Космология
Ярослав Золотарёв
Неформальное изложение истории Вселенной и Земли, а также основ физики и астрономии в виде блог-постов.
Ярослав Золотарёв
Космология
КОСМОС
Космос – 1. Общая картина мира
Перед началом мира имеет, видимо, смысл, описать общие представления о мире в современной науке:
1. Мир имеет начало и конец во времени, а также ограничен в пространстве. Что находится за границами мира – неизвестно.
2. Мир состоит из света (фотоны и элементарные частицы) и тьмы (темной материи и энергии). Структура и свойства светлой части мира известны гораздо лучше, хотя о свойствах темной имеются какие-то теоретические предположения.
3. Тьмы в мире гораздо больше, чем света (примерно в 24 раза).
4. Тьма разрывает свет на части, что приводит к тому, что мир расширяется с ускорением. Рано или поздно в процессе такого расширения весь свет погибнет.
5. Физические законы и постоянные, полученные в результате наблюдений на Земле, во всем мире такие же (довольно спорный тезис, на самом деле, учитывая, что Земля – где-то в жопе мира, на окраине захолустной галактики, и вдали от мировых центров типа звездных скоплений; с инопланетянами, кстати, видимо, нет контактов, просто потому, что в нашу глушь никто не залетает). К основным физическим законам относится тот факт, что в больших структурах упорядоченность либо остается такой же, либо снижается, то есть "свет" в смысле дифференцированности чего-то тоже погибает.
6. Поскольку мир расширяется, было какое-то время, когда он весь был в одной точке, и в этой точке физические законы как раз не действовали, в связи с тем, что ничего не было.
7. Что было до этой точки, и почему она взорвалась – неизвестно.
Следует учитывать, что этой картине лет 20-30, а то для россиянской образованщины характерно, что они прочитают что-то в западной научной книжке, и потом носятся с этим как с последним словом науки, в которое надо немедленно уверовать. Последнее слово науки будет сказано, когда мы окончательно познаем весь мир, а до той поры смена научных парадигм и концепций идет очень быстро; за те 300 лет, которые наука существует отдельно от религии, представления об общей структуре и судьбе мира менялись многократно. В связи с этим, мне всегда смешно, когда образованцы в ЖЖ говорят о том, что "наука что-то там считает", особенно – относительно гуманитарной науки. Даже естественные дисциплины очень быстро меняют свое мнение, а уж гуманитарные большей частью и наукой-то не являются, там пока что можно только говорить об использовании отдельных элементов научного мышления, но это там часто не носит системного характера и подчиняется какой-нибудь полностью ебанутой идеологии, которая, по сути, является формой религии.
В то же время можно заметить, что вышеизложенное общее представление о мире исповедуемому мной манихейству не только не противоречит, но Мани Хайя это самое и излагал, только, конечно, не в терминах атомной физики (которой тогда просто не было). В манихействе есть еще один только постулат:
8. Поскольку свет в нашем мире уменьшается, а ничего в ничто не превращается, значит, свет в каком-то мире увеличивается. Соответственно, когда этот мир неизбежно погибнет, весь свет останется в том мире, в который он уходил из этого мира.
Данный постулат пока что научно не проверен, но не является, на мой взгляд, религиозным, поскольку тут сформулировано что-то конкретное и проверяемое: то место, в которое свет уходит, можно, в принципе, наблюдать, если будут предложены адекватные методы его наблюдения. Кстати, в советское время как раз в научной среде бытовали представления о Метагалактиках, то есть о мирах с иными физическими законами, чем в нашем мире, причем была и теория о том, что энтропия в нашей Вселенной возрастает за счет того, что нечто откачивают в другую Вселенную, где энтропия, наоборот, снижается. Сейчас как-то перестали про эти метагалактики говорить, но ничего фантастического в таком предположении нет.
Космос – 2. ОТО
Является одной из парадигм современной физики и, фактически, лежит в основе всей космологии (так как ОТО трактует вопросы гравитации, а это основное взаимодействие в космосе). Она мало согласуется с другой базовой парадигмой физики (квантовой механикой), кроме того, ОТО очень старая (1915-1916), и с тех пор накопилось много наблюдений и концепций, которые ей противоречат. Кроме того, все знают, что Эйнштейн – еврей, что создает дополнительную политическую возню вокруг. Имеется, соответственно, развитая критика и множество альтернативных теорий, которые я собираюсь изложить в отдельном пункте. Чтобы спасти ОТО, придумывают целые объекты по типу черных дыр, в которых она не работает по каким-то объективным причинам. В последние годы появились сообщения о том, что наблюдают движение со скоростью выше скорости света; если данные эксперименты подтвердятся, то вся теория относительности со всеми теперешними представлениями о мире (полностью на ней основанными) пойдет нахер.
Если уже в кратком тексте это излагать, то основные постулаты, видимо, можно так сформулировать:
1. Скорость света в вакууме – максимальный предел, быстрее которого информация не может распространяться. То есть она выступает как своеобразная "точка отсчета": все в мире относительно, а вот скорость света – всегда константа. При этом допускаются места, где света нет: изначальная сингулярность до Большого взрыва и черные дыры. В связи с отсутствием там основной константы ОТО совершенно ничего о таких объектах не может сказать и считает их абсолютно непознаваемыми в рамках данной теории. Имеются многочисленные попытки построить СТО и ОТО без этого постулата.
2. В разных системах отсчета существует разное время (классические представления исходят из того, что пространство при движении меняется, а время – нет). То есть время "относительно", а постоянной является только скорость света. Более подробно про единство пространства и времени будет тоже в отдельном пункте, так как эта концепция тоже важна для космологии.
3. При изменении пространства-времени физические законы не меняются (на мой взгляд, здесь – самый спорный пункт, учитывая крайне малые размеры Земли по сравнению с космосом: он приводит к тому, что результаты земных наблюдений всегда автоматически распространяют на космос).
4. Расхождение траекторий движения объясняется кривизной пространства-времени. Если бы пространство-время было плоское, тела бы двигались всегда прямо. Гравитация делает пространство-время в некоторых местах кривым, в результате чего тела двигаются по разнообразным траекториям. Кривизну можно измерить (метрическим тензором).
Наиболее важные следствия:
1. Гравитационное замедление времени, из-за которого любые часы будут идти тем медленнее, чем глубже в гравитационной яме (ближе к гравитирующему телу) они находятся. Кстати, они определяют, что Вселенная расширяется (и, соответственно, погибает), именно замеряя это самое гравитационное красное смещение.
2. Гравитационное отклонение света.
3. Увлечение инерциальных систем отсчёта вращающимся телом: вращающийся массивный объект «тянет» пространство-время в направлении своего вращения.
Наверное, это все главное, что можно сказать, избегая формул (намерен вообще их избегать во всем повествовании). Имеется как множество фактов, которые трактуют как подтверждение данной теории, так и множество возражений против нее.
Космос – 3. Критика ТО
Поскольку все, кого официально не признают, в наше время пытаются это компенсировать активностью в интернете, в интернете ооочень много информации про критику ТО.
Списки альтернативных теорий гравитации даже в энциклопедиях перечисляют десятки подходов, которые предлагаются вместо ОТО.
Можно классифицировать по степени радикальности:
1. Радикальные критики ОТО (среди русскоязычной публики, вообще склонной к разного рода радикализму, довольно популярны) – они в принципе считают неприменимым использование чисто математических абстракций, не описывающих какие-то наблюдаемые отношения между объектами, к физике. Сюда, например, относится Катющик. Понятно, что критика тут, на самом деле, идет против математики, а коль скоро математические методы, которым пользовался Эйнштейн, отбрасываются, Эйнштейн идет уже нахер автоматически, поскольку бредовыми методами он никак не мог бы получить какие-то результаты, кроме бредовых.
