Элементарные частицы и структура Вселенной

Модель раздувающейся, или инфляционной, Вселенной точно совпадает с описанием наблюдаемого мира, начиная с 10^-30 секунд после Начала. Даже в эти микроскопические доли секунды наблюдается отличие модели. В раздувающейся Вселенной сначала была фаза инфляции (раздувания), когда диаметр Вселенной очень быстро увеличился — в 10⁵⁰ раз больше, чем предполагалось в модели Большого Взрыва. Последствия этого раздувания велики, они приводят к выводу, что наблюдаемая нами Вселенная — часть всей Вселенной. Модель полагает, что Начало было 10—15 млрд лет назад из сингулярного состояния, расширение пространства продолжается. Эти модели объяснили и реликтовое излучение, и красное смещение в спектрах далеких галактик, и первоначальное содержание легких элементов. Используя данные о мире элементарных частиц, космологи теперь пытаются подобраться почти к самому Началу, к моменту в 10^-45 секунд после начала расширения. Приходится что-то предполагать о таком экзотическом состоянии, например, о существовании большого числа магнитных монополей.

Модель инфляционной Вселенной позволяет уменьшить  число таких «экзотических» частиц. Считается, что в указанные времена  законы физики не менялись, состояние  описывалось квантовой гравитацией. Вещество было равновесно и однородно. Это был горячий газ элементарных частиц, заполняющий все пространство и расширяющийся вместе с ним. Этот газ отличается от идеального. В 1970 году расчет Хайвели показал, что водород был в металлической фазе, т.е. его кристаллизация привела к возникновению не только упорядоченной решетки, но и металла, свойства которого похожи на свойства металлического натрия. Открытие магнитного поля Юпитера навело в то время на мысль, что ядро этой планеты состоит из металлического водорода. В таком состоянии водород мог раскалываться на фрагменты. Возможно, что после фазового перехода могли появиться молекулярные кристаллы.

Подобные фрагменты  с молекулярно-кристаллической структурой соответствуют по массе наиболее крупным спутникам Юпитера и Сатурна, а фрагменты, состоящие из металлического водорода, превосходят по массе Землю и на 1 — 2 порядка менее массивны, чем планеты-гиганты. Но изменения состояния вещества и излучения были много медленней, чем в исследуемые времена. Эта модель объясняет упомянутые события через 1 секунду после Начала, позволяя предсказывать и другие явления, которые можно проверить.

Изотропность  реликтового излучения, или однородность наблюдаемой Вселенной в больших масштабах, пытается объяснить модель Большого Взрыва. Из-за конечности скорости света всегда существует горизонт — максимальное расстояние, на которое сигнал успел распространиться со времени начала расширения Вселенной. Расстояние между источниками реликтового излучения, находящимися в противоположных направлениях на небесной сфере, в 90 раз превышало расстояние до горизонта в момент излучения.

Спектр  начальных неоднородностей задают для объяснения неоднородностей в малых масштабах. Это предположение введено для объяснения скучивания вещества в галактики, скопления галактик, сверхскопления скоплений и т.д. Еще одно слабое место теории, как указывалось выше, — это плотность энергии во Вселенной. По общей теории относительности, тип кривизны пространства определяется плотностью энергии: если она больше критической, определяемой темпом расширения, то пространство замкнуто, если меньше — незамкнуто, если равна — пространство плоское. Последний случай соответствует неустойчивому состоянию, которое никогда не меняется в идеальных условиях. Если в начале она была хоть немного отличной от критической, то это отклонение быстро росло бы со временем. По современным данным, значение отношения плотностей энергии равно от 0,1 до 2. Чтобы попасть в этот диапазон значений параметра, в начале должно быть отличие от 1 секунды погрешностью до 10^-15 секунд. Эти приближения заложены в начальные условия стандартной модели Большого Взрыва.

Электромагнитные  силы, порождаемые плазмой, играют более существенную роль в формировании Вселенной, чем гравитация, считает шведский астрофизик X. Альфен. Межзвездное пространство заполнено длинными «нитями» и другими структурами, состоящими из плазмы. Силы, понуждающие плазму создавать такие фигуры, заставляют ее образовывать галактики, звезды и звездные системы. Он считает, что Вселенная расширяется под влиянием энергии, выделяющейся при аннигиляции частиц и античастиц, но расширение происходит медленней. Ряд идей Альфена, родившихся из экспериментов с мощными плазменными генераторами, подтвердились опытами на космических аппаратах в Солнечной системе. Космологические модели, основанные на идеях Альфена и данных о плазме, разрабатывает на суперкомпьютерах в Лос-Аламосе группа сотрудников под руководством Э. Ператта. Один из расчетов показал, как нитевидные структуры из плазмы могут дать равномерный микроволновый фон, открытие которого подтвердило модель Большого Взрыва. Есть расчеты, показывающие, как электромагнитные силы могут участвовать вместе с гравитацией в образовании галактик из облаков плазмы. При этом получаются все известные формы галактик без дополнительных предположений о существовании темного вещества, которое вводят в другие модели эволюции Вселенной.

Иначе истолковывает  красное смещение и закон Хаббла американский астроном Х.Арп. Он называет соотношение Хаббла «единственным шатким предположением, лежащим в основе современной астрономии и космологии». Арп сообщает, что он наблюдал много объектов, которые не следуют закону Хаббла. Он считает, что квазары, обладающие наибольшим красным смещением, на самом деле находятся не на краю Вселенной, как следует из закона Хаббла, а не далее, чем все галактики, хотя их красное смещение много меньше. Ему даже кажется, что квазары могут быть «ответвлениями» галактик.

Идеи Великого объединения взаимодействий на основе симметрии, которая спонтанно может  нарушаться, развивает современная  теория элементарных частиц. В равновесном состоянии этих нарушений симметрии нет. Но при температурах порядка 10²⁷ К возможны фазовые переходы среди барионов (протонов и нейтронов). Закон сохранения барионного числа исходит из стабильности протонов, поскольку время его жизни порядка 10³¹ лет, что известно из опытов. Из теорий Великого объединения известно, что барионное число сохраняется не точно. При высоких температурах закон нарушается, и этим объясняется зарядовая асимметрия нашей Вселенной. Наблюдаемый избыток вещества над антивеществом — следствие взаимодействия элементарных частиц при температурах чуть ниже критической температуры фазового перехода. При кристаллизации жидкости различные области — домены — могут кристаллизоваться с разным направлением осей. Домены растут, приходят в соприкосновение друг с другом, при этом энергетически выгодно совпадение осей на границах соприкосновения. Но это получается не всегда, и остаются «локальные дефекты». Точечным дефектам соответствуют магнитные монополи, а поверхностным — стенки доменов.

Модель инфляционной Вселенной Алана Гута, сформулированная в 1980 году, детально анализирующая нарушение симметрии при фазовых переходах в столь необычных условиях, сумела уменьшить некий произвол с монополями. Андрей Линде исправил некоторые допущения модели, сохранив ее достоинства. Впервые была сделана попытка разрешить одну из основных проблем мироздания — возникновение всего из «ничего». Энергию Вселенной, которая сохраняется, разделили на гравитационную и негравитационную части, которые имеют разные знаки, и тогда полная энергия Вселенной равна нулю. Если предсказываемое теориями Великого объединения несохранение барионного числа подтвердится, то тогда ни один из законов сохранения не будет препятствовать рождению Вселенной «из ничего». Пока же эти модели дают только предполагаемый механизм, который можно на основе фантазии и знаний рассчитывать на компьютерах.

 

 

 

3. Фундаментальные  постоянные в структуре Вселенной.

Природа материального мира, его важнейшие свойства в значительной мере определяются фундаментальными физическими константами. Физические постоянные делятся на две основные группы – размерные и безразмерные постоянные. Численные значения размерных постоянных зависят от выбора единиц измерения. Численные значения безразмерных постоянных не зависят от систем единиц и должны определяться чисто математически в рамках единой теории.

К ним, прежде всего, относятся константы четырех  физических взаимодействий: гравитационного, слабого, электромагнитного и сильного, а также массы основных элементарных частиц:

• протона (mp)
• нейтрона  (mn)
• електрона (me)

Другие фундаментальные  константы входят в определение  безразмерных констант:

• постоянная Планка ( )
• гравитационная постоянная (G)
• скорость света (c)
• заряд электрона (e )

Значения констант получены из эксперимента. Исследованию зависимости между структурой Вселенной и численными значениями фундаментальных констант посвящено много работ. Основной результат состоит в том, что структура Вселенной крайне чувствительна к численным значениям этих постоянных: она сохраняется только в очень узких пределах их изменения. Достаточно значению какой-либо из постоянных выйти за эти узкие пределы, как структура Вселенной претерпевает радикальные изменения: в ней становится невозможным существование одного или нескольких основных структурных элементов - атомных ядер, самих атомов, звезд или галактик. Во всех этих случаях во Вселенной не может существовать и жизнь. Таким образом, значения фундаментальных констант определяют условия, необходимые для существования во Вселенной жизни. Это также означает, что в любой обитаемой Вселенной фундаментальные физические константы не могут иметь иные значения, кроме тех, которые известны нам из опыта. Следовательно, мы можем приближенно предсказать значения этих констант, ничего не зная о результатах их экспериментального определения.

 

 

 

4. Современные  исследования элементарных частиц  – ключ к структуре Вселенной.

В настоящее  время достаточно много известно об атомарном строении вещества и элементарных частицах — мельчайших известных частицах физической матери. Поскольку элементарные частицы способны к взаимным превращениям, это не позволяет рассматривать их, так же как и атом, в качестве простейших, неизменных «кирпичиков мироздания». Число элементарных частиц очень велико. Всего открыто более 350 элементарных частиц, из которых стабильны лишь фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от 10³ секунд до 10^-22- 10^-24 секунд. [3]

Элементарные  частицы классифицируются по типам  фундаментальных взаимодействий, в которых они участвуют, и на основе законов сохранения ряда физических величин следующим образом:

1. группа лептонов - частицы со спином 1/2, не участвующие в сильном взаимодействии и обладающие сохраняющейся внутренней характеристикой - лептонным зарядом;

 

Виды лептонов, их масса и электрический заряд  представлены в таблице 4.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Название	Масса	Заряд
Электрон	1	-1
Мюон	206,7	-1
Тау-лептон	3536,0	-1
Электронное нейтрино	0	0 (Имеются данные, свидетельствующие  о том, что нейтрино могут обладать небольшой массой)
Мюонное нейтрино	0	0
Тау-нейтрино	0	0

 

Таблица 4.1 Лептоны.

2. адроны — элементарные частицы, участвующие во всех фундаментальных взаимодействиях, включая сильное; характерным для адронов сильным взаимодействиям свойственно максимальное число сохраняющихся величин. Адроны делятся на барионы и мезоны. По современным представлениям, адроны имеют сложную внутреннюю структуру: барионы состоят из трех кварков; мезоны - из кварка и антикварка;
3. отдельную группу составляет фотон.

При столкновениях элементарных частиц происходят всевозможные превращения их друг в друга, включая рождение многих дополнительных частиц, не запрещаемые законами сохранения.

Атомом называют часть вещества микроскопических размеров и массы, мельчайшую частицу химического элемента, сохраняющую его свойства. Атомы состоят из элементарных частиц и имеют сложную внутреннюю структуру. В центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Вокруг ядра движутся электроны, образующие электронные оболочки, размеры которых определяют размеры атома. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре (заряд всех электронов атома равен заряду ядра), число протонов равно порядковому номеру элемента в Периодической таблице элементов. Атомы могут присоединять или отдавать электроны, становясь отрицательно или положительно заряженными ионами. Химические свойства атомов определяются в основном числом электронов во внешней оболочке. Соединяясь химически, атомы образуют молекулы.

Внутренняя  энергия атома может принимать  лишь определенные значения, соответствующие  устойчивым состояниям атома, и изменяется только скачкообразно путем квантового перехода. Поглощая порцию энергии, атом переходит в возбужденное состояние, на более высокий уровень энергии. Испуская фотон, атом может перейти из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией. Уровень, соответствующий минимальной энергии атома, называется основным, остальные - возбужденными. Квантовые переходы обусловливают атомные спектры поглощения и испускания, индивидуальные для атомов всех химических элементов.