Фундаментальные частицы и взаимодействия

[Цветок Помойки 0]

Итак, после недавних разговоров с некоторыми товарищами во мне вновь проснулся интерес к элементарным частицам, их свойствам, характеристикам и пр.

Хотелось бы увидеть наиболее полную их классификацию и обсудить предсказанные, но еще не открытые частицы.

И сразу вопрос у меня: объясните доступно, что такое электрослабое взаимодействие?

[Osel 0]

на urss.ru есть много хороших книг в тему.

Электрослабое? Может слабое ядерное?

[Цветок Помойки 0]

на urss.ru есть много хороших книг в тему.

Электрослабое? Может слабое ядерное?

Спасибо, гляну.

Нет, именно электрослабое. А бывает слабое ядерное? В смысле, прям так и называется?

[Osel 0]

угу. Сильное ядерное, слабое ядерное, электромагнитное, гравитационное.

[Пельмень 0]

О,боже! У меня прям балда сейчас треснет! Может, я блондин(ка)?

[Osel 0]

Пельмен, я что, так сильно отстал? :)

[Цветок Помойки 0]

Нашла:

Электрослабое взаимодействие - единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий кварков и лептонов, осуществляемых посредством обмена четырьмя частицами: безмассовыми фотонами (электромагнитное взаимодействие) и тяжелыми промежуточными векторными бозонами (слабое взаимодействие). Создана в кон. 60-х гг. С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу, А. Саламом.

[Гость DRaC00La]

Это правда так интересно? :) В этой теме я себя чувствую дауном :)

[Цветок Помойки 0]

Это правда так интересно? :) В этой теме я себя чувствую дауном :)

Это очень интересно. Темы-то как таковой еще нет)).

Ничего, все мы в чем-то чувствуем себя даунами :)

 

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Элементарные частицы, в точном значении этого термина, - это первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя.

Элементарные частицы современной физики не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку большинство из них по современным представлениям являются составными системами. Общее свойство этих систем заключается в том. Что они не являются атомами или ядрами (исключение составляет протон). Поэтому иногда их называют субъядерными частицами.

Частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, иногда называют "истинно элементарные частицы".

Первой открытой элементарной частицей был электрон. Его открыл английский физик Томсон в 1897 году. Первой открытой антицастицей был позитрон - частица с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Это античастица была обнаружена в составе космических лучей американским физиком Андерсоном в 1932 году.

В современном физике в группу элементарных относятся более 350 частиц, в основном нестабильных, и их число продолжает расти.

Если раньше элементарные частицы обычно обнаруживали в космических лучах, то с начала 50-х годов ускорители превратились в основной инструмент для исследования элементарных частиц. Микроскопические массы и размеры элементарных частиц обусловливают квантовую специфику их поведения: квантовые закономерности являются определяющими в поведении элементарных частиц.

Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - это способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. Все процессы с элементарными частицами протекают через последовательность актов их поглощения и испускания

Различные процессы с элементарными частицами заметно отличаются по интенсивности протекания.

В соответствии с различной интенсивностью протекания взаимодействия элементарных частиц феноменологически делят на несколько классов: сильное, электромагнитное и слабое. Кроме того, все элементарные частицы обладают гравитационным взаимодействием.

[Maksim 0]

Это очень интересно. Темы-то как таковой еще нет)).

Ничего, все мы в чем-то чувствуем себя даунами :)

Ты-то себя дауном не ощущаешь?:) АГА?

[Цветок Помойки 0]

Ты-то себя дауном не ощущаешь?:)

Ощущаю. И чего ты мне свой долбанный яндекс пихаешь?

 

 

Сильное взаимодействие элементарных частиц вызывает процессы, протекающие с наибольшей по сравнению с другими процессами интенсивностью и приводит к самой сильной связи элементарных частиц. Именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов.

Электромагнитное взаимодействие отличается от других участием электромагнитного поля. Электромагнитное поле (в квантовой физике - фотон) либо излучается, либо поглощается при взаимодействии, либо переносит взаимодействие между телами.

Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь ядер и электронов в атомах и молекулах вещества, и тем самым определяет (на основе законов квантовой механики) возможность устойчивого состояния таких микросистем.

Слабое взаимодействие элементарных частиц вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в том числе распады квазистабильных частиц.

Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия, но гораздо сильнее гравитационного.

Гравитационное взаимодействие элементарных частиц является наиболее слабым из всех известных. Гравитационное взаимодействие на характерных для элементарных частиц расстояниях дает чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц.

[Maksim 0]

И чего ты мне свой долбанный яндекс пихаешь?

Я не гендеректор яндекса;) а пихаю, чтоб ты хоть источник указывала.

[Osel 0]

а разве теория единого поля подтверждена экспериментально?

[Цветок Помойки 0]

Я не гендеректор яндекса;) а пихаю, чтоб ты хоть источник указывала.

Брала с рамблера, ссылку не сохранила.

 

Слабое взаимодействие гораздо сильнее гравитационного, но в повседневной жизни роль гравитационного взаимодействия гораздо заметнее роли слабого взаимодействия. Это происходит потому, что гравитационное взаимодействие (как, впрочем, и электромагнитное) имеет бесконечно большой радиус действия. Поэтому, например, на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитационное притяжение со стороны всех атомов, из которых состоит Земля. Слабое же взаимодействие обладает настолько малым радиусом действия, что он до сих пор не измерен.

В современной физике фундаментальную роль играет релятивистская квантовая теория физических систем с бесконечным числом степеней свободы - квантовая теория поля. Эта теория построена для описания одного из самых общих свойств микромира - универсальной взаимной превращаемости элементарных частиц. Для описания такого рода процессов требовался переход к квантовому волновому полю. Квантовая теория поля с необходимостью является релятивистской, поскольку если система состоит из медленно движущихся частиц, то их энергия может оказаться недостаточной для образования новых частиц с ненулевой массой покоя. Частицы же с нулевой массой покоя (фотон, возможно нейтрино) всегда релятивистские, т.е. всегда движутся со скоростью света.