Другим распространенным аргументом, кроме неправильного применения математики, является тот факт, что Эйнштейн постоянно смешивает разнородные величины (типа времени и пространства), поскольку он может и то и другое описать с помощью каких-то математических абстракций. Однако его описания не делают эти вершины однородными, то есть он сколько угодно может рисовать формул для какой-то сущности, состоящей из времени и пространства одновременно, но физического смысла эти формулы все равно не имеют, так как это – разные объекты, и из них время – вообще нематериальный объект.
2. Попытки создать некую общую теорию из двух основных парадигм – ОТО и квантовой механики. Признаются они официальной наукой, в отличие от критики первого типа, "научными", но недоказанными.
3. После того, как в восьмидесятые поступило много данных о космосе, явно противоречащих ОТО, чтобы закрыть эту дыру, сторонники ОТО начали во множестве придумывать всякие ненаблюдаемые сущности типа темной материи, темной энергии, кротовых дыр и тому подобного. Они и раньше отличались тем, что рассказывали всякое странное типа замедления времени и прочего ненаблюдаемого, но последние изыски просто вырубили многих ученых, что привело к новой волне теорий, альтернативных ОТО. В связи с тем, что общие представления о мире становятся все более далекими от чего-то реально наблюдаемого, вселенная заполняется многочисленными воображаемыми объектами, смысл которых только в том, чтобы согласовать ОТО с реальностью, и эта ситуация начинает реально беспокоить критически мыслящих ученых. В теориях третьего типа современная математика применяется, просто они пытаются объяснить мир без введения большого количества парадоксальных выводов и эфемерных сущностей.
4. Насколько я понимаю, еще живы какие-то старые, до-квантовые концепции типа эфира; последователи их существуют и пытаются развить эти теории, чтобы они объясняли новые наблюдаемые факты.
Разобраться в этом море довольно сложно; в общем, отсылаю к статье по ссылке. Принципиальным для мировоззрения является то, что ОТО совершенно точно не является какой-то истиной в последней инстанции, и построенные на ней выводы нельзя считать абсолютно достоверными. То есть, хотя сторонники ОТО определенно утверждают, что космос умрет, может быть, и не умрет, в конце концов, это просто одна из теорий.
Космос – 4. Пространственно-временной континуум (ПВК)
Концепция относится к ТО, но я считаю нужным подробнее ее изложить, так как она непосредственно примыкает к космологии.
Смысл, насколько я понимаю, в скорости. То есть, если в классике скорость описывается как функция от времени и пространства (координаты меняются во времени с какой-то скоростью), если мы скорость берем как константу (исходя из того, что предельная скорость, скорость света, постоянна), то как время, так и пространство являются уже функцией от скорости, и именно в этом, математическом смысле образуют континуум (то есть непрерывность). Тут имеется в виду, что при изменении скорости меняются как время, так и пространство (в советское время любили это описывать примером про возвращение космонавта на Землю, на которой прошло 100 лет, в то время как для космонавта – 10).
Вместо координат в ПВК используется световой конус, то есть какие-то ограниченные события в прошлом могли привести к этому событию, и оно также влечет какие-то события в будущем ("множество всех точек, для которых интервал, отделяющий их от данного события [вершины светового конуса], светоподобен [то есть равен нулю]"):
Легко заметить, что тут физические величины подменяются причинностью, но, в принципе, это – основная операция в ТО, потому и называется теорией относительности: раз все относительно, то мы можем анализировать только причины, это еще Будда заметил.
Гравитация в ОТО описывается как влияние ПВК на физические объекты. То есть не объекты как-то взаимодействуют (как мы обычно представляем себе поле), а есть некая математическая сущность, изменения в которой определяют то, что мы наблюдаем как взаимодействие объектов.
В частности, при больших скоростях одной системы отсчёта относительно другой время замедляется, что сторонники ОТО считают хорошо подтвержденным экспериментами фактом.
Надо сказать, что многие альтернативные к ОТО теории не только не критикуют эту концепцию сущности с четырьмя измерениями, но и вводят новые измерения, то есть увеличивают степень математизации основной парадигмы физики. Теория струн, про которую тут упоминали, описывает уже хреновину с 10 или 26 измерениями, причем измерения больше четвертого, в основном, проявляются на субатомном уровне.
В основном, другие измерения накручиваются в области времени, то есть, говорится о многомерном времени. Следует подчеркнуть, что здесь именно вводится какое-то дополнительное время, а мир вообще без времени просто немыслим, это что-то типа христианской троицы, то есть сказать такие слова можно – "времени нет", но эти слова полностью бессмысленны, так как противоречивы. Когда-то давным-давно я в ЖЖ дискутировал с некоторыми гностиками, которые утверждали, что в идеальном состоянии "времени не будет", так я и тогда им говорил, что это чушь. Когда времени нет, то вообще ничего нет, а если идеальное состояние описывается как дифференцированное (то есть в нем отличаются отдельные объекты друг от друга), то, конечно, там есть и время, и пространство, без них никакая действительность просто не описывается. Критики обыденной концепции времени просто вводят какое-то дополнительное время, но не говорят, что при каких-то условиях времени вовсе не будет, это абсурдно.
Космос – 5. Теория струн
Поскольку во всяких современных материалах по космологии это действительно часто встречается, я решил, что это надо тоже включить перед БЗ. Тем более, что одна из причин разработки данной теории – это именно попытки решить многочисленные космологические трудности, чрезвычайно накопившиеся к началу 21 века.
Основная идея: до субатомного уровня мы различаем некие "частицы" (вплоть до кварков), однако то, из чего состоят сами кварки, больше описывается, как некая "струна" (на масштабах порядка планковской длины 10
м). Бурное развитие этой теории шло как раз в период падения совка, то есть в конце восьмидесятых и начале девяностых, когда она была крайне модной.
Рисуют они это как-то так:
Справа – взаимодействие, как если бы это были частицы, а слева – как если бы это были струны.
Никаких экспериментальных подтверждений, как я понимаю, не получено, что не мешает теоретикам в больших дозах фантазировать, описывать многочисленные иные измерения и параллельные миры и получать за это кучу денег.
Развитые струнные теории описывают мир из 10, 11 или 26 измерений, который плохо переводится в четырехмерный мир ОТО, и именно поэтому они не могут сформулировать, какие же эксперименты в четырехмерном мире могли бы подтвердить их теорию.
Кроме того, известной проблемой является проблема ландшафта, то есть теория описывает примерно 10
"ложных вакуумов" – то есть, в принципе, именно столько возможно разных физик с разными законами, и все эти физики наблюдаются одновременно ("параллельные миры"). Какая из этих 10
физик соответствует нашей, математически они решить не могут, решить задачу можно только перебором, а перебор такого большого числа физик – дело малореальное.
С точки зрения научного метода нефальсифицируемая теория (которую в принципе нельзя проверить) – ненаучная, потому что тогда мы можем говорить что угодно. Примеры других нефальсифицируемых теорий – фрейдизм, марксизм, анонимус. То есть, например, о любых психологических феноменах фрейдист может сказать, что это порождение какой-то ненаблюдаемой сущности из тех, что Фрейд сочинил. Условий, при которых психологический феномен не происходит от этих бредовых сущностей, а также условий, при которых все это можно проверить экспериментально, фрейдисты не задают. Значит, с точки зрения научного метода, весь фрейдизм – шарлатанство.
Аналогично дело обстоит с "анонимусом" в сетевых разборках – раз он не наблюдается, и нельзя проверить, значит, это типичная шарлатанская нефальсифицируемая сущность, и ссылаться на "анонимуса" как на какого-то субъекта – шарлатанство самой низкой пробы, масштаба Гундяева с его святой водой.
