среды стремиться к бесконечности) Квантовая механика (основа неклассического естествознания) показала неправильность бинарной логики выбора: либо частица-точка, либо неограниченная волна. Действительно, опыты показали, что, при уменьшении массы объектов до значения масс микрочастиц, такие «материальные точки» проявляют свойства протяженности, свойства делокализации по пространству. В частности, проявлением таких свойств является дифракция микрочастиц на решетках кристаллов. С другой стороны, при уменьшении длины волны электромагнитных излучений, λ → 0, излучения проявляют корпускулярные свойства. Проявлением таких свойств являются эффект Комптона и фотоэффект (о них позднее скажем подробнее). Поэтому образом квантовой физики является «кентавр» — частица-волна. Уместно будет привести здесь цитату из работы А. Эйнштейна «Эволюция физики»: «Поле представляет энергию, вещество представляет массу. Но мы уже знаем, что такой ответ в свете новых знаний недостаточен. Из теории относительности мы знаем, что вещество представляет собою огромные запасы энергии, и что энергия представляет вещество. Мы не можем таким путем провести качественное различие между веществом и полем, так как различие между массой и энергией не качественное. Гораздо большая часть энергии сосредоточена в веществе, но поле, окружающее частицу, также представляет собой энергию, хотя и в несравненном меньшем количестве. Поэтому мы могли бы сказать: вещество — там, где концентрация энергии велика, поле — там, где концентрация энергии мала. Но если это так, то различие между веществом и полем скорее количественное, чем качествен- 40 ное. Нет смысла рассматривать вещество и поле как два качества, совершенно отличные друг от друга. Мы не можем представить себе определенную поверхность, ясно разделяющую поле и вещество.» Электромагнитные взаимодействия передаются путем обмена фотонами, схема этого процесса представлена диаграммой Фейнмана на рис. 38. Для гравитационного поля теоретики предполагают существование гравитона, как аналога фотона. Если поиски гравитационных волн приведут к успеху, гравитон обретет права «физического гражданства» в сообществе элементарных частиц. Кварки взаимодействуют посредством глюонов (см. рис. 38). Глюонное поле имеет парадоксальные свойства, даже с точки зрения квантовой механики. В отличие от гравитационного и электромагнитного полей, действие глюонного поля возрастает при увеличении расстояния между кварками. И наоборот, при сближении кварки получают асимптотическую свободу и слабо влияют друг на друга. На уровне макромира похожая ситуация возникает при растягивании руками резинового шнура или ленты. Сравнительно недавно появилась гипотеза о существовании торсионных полей (полей кручения). Их проявление должно иметь связь с таким фундаментальным свойством микрочастиц, как спин. В настоящий момент слишком мало экспериментальных данных, чтобы судить об изменении этих полей с расстоянием. Однако, это не смущает некоторых людей, увлеченных гипотезой новых полей. Как в свое время атом Резерфорда стимулировал появление гипотез супра- и инфрамира, так в наше время с торсионными полями пытаются связать аномальные явления и телепатию . Глава 5.2. Сопоставление свойств полей Известны два статических поля, источниками которых служат неподвижные массы и заряды. Гравитационное поле описывается законом тяготения Ньютона, а электростатическое поле — законом Кулона. Оба закона сформулированы в результате обработки экспери41 ментальных данных. При этом обычно вспоминают еще одну легенду о яблоке, как будто упавшем на Ньютона, что и помогло ему в размышлениях о тяготении. (33) Одинаковая зависимость от расстояния, обратно пропорциональная второй степени, не случайна. В последующем было показано, что при степени один, три или выше для расстояния r устойчивых орбит движения для двух взаимодействующих тел не получается. В гравитационном поле возможно только притяжение тел, в электрическом поле одноименные заряды отталкиваются. Для этих полей введены одинаковые по физическому смыслу понятия: Напряженность поля Е — векторная величина, силовая. Потенциал поля ϕ — скалярная величина, энергетическая. Определения для напряженности поля: (34) Здесь в знаменателях стоят значения массы и заряда пробного тела. Условно принято, что для пробного тела m > 0 и q > 0. Графически поля представляются силовыми линиями. Это линии, касательные к которым указывают направление вектора Е, а относительную величину напряженности в данном месте выражают числом линий Е, проходящих через единичную площадь. Это не условная договоренность, а следствие фундаментальной теоремы Остроградского-Гаусса: полный поток линий вектора Е через замкнутую поверхность, охватывающую источники полей (либо q, либо m), равен полной величине массы, либо алгебраической сумме зарядов, находящихся внутри. Используя определение Е и законы взаимодействия (33), легко получить выражения для напряженности поля точечной массы или заряда. 42 По определению, потенциалом называют физическую величину, равную работе перемещения единичной массы или единичного электрического заряда из бесконечности в данную точку пространства. Для бесконечно разделенных тел силы взаимодействия раны нулю и потенциал здесь принимается равным нулю. Вычислив работу переменной силы F(r), получим выражения для потенциалов точечной массы и точечного заряда: (35) Знак минус в (35) означает, что при сближении гравитирующих масс поле выполняет работу и энергия (потенциальная) системы убывает от начального значения, а оно равно нулю. В случае электрических зарядов следует учитывать знаки зарядов, убывает энергия разноименных и возрастает энергия системы одноименных зарядов. Общим для рассматриваемых полей является так же принцип суперпозиции полей. Каждая точечная масса или точечный электрический заряд создают поле независимо от присутствия других источников полей. Это позволяет использовать все законы и определения, введенные для точечных тел, для реальных объектов. Необходимо только сначала условно разбить реальное тело на столь малые части, чтобы их можно было считать материальными точками или точечными зарядами, а затем использовать принцип суперпозиции полей. Как правило, при этом необходимо производить интегрирование по объему, поверхности или по линии. Совокупности одной векторной и одной скалярной характеристик, Е и ϕ, достаточно для полного описания свойств статических полей. Поле передает действие одного заряда на другой. Как оно изменится, если источник поля будет двигаться с высокой скоростью? Для усиления предположим, что скорость