 

 

а разве теория единого поля подтверждена экспериментально?

Вроде бы нет. Но здесь много вещей экспериментально не подтверждены, к сожалению.

[Maksim 0]

Вроде бы нет. Но здесь много вещей экспериментально не подтверждены, к сожалению.

Почему к сожалению? Может к радости.

Для этого опыты и ставяться, чтоб или подтвердить или оправергнуть.

[Osel 0]

Вот в этом и проблема.

Существует интересное мнение в среде православных богословов. Оно заключается в том, что наука вообще НЕ познает мир. Наука создает МОДЕЛИ мира. Причем правильной моделью (теорией) является не та, которая адекватно описывает реальность, а та, которая позволяет двигаться дальше.

Вообще говоря, немецкий математик Гёдель сформулировал и доказал свою вторую теорему, которая в принципе ставит крест на науке как инструменте адекватного познания и описания мира.

[Цветок Помойки 0]

Вот в этом и проблема.

Существует интересное мнение в среде православных богословов. Оно заключается в том, что наука вообще НЕ познает мир. Наука создает МОДЕЛИ мира. Причем правильной моделью (теорией) является не та, которая адекватно описывает реальность, а та, которая позволяет двигаться дальше.

Вообще говоря, немецкий математик Гёдель сформулировал и доказал свою вторую теорему, которая в принципе ставит крест на науке как инструменте адекватного познания и описания мира.

Кстати, о моделях. Физики только делают, что строят модели. Идеальный газ, планетарная модель атома и т.д.

А что там с теоремой Гёделя, просветите?

Помню, что наша учительница физики говорила:

поле переходит в энергию, и наоборот. Тот, кто составит уравнение перехода, тот и построит окончательную МОДЕЛЬ. Во всяком случае, на данной ступени развития науки.

[Osel 0]

"Невозможно построить непротиворечивую модель формальной системы средствами самой системы."

 

Есть, конечно, и строго научная формулировка теоремы.

Окончательную модель построить НЕВОЗМОЖНО. ПОтому как ЛЮБАЯ наука - и богословие не исключение - базируется на исходных постулатах, аксиомах, в догословии - догмах.

Как говорил ФИлон АЛександрийский - "Первопричина определения не имеет". Кстати, этот человек ВПЕРВЫЕ предложил модель апофатического богословия, развивая которую пришел к настолько потрясающим выводам, что, по сути, повторил научное открытие Аристотеля.

[Цветок Помойки 0]

"Невозможно построить непротиворечивую модель формальной системы средствами самой системы."

 

Есть, конечно, и строго научная формулировка теоремы.

Окончательную модель построить НЕВОЗМОЖНО. ПОтому как ЛЮБАЯ наука - и богословие не исключение - базируется на исходных постулатах, аксиомах, в догословии - догмах.

Как говорил ФИлон АЛександрийский - "Первопричина определения не имеет". Кстати, этот человек ВПЕРВЫЕ предложил модель апофатического богословия, развивая которую пришел к настолько потрясающим выводам, что, по сути, повторил научное открытие Аристотеля.

Что-то мы ушли совершенно не в ту степь :) Теорему данную вспомнила.

 

Универсальный способ ведения всех взаимодействий, основанный на калибровочной симметрии, дает возможность их объединения.

Квантовая теория поля оказалась наиболее адекватным аппаратом для понимания природы взаимодействия элементарных частиц и объединения всех видов взаимодействий.

Квантовая электродинамика - та часть квантовой теории поля, в которой рассматривается взаимодействие электромагнитного поля и заряженных частиц (или электронно-позитронного поля).

В настоящее время квантовая электродинамика рассматривается как составная часть единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий.

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействия все изученные элементарные частицы, за исключением фотона, разбиваются на две основные группы - адроны и лептоны.

[LinT 0]

украдено у Энторнета

 

 

Часть 1. Введение в предмет

 

Концепция дополнительных измерений в физике элементарных частиц К.ф.м.н М. В. Савина

 

Почему вообще кому-либо может придти в голову рассматривать теорию с дополнительными измерениями? (Когда мы говорим "дополнительные измерения", это означает, что мы рассматриваем теорию в пространстве-времени, размерность

которого больше обычных 4, и все дополнительные измерения

считаются пространственными). Оказывается, это делается потому, что таким образом можно обеспечить элегантный математический подход к описанию гравитации,

электромагнетизма и остальных ныне известных сил Природы с единой точки зрения. Одной из наиболее притягательных и возбуждающих, но, одновременно, и наиболее трудных и

фундаментальных задач современной теоретической физики является нахождение "единого" способа описания всех сил, действующих во Вселенной, а также адекватного сценария рождения и последующей эволюции самой Вселенной как целого.

Хотя стандартная модель весьма преуспела в описании большинства явлений, которые можно наблюдать на существующих ускорителях, остается множество открытых вопросов, касающихся фундаментальной природы Вселенной, например: - откуда берутся

четыре известных типа взаимодействий? - почему мы наблюдаем различные типы частиц? - почему эти частицы имеют такие значения масс и зарядов? - почему мы живем в четырехмерном мире? (или, вместо этого, можно спросить так: а действительно

ли мы живем в четырехмерном мире, или, может быть, число измерений пространства-времени вовсе не равно 4, а равно 5, 6.., но мы способны ощущать только присутствие четырех из них в нашей обычной жизни?) - какова природа пространства-времени

и гравитации? Весьма похоже, что теория струн или какая-нибудь более общая теория, например, М-теория, сможет в будущем обеспечить ответы на все эти вопросы. В отличие от обычной квантовой теории поля, базовым объектом в теории струн является фундаментальная (супер)струна, имеющая только лину и не имеющая толщины. Струна может быть открытой или замкнутой (маленькое колечко), и она содержит спектр