Основные понятия теории:
Квантовые струны – бесконечно тонкие одномерные объекты, колебания которых производят всё многообразие элементарных частиц. Характер колебаний струны задаёт свойства материи, такие как электрический заряд и масса.
Описывается она разными топологическими моделями.
Открытая струна – нет концов.
Замкнутая струна – есть концы.
Суперструна – содержит в себе суперсимметрию между носителями взаимодействий и носителями вещества. На самом деле, в квантовой теории частицы, которые осуществляют взаимодействие и которые являются носителями вещества, очень разные по всем характеристикам, и их объединение в "суперструну" – это примерно как Эйнштейн объединял время и пространство.
Пять элементарных взаимодействий:
Открытая струна (с концами) может разорваться в точке на 2 открытые струны.
Замкнутая струна (без концов) может сойтись во внутренней точке касания и расщепиться на 2 замкнутые струны.
Замкнутая струна может разорваться в точке и стать открытой.
Две открытые струны могут обменяться в точке касания сегментами.
Открытая струна может потерять сегмент в виде замкнутой струны, через внутреннюю точку касания.
В связи с тем, что экспериментальная база теоретиков не сдерживает, а математически можно много моделей строить про реальность, теорий струн (ТС) очень много и постоянно появляются новые. В самой грубой форме они разделяются на теорию с 26 измерениями (предсказывает существование тахиона – частицы со скоростью выше скорости света) и теории с 10 измерениями (тахиона не предсказывают).
В середине 1990-х была попытка обобщить многочисленные струнные теории, и была построена М-теория. В качестве базового объекта данной теории используется так называемая «брана» (многомерная мембрана) – протяжённый двухмерный или с большим числом измерений (n-брана) объект. Она тесно связана с топологией, и, вообще говоря, когда я это читаю, физики никакой в принципе там не вижу, одну топологию:
http://en.wikipedia.org/wiki/M-theory
Основные космологические выводы из всего этого: раз много физик описываются, то возможно существование множества параллельных вселенных с другими физиками. Причем они в нашем ПВК могут вообще никакого места не занимать, так как они, типо, в других измерениях же. Также ими создана модель Большого Взрыва как произошедшего по причине столкновения двух параллельных вселенных.
Ясно, что это все хорошо согласуется с нью-эйджевской бредятиной про множество параллельных вселенных, населенных разного рода ангелами и чертями. Ну, это понятно, ведь если у вас методы ненаучные (а с точки зрения философии науки 20 века эта теория именно что ненаучная), выводы у вас тоже будут из арсенала Кашпировского. То есть какая-нибудь дура, начитавшись про Анастасию, несет херню про иные миры, и американские физики у нас за кучу денег тоже несут херню про иные миры. Ни одного реального иного мира, тем не менее, не наблюдая, и даже не объясняя нам, как мы все это могли бы наблюдать или проверить.
Космос – 6. Светлая энергия
Наиболее понятная и хорошо описанная тема из подготовительных к Большому взрыву. Энергия – скалярная характеристика, которая является мерой способности материи к взаимодействию. То есть в том смысле, в котором ее употребляют экстрасенсы и примкнувшие к ним ушуисты, типа "энергия жизни", она же ци и прана, это – типичный пример неправильного употребления шарлатанами научных слов, поскольку непонятно, какую способность к взаимодействию такая "энергия" описывает. А если они там, в сраной Индии, про кислород не знали и неправильно описывали процессы дыхания, то так и надо описывать суть дела, а не про прану рассуждать.
То, как взаимодействие осуществляется в пространстве, описывается с помощью парадигмального понятия "поле". Поле – это пространство, каждой точке которого соответствует значение физической величины (полевой переменной), и от значения этой величины зависит взаимодействие между телами в этой точке. Сторонники ОТО, конечно, рассматривают поле не в пространстве, а в ПВК.
Фундаментальных взаимодействий (которые качественно между собой различаются по характеристикам их полей), описывается четыре:
1. Гравитационное – на просторах космоса все решает именно оно.
2. Электромагнитное – лучше всего изучено.
3. Сильное – действует в атомных ядрах и, собственно, объединяет частицы в ядро (а если бы там было только электричество, оно бы разорвалось, протоны же одинаково заряжены).
4. Слабое – тоже на субъядерном уровне и играет роль при реакциях распада ядер.
В 1968 году было предположительно доказано тождество электромагнитного и слабого взаимодействий, и за это дело авторы получили Нобелевку, поэтому иногда используется термин "электрослабое взаимодействие".
Всю вторую половину 20-го века и начало 21-го происходят настойчивые попытки создать единую теорию взаимодействий ("теорию всего"), к которым относятся и описанные ранее тут теория струн и М-теория.
На настоящий момент, тем не менее, общепризнанной теории всего нет, поэтому разные взаимодействия описываются разными парадигмами, которые не удается свести друг к другу (ситуация считается физиками печальной, так как единого объяснения мира нет):
1. Гравитация – Общая теория относительности (ОТО)
2. Слабое – Теория электрослабого взаимодействия (ТЭВ)
3. Электромагнитное – Квантовая электродинамика (КЭД)
4. Сильное – Квантовая хромодинамика (КХД)
Это, собственно, четыре главных парадигмы, из которых пока тут, в курсе, более-менее описана только ОТО со всей ее спорностью. Более подробно я планирую описывать взаимодействия в процессе рождения их в Большом Взрыве.
Вне сомнения, я понимаю, что на больших расстояниях хронология часто неизвестна или спорна, и это в особенности касается такой вещи, как Большой Взрыв, но тогда мы просто считаем, что сюжет произвольно выбран в соответствии с тем, как он чаще всего описывается. Критика традиционных хронологий и представлений, безусловно, всячески допускается.
Космос – 7. Светлая материя
То есть элементарные частицы.
Термин сейчас сильно размылся, потому что раньше имелось в виду, что они не имеют структуры, но позднее выяснилось, что многие элементарные частицы состоят из более мелких. Поэтому в энциклопедиях фигурирует нечто расплывчатое типа "собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части".
Впрочем, в англовики уже навели порядок в определениях:
In particle physics, an elementary particle or fundamental particle is a particle unknown to have substructure, thus unknown to be composed of other particles. A particle containing two or more elementary particles is a composite particle.
То есть они там различают "элементарную частицу" и "сложную частицу", в русскоязычных же источниках часто все называют "элементарными".
Про виды и свойства хорошо рассказывает дедушка в клипе внизу, не буду его пересказывать. Более подробно про отдельные частицы будет по мере их возникновения в Большом взрыве.
То есть, часть частиц являются, на самом деле, переносчиками взаимодействий, поскольку взаимодействия в современной модели мира не мыслятся без частиц, так как другим способом они, по мнению физиков, не могут передаваться (так как нет единой среды типа эфира, а значит передать информацию типа "действует сила магнетизма" можно только перекинув фотон из одного места в другое). Другая часть частиц являются как раз "материей", то есть образуют, в конечном итоге, все наблюдаемые структуры. Свойства у "переносчиков" и у "материи" сильно отличаются, и единую модель "частицы" пытаются построить только в очень спорной теории струн (где это среднее называется суперструной и имеет, соответственно, очень размытые свойство, так как оно – и материя, и переносчик).
На самом деле, гравитон еще экспериментально никак не обнаружен, а вписан в схему, потому что "должен там быть" согласно этим самым квантовым представлениям о взаимодействиях. Бозон Хиггса, который ищут в коллайдере, является, как это видно из схемы, гипотетической частицей, объединяющей энергию и материю, так как их напрягает наличие между ними явной пропасти, и этот бозон им сильно нужен, чтобы наконец-то построить единую модель хотя бы частиц.
