Стандартная модель вселенной кратко

Обновлено: 02.07.2024

24 Февраля 2011 © Кокин А.В., Кокин А.А

Стандартная модель опирается на наблюдаемые факты разбегания галактик, которые установлены еще Хабблом. И сегодня ни у кого нет сомнения в том, что вселенная расширяется.

В плоской и открытой фридмановской модели без учета темной энергии расширение продолжается бесконечно, но замедляется. При этом размер горизонта (области доступной наблюдению) увеличивается быстрее, чем масштабный фактор вселенной. По мере расширения вселенная становится более холодной. Однако число видимых галактик (внутри горизонта) возрастает. Вблизи горизонта появляются новые, ранее не наблюдавшиеся объекты – квазары.

Не совсем ясно, почему вещество в наблюдаемой вселенной преобладает над антивеществом, и почему возникла асимметрия во вселенной? Почему геометрия пространства вселенной близка к евклидовому? Почему нельзя противопоставить хаос и порядок как крайние состояния материи? Есть ли абсолютный порядок и возможен ли абсолютный хаос? Из чего возникла сингулярность: из хаоса или упорядоченного состояния? В каком направлении развивается Мир, к Порядку или Хаосу? Почему современная крупномасштабная вселенная выглядит изотропной?

Однако еще большие трудности возникают в альтернативных моделях Большому взрыву и на сегодня можно утверждать, что эта модель вместе с инфляционным Началом наилучшим образом объясняет многие процессы, которые наблюдаются в глубинах вселенной. Наилучшим образом – кроме самого Начала…

Попытки найти подходы к описанию структуры вселенной чаще всего приводят естественников к так называемой теории подобия. Она пытается связать единство микромира и макромира, предполагает нахождение таких элементарных структур, на основе трансляции которых можно описать любые периодические свойства эволюции материи, пространства, времени.

Теория подобия дает возможность, выделив коэффициент подобия, предсказать любое состояния периодичной изменчивости, если закон изменчивости существует. Например, в ряде чисел 1,2,3,…n, мы получаем арифметическую прогрессию, в которой 1 является слагаемым в направлении возрастания числового ряда. Или в ряде чисел 1,2, 4,8, ….n мы имеем дело с геометрической прогрессией, в которой любой последующий член вычислен путем умножения на 2.

Может ли существовать коэффициенты подобия при анализе структур вселенной? Если есть, то они должны объяснить, на основе каких законов можно описать микромир и макромир, которые, а priori, образуют завершенное единство материи, пространства, времени. Например, если все вещество в Метагалактике можно разбить на элементарные части от кванта и элементарных частиц, до атомов, молекул, космической пыли, микрометеоритов, макрометеоритов, комет, спутников планет, планет, звезд и т.д., то, найдя закон подобия, по величине его коэффициента мы можем описать структуру и свойства любой иерархической системы. И вселенной в целом.

Такие попытки делались и неоднократно. Например, Б.П. Иванов 1 попытался выявить соотношения организационных форм материи и на их основе построил структуру Мира. Анализ построенной им модели позволил решить ряд физических проблем и уточнить некоторые расчетные параметры движения, энергий, масс и т.д.

Но дело в том, что если коэффициент подобия Б.П.Ивановым при спин-орбитальном взаимодействии электрона в атоме водорода оказался кратным 128 с предельной дискретностью 128 7 , то на основе этого он выделяет более тонкие подуровни организации взаимодействий через коэффициент подобия 128 3 =2 21 .

С.Федосин 2 по отношению масс между самыми тяжелыми и самыми легкими атомами и между самыми массивными и самыми малыми звездами выводит другой коэффициент подобия 280. Это значит, что каждому химическому элементу как совокупности атомов определенного сорта можно поставить в соответствие звезды определенной массы. При этом размерам электронов будут соответствовать планеты с массой близкой, например, к Урану.

плотность вещества в ней оценивается около 5,475358∙10 -30 г/см 3 ;

плотность вещества в галактиках в среднем около 10 -29 г/см 3 ;

плотность вещества в Солнечной системе около 10 -27 г/см 3 ;

основная масса излучающего вещества равна 2,307957…∙10 53 kg мала по

отношению к общей массы вселенной, равной 1,58136631∙10 56 kg;

темное вещество невыясненной природы на 25% представляет собой так

называемую холодную энергию, и на 70 % – темное вещество;

современная оценка средней температуры вселенной на основе открытия

реликтового космического фонового излучения составляет около 2,73 К;

реликтовое фоновое космическое излучение слабо анизотропно и поляризовано;

возраст расширяющейся вселенной оценивается в 13,7 млрд. лет.