возбуждений, как и в случае обычной гитарной струны. Эти возбуждения ассоциируются с частицами, причем для замкнутой струны существует возбуждение со спином 2, которое может быть ассоциировано с гравитоном, так что теория струн естественным образом содержит гравитацию. Однако для этой приятной картины существеннен один момент: суперструны живут в 10-мерном пространстве-времени (т.е. мы можем построить

самосогласованную непротиворечивую теорию струн только в пространстве-времени такой размерности), но в жизни мы наблюдаем 4-мерное пространство-время. Следовательно, если теория струн действительно описывает реальную Вселенную, мы должны найти какой-нибудь способ спрятать "лишние" шесть измерений или обеспечить отсутствие вклада от этих измерений в наблюдаемую физическую картину. Существуют два способа

сделать это. Первый способ отсылает нас к очень старой идее, датированной 20-ми годами прошлого столетия, впервые предложенной в работах Калуцы и Кляйна, которые они выполнили независимо друг от друга. Этот механизм часто называют теория Калуцы-Кляйна или компактификация. Для того, чтобы спрятать дополнительные измерения, мы сворачиваем их до малого компактного пространства (сферы или более сложного по

структуре пространства). Если размер этого компактного пространства порядка струнного масштаба (10-33 см), то мы не сможем зарегистрировать какие-либо сигналы, свидетельствующие о присутствии дополнительных измерений, непосредственно,

например, с помощью ускорителя частиц - настолько они малы.

 

Тогда мы возвращаемся к нашему обычному эффективно (3+1)-мерному миру, но к каждой точке которого прикреплен крохотный "пузырек" 6-мерного компактифицированного

пространства. Второй способ решения проблемы лишних измерений был предложен совсем недавно, около семи лет назад, и этот подход сейчас является очень популярным и быстпо

прогрессирующим. Основная идея в этом подходе заключается в том, чтобы не сворачивать дополнительные измерения, а оставить их большими (или бесконечно большими), но наложить ограничение, что наша обычная материя (все частицы и

поля-переносчики взаимодействий, кроме гравитона) может жить только на трехмерном подпространстве, называемом три-браной.

 

Теории такого типа называются мирами на бранах. В нашей лекции мы затронем оба типа сценариев, с преимущественным акцентом на сценариях второго типа. Мы увидим, что в отличие от сценариев с компактификацией, когда мы не можем почувствовать исходную нетривиальную структуру пространства-времени до тех пор, пока мы не поднимемся по

энергии до планковского масштаба (1019 ГэВ), в сценариях с бранами мы получаем конкретные экспериментальные предсказания, такие, как модификация закона Ньютона на малых асстояниях, рождение новых частиц и некоторые другие новые эффекты, которые можно наблюдать на ускорителях. Мы обсудим детально исходные физические принципы и возможные экспериментальные следствия и сигналы новой физики с дополнительными измерениями для ряда сценариев с бранами. Также мы поговорим о возможности наблюдения этих сигналов на будущих и существующих ускорителях и о существующих

экспериментальных ограничениях на сигналы новой физики.

 

 

Часть 2. Краткое изложение

 

Не стоит отчаиватся, физика в той части которая более или

менее понятна, может быть объяснена на довольно простом уровне. Как любят

говорить "на пальцах". В частности для объяснения сути общей теории относительности нужно иметь всего лишь муравья и яблоко.

 

Однако когда еще в какой то области не все понятно и задача еще не решена, а решить очень хочется, то выдвигается и анализируются различные подходы. Но при этом и сами физики еще сами не имеют ясности что есть что. Простейший пример. Что есть электрон? Ответа на этот вопрос до сих пор не существует.

 

Теперь немного фактов.

 

1. В начала прошлого века Эйнштейном была выдвинута идея, что взаимодействие двух тел может быть описано без привлечения идей существования сил. Просто тело видоизменяет свойства окружающего пространства таким образом, что наиболее короткое расстояние между двумя точками лежит на кривой. Посмотри как двигается муравей возле черенка яблока. Это то, что называют сейчас общей теории относительности.

 

2. Далее вы наверное слыхали о факте, что скорость электромагнитного взаимодействия конечна. Это повлекло за собой идею что время и пространство не являются независимыми, а могут быть представлены, как некоторое 4 мерное пространство обладающее довольно простыми свойствами.

Предположение об однородности такого пространства приводит к специальной теории относительности. Формально это выражается в том, что физические законы должны быть одинаковы в системах координат, которые повернуты относительно друг друга в этом 4-х мерном пространстве.

 

3. Следующий этап. Опять в начале прошлого века было установлено, что при взаимодействии энергия передается порциями - квантами. Предполагая универсальность 2, необходимо построить теория которая описывает 3 удовлетворяя и 2. Тут и начался грандиозный цирк. Дело в том, что в таких теориях есть чисто математическая проблема. Там появляется интеграл от 1/x который расходится. Но придумали трюк, связанный с введение нормировки, которая предотвращает эту расходимость. Это удалось сделать для сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия. Для гравитационного не получается. Теория струн позволяет обойти эту расходимость, постулируя

существование минимального расстояния. Насколько это справедливо, покажет

будущее. В настоящее время исследования в физике высоких энергии не

очень хорошо финансируются. Пока это- типа игры "в бисер"- самоценно и интересно, даже если это привлекательный тупик. Наш опыт ограничен небольшим временем и пространством.

 

 

Часть 3. Просто о сложном

 

Цирк действительно начался с Общей Теории Относительности и новых открытий в физике, в том числе, квантовой теории. Как оказалось электроны и фотоны . большие шутники и ведут себя совсем не так, как предполагалось: если за ними наблюдают, то они сворачиваются в частицы и ведут себя прилично, а если не наблюдают, то занимаются интерференцией и ведут себя как волны. Эйнштейн шутил по поводу того, что электроны обладают телепатией, Райт (Wilbur Wright) предположил, что они ведут себя как живые, а Бор сказал, что не надо так много фантазировать, достаточно предположить, что фотоны и электроны являются "волнами вероятности" (waves of probability) и что неопределенность (uncertainty) является частью субатомных уровней. А Гейзенберг (Heisenberg) назвал это Принципом Неопределенности (Uncertainty Principle), суть которого в том, что нельзя измерить одновременно скорость и позицию электрона. Это расстроило Эйнштейна . "Бог не играет в кости" (.God does not play dice.). У ученых тогда хватило сообразительности и они пришли к выводу о том, что это не фотоны c электронами виноваты, а детекторы (приборы, которыми пользовались экспериментаторы) и несовершенство в методиках наблюдений. В итоге, все уперлись в необходимость создания новых научных моделей, решения уравнений Эйнштейна, которые описывают всю Вселенную (микро- и макро уровни стали одним) и создания "новой" математики для их решения.