В марте 2013 года ЦЕРН заявил, что бозон Хиггса ими точно наблюдался, что считают подтверждением Стандартной модели элементарных частиц (которая описывает все взаимодействия кроме гравитации), однако продолжаются споры о том, то ли они наблюдали, что было надо, так как ряд альтернативных теорий описывают такой же бозон без Стандартной модели (которую я планирую изложить подробнее позже).
Космос – 8. Темная энергия
Термин введен, чтобы объяснить расширение Вселенной с ускорением (данные получены в конце 1990-х), то есть, данной концепции лет десять, она довольно сырая еще. Экспериментально еще не обнаруженная, концепция объясняет какие-то наблюдения, которые не укладывались в старую концепцию.
Имеется два объяснения "темной энергии" (ТЭ):
1. Любой объем пространства имеет энергию по своей природе, то есть ТЭ – это энергия вакуума, и при таком понимании она тождественна космологической постоянной ОТО. То есть пустота сама по себе увлекает вещество: если есть вещество, оно, естественно, пытается заполнить пустое пространство, и потому пустота, фактически, разрушает вещество, которое в ней расширяется с ускорением, пытаясь ее заполнить. Данное объяснение сейчас преобладает.
2. Квитэссенция. В данном случае ТЭ – это скалярное поле, плотность ее соответственно может меняться в разных точках ПВК (при первом объяснении – отрицательное давление вакуума постоянно во всех точках).
Именно ТЭ ответственна за расширение, поскольку темная материя, наоборот, ему препятствует. Ускорение расширения Вселенной началось порядка 5 миллиардов лет назад (что примерно совпадает с периодом формирования Земли и Солнца). До этого расширение замедлялось благодаря гравитационному действию темной материи и барионной материи (барионная материя – это то, что я называю "светлой" материей). Плотность барионной материи в расширяющейся Вселенной уменьшается быстрее, чем плотность тёмной энергии. В конце концов, темная энергия начинает преобладать.
Постулируемые свойства ТЭ:
1. Антигравитация (действует противоположно гравитации, которая, наоборот, стремится собрать вещество обратно в одной точке).
2. Равномерно распределена (по гипотезе №1) или нет (по гипотезе №2).
3. Взаимодействует с материей только через свои антигравитационные качества и никаким другим способом.
4. Низкая плотность (порядка 10
г/см?), что препятствует ее экспериментальной фиксации.
5. Несмотря на низкую плотность, заполняет все пространство, и поэтому составляет порядка 70% всей энергии во Вселенной, и, в конце концов, именно она и убьет всю Вселенную.
В связи с мутным характером темной энергии, на самом деле, о будущем вселенной определенно ничего не знают, потому что если источник неизвестен, непонятно, будет ли она действовать также в будущем или нет, ведь не установлены причинно-следственные связи. Если также будет действовать, то она, в конце концов, разорвет все атомы, а если не будет, то вообще хрен ее знает, что случится.
Космос – 9. Темная материя
Несколько менее темная вещь, чем темная энергия. Как и ТЭ, распознается только по ее гравитационному действию, не взаимодействует ни с какими другими полями.
Признаки:
1. Взаимодействует со светлой материей, притягивая ее.
2. По плотности во много раз больше барионной материи.
3. Составляет 25% Вселенной.
4. Может, в принципе, наблюдаться методами гравитационного линзирования (то есть косвенно, а непосредственно ее не наблюдали).
Именно темная материя (ТМ) организует макроструктуру Вселенной; то есть галактики – это такие скопления мирового черного говна, в которое воткнуты немногочисленные светящиеся звезды, составляющие небольшой процент от массы любой галактики. То есть "из тел архонтов".
В 2012 году получены экспериментальные данные, что в районе Солнца ее практически нет, так что нет шансов, что это будут когда-либо наблюдать на Земле, оно, в основном, тусуется в центре галактики, обеспечивая ее требуемую массивность.
В отличие, опять же, от ТЭ, есть много гипотез о том, чем бы это могло быть, так как оно имеет хотя бы массу, а массу можно измерить, и, таким образом, есть какие-то свойства, от которых могут отталкиваться теоретики.
Основные предположения:
1. Что это, в принципе, барионное вещество, но оно по каким-то причинам взаимодействует только гравитационно. Малопопулярная гипотеза, потому что она не вписывается в модель БЗ и совсем не подтверждается наблюдениями.
2. Что это – какие-то частицы, которых мы еще не знаем (гипотетическую частицу ТМ называют также WIMP):
а) легкие нейтрино (маловероятно);
б) тяжелые нейтрино (более вероятно, так как у нее большая плотность);
в) аксионы (гипотетические нейтральные псевдоскалярные частицы);
г) суперсимметричные частицы – фотино, гравитино, хиггсино, а также снейтрино, вино и зино. Ничто из этой компании никогда не наблюдалось, это просто часть очередной неподтвержденной физической теории.
Если это – частицы, то, в принципе, можно попробовать получить их в ускорителях, чем сейчас усердно и занимаются. В 2009-2013 гг. имелась масса сообщений, что точно нашли частицы ТМ с высокой вероятностью, но пока это, вроде бы, не общепринято:
http://en.wikipedia.org/wiki/Weakly_interacting_massive_particles
Основные ее гипотетические виды:
1. Горячая ТМ: энергия частиц превышает их массу.
2. Холодная ТМ: с массами частиц более 30 КэВ. Скорее всего, именно холодная преобладает.
3. Теплая ТМ: с массой частиц около 1 КэВ.
Вполне возможно, что там – смесь различных частиц, то есть могут оказаться верными несколько предположений одновременно.
На самом деле, про "скрытую массу" довольно много говорили еще с начала 20-го века, вне всякой связи с ОТО и БЗ, то есть, даже если ОТО и БЗ – ложные теории (подвергаются интенсивной критике в последнее время), вполне возможно, что за феноменом, который сейчас обозначают как ТМ, и стоит что-то реальное.
Космос – 10. Сингулярность
Собирался написать еще про критику теории Большого Взрыва, но, почитав, убедился, что она, в принципе, совпадает с критикой ОТО и других основ современной физики, а об этом уже было сказано. Если парадигма современной физики верна, то Большой Взрыв был. Этот факт доказал в 1967 году известный паралитик Стивен Хокинг. То есть preliminary course можно считать законченным и переходить уже к хронологическому описанию мира.
То, что существовало непосредственно перед взрывом, хотя не было еще ни времени, ни пространства, все-таки как-то описывается, и в терминах ОТО это является видом гравитационной сингулярности. То есть это точка, в которой величины, описывающие гравитационное поле, становятся бесконечными или неопределенными, и другим примером подобного является черная дыра. Однако, в отличие от черной дыры, сингулярность, из которой произошла наша Вселенная, была так называемой "голой сингулярностью", то есть, если бы был внешний наблюдатель, он мог бы эту точку наблюдать, а черную дыру саму по себе в принципе наблюдать невозможно (только ее окружение).
Описания космологической сингулярности, хотя и даются, получаются довольно противоречивыми:
1. Времени не было.
2. Пространство было бесконечно малым.
3. Плотность была бесконечной.
4. Температура была бесконечной (кстати, это противоречит свойству №3).
5. Упорядоченность была максимальной, а вся последующая история Вселенной – это последовательная победа хаоса над порядком. На самом деле, не совсем понятно, как может быть упорядоченность максимальной, когда ничего, по сути, не было, и тем более при бесконечной температуре.
В общем, описание "сингулярности" мне сильно напоминает описание иудейского Бога, которое обычно делается либо с помощью противоречивых, либо с помощью "бесконечных" (и потому ничего конкретного не означающих) атрибутов. Спрашивается, зачем мы горели на кострах инквизиции – чтобы потом опять водрузить в начале мира нечто богословское? Ватикан, кстати, официально одобрил теорию БЗ, видимо, там тоже почувствовали что-то родное. Теперь это – официальная католическая картина мира, подобно тому, как система Птолемея в средневековье.