Универсальная (догалактическая) стадия модели Большого взрыва

Основное положение теории Большого Взрыва заключается в том, что около 13,7 млрд. лет назад она возникла из бесконечно малой области размером 10 -33 см 3 , при плотности вещества в ней 10 93 г/см 3 с бесконечно большой температурой около 10 32 К. Это состояние называется сингулярностью.

Расширяясь, вселенная остывала, и в это время происходили фазовые переходы первичного состояния вещества, приводившие к отделению разных видов взаимодействий и к появлению массы покоя у некоторых частиц, которые в первоначальной горячей вселенной, двигаясь со световыми скоростями, имели нулевую массу покоя. Такая перестройка должна была сильно изменять темп расширения вселенной в сторону ее увеличения. Кварки и лептоны обрели массу, и Большой взрыв свершился.

По мере расширения вселенной кварки, объединяясь, породили протоны и нейтроны, а ядерный синтез привел к формированию ядер водорода и гелия в соотношениях близких к 70:30.

Один из вариантов эволюции ранней вселенной базируется на двух основных предположениях, занимающих прочное место в теории гравитации и физике элементарных частиц.

Во-первых, это подтверждение общей теории относительности в области сильных гравитационных полей.

Во-вторых, это существование единого поля при высоких энергиях (температурах), объединяющего все виды взаимодействий. Так называемое условие суперобъединения.

Теорией Большого взрыва предсказывается образование ядер, относительное содержание нескольких химических элементов, а также существование и точную температуру микроволнового фонового излучения, пронизывающего вселенную и оставшегося от ранних стадий расширения.

Мы можем представить себе начальные стадии Большого взрыва как действительно гигантский взрыв. Механизм взрыва будет характеризоваться ростом объема, снижением плотности вещества, падением температуры. Кинетическая (положительная) энергия возрастает за счет падения потенциальной (отрицательной) энергии. Однако только стадией Большого Взрыва нельзя было объяснить сам факт начального события, которое породило событие, приведшее к Большому взрыву.

Благодаря работам российских физиков Э. Глинера, А. Старобинского, американца А. Гута было описано новое явление – сверхбыстрое инфляционное расширение вселенной. Описание этого явления основывается на общей теории относительности и квантовой теории поля. Сегодня считается общепринятым, что именно инфляционный период предшествовал Большому взрыву.

Первая стадия. Инфляционная.

Что же касается современных данных о начальных моментах вселенной, то она в первые мгновения жизни должна была иметь размер 10 -27 см. На таких масштабах уже справедливы законы физики (С.Зарубин, 2000). В этом смысле дальнейшее поведение системы можно предсказать. Оказывается, сразу после этого пространственная область, занятая флуктуацией (колебание связанное со случайным отклонением наблюдаемых физических величин от их средних значений), начинает очень быстро увеличиваться в размерах, а инфлатонное поле стремится занять положение, в котором его энергия минимальна. Такое расширение продолжается всего 10 -35 с, но его достаточно, чтобы диаметр вселенной возрос, как минимум, в 10 27 раз (!) и к окончанию инфляционного периода вселенная приобрела размер примерно 1 см. Инфляция заканчивается, когда инфлатонное поле достигает минимума энергии. Накопившаяся кинетическая энергия переходит в энергию рождающихся и разлетающихся частиц. Происходит нагрев вселенной. Этот момент называется Большим взрывом.

Область, занятая инфлатонным полем, разрасталась гораздо больше скорости света, что в принципе не противоречит теории относительности А.Эйнштейна. Быстрее света не могут двигаться лишь материальные объекты, а в той области, где рождалась вселенная (?)…в данном случае двигалась воображаемая нематериальная граница

Сразу после окончания инфляции гипотетический наблюдатель изнутри, увидел бы вселенную, заполненную энергией в виде материальных частиц и фотонов. Расстояние между частицами быстро увеличивается из-за всеобщего расширения. Гравитационное взаимодействие между частицами уменьшает их скорость, поэтому расширение вселенной после завершения инфляционно периода замедляется.