релятивистская, Vс. В таком случае мы вправе использовать выводы специальной теории относительности Эйнштейна. СТО предсказывает сокращение 43 продольных размеров всех материальных тел. Но поле тоже материально. Следовательно, необходим учет перераспределения в «сокращенном» пространстве линий напряженности поля Е. Схематически это можно представить рис. 57. Рис. 57. Распределение силовых линий поля для неподвижного и движущегося зарядов Если изотропное поле неподвижного заряда обозначить как Е0, то напряженность в точке, расположенной под углом в к направлению движения заряда, будет равна: (36) Чтобы выделить различие между сравниваемыми полями, вычислим величину работы по какому либо замкнутому контуру в статическом поле и в поле движущегося заряда. В изотропном поле неподвижного заряда работа по замкнутому контуру будет равна нулю (условия на пути туда и обратно по кольцу будут одинаковыми по густоте линий поля). В случае движущегося заряда очевидно, что в области по вертикали напряженность поля выше, чем в области горизонтальной оси. Поэтому величина работы по переносу единицы заряда будет отлична от нуля (разные условия по густоте линий напряженности поля). Это означает, что такое поле непотенциально! Оно обладает дополнительными свойствами, отличающими его от статического поля. Естественно считать, что новые свойства являются проявлением какого то другого, дополнительного поля, которым обладает движущийся заряд. Это поле известно под названием магнитного, оно передает магнитное взаимодействие зарядов. 44 Силы магнитного взаимодействия всегда направлены в противоположную сторону по сравнению с силами электрического взаимодействия. Например, две параллельно движущиеся положительные заряженные частицы электрическими силами отталкиваются., а магнитными силами они притягиваются друг к другу. Численное значение отношения магнитной силы к электростатической равно отношению скорости движения заряженной частицы к скорости света. Поэтому при обычных скоростях движения, когда скорость V много меньше скорости света с, сила магнитного взаимодействия зарядов пренебрежимо мала, по сравнению с кулоновской. В случае параллельного движения одинаковых по знаку зарядов сила магнитного взаимодействия определяется зависимостью: (37) Входящие в формулы (37) и (33) магнитная и электрическая постоянные связаны со скоростью света в теории Максвелла: (38) Обратим внимание на условие, при котором две силы (отталкивания и притяжения) становятся равными по величине. Для этого необходимо, чтобы скорость движения заряженной частицы стала равной скорости света. Для частиц с отличной от нуля массой покоя достижение скорости света невозможно по причинам, которые обсуждались в предыдущем разделе. Тем не менее, отметим как важный факт ослабление общего результата взаимодействия по мере резкого увеличения кинетической энергии заряженной частицы при V→с. Забегая вперед скажем, что в таких случаях вступает в силу так называемое электрослабое взаимодействие, частицей поля которого являются векторные бозоны. 45 Глава 5.3. Первая концепция объединения полей Магнитное поле постоянных токов или равномерно движущихся зарядов имеет неизменные во времени параметры. В этом смысле оно статично, как и электрическое поле неподвижных зарядов. Исчерпывается ли многообразие полей только статическими полями? Существуют ли в природе динамические поля Е и В, переменные во времени и пространстве? Если они существуют, то их появление должно наблюдаться в динамическом процессе изменения состояния движения электрического заряда. То есть, в процессе изменения скорости заряженной частицы, её ускорения. Попробуем кое что узнать об особенностях динамического электрического поля не прибегая к сложным математическим выкладкам, пользуясь только одним фундаментальным положением: источником линий напряженности Е является электрический заряд. В процессе ускорения ранее неподвижного заряда изотропное поле должно перейти к распределению «сжатых» как веер линий напряженности поля движущегося заряда (см. рис. 58). Переход должен происходить так, чтобы линии не обрывались и их число не менялось. Рассмотрим схему переходного процесса (рис. 58). Наша схема представляет собой как бы мгновенный снимок состояния всех линий Е в пространстве для момента времени t после начала движения. Оно начинается с того, что за интервал dt неподвижный заряд ускорился до значения V=const и далее с такой скоростью перемещается прямолинейно. Сигнал об изменении состояния движения заряда распространяется со скоростью света с. За время t радиус области, в которой поле от изотропного изменилось до «сжатого», достигает величины R=сt. За пределами этой области все еще сохраняетРис. 58. Излом линий поля Е ся центрально-симметричная конфигурация 46 линий E. Так как число линий не меняется и они не пересекают друг друга, то мы должны соединить соответствующие стрелки (хотя бы по прямой, в линейном приближении). Излом линий происходит на самом деле в тонком шаровом слое толщиной dR = cdt на границе двух статических полей. Переходный динамический слой «стирает» со скоростью света потенциальное статическое поле неподвижного заряда и оставляет за собой непотенциальное поле равномерно движущегося заряда. В чем принципиальное отличие динамического поля от статических? Обратите внимание, для статических полей вектор Е всегда направлен по радиусу-вектору от заряда до точки наблюдения. А в переходном слое обязательно появляется компонента перпендикулярная радиусу-вектору (иначе излом не получится). Очевидно, что свойства такого поля нельзя свести к свойствам статических полей, это новый вид поля. Таковы выводы качественного анализа. Количественное описание динамического поля дал Дж.К. Максвелл. Для читателей, мало знакомых с математическими операциями дивергенции и ротора, скажем, что операция дивиргенции дает количественную величину источника поля, а ротора — показывает причину закрученности , вихревого характера поля. Для вакуума, где нет вещественных носителей заряда и токов, операции дивиргенции векторов напряженности электрического и индукции магнитного полей должны быть равны нулю. Для этого случая Максвелл теоретически вывел следующую систему дифференциальных уравнений. (39) Здесь обозначено: Е и Н — векторы напряженностей полей, D и В — векторы индукции полей, электрического и магнитного соответственно. 