Космос – 11. Планковская эпоха
Самый первый момент, в который бомбанул космический пукан. Чтобы его замерить, наталкиваются на ограничения ОТО, которые популярно описаны в клипе внизу. Минимально возможный промежуток времени – это планковское время:
Соответственно, планковское время продолжалось от нуля до 10
секунд. Параметры Вселенной в конце планковского времени:
Энергия ~ 10
ГэВ.
Плотность ~ 10
кг/м?.
Размер мира ~ 10
м.
Температура ~ 10
К.
Ну, то есть, что-то такое кошмарно маленькое и горячее, но все же описываемое в каких-то конкретных цифрах, в отличие от сингулярности.
Структурных частиц еще вообще никаких не было, была некая единая энергия, которая к концу этого времени начала разделяться на гравитационную и негравитационную. Поскольку единой теории всех взаимодействий до сих пор нет, как это все выглядело, тоже неизвестно, и в ускорителях промоделировать это тоже не могут (там же энергии ебошит столько, сколько сейчас есть во всем мире).
В то же время, имеются какие-то наблюдения и эксперименты, относящиеся к состояниям, намного более поздним, чем планковская эпоха, и на базе этих наблюдений пытаются моделировать и самое первое мгновение, но пока все еще очень смутно.
Поскольку они взаимодействие без частиц сейчас не мыслят, то считают, что какие-то частицы тогда уже были, но какие – абсолютно не понятно, тем более, что частица гравитации до сих пор не найдена.
Космос – 12. Эпоха Великого Объединения
Вторая фаза развития Вселенной продолжалась от 10
до 10
с, то есть была в 100.000.000 раз длиннее, чем первая фаза (описанная в главе "Космос-11").
В начале фазы все взаимодействия были едиными, именно поэтому она так и называется, но название немного неверно, так как именно в точке начала ЭВО гравитация отделилась от прочих взаимодействий. То есть в ЭВО имелись 1) гравитация и 2) все прочие взаимодействия, которые пока не отличались.
В связи с отсутствием в то время структурных частиц никакой массы ни у чего еще не было, и вообще не было вещества.
Предположительно, в конце ЭВО мир имел следующие характеристики:
Энергия 10
ГэВ.
Температура 10
K.
Плотность 10
г/см?.
Сведений о размерах мира я не нашел, но они были не намного выше, чем в планковскую эпоху, так как радикальное расширение мира (инфляция) началось несколько позже. Скорей всего, выше на порядки, но мир в целом оставался, с нашей точки зрения, микроскопическим.
Связанные топики касаются гравитации, о ней уже было, в принципе, почти во всех главах, но теперь – подробно и прицельно. Планируется в ближайшее время обсудить:
1. Закон всемирного тяготения (здесь, соответственно, будет что-то вроде "гравитации в физике Ньютона").
2. Гравитационное излучение в ОТО и его поиски.
3. Квантовая теория гравитации.
4. Гравитон и его предполагаемые свойства.
5. Петлевая квантовая гравитация.
6. Теория Лиси.
Теорий гравитации очень много, и это – одна из ключевых проблем физики в настоящее время, так что, если читатели предложат какие-то еще узловые точки про гравитацию, то можно будет их добавить. Теория струн уже была, поэтому ее не надо.
Космос – 13. Закон всемирного тяготения
Считается, что ньютоновские представления справедливы при обычных скоростях и не очень маленьких размерах объектов.
Основной закон:
F= G * (m1*m2)/R
То есть сила тяготения прямо пропорциональна массам объектов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (что связано с тем, что в классических представлениях поля распространяются по сфере, и там получается, что сила распределяется по окружности, и там в формулу, поэтому, попадает квадрат радиуса).
Коэффициент при переменных измерен экспериментально и равен 6,67384(80) *10
.
Общая картинка выглядит так, что любое тело по кругу распространяет вокруг себя некое влияние (поле), которое измеряется гравитационным потенциалом. Это влияние, в классических представлениях, распространяется через пустое пространство и никаких частиц для передачи себя не требует.
Траектория материальной точки в гравитационном поле, создаваемом много большей по массе материальной точкой, подчиняется законам Кеплера, что на практике означает, что маленькое тело вокруг очень большого движется по эллипсу или по гиперболе. Законы Кеплера, на самом деле, были экспериментально получены до Ньютона, хотя сейчас математически выводятся из законов Ньютона.
Все эти представления входят в ОТО как ее частный случай, поэтому экспериментальные подтверждения закона тяготения считаются также и подтверждениями ОТО.
В совокупности с математическим анализом, законов Ньютона полностью хватало для объяснения всего происходящего на небе, вплоть до появления ОТО.
Роликов на Youtube очень много; тема относится к базовым физическим представлениям, и именно они и должны быть у каждого, а не поповская дребедень, которую в последнее время всем пытаются навязать.
Космос – 14. Гравитационное излучение
Важная концепция ОТО, которую я еще не описывал.
Поскольку гравитация – это, с точки зрения ОТО, искривление ПВК, то она распространяется как волна со скоростью света. Массивный предмет – это что-то вроде камня, кинутого в ПВК как в воду, поэтому естественно, что вокруг него идут круги по воде, это и есть, типа, гравитация. Экспериментально, как и многого из того, что предсказывает ОТО, этих волн не обнаружено. Важно знать, что, по классическим представлениям, гравитация – это поле, тогда как, согласно ОТО, это – волна в ПВК.
Предсказываемые максимальные амплитуды гравитационных волн очень малы – 10
– 10
. Считается, что гравитационная волна является поперечной, квадрупольной и описывается двумя независимыми компонентами, расположенными под углом 45° друг к другу (имеет два направления поляризации).
Гравитационную волну излучает любая движущаяся ускоренно материя. Чем больше масса материи или ее ускорение, тем больше должна быть амплитуда волны. Однако, по законам Ньютона, на всякое действие есть противодействие, и потому, дескать, гравитационные волны взаимно гасятся. Наибольшие волны соответственно порождают сталкивающиеся галактики и нейтронные звезды (очень массивные и очень быстро движутся). При гравитационном излучении теряется энергия, и поэтому все двойные объекты рано или поздно сталкиваются и схлопываются в один. То есть, например, Земля, в принципе, находится в состоянии падения на Солнце, но, так как излучение очень слабое, никогда не упадет, потому что тогда Солнце еще раньше взорвется, о чем в перспективе будет отдельная тема.
Космос – 15. Квантовая теория гравитации.
Сюда относятся всякие попытки описать гравитацию с позиций квантовой парадигмы. При этом обычно пытаются совместить квантовую механику и ОТО, но это плохо получается. Математически суть противоречий в том, что квантовая механика описывает ситуацию дискретно, а ПВК, по Эйнштейну, непрерывно. То есть, чтобы описывать ОТО в терминах КМ (квантовой механики), нужно, чтобы как время, так и пространство являлись тоже квантами, что невозможно описать в терминах имеющейся геометрии (топологии). Кроме того, из-за слабости гравитации затруднены какие-либо эксперименты с ней на нужном для построения квантовой теории уровне. Итак, математически это не описывается, экспериментально это тоже не проверяется, но единую теорию построить очень хочется, что мы сейчас и имеем – есть много чисто теоретических выкладок, как бы все это могло быть.
Основные возможные варианты:
1. Теория струн (про нее уже было).
2. Петлевая квантовая гравитация (будет отдельный пост).
Множество других подходов:
1. Акустическая метрика и другие аналоговые модели гравитации.
2. Асимптоматическая безопасность.
3. Причинная динамическая триангуляция.
4. Теория полей групп.
5. MacDowell–Mansouri действие.
6. Некоммутативная геометрия.
7. Исчисление Регге.
8. Сверхжидкий вакуум, или теория BEC вакуума.