 

***

Согласно Общей Теории Относительности (ОТО) время и трехмерное пространство являются одной четырехмерной системой . .пространство-время. (space-time). ОТО инкорпорирует гравитационный эффект, утверждая, что распределение материи и энергии во Вселенной изгибает и искажает пространство-время.

Объекты в этом пространство-времени пытаются двигаться по прямой, но из-за того, что пространство искривлено, их траектория движения тоже кажется искривленной. ОТО, которая подтверждается большим количеством экспериментов, говорит о том, что время и пространство неразрывно связаны. Нельзя изогнуть пространство, не изогнув при этом времени. Согласно ОТО, это изогнутое пространство-время не является пассивным фоном на котором разыгрываются события, а, наоборот, активным участником происходящего.

 

По теории сэра Ньютона, время и пространство связаны не были, время было бесконечно в обоих направлениях и независимо от пространства. Философ Кант предполагал, что время имело смысл и значение независимо от Вселенной. Возникал вопрос: чем занимался Бог до создания Вселенной? Как заметил Святой Августин, не стоит об этом шутить, а кто-то ещё добавил, что Бог был занят созданием ада для тех, кто задает слишком много вопросов. Однако, это была серьезная проблема и занимала многих на протяжении веков. Согласно Св. Августину, прежде чем Бог создал Вселенную, он ничем не занимался вообще. Это утверждение очень близко современным идеям.

 

Однако в ОТО, время и пространство не существуют независимо от Вселенной и друг от друга. Они определены измерениями внутри Вселенной, например . количество вибраций кристалла кварца в часах или длина линейки. Вполне допустимо, что время, определенное внутри Вселенной, должно иметь максимальное и минимальное значения . другими словами, начало и конец. Было бы бессмысленно спрашивать о том, что было до начала или после окончания, потому что было бы неопределимо. И стало важно понять, конечны или нет время и пространство согласно ОТО.

 

Основное предубеждение теоретических физиков, включая Эйнштейна, заключалось в том, что время бесконечно в обоих направлениях. Они больше всего не любили вопросы, связанные с созданием Вселенной, потому что им казалось, что такие вопросы находятся вне компетенции науки. Все были заняты решением уравнений Эйнштейна, которые описывали Вселенную.

Считалось, что в реальном физическом теле, при его падении под влиянием его собственной гравитации, давление и косвенные скорости (sidewаys velocities) предотвращают скопление всей материи в одной точке, в одном месте, где плотность стала бы бесконечной. Соответственно, говорит Хоукинг, если бы мы попытались проследить историю расширения Вселенной от нынешнего момента назад во времени, мы бы нашли, что не вся материя Вселенной появилась из этого места с бесконечной плотностью. Такое место бесконечной плотности материи (называется сингулярность) и было бы началом или концом времени.

 

Были решения, в которых время имело начало и конец, но все ни были очень специфичны и очень симметричны. В 1963 году двое Советских ученых, Евгений Лившиц и Исаак Халатников, объявили о том, что они доказали, что все решения уравнений Эйнштейна с сингулярностью имеют специальные оговорки для материи и скоростей. Однако, вероятность того, что решение уравнений, описывающих всю Вселенную будет иметь такие специальные оговорки было практически равно нулю. Почти все решения, которые могли бы представить Вселенную, избегали бы сингулярность с бесконечной плотностью. Потому что, перед началом фазы, во время которой Вселенная расширялась, должна

была быть фаза, когда она уменьшалась, т.е. материя, материальные объекты "собирались" вместе, без столкновений, а потом начали "расходиться" в нынешнюю фазу расширения. Если бы это было так, то время бы проложалось вечно, из бесконечного прошлого в бесконечное будущее.

 

Не все физики согласились с Лифшицем и Халатниковым. Роджер Пенроуз и Стивен Хоукинг, базируясь не на тщательном изучении решений, а на глобальной структуре пространство-времени, предположили, что в ОТО пространство-время изогнуто (или

завихрено) не только массивными материальными объектами, но и их энергией. Энергия всегда положительна, то есть, она изгибает пространство-время таким образом, что пути световых лучей изгибаются в направлении к друг другу. Пенроуз и Хоукинг смогли доказать, что в математической модели ОТО время началось с того, что называется Большим Взрывом (Big Bang). Соответственно, у времени мог бы быть и конец, когда звезды или галактики схлопываются под влиянием собственной гравитации и формируют черные дыры.

 

Реакция на работу Пенроуза и Хоукинга была, как вы сами понимаете, неоднозначная. многие физики осерчали, а верующие в Бога и их самые главные представители жутко обрадовались. Потому что узрели научное доказательство существования Бога. Лифшиц же с Халатниковым оказались в неловкой ситуации, но вышли из неё достойно . они обнаружили более общую группу решений с сингулярностью, не столь специфичную, как их прежние. Это позволило нашей родине, СССР объявить, что сингулярность, начало и конец времени . были открыты в Советском Союзе.