47 Прежде всего, эта система заслуживает эстетической оценки: она красива с математической точки зрения. Л. Больцман сказал о ней словами Фауста из одноименного произведения Гете: «Не Бог ли начертал эти письмена?» Красота появляется как результат симметрии, завершенности и громадной концентрации рационального смысла. Какого же? 1. Достаточно только одного условия: чтобы В и D были переменными во времени, для существования самостоятельного электромагнитного поля. Однажды возникшее поле с dB/dte0 порождает переменное поле Е. В свою очередь, dD/dte0 обусловливает продолжение – появление переменного магнитного поля. И так далее и далее по пространству. 2. Переменные Е и В являются полностью равноправными составляющими общего электромагнитного динамического поля. В нем линии напряженности охватывают линии индукции и наоборот, без разрывов. 3. Плоскости, в которых лежат кольца линий Е и В, взаимно перпендикулярны. Для пояснения рассмотрим схему трех соседних замкнутых линий (рис. 59). Рис. 59. Расположение линий вихревых полей Различие в знаках при производных (минус в одном случае и плюс в другом) не является случайным фактом. Наоборот, это согласуется с законом сохранения энергии. В области, где магнитное поле достигает максимума, линии векторов электрического поля имеют противоположные направления, их суперпозиция дает в результате нулевое значение Е. Наоборот, в областях где напряженность электрического поля достигает максимального значения, индукция магнитно48 го поля В стремится к нулю. Это обеспечивает последовательный переход энергии магнитного поля в энергию электрического и наоборот. Легко предвидеть, что периодическое изменение в пространстве и во времени электрической и магнитной составляющих будет описываться периодическими функциями синуса и (или) косинуса, задолго до Максвелла уже использованными для описания волн. Действительно, простой подстановкой можно убедиться, что эти функции удовлетворяют системе уравнений Максвелла. Таким образом, можно утверждать, что Максвелл сделал теоретическое открытие — он открыл электромагнитные волны. Впоследствии их экспериментально наблюдал Г. Герц. Скорость их распространения оказалась равна скорости света. Что стало важным аргументом в пользу волновой природы последнего. Классическая электродинамика Максвелла позволила получить выражение для мощности излучения электромагнитных волн ускоренно движущимся зарядом. Оказалось, что зависимость от величины ускорения очень сильная — пропорционально четвертой степени ускорения! В современной физике теория Максвелла используется во многих приложениях электродинамики, в частности, для расчета спектров тормозного рентгеновского или синхротронного излучения электрона. В первом случае оно возникает в результате резкого торможения электронов, падающих на поверхность твердого тела. Синхротронное излучение — это следствие ускорения центростремительного. Оно возникает при движении электрона по круговой орбите в камере синхротрона и направлено по образующей конуса, осью которого служит касательная к орбите электрона. Потери энергии на синхротронное излучение препятствует дальнейшему ускорению — кинетическая энергия полученная при ускорении переходит в энергию излучения электромагнитных волн. 49 Здесь теория Максвелла выполняется с высокой точностью, позволяя рассчитать и сравнить с экспериментальным спектральный состав синхротронного излучения. Однако для описания движения электрона в атомах она не пригодна, так как предсказывает непрерывные потери энергии на излучение волн. Атом же излучает дискретно, только при переходах из одного энергетического состояния в другое. Глава 5.4. Свойства полей – волн Волновым процессом или волной называют колебательный процесс, последовательно охватывающий пространство вокруг источника волн. Волны существуют на линейных материальных объектах (струнах, стержнях, трубах и т.д.), на поверхностях мембран, колоколов, раздела двух сред и в трехмерных средах. Различают волны продольные и поперечные: звук в газах является продольной волной, а электромагнитные волны — поперечные (вспомним излом на рис. 56 переходного процесса ). В однородных средах волны распространяются с постоянной скоростью, называемой фазовой скоростью волны. Ее численное значение зависит от свойств среды. Уравнение наиболее простой монохроматической волны имеет вид: (40) Здесь введены следующие обозначения: x — координата точки наблюдения, Vф — фазовая скорость фронта волны, ω — круговая (циклическая) частота, ω =2πν, S — какой-либо параметр волнового процесса, S0 — его амплитудное значение, t – время. Смысл дроби (x/Vф) — это время запаздывания начала колебательного процесса в данной точке по сравнению с источником. Поэто50 му для волны бегущей от начала координат в положительном направлении оси x стоит знак минус. Что движется в волновом процессе? Объект или состояние? Обратимся к хорошо известным волнам на поверхности жидкости. При пробегании волны нет переноса массы, поплавок удочки в озере колеблется на одном месте, волна от брошенного камня его не сносит. Смещается же фронт волны — геометрическое место точек среды, имеющих одинаковую фазу процесса. В рассматриваемом примере наряду с фазовой, можно пользоваться еще понятием колебательной скорости, с которой происходит смещение поплавка по отношению к уровню спокойной поверхности воды. Колебательная скорость определит энергию колебания единицы объема воды. Эта энергия переносится вместе с фронтом волны. Таким образом волна описывает в общем случае перенос состояния какого-либо процесса (его фазы), а не движение объекта. Важной характеристикой волнового процесса является величина к, называемая длиной волны. По определению, это расстояние проходимое фронтом волны за время одного полного колебания (периодического изменения параметра S): Иными словами, длина волны это интервал периодичности в пространстве. В однородной среде монохроматическая, то есть имеющая постоянную частоту, волна не переносит какой-либо информации, так как бесконечное число совершенно одинаковых интервалов периодичности неразличимо, ничем не выделено друг от друга. Физическая информация и физическое действие передаются группой волн. В результате суперпозиции группы волн возникает волновой пакет (немцы говорят — цуг волн, французы — волновой поезд). Волновой пакет представляет собой постепенное нарастание амплитуды колебания до максимума, после чего амплитуда снижается. Поэтому он выделяется на фоне отдельных монохроматических волн. Скорость его распространения может не совпадать с фазовой 51 скоростью компонент, это еще одна величина Угр — групповая скорость, которой пользуются при рассмотрении волновых процессов. И еще один термин — волновой вектор. Это вектор, направление которого в данной точке перпендикулярно фронту волны. Он показывает направление луча, по которому волна проходит выбранную точку наблюдения. Модуль волнового вектора показывает, какое число волн укладывается на отрезке в 1 м, или чаще — на отрезке 2π метров: C использованием введенных параметров, общее выражение для волны в трехмерной среде имеет вид: (41) Электромагнитные волны в веществе распространяются с меньшей скоростью, чем в вакууме. Характеристикой замедления является показатель преломления вещества: 5.4.1. Взаимодействие электромагнитных полей с частицами вещества Наименьшими частицами вещества, сохраняющими химические свойства соединений и элементов, являются молекулы и атомы. Рассмотрим ряд процессов рассеяния и поглощения полей-волн этими частицами. Спектр электромагнитных излучений необычайно широк. Мы ограничимся диапазоном от видимого света (будем называть эту область длинноволновой) до рентгеновского и гамма-излучения (соответственно, это коротковолновая область). 