Можно избежать проблемы инфляции и инфлатонного поля, не нарушая фундаментальность скорости света если признать, что сингулярность представляет собой сверхплотное вещество, из которого образовалась вселенная по модели Большого взрыва. В таком случае искривлённость пространства сингулярностью (рис. 6.3) будет изначально соответствующей пространству будущей вселенной, поскольку в сингулярность втиснута вся масса излучающего вещества вселенной 2,307957…∙10 53 kg. То есть сингулярность, создающая пространство своего развития, создаёт условия существования события (стало быть, и времени). Появление же самой сингулярности необходимо отнести к свойству бесконечного преобразования материи с образованием сингулярности – выходом из неё – исчезновение в новой сингулярности… отсюда, пространство, созданное сингулярностью не может быть превзойдено расширяющейся вселенной. Наблюдаемое ускоренное расширение вселенной может представлять собой процесс гравитационного влияния соседних вселенных, образовавшихся в другое время в другом пространстве, не прибегая к таинственной темной материи и тёмной энергии. А свидетельством неоднократных событий перехода вселенных из сингулярности и исчезновения в ней служит бесконечно большой период полураспада протона, равный 1·10 30 лет.

Рис. 6.3. Пространство, формирующееся сингулярностью, не может быть превзойдено расширяющейся вселенной при выходе из неё. Свойства пространства, создаваемой сингулярностью определяют свойства и закономерности движения материи в образовавшейся вселенной. Малый объем сингулярности должен формировать огромную угловую пространства. В результате пространство изначально должно быть близко к евклидовому, однородному, изотропному. Поскольку взрыв порождает турбулентный характер истекающего вещества, то при выходе его из сингулярности движение вещества также должно отвечать турбулентности.

Дальнейший сценарий развития вселенной не противоречит модели Большого взрыва. По мере расширения вселенной меняется состав материи. Появляются кварки. Они объединяются в протоны и нейтроны, и вселенная оказывается заполненной элементарными частицами: протонами, нейтронами, электронами, нейтрино и фотонами и их антиподами – античастицами. Вселенная развивается по симметричному сценарию. Рождающиеся частицы и античастицы аннигилируют, выделяя дополнительное количество энергии. Вещество, таким образом, не может образоваться.

Наступает адронная эра. Она связана с образованием пар протонов-антипротонов из нейтронов, а также положительно и отрицательно заряженных мезонов. С увеличивающимся расширением вселенной понижается температура. Реакция аннигиляции прекращается. Формируется электромагнитное излучение, которое вначале было очень плотным, но по мере расширения вселенной оно теряло свою плотность, оставаясь близко к изотропному и слабо поляризованному. Сегодня мы наблюдаем это излучение в виде реликтового фонового космического излучения, как отголоска событий прекращения развития вселенной по сценарию симметрии. Дальнейшая эволюция вселенной привела к образованию её асимметрии. И эта асимметрия с тех пор проявлена на всех уровнях организации материи в ней.

Полагают, что одной из первых реакций, приводящих к образованию тяжелых ядер, является реакция слияния протонов и нейтронов:

Как показали расчеты, эта реакция идет при температуре 10 10 К, что соответствует соотношению нейтронов и протонов во вселенной равному 0,2 и времени, примерно, 3 с – 1 минута. В таких условиях дейтерий (D) образуется в достаточном количестве для производства ядер с массой 3 в реакциях:

Гелий же может образоваться в результате реакций уже на третьей минуте жизни вселенной:

3He + n → 4 He + γ.

Таким образом, на третьей минуте после начала расширения наступил захват нейтронов протонами с образованием ядер дейтерия, трития, гелия.

Так как не существует стабильной массы 5, то 4 He является последним ядром в начальном этапе нуклеосинтеза.

Так наступила лептонная эра. После ряда сложных взаимодействий частиц с античастицами, рождения электронных пар и аннигиляций наступило время, когда протонов и нейтронов осталось, примерно, поровну. Но при дальнейшем понижении температуры нейтроны начали медленно распадаться, превращаясь в протоны, электроны и антинейтрино.

Таким образом, содержание гелия на третьей минуте достигло современного значения 28 – 30 % от общей массы вещества. Соотношение водорода и гелия в современной вселенной сегодня хорошо измерено и соотносится как 70:30.

Первая стадия первичного ядерного синтеза непосредственно предшествует эпохе рекомбинации, когда температура среды упала настолько, что свободные электроны и новорожденные ядра начинают объединяться в нейтральные атомы. Взаимодействие вещества и излучения вначале ослабевает, а затем полностью прекращается. Наступает эра отделения вещества от излучения.