 

Цирк продолжался. большинству физиков очень не понравилась идея о конечности времени. Они отметили, что математическая модель вряд ли может быть хорошим описанием пространство-времени вблизи сингулярности. Кстати, причина, по которой ОТО относится к классическим теориям заключается в том, что она, описывая гравитацию, не включает в себя принцип неопределенности квантовой теории, которая управляет всеми

известными нам силами. Этот недостаток ОТО почти не влияет на бОльшую часть вселенной, потому что шкала искривления пространство-времени огромна, а шкала на которой имеет значение квантовый эффект ничтожно мала. Однако, около сингулярности, эти две шкалы становятся сопоставимыми, и эффект квантовой гравитации налицо. Вывод: теория Пенроуза-Хоукинга говорит вовсе не о существовании Бога, а о том, что классические регионы пространство-времени связаны с прошлым и, возможно, с будущим посредством регионов, в которых квантовый гравитационный эффект имеет большое

значение.

 

 

Часть 4. Опыт научного бреда :)

 

Теперь небольшое отступление в сторону, чтобы дойти до струнных теорий, давайте вспомним о квантовой теории гравитации (за терминологию я опять извиняюсь. Пожалуйста, поправляйте.)

 

В 1865 году британский физик Максвелл объединил известные законы электричества и магнетизма. Его теория была основана на существовании полей, которые могли вызывать изменения в силовых линиях, пронизывающих окружающее пространство, т.е. должны существовать импульсы (или волны), распространяющиеся в среде. Скорость распространения этих волн (электромагнитного возмущения) зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости среды и равна отношению электромагнитной единицы к электростатической. Максвелл пришел к грандиозному выводу о том, что все электромагнитные волны всех частот движутся через пространство с постоянной скоростью . ?скорости света.

 

В 1900 году Макс Планк сообщил миру о том, что световая энергия выделяется не постоянным потоком, а маленькими порциями, которые он назвал квантами. На основе этой гипотезы он вывел закон теплового излучения (закон Планка). Ввел фундаментальную физическую константу . постоянную Планка, без которой невозможно описание свойств атома и других квантовых систем. Однако, значение его открытия не было полностью

понято до двадцатых годов прошлого столетия, до тех пор, пока Вернер Гейзенберг не осмыслил открытия Планка и не сформулировал свой Принцип Неопределенности.

 

Квантовые теории атома и подобных ему систем с конечным числом частиц, были сформулированы в двадцатые годы Гейзенбергом, Шредингером и Дираком. Однако, у них возникли проблемы, когда они попытались применить свои идеи в электро-магнито-световых полях Максвелла. Математические расчеты очень коротких колебаний в полях Максвелла указывали на то, что масса и энергия электрона бесконечны, а это противоречило наблюдениям.

 

В сороковые годы, выходит на сцену взломщик сейфов, любитель балета, открыватель тайн иероглифов Майя, барабанщик и создатель бомбы - несравненный Ричард Филлипс Фейнман сотоварищи, Джулианом Швинглером и Синъитирой Томонаги, и они начинают (независимо друг от друга) .вычитать. бесконечности, чтобы иметь дело только с конечными величинами массы и энергии электрона. Схемы вычитания более или менее работали для полей Янга-Миллса (физики Янг и Миллс продвинули теорию Максвелла, обнаружив связь между геометрией и физикой элементарных частиц. Они искали путь к объединению теорий электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий). В 1949

Фейнман разработал способ объяснения возможных превращений частиц . т.н. диаграммы Фейнмана (позитроны рассматривались как электроны, движущиеся вспять во времени). Заработал принцип симметрии.

 

Тем не менее, даже самые слабые колебания волн имели серьезное значение для квантовой теории гравитации, каждая волна имеет энергию в состоянии, стремящимся к покою. Волны могут быть как угодно коротки в Максвелловых полях, существует бесконечное разнообразие длины волн в любом регионе пространства-времени и бесконечное количество их слабых колебаний. Так как плотность энергии (как и материи) является источником гравитации, это должно было бы означать, что во вселенной существует достаточное количество гравитационного притяжения для завихрения пространство-времени в одну точку, а этого не происходило.

 

Можно было решить проблему расхождения теории с реальностью, объявив, что очень слабые колебания не имеют гравитационного эффекта, но это бы не сработало. Энергия нулевых и очень слабых колебаний обнаруживалась с помощью эффекта Казимира. В

качестве другого решения проблемы можно было принять космологическую константу Эйнштейна, которую он предложил в попытке выстроить статическую модель вселенной. Если у этой константы было бесконечно отрицательное значение, она бы аннулировала бесконечно положительную величину энергии нулевых и слабых колебаний в пространстве. Однако, эта константа была случайной, её нужно было бы .настраивать. с

невероятной точностью.

 

К счастью, в 70-е годы появился абсолютно новый вид симметрии, который обеспечил естественный физический механизм для устранения бесконечностей сверх слабых колебаний . суперсимметрия. Суперсимметрию можно описывать по-разному: она приводит к объединению сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий, решает проблему иерархий (одновременное существование больших и малых масштабов) и является способом выражения дополнительных измерений пространства-времени. Имеются в виду так называемые измерения Грассмана (the Grassman dimentions), которые измеряются не в обычных числах, а в переменных Грассмана. При умножении обычных чисел порядок

чисел значения не имеет 4?6=6?4. А у переменных Грассмана x?y = -y?x. Впервые суперсимметрию применили в материальных полях Янга-Миллса, где пространство-время и переменные Грассмана не были искривлены. Но было естественно продолжить экспериментировать с искривленными обычными числами и переменными Грассмана.

 

В результате появилось несколько теорий супергравитации, с разным количеством суперсимметрии. Одно из последствий суперсимметрии . положение о том, что каждое поле или частица имеет .суперпартнера. cо спином либо 1/2 больше, чем данное поле или частица, либо 1/2 меньше. То есть, возникло предположение о существовании нового семейства частиц. Энергия слабых бозонов (полей с целочисленным спином 0, 1, 2

и т.д.) положительна. С другой стороны энергия слабых фермионов (полей, у которых полуцелым спином 1/2, 3/2 и т.д.) отрицательна. Так как существует одинаковое число бозонов и фермионов, в теориях супергравитации самые большие бесконечности друг друга исключают. Но всё же была вероятность того, что какие-то крошечные количества

оставались. Понятное дело, что ни у кого не было терпения сидеть и рассчитывать, были ли эти теории безоговорочно конечны. Тем не менее, до 1985 года очень многие верили, что

большинство теорий суперсимметричных гравитаций были избавлены от бесконечности.