1. Классическое рассеяние на электронных оболочках атомов Падающая длинноволновая электромагнитная волна раскачивает легкую электронную оболочку атома, например, водорода. Массивное ядро не успевает следовать за быстрыми изменениями величины и 52 направления вектора напряженности электрического поля и остается при этом практически неподвижным. Колебания электронной оболочки (в основном – валентных электронов) происходят с частотой изменения вектора Е. В данном случае колебания происходят с знакопеременным ускорением а. По теории Максвелла, колебания должны сопровождаться излучением электромагнитных волн. Фактически, атомы, ионы и молекулы вещества, при действии на них длинноволнового электромагнитного излучения, становятся вторичными источниками волн с той же частотой, что и у падающей волны. Несмотря на простоту, представленная схема процессов хорошо объясняет распространение и преломление света в веществе, явления поляризации света при отражении и преломлении. 2. Фотовозбуждение оболочек атомов и ионов Фотовозбуждение является квантовым процессом, в котором оболочка атома или иона поглощает вполне определенную дискретную порцию энергии поля. Разности энергетических уровней атома или иона определяют линейчатый спектр поглощения, характеризующий данный химический элемент, его своеобразную «визитную карточку». Чтобы поглощение произошло, необходимо выполнение квантового условия: (42) Здесь обозначено: h — постоянная Планка, W — энергия состояния электрона в атоме, ионе, молекуле, v — частота излучения. Последовательность процессов можно представить следующей схемой. Поглощая квант энергии поля, электрон в атоме переходит (на сравнительно короткий, порядка 10-8с, период времени) в возбужденное состояние. При этом изменяется форма валентной электронной оболочки, а следовательно и химическая активность атома или иона. Становятся 53 возможными варианты реакций, которые в обычных условиях не реализуются. В ряде случаев это приводит к нежелательным эффектам, например, наблюдаются взрывы газовых смесей при вспышке ультрафиолетового света. Время жизни атома в возбужденном состоянии не превышает десятков наносекунд, после чего система возвращается в нормальное состояние. По закону сохранения энергии, излучаемый при обратном переходе квант света имеет такую же частоту и длину волны, что и ранее поглощенный квант поля. Однако атом как бы «забывает» направление импульса поглощенного кванта так, что все направления вылета излучаемого кванта оказываются равновероятными. Поэтому только небольшая часть излучаемых квантов направлена по лучу света, падающему на вещество. Остальные рассеиваются по всем направлениям, что создает видимость поглощения энергии света. На самом деле происходит его квантовое рассеяние без изменения частоты и длины волны. Многие сложные по составу и строению молекулы часто имеют несколько возможных форм расположения своих фрагментов. Говорят о цис- и транс-конформациях органических соединений. Различие в расположении частей молекулы обусловливает различие уровней потенциальной энергии цис- и транс-форм. Если энергия квантов излучения равна разности энергии двух конформаций, то наблюдается фотовозбуждение оболочки молекулы. В качестве примера рассмотрим конформационные переходы в ретинале, показанные на рис. 60. Рис. 60. Переход молекулы ретиналя из цис-формы в транс-форму При поглощении света с длиной волны λ = 380 нм молекула чистого ретиналя переходит из цис-формы в транс-форму: 11-ол-трансретиналь. При этом происходит поворот «хвоста» молекулы вокруг 54 оси связи 11 и 12 атомов углерода так, что излом исчезает, молекула приобретает более симметричную форму. Этот эффект лежит в основе восприятия света человеком. В настоящее время известно, что фотоприемником служит родопсин — белковое соединение, в центре которого встроена молекула ретиналя. В новом окружении переход в транс-конформацию происходит при поглощении света с длиной волны λ = 500 нм, это как раз соответствует максимуму спектра Солнца на уровне поверхности земли. Изменение формы стимулирует начало цепи химических реакций с высоким коэффициентом усиления сигнала, и в конечном счете в нервной системе человека формируется электрический импульс, бегущий в мозг. Таким образом, в процессе эволюции Природа подобрала для человека химическое соединение, оптимальное для дневного зрения в солнечном свете. Рассмотренные примеры показывают, почему многие произведения живописи «боятся» солнечного света, а фармацевты рекомендуют хранить лекарства в темноте. Ведь в спектре Солнца имеется интенсивная компонента УФ излучения, способного вызвать фотовозбуждение молекул красок или лекарств и стимулировать тем самым начало таких химических реакций, которые в обычных условиях не происходят. 