Итак, при температуре порядка 10 13 К, когда котел вселенной представлял собой кипящее месиво равных количеств частиц и античастиц (электронов и позитронов, нейтронов и антинейтронов, протонов и антипротонов), существовал некий баланс между количеством реликтовых фотонов. Однако если бы число тяжелых частиц и античастиц (барионов) было в точности одинаково для каждого сорта, то в ходе расширения вселенной они бы все аннигилировали, превратившись в реликтовые фотоны и нейтрино, и во вселенной, кроме реликтового излучения и нейтрино, вообще бы ничего не осталось. Оказалось, что на каждый миллиард частиц и античастиц приходилась одна тяжелая частица, которая и породила потом весь вещественный (асимметричный 3 ) мир окружающей нас вселенной.

Таким образом, в ранней истории вселенной в момент действия теории Великого объединения нарушается барионный заряд. В этих случаях появляются сверхтяжелые хиггсовы и калибровочные частицы (Х-бозоны), которые и послужили основой формирования вещества во вселенной. Они зарождались в интервале 10 -34 – 10 -30 сек после начала расширения.

Наблюдаемое сегодня разнообразие элементарных частиц и легких элементов хорошо согласуется со Стандартной моделью. Это означает, что известные нам физические законы одинаковы во всей наблюдаемой части вселенной.

Как бы мы не смотрели на разные теории о симметричности или несимметричности вселенной (существует или не существует в ее бескрайних просторах антивещество, способное создать антимиры), мы имеем основание предполагать асимметричный характер ее строения и вещества в ней. Предсказания стандартной космологической модели относительно содержания легких элементов (водорода, дейтерия, гелия и лития) в современной вселенной хорошо согласуются с наблюдаемыми фактами.

Сценарий раздувающейся вселенной создавался на основе новейших достижений физики высоких энергий. Существуют его разные варианты, но основная идея остается неизменной, и в настоящее время этой теории придерживается большинство космологов.

Напомним, что еще в двадцатые годы теорию расширяющейся вселенной на основе общей теории относительности создал отечественный теоретик А.А.Фридман. Затем возникла теория горячей вселенной, согласно которой в некий начальный момент времени t → 0 наш мир был создан из вещества в состоянии огромной плотности и высочайшей температуры. Эта теория получила блестящее подтверждение после открытия в 1964 году американскими астрономами А.Пензиасом и Р.Уильсоном реликтового электромагнитного излучения, проникающего к нам из самых разных направлений видимой области небосвода.

При массе внутри оболочки М, радиус которой R, плотность вещества d, скорость u, H – постоянная Хаббла, G – ньютоновская гравитационная постоянная, к – постоянная кривизны (+1, –1 или 0), получим:

v 2 /2 + GM/R = - k/2

или, принимая зависимость Хаббла u= НR, обретем:

H 2 /2 + 4π/3Gd = - k/2R 2

Это и есть уравнение Фридмана, описывающее модель Большого взрыва.

Однако в объеме расширяющегося пространства будет соблюдаться некий баланс энергии расширения оболочки и гравитационной потенциальной энергии оболочки.

Уравнение Фридмана связывает кинетическую энергию расширения с гравитационной потенциальной энергией произвольного сферического распределения вещества во вселенной. Сумма этих двух видов энергии должна быть неизменной во времени.

Рост кинетической энергии в расширяющейся оболочке может происходить только за счет гравитационной (по аналогии с летящим вверх камнем или падающим на землю: при достижении такого положения, когда камень зависнет в верхней точке, кинетическая энергия равна нулю, а потенциальная – максимальна).

Из этого уравнения, при k = 0, кинетическая энергия Н 2 /2 уравновешивается гравитационной (потенциальной) энергией –4p/3Gd, следовательно вселенная в этом положении не расширяется. При k = 1, вселенная расширяется, а при k = –1, вселенная испытывает сжатие.

Однако хронология ранних этапов развития вселенной может быть намечена лишь приблизительно. О сингулярном этапе существования вселенной мы почти ничего не знаем. Можем только догадываться, что это время – предыстория Большого взрыва, который произошел по каким-то причинам, когда сингулярность была нарушена и развитие вселенной пошло по рассматриваемому сценарию.

Примерно 13,7 миллиардов лет тому назад вселенная совершенно была не похожа на современную ни по физическому состоянию, ни по составу. Пространство было заполнено плазмой, состоящей из различных элементарных частиц и фотонов. При этом на определенном этапе развития излучение резко преобладало.