9. Супергравитация.
10. Твистор-модели.
Космос – 16. Гравитон
Гипотетическая частица гравитации, ее существование предполагается еще с 1934 года, но она до сих пор не найдена. В связи с господством квантовой теории поля она просто должна быть, иначе теория неверна. Должна иметь спин = 2 и два направления поляризации (согласно свойствам гравитационного излучения, выше описанным). Не должна иметь массы (так как гравитация распространяется на бесконечное расстояние) и, в общем, сильно должна напоминать фотон. Должна, в принципе, излучаться черными дырами (иначе как они тогда тянут все в себя со страшной силой?)
Поскольку любое поле, создаваемое бозоном со спином 2, по свойствам будет неотличимо от гравитационного, то, если такой бозон будет найден, будут считать, что нашли гравитон.
Существуют некоторые расчеты, по которым никакой детектор в принципе не может обнаружить этой частицы, потому что она очень слабо взаимодействует с материей. Например, детектор с массой Юпитера, не пропускающий никаких частиц, расположенный на близкой орбите нейтронной звезды (самый плотный вид звезд) будет определять 1 гравитон за 10 лет, даже если он ни одного не пропустит (то есть будет работать со стопроцентной эффективностью, чего не бывает). И даже в этом случае нельзя будет отличить гравитон от нейтрино, потому что необходимый щит для фильтрации нейтрино неизбежно свернется в черную дыру.
В настоящее время, тем не менее, ведутся попытки наблюдения гравитационного излучения (о чем было в соответствующей главе). В случае если такое излучение будет обнаружено, по его свойствам можно будет определить некоторые свойства гравитона. Например, если скорость гравитации ниже скорости света, то у гравитона есть масса. Есть некоторые косвенные данные, по которым оно действительно несколько меньше скорости света, то есть гравитон все же массивен. Тогда гравитация не распространяется бесконечно, как свет.
Данная частица крайне популярна в фантастике, где все летает и прыгает как раз на основе гравитонов. В частности, поскольку во времена "Стар Трека" была крайне популярна физика элементарных частиц, "гравитоны" там не сходят с языка героев при описании всяких двигателей и других устройств будущего.
Если гравитоны когда-либо возникли, то это было в Эпоху Великого Объединения непосредственно после Большого Взрыва.
Космос – 17. Петлевая квантовая гравитация (ПКГ).
Еще одна новая теория гравитации, она развивается с восьмидесятых годов прошлого века. Представляет собой попытку экспансии квантовой механики на ОТО. Как я уже говорил, они не согласуются, так вот, в данном случае теория построена так, что если что-то в ОТО не квантовое, то тем хуже для ОТО. То есть, конечно, принимается, что пространство и время состоят из дискретных частей, эти части между собой связаны, и только на больших масштабах кажутся непрерывным ПВК. То есть для больших размеров правильна ОТО, а для маленьких – КМ.
Была, конечно, создана некая специфическая математика для описания; вообще говоря, все эти теории в связи с отсутствием экспериментальной их проверки – это, скорее, теории в математике, чем в физике, что характерно и для излагаемой теории.
Минимальный возможный объем (квант пространства) – это планковская длина (10
см), а минимальный квант времени – планковское время (уже было описано).
Кванты пространства-времени описываются некими графами (спиновыми сетями), что позволяет описывать также нужные для соответствия с ОТО искривления пространства-времени.
"Отдельные узлы и ребра диаграмм представляют собой чрезвычайно малые области пространства: типичный узел соответствует объему около одной длины Планка в кубе, а линия – площади порядка одной длины Планка в квадрате. Но, в принципе, спиновая сеть может быть неограниченно большой и сколь угодно сложной. Если бы мы могли изобразить детальную картину квантового состояния нашей Вселенной (т.е. геометрию ее пространства, искривленного и перекрученного тяготением галактик, черных дыр и пр.), то получилась бы гигантская спиновая сеть невообразимой сложности, содержащая приблизительно 10
узлов".
Перемещение материи, таким образом, описывается как трансформация спиновой сети, при которых изменяется связность графов. То есть, по сути, мир – это такая сетка, а иллюзия видимых и движущихся объектов возникает, когда узлы меняют способ связи между ними: какие-то нити разрываются, какие-то появляются. Эти изменения – вероятностные, причем в данной теории были выведены формулы для вычисления квантовой вероятности шагов спиновой сети, то есть, для предсказания вероятности всего, что происходит в мире.
Поскольку во времени эти "нити" как бы изгибаются, то там они выглядят как "петли", отсюда название теории, а сам процесс мирового движения во времени описывается как "спиновая пена". Пена изменяется дискретно с промежутком в один квант времени (планковское время). То есть, типа, хоп – и все неподвижно, одно состояние пространства, потом хоп – и прошел один квант времени, т.е. пена поменяла связность, и опять все неподвижно. На отдельном срезе мир не меняется, так как его изменение – дискретно.
Одним из следствий из данной теории является то, что до Большого Взрыва происходило сжатие Вселенной, а взрыв являлся именно следствием большого схлопывания.
В случае если пространство и время непрерывны, приходится вводить многочисленные дополнительные измерения (как в теории струн), то есть ПКГ все-таки выглядит как нечто более похожее на то, к чему мы привыкли, собственно, поэтому это, если не ошибаюсь, и есть основной конкурент теории струн в настоящее время.
Космос – 18. Теория Лиси (ТЛ)
Последний сюжет про гравитацию.
Другое название этого – "Исключительно простая теория всего". Основано, как и большинство современных теорий, на специфической топологии.
Предполагает наличие пяти фундаментальных полей:
1. Кванты электрослабых полей W и B, из которых по теории Вайнберга – Салама (стандартной модели) получаются промежуточные бозоны W
, W
, Z
и фотон A.
2. Цветные глюоны g, являющиеся переносчиками сильных взаимодействий.
3. Спиновая частица w.
4. Частица e, фрейм.
5. Компания бозонов Хиггса f.
Гравитация, по Лиси, не является фундаментальным взаимодействием, но образуется комбинациями частиц еf и ew, то есть гравитон у него – это не одна частица, а две, да еще и сложных.
То есть из четырех известных взаимодействий у него три сведены в два (объединено электрическое и слабое), а четвертое, самое малоизвестное, гравитация, наоборот, разбито на три взаимодействия.
Математический аппарат для описания того, как из всего этого получается наблюдаемый мир – алгебра Ли на четырёхмерном многообразии. Взаимодействия полей рассматриваются как самодействие поля с некоммутативными образующими.
Пишут, что теория элегантная, но всего многообразия наблюдаемых элементарных частиц не объясняет.
Космос – 19. Инфляционная эпоха
Проходила в период с 10
до 10
секунд от Большого Взрыва. Началось образование материи, что привело к тому, что Вселенная экспоненциально увеличивала свой радиус на много порядков. Образование материи описывается также как фазовый переход. Произошла первичная квантовая флуктуация, то есть вещество образовывалось неоднородным, что и привело к тому, что Вселенная имеет крупномасштабную структуру – галактики, скопления галактик и так далее (сейчас составлена довольно подробная трехмерная карта Вселенной).
Возникли кварки и глюоны, то есть, собственно, сильное взаимодействие, и немедленно начали объединяться в адроны (бариогенезис).
Во время бариогенезиса возникла барионная асимметрия Вселенной – наблюдающаяся асимметрия между материей и антиматерией, в результате которой после совместной аннигиляции материи и антиматерии осталось какое-то количество материи, из которой теперь все и состоит. Если бы не антиматерия, то там было бы вещества еще на десятки таких же Вселенных, в принципе.
К концу периода мир, по сути, уже похож на наш – есть три взаимодействия и элементарные частицы, и есть даже какая-то неоднородность (флюктуация), но он все еще значительно плотнее самой плотной звезды. В этом ужасно плотном состоянии мир состоит из своего рода жидкости из кварков, антикварков и глюонов.