 

 

Часть 5. Теория струн

 

А потом всё внезапно изменилось. Физики вдруг решили, что нет никакой причины ожидать конечности от суперсимметричных теорий, то есть все эти теории были ущербны. Вместо них физики нам предложили совсем дерзкую теорию суперсимметричных струн, которая объединяла гравитацию с квантовой теорией, претендовала на единое описание всех сил природы, и требовала суперсимметрии для непротиворечивости и устойчивости. При

этом суперсимметрия позволяла получить точно решаемые модели без использования теории возмущений, что само по себе было нетривиально.

 

Физики объявили нам, что только струнные теории есть ответ всему с точки зрения квантовой физики...

 

В теории струн протагонистами являются не частицы, которые могут находиться только в одной точке пространства в единицу время, а струны. Эти струны могут иметь два конца (открытые), а могут быть замкнутыми, без начала и конца. Эти квантовые струны интересны тем, что они одномерны . у них есть только длина, а жить они любят в 10-11 пространственно-временных измерениях. И эти загадочные струны пронизывают всё, двигаясь как фон через пространство-время.

 

Струна из теории струн поддерживает определенные вибрационные формы (patterns) или резонирующие частоты, длина которых точно равна длине струны. Но, если разные резонансные частоты струн гитары или скрипки вызывают к жизни разные музыкальные

звуки, колебания струны из теории струн вызывают разные массы и силовые заряды, которые интерпретируются как фундаментальные частицы. Грубо говоря, чем меньше колебания струны, тем больше масса частицы.

 

Если у квантовых струн есть измерения Грассмана в дополнение к их обычным пространственным измерениям, то эти слабые колебания будут соотноситься с бозонами (силой) и фермионами (материей). То есть, позитивные и негативные сила и материя взаимоисключат друг друга настолько точно, что не будет никакой бесконечности. Суперструны, объявили нам физики, есть. Теория Всего (Theory of Everything -TOE).. Несколько лет после такого заявления, теории струн и суперструн были очень модны, а теории супергравитации стали Золушками по причине того, что были аппроксимациями, которые могут быть полезны только при слабых взаимодействиях. И сам термин .слабые взаимодействия. считался немного ругательным.

 

Рассуждали так: если теории супергравитации были всего лишь аппроксимацией слабых энергий, то они никак не могли быть фундаментальной теорией вселенной. Вместо этого, такой теорией, по предположению физиков, была одна из пяти суперструнных теорий. Но возникал вопрос . которая из этих пяти описывает нашу вселенную? И как можно сформулировать струнную теорию, чтобы она не была аппроксимацией, в которой струны представлены как поверхности с одним временным измерением двигающимиеся через плоское фоновое пространство-время? Не будут ли они его искривлять?

 

 

Часть 6. А вот и браны.

 

Постепенно стало очевидно, что струнная теория не дает полной картины мира. Физики додумались до того, что струны представляли всего лишь один объект из большого класса

возможных объектов, которые могут простираться в нескольких измерениях. Британский физик Пол Таунсенд (Paul Townsend) проделал фундаментальную работу по таким объектам и назвал их пи-бранами (p-branes). Пи-брана имеет длину в p измерениях.

Если р=1, то брана является струной, а если р=2, то мы имеем дело с мембраной, и т.д.

 

Тут физикам подумалось, что нету резона предпочитать р=1 (струны) другим возможным значениям р. Вместо этого, предположили они, стоит следовать принципу пи-брановой

демократии. Все пи-браны имеют равные возможности, все пи-браны могут быть решением для уравнений теорий супергравитации в 10 и 11 измерениях. Хотя, десяти и одиннадцати-мерные пространства кажутся нам экзотикой.

 

До работ Таунсенда существовала только одна интерпретация таких объектов, когда 6-7 .лишних. измерений считались свернутыми, причем их радиус настолько мал, что мы не ощущаем их. Мы воспринимаем только оставшиеся четыре больших и почти плоских измерения. Однако, в последние годы физики заговорили о том, что .лишние. измерения могут быть и некомпактны, а причина, по которой мы их не замечаем, состоит в том, что мы как бы находимся в потенциальной яме и не можем выйти в новые измерения. При этом подходе обычное пространство-время (4-х мерная система) образует суперповерхность в многомерном пространстве . брану, и все взаимодействия и материальные

объекты локализованы на бране, и только гравитация + иногда некоторые другие силы, могут существовать во всем объеме. Проявлением .лишних. измерений в этом случае служит модификация закона тяготения сэра Ньютона.

 

Существуют ли в самом деле эти дополнительные измерения или нет, никто не знает. Нет ни одного эксперимента, который бы подтвердил или опроверг их существование. Единственный вопрос, который задают себе сейчас теоретики - это .дают ли математические модели с этими дополнительными измерениями приемлемое описание вселенной?. Многие физики убеждены, что эти модели с дополнительными измерениями заслуживают серьезного внимания по той причине, что существует странная сеть неожиданных двойственных взаимоотношений (dualities) между этими моделями. Эти двойственности указывают на то, что все модели равны по значимости и описывают различные проявления одной фундаментальной теории, которую назвали М-Теорией (Мать Всех Теорий; M-theory - The Mother of All Theories).

 

Эти двойственности ещё говорят о том, что существующие уперструнные теории писывают одну и ту же физическую реальность что и теория супергравитациии и по важности эквивалентны ей. Нельзя утверждать, что теории суперструн более фундаментальны, чем теория супергравитации и наоборот. Скорее, они все составляющие одной и той же фундаментальной М-теории, и описывают разные её аспекты. Каждая из этих составляющих используется для описания различных типов ситуаций. Так как теории струн не имеют бесконечности, они годятся для ситуаций, в которых сталкиваются и отталкиваются несколько сильнозаряженных частиц, однако они бесполезны в ситуациях, когда речь идет о большом количестве частиц, которые искривляют вселенную или формируют черную дыру. Для таких ситуаций нужна теория супергравитации, которая по сути является теорией Эйнштейна об искривленном пространстве-времени + дополнительная материя.

 

Перевод описания всех струнных теорий:

 

Бозоновая - 26 измерений . только бозоны, то есть только сила, никакой материи, открытые и замкнутые струны.

Недостаток . частицы с воображаемой массой (тахион . tachyon - сверхсветовая гипотетическая частица, движущаяся быстрее, чем свет в пустоте)

1. 10 измерений . суперсимметрия между материей и силой, открытые и замкнутые струны, никаких тахионов, групповая симметрия SO(32)

2А. 10 измерений - суперсимметрия между материей и силой, только замкнутые струны, тахионы, фермионы без массы вращаются в обоих направлениях.

2В. 10 измерений - суперсимметрия между материей и силой, только замкнутые струны, тахионы, фермионы без массы вращаются в одном направлении.

НО. 10 измерений - суперсимметрия между материей и силой, только замкнутые струны, никаких тахионов, гетерозис (имеется в виду, что движущиеся влево струны отличаются от движущихся вправо), групповая симметрия SO(32)

НЕ. 10 измерений - суперсимметрия между материей и силой, только замкнутые струны, никаких тахионов, гетерозис, групповая симметрия E8 x E8.

 

Вот, такова ситуация на сегодняшний день. Заключение: при всей своей гениальности, физики продолжают двигаться по кругу. Как и метафизики с лириками. Главными героями в

романах физиков по-прежнему являются сэр Ньютон и Эйнштейн.

 

 

Часть 8.

Отдельные информационные сообщения

 

Super-WIMPs: темная материя может оказаться необнаружимой в принципе

 

Исследователи, зарывшиеся глубоко под землю в поисках следов неуловимой темной материи (которая, как теперь уверены почти все астрофизики, абсолютно преобладает над "нормальным" веществом во Вселенной), могли бы добиться большего успеха по

сравнению с теми, кто привычно обращает взор в поисках невидимых объектов к небесам. Но, вероятно, и у них не получится ничего найти... Мы живем в занимательное время -

хотя общее количество темного вещества известно довольно точно, его идентификация остается невозможной.

 

Джонатан Фенг (Jonathan Feng) и его коллеги из Калифорнийского университета в Ирвине (University of California at Irvine) считают, что около 90 % всей материи Вселенной не просто скрывается в виде "не испускающего свет" вещества, а содержится в форме частиц, названных super-WIMPs (или SWIMPs, superweakly interacting massive particles - сверхслабовзаимодействующие массивные частицы - новый класс небарионной холодной скрытой материи), перед которыми, в отличие от "просто" WIMPs, совершенно бессильны все известные способы обнаружения темного вещества.

 

Справка: WIMPs

 

Большое количество физиков убеждено в том, что скрытая масса аключена в основном в элементарных частицах (аксионах, фотино, нейтрино, нейтралино, гравитино и других космино). Экспериментальные установки могут быть модифицированы так, чтобы стало возможным изучить некоторые из частиц темного вещества. Предполагается, что, когда интенсивный поток WIMPs пролетает через кристалл из германия и кремния, часть частиц

будет изредка попадать в ядро кристаллической решетки, и решетка начнет вибрировать из-за толчков, поскольку WIMPs, по расчетам, должны иметь массу примерно такую же, как атом. Какая-то часть импульсов будет передана электронам в кристалле, заставляя их перескакивать. Каждый кристалл смонтирован со свинцовой батареей, и эффект наблюдается посредством помещения в него электрического поля и измерения потока заряда - метод, известный как ионизационное обнаружение. Один кристалл весом 900 г может испытать от 1 до 1000 взаимодействий с WIMPs каждый день, независимо от

природы WIMPs.

 

Источник: Природа невидимой (скрытой) массы (материи)

 

В настоящее время едва ли не самым вероятным подозреваемым на роль завладевших нашим миром невидимок, "умаляющих достоинство" "традиционных" звезд и галактик, считается WIMPs - слабовзаимодействующие с обычным веществом массивные частицы ("вимпсы"). Они тяжелее протонов и нейтронов, из которых, собственно, и состоят ядра всех атомов, и поэтому способны взаимодействовать с ними посредством гравитации.

Никаким другим образом оказывать влияние на нормальное вещество они не способны вообще.

 

В надежде зафиксировать очень редкие столкновения между WIMPs и нормальными частицами физики из Европы и США устанавливают датчики глубоко под землю, ограждая их таким образом от космических лучей, способных исказить картину. Но эти усилия могут оказаться бесплодными, предупреждают авторы нового исследования. Ведь предсказанные ими новые super-WIMPs взаимодействуют с веществом столь слабо, что могут считаться не только невидимыми, но и необнаружимыми. "Super-WIMPs невозможно обнаружить непосредственно, не помогут и эксперименты, основанные на получении каких-либо косвенных данных", - печально констатируют изобретатели этого новоявленного чуда-юда.

 

Впрочем, авторы все-таки оставляют один лучик надежды для неутомимых охотников за темной материей. Свидетельством существования super-WIMP, а следовательно, и темной материи было бы выделение в некотором энергетическом диапазоне аномально большого количества гамма-лучей, пронизывающих все пространство. Диффузный спектр гамма-лучей в настоящее время измеряется спутником INTEGRAL (International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory - Международной астрофизической лабораторией гамма-излучения), который был запущен с Байконура и эксплуатируется Европейским космическим агентством.

 

Надо сказать, что super-WIMPs - это все-таки не простое упражнение в научном пессимизме, а изучение следствий активно развиваемых ныне теорий, которые призваны объединить квантовую механику с гравитацией (важнейший вопрос, от решения которого зависит будущее всей физики). Фенг и его коллеги показывают, что две самые популярные на сегодняшний момент теории, претендующие на то, чтобы лечь в основу будущей физики - супергравитация (supergravity), которая "вызывает к жизни" целую генерацию новых элементарных частиц, и теория Калуцы-Кляйна (Kaluza-Klein) или компактификация, которая постулирует наличие в нашем мире дополнительных скрытых измерений, - непременно требуют наличия частиц, связанных с гравитационным полем, соответственно, гравитино и гравитона.

 

Справка: "Лишние" измерения

 

Суперструны предпочитают "жить" сразу в 10 пространственно-временных измерениях. Идея Калуцы-Кляйна состоит в том, что 6 "лишних" измерений представляются свернутыми, причем радиус компактификации настолько мал, что мы не ощущаем его (к каждой точке нашего мира прикреплен крохотный "пузырек" 6-мерного компактифицированного пространства). В последнее время появилась и другая интерпретация, согласно которой "лишние" измерения могут быть и некомпактны, а недоступны они нам потому, что мы как бы находимся в потенциальной яме и не можем выйти в эти новые измерения. В этом подходе обычные три пространственных и одно временное измерения образуют гиперповерхность в многомерном пространстве - так называемую брану, все взаимодействия и материальные объекты локализованы на бране, и только гравитация (и иногда другие силы) могут существовать во всем объеме. Проявлением "лишних" измерений в этом случае служит модификация закона тяготения Ньютона.

 

Источник: "Суперсимметрия и объединение фундаментальных взаимодействий"

 

Дело в том, что согласно принципу суперсимметрии, при перестановке бозонных и фермионных частиц физические законы должны оставаться неизменными. Отсюда следует, что у каждого бозона должна быть пара - фермион, и наоборот. Наряду с открытыми кварками-фермионами в природе должны существовать кварки-бозоны. У электрона, позитрона, нейтрино также должны быть такие пары. Еще не открытый "компаньон" должен быть у фотона - фотино (квант "спинорного света"). Некоторые суперсимметричные партнеры могут быть в миллиарды и даже в миллиарды миллиардов раз тяжелее протона. Ни космические лучи, ни один из действующих ускорителей не обладают энергией, достаточной, чтобы породить таких "тяжеловесов", возникавших, возможно, только на короткое время после Большого взрыва.

 

Гравитон - квант поля тяготения. Если верна теория суперсимметрии, он тоже должен обзавестись партнером, получившим название гравитино. Это квант калибровочного поля,

различающего фермионные и бозонные частицы. У бозона-гравитона спин равен нулю или двум, у фермиона-гравитино - 3/2. Гравитон подобен фотону, не имеет массы и всегда движется со скоростью света. Масса гравитино, по оценкам, раз в сто больше массы протона, поэтому гравитино рождается на очень малых расстояниях, меньше 0,001 "диаметра" протона. Под его влиянием поле тяготения приобретает там совершенно новые черты - становится супергравитацией.

 

Эти гипотетические частицы, считают исследователи, могут обладать в точности теми свойствами, что предсказаны для super-WIMPs: большая масса, но почти нулевая склонность к взаимодействию с веществом. Утверждается, что темное вещество super-WIMP строго удовлетворяет условиям нуклеосинтеза Большого взрыва и данным по космическому микроволновому фону.

 

Источники:

Dark matter may be undetectable - Nature News ServiceSuperweakly Interacting Massive Particles - Jonathan L. Feng, Arvind Rajaraman, Fumihiro Takayama

 

Ссылки:

За пределами теории Эйнштейна - суперсимметрия и супергравитация - Владилен Барашенков, "Знание - сила, # 7/1987

Природа невидимой (скрытой) массы (материи) - Юрий Гнедин

Философские проблемы физики элементарных частиц - под ред. Ю.Б.Молчанова

[Цветок Помойки 0]

ЛинТ, это то, что ты искал по теории суперструн?

Меня озадачили "спрятанные" измерения и конечность времени.

 

И снова одни теории, никакой практики :)

[LinT 0]

ЛинТ, это то, что ты искал по теории суперструн?

Меня озадачили "спрятанные" измерения и конечность времени.

 

И снова одни теории, никакой практики :)

не это то, что я нашел еще года 4-5 назад.

я ищу гораздо более подробные выкладки

Ща вот жду книжку, сцылку на которую "Осел" прислал.

 

Супер струны вообще крайне забавная вещь и как и многомерные пространства.

Советую загрузить в мозг информацию по этой теме, после переработки могут

появится презабавные идеи.

 

 

п.с. Кстати эффект Казимира тоже очень интересная тема, с ней вплотную столкнулись

разработчики микропроцессоров в последние годы

[Цветок Помойки 0]

не это то, что я нашел еще года 4-5 назад.

я ищу гораздо более подробные выкладки

Ща вот жду книжку, сцылку на которую "Осел" прислал.

 

Супер струны вообще крайне забавная вещь и как и многомерные пространства.

Советую загрузить в мозг информацию по этой теме, после переработки могут

появится презабавные идеи.

В той статейке написано все очень просто и понятно. Только представить наглядно - ...

А ты заказал ту книгу?

 

Вообще, теория суперструн считается очень перспективной. Кстати, где-то встречала такую выкладку, что закон тяготения можно записать так:

 

F=G* (m1*m2)/r^(n-1), где n - размерность пространства.

[Alair 0]

В той статейке написано все очень просто и понятно. Только представить наглядно - ...

А ты заказал ту книгу?

 

Вообще, теория суперструн считается очень перспективной. Кстати, где-то встречала такую выкладку, что закон тяготения можно записать так:

 

F=G* (m1*m2)/r^(n-1), где n - размерность пространства.

Ага, а если учитывать, что про н-мерные измерения есть только фантазии..

[Цветок Помойки 0]

Ага, а если учитывать, что про н-мерные измерения есть только фантазии..

Хо! Да практически вся квантовая физика, ОТО и иже с ними - фантазии на вольную тему.