Ссылки

Иванов Б.П. Физическая модель Вселенной.-Спб:Политиехника, 2000. ↩

Федосин С. Физика и философия подобия от преонов до метагалактик.-file://X:\k-8.htm. ↩

Это допущение асимметричности между веществом и антивеществом воспринимается некоторыми учеными как нечто искусственное и вызывающее раздражение. Однако до последнего времени не было возможности как-то иначе объяснить появление во Вселенной вещества. Модель раздувающейся вселенной снимает эту, и ряд других проблем. ↩

Любое, полное или частичное использование материалов сайта, кроме как для личного пользования, разрешается только с согласия автора, при этом ссылки на автора и на сайт обязательны.

Вся материя состоит из кварков, лептонов и частиц — переносчиков взаимодействий.

Стандартной моделью сегодня принято называть теорию, наилучшим образом отражающую наши представления об исходном материале, из которого изначально построена Вселенная. Она же описывает, как именно материя образуется из этих базовых компонентов, и силы и механизмы взаимодействия между ними (см. также Кварки и восьмеричный путь, Универсальные теории и Элементарные частицы).

Со структурной точки зрения элементарные частицы, из которых состоят атомные ядра (нуклоны), и вообще все тяжелые частицы — адроны (барионы и мезоны) — состоят из еще более простых частиц, которые принято называть фундаментальными. В этой роли по-настоящему фундаментальных первичных элементов материи выступают кварки, электрический заряд которых равен 2/3 или единичного положительного заряда протона. Самые распространенные и легкие кварки называют верхним и нижним и обозначают, соответственно, u (от английского up) и d (down). Иногда их же называют протонным и нейтронным кварком по причине того, что протон состоит из комбинации uud, а нейтрон — udd. Верхний кварк имеет заряд 2/3; нижний — отрицательный заряд . Поскольку протон состоит из двух верхних и одного нижнего, а нейтрон — из одного верхнего и двух нижних кварков, вы можете самостоятельно убедиться, что суммарный заряд протона и нейтрона получается строго равным 1 и 0, и удостовериться, что в этом Стандартная модель адекватно описывает реальность. Две другие пары кварков входят в состав более экзотических частиц. Кварки из второй пары называют очарованным — c (от charmed) и странным — s (от strange). Третью пару составляют истинный — t (от truth, или в англ. традиции top) и красивый — b (от beauty, или в англ. традиции bottom) кварки. Практически все частицы, предсказываемые Стандартной моделью и состоящие из различных комбинаций кварков, уже открыты экспериментально.

Другой строительный набор состоит из кирпичиков, называемых лептонами. Самый распространенный из лептонов — давно нам знакомый электрон, входящий в структуру атомов, но не участвующий в ядерных взаимодействиях, ограничиваясь межатомными. Помимо него (и парной ему античастицы под названием позитрон) к лептонам относятся более тяжелые частицы — мюон и тау-лептон с их античастицами. Кроме того, каждому лептону сопоставлена своя незаряженная частица с нулевой (или практически нулевой) массой покоя; такие частицы называются, соответственно, электронное, мюонное или таонное нейтрино.

Чтобы понять оборотную сторону медали — характер сил взаимодействия между кварками и лептонами, — нужно понять, как современные физики-теоретики интерпретируют само понятие силы. В этом нам поможет аналогия. Представьте себе двух лодочников, гребущих на встречных курсах по реке Кэм в Кэмбридже. Один гребец от щедрости душевной решил угостить коллегу шампанским и, когда они проплывали друг мимо друга, кинул ему полную бутылку шампанского. В результате действия закона сохранения импульса, когда первый гребец кинул бутылку, курс его лодки отклонился от прямолинейного в противоположную сторону, а когда второй гребец поймал бутылку, ее импульс передался ему, и вторая лодка также отклонилась от прямолинейного курса, но уже в противоположную сторону. Таким образом, в результате обмена шампанским обе лодки изменили направление. Согласно законам механики Ньютона это означает, что между лодками произошло силовое взаимодействие. Но ведь лодки не вступали между собой в прямое соприкосновение? Здесь мы и видим наглядно, и понимаем интуитивно, что сила взаимодействия между лодками была передана носителем импульса — бутылкой шампанского. Физики назвали бы ее переносчиком взаимодействия.