3. Фотоэлектрический эффект Если энергия кванта превышает величину энергии связи электрона с ядром атома или иона, то происходит фотоэффект — явление вылета электрона из частиц вещества. Закон сохранения энергии можно записать в виде формулы А. Эйнштейна для фотоэлектрического эффекта: (43) Здесь А обозначает работу выхода электрона из металла или энергию ионизации отдельного атома, когда фотоэффект происходит 55 на свободной частице вещества. Само явление наблюдалось впервые в начале двадцатого века, его такие особенности, как практическая безинерционность, независимость максимальной энергии электронов от освещенности и линейная связь энергии с частотой света не поддавались объяснению с позиций классической электродинамики Максвелла. А. Эйнштейн применил для объяснения фотоэффекта гипотезу М. Планка о дискретности энергии электромагнитного поля W=hv и «все стало на свои места». В частности, фотоэффект прекращается тогда, когда выполняется условие: энергия кванта меньше или равна работе выхода электрона из вещества. Некоторая связь с классическим процессом раскачивания электронной оболочки падающей волной все же сохраняется. Так при малой энергии квантов (это соответствует более длинноволновому излучению) фотоэлектроны вылетают преимущественно под углом 900 , то есть по направлению вектора Е падающей волны. Но, по мере увеличения энергии квантов (увеличения частоты и уменьшения длины волны), фотоэлектроны вылетают под все меньшими углами, с явным направлением их импульса по направлению падения ультрафиолетового или рентгеновского излучения. В этих случаях все заметнее начинают проявляться корпускулярные свойства полей-волн. 4. Эффект Комптона При высокой энергии квантов электромагнитного поля (фотонов) наблюдается квантовое рассеяние с изменением длины волны – эффект Комптона. Оно также сопровождается вылетом электрона из оболочки атомов или молекул. Схемы процессов приведены на рис. 61. Рис. 61. Фотоэффект и эффект Комптона 56 Отметим различия. В результате фотоэлектрического эффекта квант полностью поглощается. Электрон связан с атомом или с твердым телом, в состав которого он входит. В результате эффекта Комптона квант только теряет часть своей энергии. После рассеяния длина волны возрастает, а частота уменьшается. Электрон считается свободным, т. к. величина энергии связи на много порядков меньше энергии кванта, ею можно пренебречь. Самым удивительным с классической точки зрения было то, что в процессе рассеяния рентгеновское излучение «вело себя» как поток идеально упругих частиц. Взаимодействие их с электроном удавалось рассчитать по формулам удара упругих шаров! Идея объяснения эффекта по Комптону состоит в том, чтобы рассматривать фотоны как частицы, имеющие динамическую массу, эквивалентную их энергии: mс2 =hν и m=hν /с2 (44) Зная величину динамической массы и скорость фотонов (она равна скорости света) можно определить импульс фотонов: Р= hv /с. После этого следует использовать фундаментальные законы сохранения импульса и энергии, чтобы рассчитать энергию и импульс вылетающего электрона или импульс и частоту рассеянного кванта. За открытие и объяснение эффекта, столь наглядно демонстрирующего корпускулярные свойства динамических электромагнитных полей, Артуру Комптону в 1900 г. была присуждена Нобелевская премия по физике. Несколько лет назад при исследовании релятивистских выбросов плазмы из области Черных дыр, был обнаружен обратный эффект Комптона. Он заключается в передаче энергии от высокоэнергетичного электрона плазмы кванту микроволнового электромагнитного излучения. В результате взаимодействия электрон теряет, а квант приобретает энергию. Из области микроволнового диапазона такие кванты переходят в область рентгеновского и гамма-излучения. 57 5.4.2. Суперпозиция полей и частиц Интерференция света После того как мы рассмотрели взаимодействие между квантами электромагнитного поля и частицами вещества , встает вопрос о том, как же динамические поля взаимодействуют между собой? Повседневный опыт использования осветительных приборов показывает, что в обычных условиях пучки света проходят друг через друга без какого либо рассеяния или взаимовлияния. Что свидетельствует о применимости для них принципа суперпозиции. В более простых ситуациях, для волн на поверхности жидкости, мы также наблюдаем независимое прохождение друг через друга волн с различной и одинаковой длиной волны. В местах встречи складываются колебательные движения, вызванные волнами. Для поверхностных волн результатом суперпозиции могут быть: • произвольное распределение энергии по пространству, изменяющееся с течением времени; • периодически повторяющиеся во времени биения; • стационарная картина упорядоченного распределения энергии волн по пространству. Последний случай представляет наибольший интерес. Он реализуется только при определенных условиях, которые называются условиями когерентности (согласованности) волн. Их три: 1. Должно выполняться равенство длин волн λ1 = λ2, 2. Разность фаз источников не должна изменяться со временем, Δϕ = сonst, 3. Складываемые волны должны быть одного типа — либо продольные, либо поперечные. Тогда будет сложение колебаний одного направления. Во всем огромном диапазоне электромагнитных волн (от 1000 м до 10-12 м) зрение человека различает только узенькую полоску спектра, от 0,41 мкм до 0,76 мкм. 58 Тем не менее, интерференцию света можно наблюдать непосредственно. Опыты Юнга и Френеля описаны в каждом учебнике физики, поэтому мы коснемся здесь только основных моментов. 1. Распространение и суперпозиция электромагнитных волн в пространстве не создает какого либо механического движения. В данном случае изменяются физические состояния точек пространства – в одних напряженность электрического (и связанного с ним магнитного) поля возрастает до максимума, в других — убывает до минимума. 2. С помощью светофильтров можно создать два источника света с одинаковым цветом, то есть с одинаковой длиной волны. Почему такие источники не будут когерентными? Дело в том, что невозможно согласовать процессы возбуждения и последующего испускания квантов света у атомов, принадлежащих различным телам, различным осветительным приборам. Поэтому, в опытах Френеля например, с помощью зеркал или бипризмы разделяют на две компоненты каждую порцию излучения одного и того же атома, заставляют компоненты-волны пройти различные пути для создания определенной разности хода и соединяют их в общей точке наблюдения. Важно только, чтобы соединялись две части одной и той же порции излучения атома, так как даже два последовательно излученных фотона не будут когерентны между собой — у них не будут совпадать плоскости колебаний векторов Е. А это одно из условий когерентности. Из-за этого интерференция света требует дополнительного условия: разность хода не должна превышать примерно трех метров. Почему именно трех? Выше мы отметили, что от момента возбуждения до момента возвращения в нормальное состояние атому требуется примерно 10-8 с. Будем считать эту величину временем излучения цуга волн. Тогда излученная волна займет в пространстве область с линейными размерами порядка трех метров L = с t = 3 м (с = 3·108 м). Следующие 3 м будет занимать уже другая порция излучения. Поэтому, 59 при Δ>3 м, в точке N сойдутся две части разных фотонов, которые не будут когерентны. 