Температура в начале периода 10
K.
За данный период линейные размеры Вселенной увеличились, по крайней мере, в 10
раза (может и больше), и, значит, объем вселенной увеличился в 10
раз.
Космос – 20. Сильное взаимодействие
Связывает кварки в адроны (из которых наиболее известны протоны с нейтронами), а также связывает ядерные частицы внутри ядра. Так как протоны одинаково заряжены, без сильного взаимодействия они бы разлетелись из-за электромагнитного отталкивания.
Формула его:
U = -k (exp (-r/r0)/r),
где k – константа сильного взаимодействия, принимается обычно за 1,
r – расстояние между частицами, которые взаимодействуют,
r0 – 10
м.
Радиус ядра прямо зависит от этой r0 и числа нуклонов в ядре (А):
R=r0 * A
.
Из этих соотношений определяют энергию, скорость и массу переносчиков этого взаимодействия (глюоны).
Сильно взаимодействуют все адроны, в том числе всякие экзотические тяжелые частицы, которых наоткрывали в пятидесятые годы (всякие там "омега-гипероны"). На самом деле, все адроны являются сложными частицами, состоящими из небольшого количества простых (кварков), то есть причина сильного взаимодействия заключается именно в наличии кварков, о которых будет позже. Поскольку основное уникальное свойство кварка условно называется "цветом", область физики, описывающая сильные взаимодействия, называется "квантовой хромодинамикой (КХД)" (глюоны еще и сами обладают цветом и взаимодействуют друг с другом, а не только с кварками). Результат соединения кварков – адрон – сам по себе бесцветен, а без адрона они не существуют (конфаймент).
Поскольку в 20 веке были огромные успехи в изучении элементарных частиц и вообще ядерной физики, в настоящее время сильное взаимодействие, как и электромагнитное, является хорошо описанным, и эти описания экспериментально проверены. То есть, в отличие от теории гравитации, которая сейчас, в основном, математическая, как раз ядра они весь 20 век расщепляли и частицы сталкивали, так что данных накопили много и изучили эту сферу довольно хорошо.
Основные темы КХД:
1. Жесткие адронные реакции, которые описываются теорией возмущений в КХД; в качестве конечной единицы анализа выступают глюоны и кварки.
2. Полужесткие реакции.
3. Мягкие адронные реакции, в которых взаимодействие осуществляется между адронами, а не между отдельными кварками.
4. Статические свойства адронов.
Космос – 21. Глюоны
Векторные калибровочные бозоны сильного взаимодействия; говоря проще, это – те частицы, которые связывают кварки. Поскольку кварки связаны так плотно, что отдельно не существуют, употребляется метафора "склеивание", и поэтому они называются "глюоны", от английского glue. В связи с описанным ранее конфайментом, глюон, как и кварк, тоже отдельно не существует. В 2005 году была впервые получена кварк-глюонная плазма, где они не образуют адронов, но все равно отдельно не существуют. Еще ранее были получены многочисленные экспериментальные доказательства физического существования как кварков, так и глюонов.
Специфика заключается в том, что, как уже было сказано в предыдущей главе, в данном случае частица, обеспечивающая взаимодействие, сама несет цветной заряд, то есть сама еще дополнительно взаимодействует (у фотонов, которые переносят электричество, такого не наблюдается).
Свойства:
1. Не имеет массы.
2. Спин = 1.
3. Две поляризации.
4. Является античастицей самому себе, то есть глюонов-античастиц не существует. В антимире, если он где-то существует, глюоны такие же.
Кварки могут нести три типа цветового заряда, антикварки – три типа антицветового. Итого получается шесть цветных глюонов, и для симметрии в теорию введено еще два бесцветных.
"Цветами" заряды называются потому, что комбинация всех трех зарядов дает бесцветный (инвариантный), что напоминает ситуацию, когда смешение основных цветов дает белый цвет.
То есть, на самом деле, это – базисные векторы, которые просто так называются: красный (к), зелёный (з) и синий (с).
У антикварков антицвета: ак, аз, ас, причем допустим ак+к=0 (комбинация цвета и антицвета бесцветна).
Глюоны математически интерпретируются как комбинации, которые не являются инвариантными относительно вращений в цветовом пространстве, и всего получается восемь таких комбинаций:
к-аз, к-ас, з-ак, з-ас, с-ак, с-аз, (к-ак ? з-аз)/?2, (к-ак + з-аз ? 2с-ас)/?6.
Ну, то есть, практически это выглядит так: синий кварк испускает глюон типа с-аз (синий-антизеленый), за счет чего обеспечивается связь в ядре, а сам синий кварк при этом превращается в зеленый. И так они постоянно там меняют свои цвета, и за счет этого и связываются. Когда они уже собрались в частицу, сама по себе частица бесцветна (цвета внутри нее взаимно погасились), и поэтому она через глюоны уже не взаимодействует. Адроны поэтому связываются не через глюоны, а через пи-мезоны, что тоже описывается как "сильное взаимодействие".
Космос – 22. Кварки
Фундаментальная частица; она в 20 тысяч раз меньше протона. То есть, подобно тому, как атом, в основном, пустой, так и протон тоже, по сути, пустой, так как в нем только три кварка.
Помимо цвета, про который было при описании сильного взаимодействия, кварк обладает еще так называемым ароматом. На самом деле, под ароматами имеют в виду разные сорта кварков, никакой дополнительной символики это слово в данном случае не содержит.
Ароматы также классифицируются по трем поколениям. Смысл тут в том, что в каждом поколении у одного кварка заряд –1/3, во втором +2/3:
Первое поколение
символ-название-заряд-энергия
d нижний ?1/3 4,79±0,07 МэВ/c?
u верхний +2/3 2,01±0,03 МэВ/c?
Второе поколение
s странный ?1/3 95±5 МэВ/c?
c очарованный +2/3 1,8 ГэВ/c?
Третье поколение
b прелестный ?1/3 4,5 ГэВ/c?
t истинный +2/3 171 ГэВ/c?
Антикварки такие же, только анти-.
Почему они так называются, сказано будет потом, при описании слабого взаимодействия.
Кварки являются уже полноценным таким веществом, и участвуют во всех четырех взаимодействиях.
Сильные взаимодействия могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут менять аромат.
Почему такие цвета, поколения и ароматы, в настоящий момент неизвестно, а вся модель существует на основе экспериментальных данных.
Есть альтернативные теории, которые описывают строение вещества без кварков, но более сложные и малоизвестные:
Модель Сакаты.
Барионные-антибарионные нонеты.
Космос – 23. Антиматерия
Представления об античастицах возникли довольно рано для ядерной физики, которая почти вся сформировалась в последние 100 лет (подумать только, структура атома была определена Резерфордом в 1912 году, то есть вся атомная и вся ядерная физика – это ровно сто лет!)
Уже в 1932 году обнаружен позитрон, в дальнейшем сложилось впечатление о том, что мир принципиально симметричен: каждой частице соответствует своя античастица. Однако некоторые частицы симметричны относительно самих себя, а именно – фотон, нейтральный пи-мезон, эта-мезон и прочие кварконии, хиггсовский бозон, Z-бозон, гравитон не имеют античастиц (являются античастицами к самим себе).
Античастица по отношению к частице:
1. Имеет ту же массу и спин.
2. Имеет противоположный заряд (поскольку взаимодействий известно несколько, заряд может быть как электрический, так и цветовой, а также барионное и лептонное квантовые числа).
3. При столкновении со своей частицей они могут аннигилировать (но не всегда), при этом обычно выделяется очень много энергии – в связи с этим ожидается, что если удастся получить антивещество в нормальных количествах, энергетические проблемы будут навеки решены, да и любую планету можно будет разнести на части небольшой по размерам бомбой.
В основном, их получают, сталкивая частицы между собой (разогнанные при большой энергии), поэтому стоит сейчас антивещество дико дорого (самое дорогое вещество на планете), в небольших количествах атомы антивещества уже получены, и прямо сейчас ведутся эксперименты, как антивещество относится к гравитации, крайне важные для физики в целом, так как гравитация является ее основной проблемой.
Античастицы имеются и в космических лучах, так как не все аннигилируют. Однако, что касается атомного антивещества, напоминающего наше, то есть на позитронах и антипротонах, то, конечно, при любом перемешивании с веществом, оно ёбнет со страшной силой.
В принципе, могут существовать во Вселенной массивные объекты из антивещества, пространство же там, в основном, пустое, и вероятность того, что они столкнутся с объектами из вещества, очень маленькая. Но пока никаких таких объектов не обнаружено, более того, дискутируется, а можно ли их вообще обнаружить, в условиях, когда фотон и гравитон истинно нейтральны. То есть, допустим, свет и притяжение от звезды и антизвезды вообще никак не будут отличаться.
Существует космологическая проблема, относящаяся как раз к описываемому этапу Большого Взрыва – если рождались кварки, то там должны появляться и антикварки; так вот, если бы их было строго поровну, то все вещество бы аннигилировало на фотоны, и никаких атомов бы не возникло. В связи с этим имеются разные теории насчет того, а почему этого не было. Впрочем, мне кажется, тут очередной пример смелой интерполяции того, что наблюдается на Земле в ускорителях, на то, что было при совершенно невообразимых условиях гигантской плотности, энергии и температуры. Если до сих пор непонятно, почему сами кварки-то возникли из энергии, что уж говорить про то, сколько там было антикварков, когда нам сам процесс возникновения неизвестен! Возможно, антивещество попарно возникает только у них в ускорителях, а при БЗ по каким-то неизвестным ныне законам оно вообще не возникало. Кстати, еще одна причина, почему Эйнштейн неправ: по Эйнштейну, они могут возникнуть только в равных количествах, и никак иначе. То есть, из теории ОТО прямо следует Большой Взрыв, и из нее же следует, что в результате Большого Взрыва мир никак бы не мог образоваться, так как вся возникающая материя аннигилировала бы с антиматерией, которая бы возникала строго в равных количествах.
Космос – 24. Условия Сахарова
Предназначены для объяснения явного несоответствия в ОТО, о котором я писал ранее: из ОТО следует Большой взрыв, а из БЗ следует, что атомы возникнуть не могли, потому что антиматерия и материя возникали в одинаковых размерах. В то же время, наблюдаются не только атомы, но и барионная асимметрия вселенной, то есть в наблюдаемой части мира материи явно больше, чем антиматерии (реально какие-то крохи антиматерии научились делать совсем недавно, и это страшно дорого).
В 1967 году Сахаров предложил три необходимых условия, необходимых для того, чтобы материи получалось больше, чем антиматерии:
1. Нарушение баланса барионных чисел.
2. Нарушение С-симметрии и СР-симметрии – то есть нарушения в зарядовом сопряжении, которое и есть, собственно, операция замены частицы на соответствующую античастицу (это про С). Что касается СР, то это – неинвариантность законов физики относительно операции зеркального отражения с одновременной заменой всех частиц на античастицы. Нарушение СР-симметрии экспериментально наблюдается при распадах нейтральных каонов и В-мезонов, то есть такая штука бывает, но очень редко, и крайне маловероятно, чтобы она была тогда глобальной. Но без нее не получилось бы барионной асимметрии.
3. Взаимодействия без термического равновесия. Термическое равновесие должно быть нарушено, иначе сработает CPT-инвариантность (фундаментальная симметрия физических законов при преобразованиях, включающих одновременную инверсию заряда, чётности и времени).
Сахаров показал, что текущее положение дел могло случиться только если все эти три физических равновесия, постоянно наблюдаемые в природе, случайным образом при создании мира, в самые первые описываемые доли секунды, были нарушены.
Экспериментально:
1. Нарушение баланса барионных чисел – не наблюдалось никогда.
2. Нарушение СР-симметрии – наблюдается только при распадах двух крайне редких элементарных частиц.
3. Третье условие при сверхбыстром расширении, которое было как раз в инфляционную эпоху, действительно могло быть.
Во времена Сахарова темная материя была еще не в моде, поэтому объясняли это "флуктуацией" (то есть случайностью: как-то так все совпало, что ОТО нарушилась, а после этого уже не нарушалась). Сейчас более модно объяснение через темную материю, не менее расплывчатое, потому что темная материя – дело темное.
Космос – 25. Электрослабая эпоха
Время от 10
до 10
после Большого Взрыва. К концу периода мир представляет собой кварк-глюонную плазму размером примерно с маленький мячик.
Электромагнитное и слабое взаимодействие все еще едины (разделяются к концу периода), то есть всего в это время три взаимодействия: гравитация, сильное и электрослабое (более 100 ГЭВ).
В больших количествах рождаются так называемые экзотические частицы, то есть те, которые сейчас не наблюдаются, прежде всего – бозоны W, Z и Хиггса. После отделения слабого взаимодействия W и Z бозоны быстро погибли.
Физика этого периода довольно хорошо описывается, в рамках теории электрослабого взаимодействия.
Космос – 26. W и Z бозоны, бозон Хиггса
Объединяю, потому что про W & Z будет потом, когда слабое взаимодействие отделится, это, вообще-то, его переносчики. Что имеется в виду, когда говорят, что в электрослабую эпоху эти бозоны были, но слабого взаимодействия не было, не имею понятия; вероятно, были, но не переносили взаимодействия.
Бозон как таковой определяется формально по спину (спин целый), при этом их два класса:
1. Калибровочные бозоны: переносят какое-либо взаимодействие, далее не делятся (соответственно, фотон, глюон и вот это W & Z, а также не открытый пока что гравитон). Только W-бозоны имеют электрозаряд и, соответственно, античастицы.
2. Мезоны: составной бозон из двух кварков, в принципе, тоже осуществляет сильное взаимодействие (только между протонами и нейтронами, а не между кварками). Мезонов открыто огромное количество, явно избыточное для того, чтобы связывать частицы в ядре (с чем справляется и просто пион), всякие там распады и синтезы мезонов – экзотическая часть физики элементарных частиц, и мне сдается, что там, по крайней мере, некоторые частицы возникают просто у них там, в реакторе, большой же роли в природе они не играют.
Имеются также многочисленные их классификации по разным параметрам.
Бозон Хиггса стоит как-то особняком, поскольку он элементарный, но не калибровочный. Нужен, собственно, для того чтобы появилось вещество, а не просто играла энергия, поскольку он отвечает за наличие у элементарных частиц массы (механизм Хиггса). Имеет нулевой спин. С 2012 года команда БАКа утверждает, что нашла-таки его экспериментально.
Механизм Хиггса заключается в том, что некое поле (если есть поле, то, по господствующим ныне представлениям, есть и его переносчик) препятствует движению частиц с ускорением и тем самым создает их инертность. На фотон это не действует, именно поэтому скорость света – максимальная. Поскольку масса везде есть, получается, что частицы поля Хиггса равномерно распределены во Вселенной (вроде бы это единственное во Вселенной равномерное что-то, остальное все комками).
Поскольку бозон Хиггса появился в электрослабую эпоху, только тогда физика начала походить на теперешнюю (потому что появилась масса), а до того, например, "кварки были, а массы у них не было" и тому подобное.
В связи с тем, что на БАК просили кучу денег именно для поиска хиггсовского бозона, тему сильно раскрутили.
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «Литрес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/chitat-onlayn/?art=70375366) на Литрес.
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.