В рамках Стандартной модели первые три типа фундаментальных взаимодействий удалось объединить, и они более не рассматриваются по отдельности, а считаются тремя различными проявлениями силы единой природы. Возвращаясь к аналогии, предположим, что другая пара гребцов, проплывая друг мимо друга по реке Кэм, обменялась не бутылкой шампанского, а всего лишь стаканчиком мороженого. От этого лодки также отклонятся от курса в противоположные стороны, но значительно слабее. Стороннему наблюдателю может показаться, что в этих двух случаях между лодками действовали разные силы: в первом случае произошел обмен жидкостью (бутылку я предлагаю во внимание не принимать, поскольку большинству из нас интересно ее содержимое), а во втором — твердым телом (мороженым). А теперь представьте, что в Кембридже в тот день стояла редкостная для северных мест летняя жара, и мороженое в полете растаяло. То есть, достаточно некоторого повышения температуры, чтобы понять, что, фактически, взаимодействие не зависит от того, жидкое или твердое тело выступает в роли его переносчика. Единственная причина, по которой нам представлялось, что между лодками действуют различные силы, состояла во внешнем отличии переносчика-мороженого, вызванном недостаточной для его плавления температурой. Поднимите температуру — и силы взаимодействия предстанут наглядно едиными.

Силы, действующие во Вселенной, также сплавляются воедино при высоких энергиях (температурах) взаимодействия, после чего различить их невозможно. Первыми объединяются (именно так это принято называть) слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия. В результате мы получаем так называемое электрослабое взаимодействие, наблюдаемое даже лабораторно при энергиях, развиваемых современными ускорителями элементарных частиц. В ранней Вселенной энергии были столь высоки, что в первые секунды после Большого взрыва не было грани между слабыми ядерными и электромагнитными силами. Лишь после того, как средняя температура Вселенной понизилась до 10 14 K, все четыре наблюдаемые сегодня силовые взаимодействия разделились и приняли современный вид. Пока температура была выше этой отметки, действовали лишь три фундаментальные силы: сильного, объединенного электрослабого и гравитационного взаимодействий.

Итак, Стандартная модель, в обобщенном виде, представляет собой теорию строения Вселенной, в которой материя состоит из кварков и лептонов, а сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия между ними описываются теориями великого объединения. Такая модель, очевидно, не полна, поскольку не включает гравитацию. Предположительно, более полная теория со временем все-таки будет разработана (см. Универсальные теории), а на сегодня Стандартная модель — это лучшее из того, что мы имеем.

Через 0,01 секунды после взрыва плотность материи с невообразимо большой величины должна была упасть до 10 10 г/см 3 . В этих условиях в расширяющейся Вселенной, по – видимому, должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино, а также небольшое количество нуклонов (протонов и нейтронов).

Когда температура Вселенной снизилась упала до 6 млрд. градусов по Кельвину, первые 8 секунд после взрыва там существовала в основном смесь электронов и позитронов. Пока эта смесь находилась в тепловом равновесии, количество частиц разного рода оставалось приблизительно одинаковым. Между частицами происходили непрерывные столкновения, в результате чего возникали пары фотонов, а из столкновения последних – электрон и позитрон. На этой стадии происходило непрерывное превращение вещества в излучение и наоборот. Вследствие этого между веществом и излучением сохранялась симметрия.

Процессы микроэволюции Вселенной, продолжавшиеся не менее 10 млрд. лет, привели к образованию молекул и тем самым явились предпосылкой для начала ее макроэволюции, в результате которой и возникли окружающие нас макротела, разнообразные их системы вплоть до галактических. Здесь существенная роль принадлежит уже нарушению симметрий между различными физическими взаимодействиями. В настоящее время различают 4 типа фундаментальных взаимодействий: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Непосредственно мы можем воспринимать два их типа:

- гравитационные взаимодействия, т.е. силы тяготения, которые действуют на все макротела и притом на достаточно далеких расстояниях. Именно они определяют движения планет, звезд, галактик и других космических тел.

-электромагнитные силы, которые играют решающую роль при образовании молекул, химических соединений, кристаллов и всех тел и систем, которые занимают промежуточное положение между микромиром и мегамиром.