3. При наблюдении интерференции световых волн мы встречаемся с явлением, где Свет + Свет = Темнота (по областям минимумов). Темнота отмечает отсутствие какой либо энергии. Куда «исчезла» энергия? Не нарушается ли при интерференции закон сохранения энергии? Ответим: Конечно не нарушается! Просто при интерференции происходит перераспределение энергии из мест минимумов в места максимумов. Поэтому можно сказать, что потоки когерентных фотонов все же взаимодействуют между собой в процессе суперпозиции так, что происходит пространственное перераспределение энергии общего динамического поля. Его энергия-масса концентрируется в отдельных местах пространства и эти состояния могут быть стационарными. Суперпозиции структур микрочастиц В разных разделах нашего курса мы отмечали дуализм свойств микрочастиц. Вводя динамическую массу, мы начинаем описывать изменения состояния динамического поля, как движение объектов, как поток частиц. С другой стороны, используя волну Дебройля, мы сопоставляем потоку микрообъектов динамическое волновое поле состояний. Вольно или невольно, но образы интерференции и дифракции электромагнитных полей дали толчок к возникновению концепции микрочастиц, как полей энергетических состояний в пространстве. С этой точки зрения каждая элементарная частица представляет собой небольшой участок энергетического поля, в пределах которого мощность поля достигает громадных величин. Здесь, в очень малом объеме пространства, сосредоточена огромная энергия. Такой сгусток энергии-массы четко выделяется на фоне остального поля, подобно максимуму интерференции или дифракции. 60 Поскольку для динамических полей «естественна» суперпозиция, то и микрочастицы можно описывать, как суперпозицию нескольких динамических полей. Причем, каждое динамическое поле имеет свою структурную частицу. В итоге, суперпозиция полей эквивалентна суперпозиции структурных частиц этих полей. Таким образом современное естествознание развивает общую идею (принцип) суперпозиции, от ее применения для сложения сил в механике до сети сруктур-процессов. Новые эксперименты показывают, что протон может превращаться в другие элементарные частицы по разным каналам реакций. Более полное описание, которое это учитывает, дает несколько упрощенная схема, приведенная на рис. 62 (здесь не показаны нейтрино и антинейтрино, чтобы не перегружать деталями рисунок). Рис. 62. Схема виртуальных структур( состояний) протона Точки разветвления сети обозначают частные реакции превращения элементарных частиц. Например: (45) Античастицы отличает также обратное направление стрелок на схеме. Частицы π- и π+ являются античастицами по отношению друг к другу, π0 мезон тождественен своей античастице. То, что мы привыкли называть стабильной микрочастицей, может быть устойчивым (стационарным) состоянием суперпозиции нескольких динамических структур. При определенных условиях эксперимента, мы наблюдаем такие свойства протона, как его масса по61 коя, заряд, спин. Но это описание является неполным, односторонним, как микрочастицы-объекта. Концепция суперпозиции структур микрочастиц, на новом уровне понимания, возвращает нас к античным представлениям о всеобщей взаимосвязи частиц всего сущего. Классическое представление микрочастицы, как объекта, изолированного от всего остального окружающего мира, есть грубая модель, дружеский шарж (если не сказать карикатура) на действительное положение вещей. Более адекватное представление дает концепция микрочастиц, как сети динамических процессов, сети виртуальных состояний для каждой данной частицы. Рассматривая пи-плюс-мезон, необходимо иметь в виду возможность его виртуального превращения в антинейтрон и протон, с последующим восстановлением исходного состояния. Но и сеть структур протона включает в себя π+ мезон. Так что, действительно, есть связь «всех со всеми». В какой то мере преувеличивая, можно сравнить виртуальную сеть динамических процессов отдельной микрочастицы с живым организмом. Чтобы пояснить аналогию, приведем слова Н. Бора. В статье “Свет и жизнь” он замечает: ’’Непрерывный обмен веществ между организмом и окружающей средой необходим для поддержания жизни, вследствие чего четкое выделение организма как физико-химической системы не представляется возможным. Поэтому можно считать, что любая попытка провести резкую грань, позволяющую осуществить исчерпывающий физико-химический анализ, вызовет изменение обмена веществ в недопустимой для жизни организма степени....” Согласно принципу суперпозиции структур, невозможно провести резкую грань, позволяющую дать исчерпывающий анализ какой либо элементарной частицы, не вызвав изменений всей сети обмена виртуальными состояниями. 62 Глава 5.5. Концепции объединения фундаментальных взаимодействий В главе 3.2 мы говорили о протоне, как об устойчивой частице, состоящей из двух верхних (u) и одного нижнего (d) кварков. Теперь привели образ протона в виде сети виртуальных процессов. Как согласовать всё это? Из чего же «сделан» протон? По Фоку, для микрочастиц существует относительность к условиям их наблюдения. При одних условиях мы «видим» один образ. При других, с иной точки зрения «вид» частицы будет другим. Самым главным условием наблюдения свойств микрочастиц является диапазон доступных энергий. Чем выше энергия микрочастицы, тем вероятнее образование облака (или «атмосферы») виртуальных партнеров вокруг неё. Согласно соотношению неопределенностей для энергии и времени, на очень малое время энергия движущейся элементарной частицы может стать достаточной для рождения даже более массивной виртуальной частицы, чем исследуемая нами частица. Ускорение микрочастиц, осуществляемое наблюдателем с помощью сложного оборудования, повышает энергию и делает виртуальные процессы все более эффективными. Если за короткое время жизни виртуальной частицы ничего особенного не произойдет, она исчезнет, вернув свою энергию-массу. Если же протон в этот период испытает столкновение с другой реальной частицей, то одна из виртуальных частиц может перейти в реальную форму существования. Столкновения помогают виртуальным частицам приобрести «права гражданства» в мире реальных частиц. Наоборот в диапазоне низких энергий, протон все больше походит на бесструктурную, «элементарную» частицу. Именно при таких условиях наблюдения мы измеряем обычно массу покоя протона, его заряд и спин. Можно сказать, что в этом проявляется относительность движения, о которой мы говорили в разделе 4. В области релятивистских скоростей и огромных энергий ускоренных частиц ослабевает зарядовое взаимодействие, так как силы кулоновского действия все более компенсируются силами магнитного 63 взаимодействия зарядов (см. главу 5.2). И тогда на смену им приходят другие законы взаимодействия. Для протона это будут взаимодействия с участием пи-мезонов. По идее Худеки Югавы, высказанной ещё в 30-е гг. ХХ-го в., именно эти частицы «связывают» протоны с нейтронами и другими протонами в ядрах атомов. Основные положения концепции электрослабых взаимодействий Нуклеарно-планетарная модель атома Резерфорда поставила перед классическим естествознанием две проблемы. Первая из них, проблема стабильности электронной оболочки, нами уже обсуждалась. Второй является проблема стабильности атомного ядра. Почему столь малое по размерам ядро не разрывается электростатическим отталкиванием положительно заряженных протонов? И почему некоторые ядра все же распадаются? Чтобы ответить на эти вопросы потребовалось немало времени. Только к середине нынешнего столетия удалось разработать теории новых двух взаимодействий, которых не знало классическое естествознание. Речь идет о теории сильных и слабых взаимодействий элементарных частиц. Для пояснения происхождения терминов полезно сравнить интенсивности взаимодействий, например двух протонов, находящихся на расстоянии порядка размеров ядра. Примем за единицу кулоновское отталкивание. В табл. 11 приведены оценки относительной интенсивности фундаментальных взаимодействий. Таблица 11. Интенсивности взаимодействий Тип взаимодействий Относительная интенсивность Область действия 10-37 не ограничена 1 не ограничена 3. Сильное 100 10-15 м 4. Слабое 0,001 10-17 м. 1. Гравитационное 2. Электрическое Термин сильные относится к взаимодействиям, передаваемых π мезонами на коротких расстояниях (в пределах ядра). 64 Слабые взаимодействия ответственны за нестабильность нейтрона и его превращение в протон с испусканием антинейтрино и электрона (или β- частицы, что и определяет β- распад ядер). Эти взаимодействия происходят на ещё более коротких расстояниях – в пределах одного нуклона. К началу 60-х гг. нашего века теория сильных взаимодействий была хорошо разработана и описывала многие свойства ядер и ядерных реакций. Считалось, что нуклоны являются источниками ионного поля (поля Юкавы). Все известные к тому времени и вновь открываемые элементарные частицы стали классифицировать на адроны и лептоны. Первые способны участвовать в сильных взаимодействиях, тогда как вторая группа частиц участвует только в слабых взаимодействиях. Что же двигало физиками-теоретиками, когда они пытались создавать концепции объединенных взаимодействий? Философы говорят, что в человеческой практике Мир предстает как многообразие форм и процессов движения материи. Наше сознание, интуитивное и рациональное, ищет и находит закономерности в процессах движения, устанавливает определенное единство за фасадом разнообразия структур и форм. Каждое открытие нового многообразия стимулирует поиски нового внутреннего единства и порождает гипотезы, теории и концепции нового объединения. Первой концепцией объединения можно считать теорию гравитации Ньютона. По Ньютону тяготеют все тела, независимо от их формы и состояния (температуры например). Наличие динамической массы у фотонов приводит к их взаимодействию с гравитационным полем. Второй объединительной теорией стала электродинамика Максвелла. Она объединила, ранее рассматривавшиеся раздельно, поле электрическое и поле магнитное. Объединительной концепцией в биологии была классификация К. Линнея. Л. Пастер открыл многообразие микроорганизмов- микробов. ДИ. Менделеев объединил в стройную систему многообразие хи65 мических элементов. Так что поиск общих начал, как выражение интегративной тенденции, был всегда характерен для естествознания, включая и физику. С поиска первоэлементарных частиц — кварков и попыток создания теорий объединения электромагнитных и слабых взаимодействий условно начинается период постнеклассического (современного) естествознания. В течение 1962 – 1968 годов Ш. Глэшоу, С. Вайнберг и А. Салам, независимо друг от друга опубликовали первые варианты теорий электрослабых взаимодействий (в 1979 г. они получили Нобелевскую премию по физике за эти работы). К настоящему времени теория прошла определенный период «увязки» спорных моментов и её основные положения можно представить следующим образом. 1. В области энергии частиц mс2 >100 000 МэВ существуют четыре векторных динамических поля и одно скалярное, более фундаментальное, чем электромагнитное и слабое. Разделение на векторные и скалярное связано с наличием спина у квантов первых полей и с его равенством нулю у частиц второго поля. 2. Возбужденным состояниям полей соответствуют свои частицы – волны. Векторным полям соответствуют безмассовые частицы (их масса покоя равна нулю). Этим они похожи на фотоны и глюоны. Отличаются от них тем, что имеют электрический заряд. Если глюоны можно назвать окрашенными фотонами, то кванты векторных полей следует назвать заряженными фотонами. Скалярному полю соответствуют очень массивные частицыволны, получившие имя бозонов Хиггса (поиск этих частиц запланирован на вводимом в 2008 г. суперколайдере CERN). 3. Скалярные бозоны взаимодействуют с безмассовыми частицами и в результате суперпозиции полей происходит следующее. Стационарными состояниями становятся три частицы векторные бозоны и одна частица безмассовая — это обычный фотон. 66 Теория электрослабых взаимодействий предсказывала величину масс новых частиц: примерно 80 ГэВ для W+ и W- бозонов, и около 90 ГэВ для Z0 бозона. Электрические взаимодействия характерны для электронов или в – частиц, а нейтрино всегда присутствует в слабых взаимодействиях. Объединенная теория дала их связь между собой, предсказывалось превращение электрона в электронное нейтрино при испускании векторного бозона по реакции: (46) Согласно объединенной теории, диаграмма Фейнма распада нейтрона и реакция рассеяния нейтрино на электроне выглядят следующим образом (рис. 63): Рис. 63. Диаграммы Фейнмана распада нейтрона и рассеяния нейтрино Сначала нейтрон испускает W- бозон и превращается в протон, затем W- бозон распадается на антинейтрино и электрон (бета- частицу). При рассеянии, нейтрино испускает нейтральный Z бозон, электрон его поглощает, что меняет направления импульсов частиц. В 1983 г. на встречных пучках Европейского центра ядерных исследований (CERN) существование векторного бозона с массой 81 ГэВ было установлено экспериментально. Позднее была определена и масса нейтрального бозона: Следует заметить, что это самая массивная из открытых элементарных частиц, ее масса сравнима с массой атома серебра! Прекрасное совпадение теоретических значений предсказываемых масс покоя и экспериментально определенных послужило определяющим доводом в пользу полного признания теории объединенных электрослабых взаимодействий. 67 Распад объединенного электрослабого взаимодействия на более простые слабое и электромагнитное, при энергиях ниже 10 11 эВ (округленно), иногда называют пороговым понижением симметрии фундаментальных взаимодействий. Перспектива дальнейших объединений Подтверждение реальности существования векторных бозонов (их ещё называют промежуточными бозонами) стимулировало теоретический анализ их возможной роли во взаимодействиях сильных. Для сильных взаимодействий современная физика не отрицает теорию пи-мезонного поля Юкавы, как СТО Эйнштейна не отрицает механику Ньютона. На более глубоком, более фундаментальном уровне п-мезоны состоят из кварков. Поэтому взаимодействие промежуточных бозонов теперь рассматривают именно с кварками, а не с мезонным полем. Современная теория сильных взаимодействий показывает, что имеется определенная аналогия в процессах взаимодействия промежуточных бозонов с лептонами и с кварками (табл. 12) Таблица 12. Аналогия в реакциях превращения фундаментальных частиц Лептоны Кварки τ− → ντ + W– d → u + W– β− → νе + W– u → d + W+ Реакции взаимопревращений происходят внутри выделенных семейств с участием векторных бозонов, эти частицы входят в обе теории. На основании аналогии этих и многих других, более сложных взаимодействий, возникла идея о дальнейшем объединении, получившая образное название Великого объединения. Предварительные теоретические проработки, выполненные за последние годы, показали, что последующие шаги объединения электрослабых и сильных взаимодействий в объединенное возможны только при достижении энергии порядка 1024 эВ. При таких энергиях частицы одного семейства (лептонов) смогут превращаться в частицы другого семейства (кварков). 68 Возможности современных ускорителей на встречных пучках протонов и антипротонов (суперколлайдер LHC) в ближайшей перспективе не превысят 1015 эВ. Как видим, вопрос об экспериментальной проверки теоретических представлений теории Великого объединения пока не ставится. Тем не менее, следует привести схему границ, при достижении которых не исключено повышение симметрии фундаментальных взаимодействий (табл.13, рис. 64). Таблица 13. Энергетические пороги объединения взаимодействий Название объединительной теории Достижение симметрии во взаимодействиях частиц Энергетический порог объединения, эВ Электрослабое объединение Лептонов 1011 Великое объединение Лептонов и кварков 1024 Супергравитация Лептонов, кварков и гравитонов 1028 Считается, что Великое объединение может описать квантовая теория калибровочных полей, развивающая современную квантовую хромодинамику. Рис. 64. Схема этапов понижения симметрии взаимодействий Отметим, что вся экспериментальная база современной физики микромира подтверждает существование лишь трех поколений фундаментальных частиц, таблица которых уже приводилась выше. Последняя проверка этого положения была проведена сравнительно недавно в экспериментах на встречных пучках электронов и позитронов (на ускорителе LEP, который несколько лет был разобран, чтобы дать жизнь новому, более мощному ускорителю LHC). Были проанализированы резонансные кривые, предсказываемые для Z частицы по различным вариантам теории. При этом были обработаны данные более 69 десяти тысяч событий образования Z-бозонов, наблюдавшихся в CERN. При увеличении энергии соударяющихся электрона и позитрона меняется выход Z – частиц так, что амплитуда распределения и ширина пика на полувысоте зависят от числа поколений фундаментальных составляющих вещества. По тому распределению, на которое «укладываются» экспериментальные точки можно судить о числе поколений. Оказалось, что все экспериментальные результаты согласуются с предположением о существовании трех поколений фундаментальных частиц вещества. Кроме того, согласно предсказаниям теории Великого объединения протон не является стабильной частицей и может распадаться на позитрон и нейтральный пион либо на положительный пион и нейтрино. Время распада по первоначальному варианту составляло 10 30 лет. Попытки обнаружить распад протона не увенчались успехом так, что время стабильности протона по крайней мере больше 10 32 лет. Таким образом ясно, что теория пока ещё далека от завершения. Если распад обнаружат, это будет свидетельством верности идеи Великого объединения. В последние годы активно развивается идея микрочастиц-струн. Она связана с одной из особенностей энергии взаимодействия, с её обратно пропорциональной зависимостью от расстояния. Когда расстояние стремится к нулю, величина энергии стремится к бесконечности, что приводит к потере физического смысла. Если же рассматривать некоторый линейный, а не точечный объект, то энергия взаимодействия стремится к большой, но конечной предельной величине. Таким путем расходимость энергии на малых дистанциях устраняется. Следует отметить, что энергии порядка 1028 эВ в принципе недостижимы для человечества, поскольку такой уровень энергии элементарные частицы имели только в первые мгновения после раждения вселенной. По мере ее расширения плотность энергии понижалась и происходило пороговое понижение симметрии фундаментальных взаимодействий. 70 Первоочередной задачей экспериментальных исследований микромира, которые планируют в ближайшие годы проводить на встречных пучках протонов (суперколлайдер LHC) является поиск бозонов Хиггса. Для их обнаружения теория предсказывает некоторые возможные варианты реакций с их участием. На рис. 65 бозоны Хиггса обозначены греческой буквой χ, кварки обозначены символом q, а глюоны — g. Участие России в реализации экспериментов на суперколлайдере заключается в разработке, изготовлении и поставке в CERN детектора с рекордными параметрами регистрации микрочастиц — 800000000 частиц в секунду. Другой проблемой для решения на ускорителе LHC является поиск очень массивных и очень слабо взаимодействующих частиц, которые могли остаться во вселенной с первых минут ее эволюции. Это так называемые частицы «темной материи», которой, судя по ряду наблюдений, выполненных при исследовании вселенной, на порядок Рис. 65. Реакции рождения Рис. 65. Реакции рождения больше, чем известного вещества в ней. бобозонов Хиггса зонов Хиггса Полагают возможным, что частицы «темной материи» смогут проявить себя в реакциях с другими частицами очень высоких энергий. Таким образом, в современном естествознании исследования микромира перекрываются с проблемами исследования мегамира. В космологии оказываются необходимыми сведения о свойствах и поведении элементарных частиц. Конец третьей лекции Все замечания и предложения отсылайте по адресу: feedback@rfet.ru 71