Иерархия структур природы

Современная физическая картина мира строится на основании фундаментальных физических теорий, обладающих большой общностью: к ним относятся общая и специальная теории относительности, квантовая хромодинамика, квантовая электродинамика, неравновесная термодинамика. Объектами приложения физических теорий является весь материальный мир, начиная со Вселенной и заканчивая элементарными частицами. Принято разделять физические объекты природы на: мегамир, состоящий из галактик, звездных скоплений, звезд и планетных систем; макромир, включающий в себя мир обычных материальных тел, окружающий человечество; и микромир, состоящий из взаимодействующих частиц. Все свойства макро- и мегамира определяются свойствами элементарных частиц.

Космологическая шкала расстояний позволила выявить иерархическую структуру наблюдаемой части Вселенной. Исследования плотности галактик и расстояний до них в разных областях небесной сферы показали, что самые крупные пространственные неоднородности в распределении галактик имеют форму цепочек или волокон, которые образуют стенки ячеек - войдов. Внутри каждого войда плотность галактик мала, они сосредоточены в основном в волокнах, образующих стенки войда. Размеры войдов около 100 Мпк, толщина волокон около 10 Мпк. Эта крупномасштабная ячеистая структура Метагалактики, по видимому, не образует более крупных структур, поэтому в мегамасштабах Метагалактика однородна и изотропна. Эта однородность вещества подтверждается подсчетами числа радиоисточников, малостью случайных скоростей галактик, не входящих в крупные скопления, изотропией рентгеновского излучения от множества дискретных источников.

Следующим элементом иерархической структуры Метагалактики являются галактики. Галактиками называются гравитационно связанные звездные системы, состоящие из большого количества звезд и туманностей. Форма и размеры Галактик могут быть различными. Различают спиральные, эллиптические и неправильные Галактики. В каждой Галактике содержатся миллиарды звезд.

Первая космологическая модель на основаниях общей теории относительности была построена А. Эйнштейном в 1917 г., но она описывала статическую Вселенную. Как показал советский математик А. А. Фридман в 1922 - 1924 гг., решение Эйнштейна неустойчиво, и малые возмущения выводят статическую Вселенную из состояния равновесия, и она начинает либо расширяться, либо сжиматься. Этот вывод был настолько парадоксален, что далеко не сразу был понят и принят даже наиболее передовыми умами человечества. В 1929 г. американским астрономом Э. Хабблом был открыт эффект красного смещения в оптических спектрах излучения удаленных галактик, которое им было интерпретировано как проявление эффекта Допплера. Смещение свидетельствовало о том, что практиче­ски все галактики (за исключением так называемой Местной группы) с огромными скоростями удаляются от нас, причем чем дальше галактика, тем больше эта скорость. Хаббл установил, что связь скорости (V) и расстояния (R) линейна: V=HR. Это соотношение сейчас называется законом Хаббла. Таким образом, астрофизические наблюдения подтвердили правильность выводов А.А. Фридмана о нестационарности Вселенной.

В конце сороковых годов Г. Гамовым была выдвинута модель горячей Вселенной, в ней рассматривались ядерные реакции, которые протекали в начальный момент существования Вселенной, когда вещество находилось в сверхплотном состоянии; при этом предполагалось, что температура вещества была очень велика и падала с расширением. Эта модель предсказывала, следующее:

а) вещество, из которого формировались первые звезды и галактики, должно состоять в основном из водорода (примерно 75 %) и гелия (примерно 25 %);

б) в настоящее время во Вселенной должно существовать так называемое реликтовое электромагнитное излучение, оставшееся от эпохи большой плотности вещества и высокой температуры.

Оба эти предсказания блестяще подтвердились. В 1965 г. А. Пензиас и Р. Вильсон зарегистрировали реликтовое излучение.

Вопрос о развитии Вселенной является труднейшим в современной науке. Одна из гипотез утверждает, что Вселенная родилась из вакуума. Это физический вакуум. Он назван третьим видом материи и был введен для объяснения происхождения "черных дыр". Физический вакуум - это бескрайний океан виртуальных элементарных частиц. Доказательством существования таких частиц является изучение спектра излучения атома водорода, в котором происходит сдвиг энергетических уровней из-за взаимодействия электрона с физическим вакуумом.

Физический вакуум - это чрезвычайно сложный и парадоксальный объект, обладающий высокой степенью хаотичности и неопределенности. Потенциально (виртуально) вакуум содержит всевозможные частицы и состояния, которые могут из него получиться при наличии соответствующих условий, но в то же время актуального в нем ничего нет.

Из физического вакуума могут рождаться элементарные частицы, т.е. привычное для нас вещество. В силовом поле может родиться пара частиц: частица и античастица. Вопрос объединения всех видов взаимодействия в единое "Великое объединение" связан с вопросом о самом раннем этапе Вселенной.

Из теории "стандартной" расширяющейся Вселенной следует, что чем ближе к "началу", тем выше ее температура. С другой стороны, физики увеличили энергию частиц в ускорителях, что позволило сделать выводы об изменении свойств вещества по мере роста энергии.

В настоящее время проблема объединения решается теоретически. Процессы всех четырех взаимодействий становятся неразличимыми при энергиях 10¹⁹ ГэВ, что экспериментально недостижимо.

Идея о том, что Вселенная возникла как квантовая флуктуация структуры пространство-время, впервые была высказана в 1973 г. Н.И. Фоминым. О "рождении" Вселенной из вакуума говорил в 1965 г. Г.И. Наан. Процессы в расширяющейся Вселенной рассматриваются с момента времени 10^-43 с и плотности 10⁹⁴ частиц /см³.

При раздувании Вселенной плотность обычного вещества и температура стремительно уменьшалась. На протяжении фазы раздувания рождались частицы из вакуума с освобождением энергии. Раздувание продолжалось до 10^-35 с. На ранней стадии своего развития модель Вселенной действительно была горячей. До момента времени 10^-43с непрерывный поток времени обрывается, в меньших масштабах он распадается на квант единого пространства-времени.

Весь гигантский и многообразный мир галактик был открыт в наше время. Изучение структуры галактик и происходящих в них процессов только начинается.

Под макромиром понимают обычно мир материальных тел, состоящих из молекул и атомов. Большинство изменений и процессов, происходящих с атомами и молекулами, обусловлено электромагнитным взаимодействием. В частности, к электромагнитной природе относятся силы трения, упругости, силы гидро- и аэродинамического сопротивления, силы давления жидкости и газа и множество других сил. Все силы, которые обеспечивают химическое взаимодействие атомов и молекул, имеют электромагнитную природу, так как химическое взаимодействие обусловлено взаимодействием электронных оболочек атомов и молекул.

Под микромиром понимают мир элементарных частиц. Законченная физическая теория элементарных частиц в настоящее время не создана. Накоплено большое количество экспериментальных данных по характеристикам и взаимодействию частиц. Принято делить элементарные частицы на лептоны, участвующие в слабом взаимодействии, и адроны, участвующие в сильном взаимодействии. В настоящее время известно шесть лептонов, к числу которых относятся электрон (e), мюон (m), таон (t) и соответственно электронное (n_e), мюонное (n_m) и таонное (n_t) нейтрино. Каждая пара частиц имеет свой лептонный заряд, который сохраняется при слабом взаимодействии. Все лептоны, кроме мюона и таона, стабильны. Адроны принято делить на две группы: барионы и мезоны. Все адроны по современным представлениям можно составить из шести кварков, каждый из которых имеет три разновидности (цвета). Частицы, наблюдаемые в природе, составлены из кварков таким образом, что сумма цветов дает белый. Отдельно в природе кварки не обнаруживаются и существуют только в составе частиц. При этом мезоны состоят из двух кварков, а барионы из трех кварков.

Элементарные частицы, кроме сильного и слабого взаимодей­ствий, могут участвовать в электромагнитном и гравитационном взаимодействии. Каждая элементарная частица имеет множество ха­рактеристик: массу покоя, спин, заряд, лептонный и барионный за­ряды, четность и т.д. В различных элементарных актах взаимодейст­вий между частицами одни величины сохраняют свое значение, а другие нет. Например, для всех видов взаимодействий сохраняются энергия, импульс, момент импульса, электрический заряд, лептонные и барионные заряды, спин.

Каждой сохраняющейся величине соответствует своя сим­метрия мира. Закон сохранения энергии связан с симметрией време­ни, закон сохранения импульса с симметрией пространства. Но для некоторых сохраняющихся величин виды симметрии еще не опреде­лены. В целом физическая теория фундаментальных взаимодействий и элементарных частиц окончательно еще не создана и находится в стадии становления.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1) Каковы объекты изучения в мегамире?

2) Каковы объекты изучения в макромире?

3) Каковы объекты изучения в микромире?

4) Какова иерархическая структура наблюдаемой части Вселенной (войды, галактики)?

5) Каковы доказательства модели нестационарной Вселенной Э. Хаббла?

6) Какова модель горячей Вселенной Г. Гамова?

7) Что такое физический вакуум?

8) Как по современной теории объясняется "рождение" Вселенной из физического вакуума?

9) Какие физические поля и силы действуют в макромире?

10) Какие взаимодействия проявляются в классе элементарных частиц - лептонов?

11) Каковы взаимодействия в классе адронов?

12) Что такое кварки?

Дата добавления: 2015-08-03