Остальные два типа физических взаимодействий (слабое и сильное) непосредственно не воспринимаются человеком, но играют существенную роль при образовании разнообразных объектов микромира. На первоначальном этапе, когда Вселенная была достаточно горячей, ядерные силы находились в симметрии с гравитационными, а силы электромагнитного взаимодействия – со слабым взаимодействием. Только вследствие нарушения симметрии между сильными ядерными и гравитационными силами стало возможным образование небесных тел, галактик и других космических систем. В свою очередь нарушение симметрии между электромагнитными силами и слабыми взаимодействиями привело к образованию огромного множества тел, структур и систем, которые составляют окружающий нас мир. Таким образом, благодаря разрушению симметрии между разными типами физических взаимодействий стало возможно не только возникновение микро- и макрообъектов, но также последующая взаимосвязанная эволюция микроскопической и макроскопической ветвей развития. Освобождение гравитационных сил, произошедшее вследствие разрушения их симметрии с ядерными силами примерно через 700 000 лет после взрыва, привели к образованию звезд, галактик, их скоплений и других космических систем. В свою очередь гравитационные силы и ударные волны способствовали возникновению и развитию ядерных реакций внутри звезд и ядер галактик и их скоплений. Следовательно, макро- и микроэволюции взаимно обусловливали и дополняли друг друга, вот почему они представляют собой две ветви единого процесса. Отсюда становится ясным, что возникновение и эволюция физических, химических, геологических и других систем неорганической природы прочно укладывается в рамки космической и земной эволюции.

- Предбиологическая эволюция связана с переходом от неорганической материи к органической, а затем к элементарным формам жизни. Предполагают, что по мере охлаждения Земли возникали все условия для образования сложных органических молекул из неорганических. Быть может, не доставало лишь высокой температуры для химического синтеза, но такую температуру могло вызвать воздействие ультрафиолетовых лучей или электрических разрядов. Такая возможность была доказана экспериментально, а поэтому сама гипотеза представляется весьма обоснованной.

- предбиологическая эволюция сменилась эволюцией биологической.

Возникли первые живые клетки без ядер – прокариотические, а затем с ядрами – эукариотические. Первыми стали осваивать землю растения, которые появились примерно 500 миллионов лет назад. Спустя примерно 50 миллионов лет после растений появились первые животные – гипертрофы, которые стали использовать растения в пищу. В результате дальнейшей эволюции из этих основных царств живых систем возникло огромное разнообразие форм и видов растений и животных, которые, постепенно адаптируясь к окружающей среде, усложняли свою структуру и функции и влияли также на свою среду, главным образом через те экосистемы, в которые они входили.

Главный итог современных космологических исследований позволил сделать вывод, что Вселенная не находится в стационарном состоянии, она непрерывно изменяется вследствие понижения в ней температуры и связанного с этим процесса расширения. В результате этого происходит эволюция материи, связанная с появлением все новых и сложных структур.

Реликтовое излучение – фоновое (остаточное) космическое излучение, спектр которого близок к спектру абсолютно черного тела с температурой около 3 0 К. При такой температуре основная доза излучения приходится на радиоволны сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Плотность энергии реликтового излучения 0,25 эВ/см 3 . Происхождение его связывают с эволюцией Вселенной, которая в прошлом имела высокую температуру и плотность излучения.

Известный американский астроном К. Саган (1934 - 1996) построил наглядную модель эволюции Вселенной, в которой космический год равен 15 млрд. земных лет, а 1 секунда – 500 годам. Тогда в земных единицах времени эволюция представляется так:

Большой взрыв 1 января 0 ч 0 мин

Образование галактик 10 января

Образование Солнечной системы 9 сентября

Образование Земли 14 сентября

Возникновение жизни на Земле 25 сентября

Океанский планктон 18 декабря

Первые рыбы 19 декабря

Первые динозавры 24 декабря

Первые млекопитающие 26 декабря

Первые птицы 27 декабря

Первые приматы 29 декабря

Первые гоминиды 30 декабря

Первые люди 31 декабря примерно

в 22 часа 30 минут

- предбиологическая эволюция сменилась эволюцией биологической.

Многие помнят волнение среди ученых и в СМИ, вызванное открытием бозона Хиггса в 2012 году. Но его открытие не стало сюрпризом и не возникло из ниоткуда — оно ознаменовало собой пятидесятилетие череды побед Стандартной модели. Она включает каждую фундаментальную силу, кроме гравитации. Любая попытка опровергнуть ее и продемонстрировать в лаборатории, что ее нужно полностью переработать, — а таких было много — терпела неудачу.

Короче говоря, Стандартная модель отвечает на этот вопрос: из чего все сделано и как все держится вместе?

Мельчайшие строительные блоки

Физики любят простые вещи. Они хотят раздробить все до самой сути, найти самые базовые строительные блоки. Проделать это при наличии сотни химических элементов не так-то просто. Наши предки считали, что все состоит из пяти элементов — земли, воды, огня, воздуха и эфира. Пять намного проще ста восемнадцати. И также неверно. Вы, безусловно, знаете, что мир вокруг нас состоит из молекул, а молекулы состоят из атомов. Химик Дмитрий Менделеев выяснил это в 1860-х годах и представил атомы в таблице элементов, которую сегодня изучают в школе. Но этих химических элементов 118. Сурьма, мышьяк, алюминий, селен… и еще 114.

В 1932 году ученые знали, что все эти атомы состоит из всего трех частиц — нейтронов, протонов и электронов. Нейтроны и протоны тесно связаны друг с другом в ядре. Электроны, в тысячи раз легче их, кружат вокруг ядра на скорости, близкой к световой. Физики Планк, Бор, Шредингер, Гейзенберг и другие представили новую науку — квантовую механику — для объяснения этого движения.

На этом было бы прекрасно остановиться. Всего три частицы. Это даже проще, чем пять. Но как они держатся вместе? Отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны скрепляются вместе силами электромагнетизма. Но протоны сбиваются в ядре и их положительные заряды должны расталкивать их прочь. Не помогут даже нейтральные нейтроны.

Расширяя зоопарк частиц

Между тем природа отчаянно отказывается хранить в своем зоопарке всего три частицы. Даже четыре, потому что нам нужно учесть фотон, частицу света, описанную Эйнштейном. Четыре превратились в пять, когда Андерсон измерил электроны с положительным зарядом — позитроны — которые бьют по Земле из внешнего космоса. Пять стали шестью, когда был обнаружен пион, удерживающий ядро в целом и предсказанный Юкавой.

Затем появился мюон — в 200 раз тяжелее электрона, но в остальном его близнец. Это уже семь. Не так уж и просто.

Кварки. Они получили шесть вариантов, которые мы называем ароматами. Как у цветов, только не так вкусно пахнущие. Вместо роз, лилий и лаванды мы получили верхний и нижний, странный и очарованный, прелестный и истинный кварки. В 1964 году Гелл-Манн и Цвейг научили нас смешивать три кварка, чтобы получать барион. Протон – это два верхних и один нижний кварк; нейтрон – два нижних и один верхний. Возьмите один кварк и один антикварк – получите мезон. Пион – это верхний или нижний кварк, связанный с верхним или нижним антикварком. Все вещество, с которым мы имеем дело, состоит из верхних и нижних кварков, антикварков и электронов.

Простота. Хоть и не совсем простота, потому что удерживать кварки связанными нелегко. Они соединяются между собой так плотно, что вы никогда не найдете кварка или антикварка, блуждающего самого по себе. Теория этой связи и частицы, которые принимают в ней участие, а именно глюоны, называется квантовой хромодинамикой. Это важная часть Стандартной модели, математически сложная, а местами даже нерешаемая для базовой математики. Физики делают все возможное, чтобы производить вычисления, но иногда математический аппарат оказывается недостаточно разработан.

С тех пор Стандартная модель предсказывала результаты экспериментов за результатами, включая открытие нескольких разновидностей кварков и W- и Z-бозонов – тяжелых частиц, которые в слабых взаимодействиях выполняют ту же роль, что фотон в электромагнетизме. Вероятность того, что нейтрино обладают массой, упустили в 1960-х годах, но подтвердили Стандартной моделью в 1990-х годах, через несколько десятилетий.

Обнаружение бозона Хиггса в 2012 году, давно предсказанного Стандартной моделью и долгожданного, не стало, тем не менее, неожиданностью. Зато стало еще одной важной победой Стандартной модели над темными силами, которые физики частиц регулярно ждут на горизонте. Физикам не нравится, что Стандартная модель не соответствует их представлениям о простой, они обеспокоены ее математической непоследовательностью, а также ищут возможность включить гравитацию в уравнение. Очевидно, это выливается в разные теории физики, которая может быть после Стандартной модели. Так появились теории великого объединения, суперсимметрии, техноколор и теория струн.

К сожалению, теории за пределами Стандартной модели не нашли успешных экспериментальных подтверждений и серьезных брешей в Стандартной модели. Спустя пятьдесят лет именно Стандартная модель ближе всех к статусу теории всего. Удивительная теория почти всего.

Читайте также: