|
|
«Фундаментальные силы Вселенной и роль частиц в Стандартной модели». Галиев ВНО. Фундаментальные силы Вселенной и роль частиц в Стандартной модели
Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского
Доклад
на тему:
«Фундаментальные силы Вселенной и роль частиц в Стандартной модели»
Автор:
курсант 993 учебной группы
рядовой Галиев Р.Н.
Санкт-Петербург
2021
Оглавление
1.Введение 3
2.Четыре фундаментальные силы………………………………………………..4
2.1.Краткие сведения об элементарных частицах………………...………..4
2.2.Теория электрослабого взаимодействия 8
2.3.Теория Великого объединения…………………………………………..9
3.Пятая фундаментальная сила 10
4.Заключение 13
5.Список литературы 14
1.ВВЕДЕНИЕ
Что такое сила? Сила – физическая векторная величина, являющаяся мерой воздействия на данное тело со стороны других тел или полей. Воздействие других тел на тело всегда осуществляется посредством полей, создаваемых телами и воспринимаемых рассматриваевым телом. Какие силы вы знаете? Силу тяжести, упругости, натяжения, силу трения, взрыва, сопротивления воздуха и среды, силы Ван-дер-Вальса, Кориолиса – и на этом список не заканчивается. Однако все эти силы – производные фундаментальных сил. Их также называют фундаментальными взаимодействиями, и именно они отвечают за все процессы во Вселенной.
Научный прогресс не стоит на месте. Ещё 100 лет назад учёные считали, что наша Вселенная статична. В начале ХХ века американский астроном Эдвин Хаббл доказал, что наша Вселенная постоянно расширяется. Это в свою очередь породило огромный интерес к развитию космологии. Как всё появлялось во Вселенной? Откуда появился столь идеальный порядок мироздания?
Я поставил перед собой цель, выяснить, что же управляет процессами во Вселенной. Выбранная мной тема очень актуальна, так как изучение того, как всё во Вселенной взаимодействует, даёт нам реальные надежды на то, чтобы понять как была создана сама Вселенная. Я посчитал нужным, в своей работе раскрыть то, как проявляются фундаментальные взаимодействия и зачем они вообще нужны.
2.Четыре фундаментальные силы
2.1.Краткие сведения об элементарных частицах
Вначале не существует ничего: ни материи, ни энергии, ни времени, ни пространства. В пустоте появляется шар меньше атома. Он в 10 триллионов триллионов раз горячей солнечного ядра. Всё из чего позже состоит Вселенная разлетается из точки, которая в миллионы раз меньше булавочного укола. Происходит Большой взрыв.
Большой взрыв – это стремительное падение изначально огромной плотности, температуры и давления вещества, сконцентрированного в очень малом объёме Вселенной.
Учёные считают, что в первые секунды после Большого взрыва были созданы компоненты всех звёзд и планет во Вселенной. Вследствие этого, был введён новый способ измерения времени – планковское время, равное 10^-43 степени секунды. Именно за этот крошечный промежуток планковского времени происходит то, что определит следующие 13,7 млрд. лет: из огненного шара образуются 4 основные силы Вселенной. На этих силах держится всё вокруг. Благодаря гравитации образуются звёзды и планеты. Она властвует над Луной и отливами и удерживает нас на Земле. С помощью электромагнитизма освещаются города, соединяются телефоны и работают компьютеры. А две ядерные силы, сильные и слабые, связывают частицы, из которых состоят наши тела и поддерживают пламя в топке нашего Солнца.
Мы существуем, потому что в первую секунду после Большого взрыва возникли эти 4 силы. Без них Вселенная представляла бы собой бесформенное облако излучения. Известный молекулярный биолог Майкл Дентон в своей книге «Предназначение природы» говорит о них следующее:
«Если бы, например, сила тяготения была сильнее в триллион раз, Вселенная была бы намного меньше, а её жизнь намного короче. Средняя звезда имела бы массу в триллион раз меньшую, чем нынешняя масса Солнца, а её жизненный цикл равнялся бы одному году. С другой стороны, если бы гравитационная сила была чуть менее сильной, не возникли бы ни звёзды, ни галактики. Остальные показатели и их соотношения также критически точны. Будь большая ядерная сила чуть слабее, единственным постоянным элементом во Вселенной был бы водород. Никакие другие атомы не смогли бы существовать. Будь она чуть сильнее по сравнению с электромагнитной силой, тогда единственно постоянным элементом Вселенной было бы атомное ядро, состоящее всего лишь из двух протонов, что означало бы отсутствие водорода; и если бы звёзды и галактики и появлялись, они были бы совершенно иной структуры, отличной от тех, которые мы сейчас имеем. Иными словами, если бы четыре основные силы и переменные величины не имели в точности тех показателей, какие они имеют, не было бы ни звёзд, ни сверхновых, ни планет, ни атомов. Не было бы и жизни.»
Но в первый отрезок планковского времени 4 силы ещё свёрнуты в одну суперсилу. Гравитация, ядерные, электромагнитные силы ещё не разделились. Довольно таки интересно об этом говорит физик Мичио Каку, именно он изучает как разделились 4 фундаментальные силы. Вот некоторые слова из его интервью:
“Я представляю их себе как прекрасный симметричный кристалл, где в начале времени все силы объединены в своей элегантной простоте”
Когда наши космические часы отсчитывают ещё один отрезок планковского времени, крошечная Вселенная – огненный шар – расширяется. 4 силы начинают распадаться. Это похоже на раскалённый кристалл, который быстро остывает. Возникают трещины.
«Она начала распадаться на 4 части. Первой отделилась гравитация, потом начали отпадать ядерные силы. В результате, на месте суперсилы возник расколотый бриллиант. Эти 4 фрагмента действуют до сих пор.» - говорит Мичио Каку.
Относительную «силу» взаимодействий определяют числовые значения их констант. В безразмерных величинах константа сильного взаимодействия αs≈1. Константа электромагнитного взаимодействия (постоянная тонкой структуры) αe≈1/137. Константа слабого взаимодействия αw≈10^-5. Константа гравитационного взаимодействия αg≈10^-39. Оно является самым слабым. Взаимодействия также характеризуются временем действия. В этом плане слабым, т.е. самым медленным является слабое взаимодействие.
В начальный момент Вселенная имела гигантскую плотность и температуру. На первой секунде своего существования мир имел плотность 10^5 г/cм3 и температуру 10^10 К. В течение одного планковского времени после Большого взрыва крохотная Вселенная была заполнена фундаментальными частицами, из которых состоят протоны и нейтроны – это фундаментальные фермионы, взаимодействующие друг с другом посредством единого, на тот период развития Вселенной, фундаментального взаимодействия, которое осуществлялось через такие частицы, как бозоны. Их 4: фотон (гамма-квант), глюон и два бозона – W и Z. А сами фундаментальные частицы, т.е. фермионы – это шесть видов кварков и шесть видов лептонов. Кварки образуют протоны и нейтроны, а члены семьи лептонов включают электрон и электронное нейтрино — его нейтрально заряженный антагонист. Ученые полагают, что лептоны и кварки являются неделимыми: их нельзя разбить на более мелкие частицы.
Бозоны — это частицы, которые переносят взаимодействие между другими частицами, таким образом, любое притяжение или отталкивание между частицами происходит за счёт того, что они обмениваются бозонами. Электромагнитное взаимодействие строится на основе обмена квантом света или квантом электромагнитных волн — это фотон. Фотон — это безмассовая частица, ею обмениваются заряженные частицы, и за счет этого обмена возникают взаимодействия между частицами, сила между частицами, закон Кулона тоже так описывается. Другое взаимодействие — сильное. Там тоже есть посредник, частица, которой обмениваются кварки. Эти частицы называются глюонами, их восемь штук, это тоже безмассовые частицы. Третья частица, третье взаимодействие — это слабое взаимодействие, и здесь тоже посредником выступают частицы, которые называются промежуточными векторными бозонами. Эти частицы, — их штуки, — массивны, то есть довольно тяжелые. Этой массой, тяжестью этих частиц и объясняется, почему слабое взаимодействие такое слабое. Четвертое взаимодействие — гравитационное, и оно осуществляется путем обмена квантом гравитационного поля, его называют гравитон. Гравитон пока экспериментально не обнаружен, квантовую гравитацию мы пока не вполне ощущаем и не вполне умеем описывать. Эти четыре фундаментальных взаимодействия объясняют все, что мы видим. Все остальные силы — это вторичный эффект этих взаимодействий.
Все эти элементарные частицы входят в Стандартную модель – это современная теория строения и взаимодействий элементарных частиц, многократно проверенная экспериментально. Эта теория базируется на очень небольшом количестве постулатов и позволяет теоретически предсказывать свойства тысяч различных процессов в мире элементарных частиц. Физики уверены, что Стандартная модель должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира. О свойствах и о состоянии теории я расскажу чуть ниже.
А пока следует сказать следующее: существование отмеченных типов физического взаимодействия логично ставит перед физиками задачу поиска единой теории взаимодействия, которая позволила бы выявить универсальность всех фундаментальных сил, объяснить все четыре типа взаимодействий и объединить их в одной теории.
Рис. 2. Стандартная модель
2.2.Теория электрослабого взаимодействия.
В конце 1960-х годов электромагнитные и слабые взаимодействия, разные по своей природе, были объединены в одно – электрослабое взаимодействие. Теория была создана С. Вайнбергом и А. Саламом. В 1979 году они совместно с Ш. Глэшоу получили Нобелевскую премию. Дело в том, что слабое взаимодействие более сложно. Во-первых, в слабом взаимодействии могут участвовать частицы различных типов. Во-вторых, электромагнитное взаимодействие не превращает частицы в другие частицы. В теории Вайнберга–Салама фотоны и W+,W-,Z0-бозоны имеют общее происхождение. Слабое взаимодействие столь мало потому, что бозоны очень массивны. При энергиях больше 102 Гэв разница между фотонами и бозонами стирается. Экспериментальное обнаружение в 1983 году этих бозонов доказало, что электромагнитное и слабое взаимодействия являются компонентами единого электрослабого взаимодействия.
Рис. 1. Учёные, занимавшиеся объединением фундаментальных сил (слева на право Ш. Глэшоу, А. Салам, С. Вайнберг)
2.3.Теория Великого объединения
Объединением фундаментальных сил занимался также и американский физик Ш. Глэшоу. Его знаменитая статья 1974 года о теории Великого Объединения начинается словами: “Мы представляем ряд гипотез и догадок, неизбежно приводящих к выводу… что все взаимодействия элементарных частиц (сильное, слабое и электромагнитное) являются проявлением одного и того же фундаментального взаимодействия, содержащего единственную константу связи. Наша гипотеза может оказаться неверной, а догадки неубедительными, но однозначность и простота нашей схемы – достаточные причины, чтобы рассматривать её серьёзно.”
Ш. Глэшоу высказали смелое предложение, что электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия изменяются с расстоянием и энергией так, что при высокой энергии они объединяются в единое взаимодействие. Согласно теории Великого объединения Джорджи и Глэшоу, на ранней стадии эволюции Вселенной, когда энергия и температура были экстремально большими (температура превышала 100 триллионов триллионов (10^26) градусов, а энергия была больше 1000 триллионов (10^15) ГэВ), интенсивность каждого из трёх взаимодействий была одинаковой, и все три негравитационные силы сливались в единую “Силу”. Кварки и лептоны здесь практически были неразличимы, т.е. в их взаимопревращениях нарушался закон сохранения барионного заряда.
В процессе эволюции Вселенной температура падала, и единое взаимодействие расщепилось на три отдельных взаимодействия, каждое со своей зависимостью от энергии, следуя которой они эволюционировали в известные нам сейчас три негравитационных взаимодействия. Хотя изначально взаимодействия были единой силой, из-за разного влияния на каждое из них виртуальных частиц они завершили эволюцию с очень разными интенсивностями при низких энергиях.
3.Пятое фундаментальное взаимодействие
Казалось бы, на этом можно было бы закончить. Но нет. Учёные говорят о, так называемом, пятой фундаментальной силе – Хиггсовском взаимодействии. В 1964 году шестеро физиков-теоретиков выдвинули гипотезу существования нового поля (подобно электромагнитному), которым заполнено все пространство и решает критическую проблему в нашем понимании Вселенной.
Независимо от этого физики Глэшоу, Салам, Вайнберг построили теорию фундаментальных частиц, названную в итоге «Стандартной Моделью», которая обеспечивала феноменальную точность. Эти усилия оказались тесно взаимосвязаны. Прежде чем говорить о новом бозоне и его функциях, нужно вкратце рассказать о нынешнем состоянии теории, в рамках которой он рассматривается. Эта теория, называемая Стандартной моделью, описывает свойства элементарных частиц и их взаимодействие: сильное (ядерное), слабое и электромагнитное.
Всё вещество Вселенной, за исключением тёмной материи и тёмной энергии, состоит из двенадцати квантовых полей с их квантами — фермионами, объединёнными в три семейства: шесть лептонов (включающих в себя хорошо знакомый всем нам электрон), шесть кварков (частиц, из которых состоят протоны, нейтроны) и двенадцать соответствующих им античастиц (антикварки, антинейтрино, позитрон и др). Эти семейства хоть и очень похожи, но имеют большую разницу в массе. Следующее важное положение Стандартной модели: есть частицы – бозоны, которые обеспечивают фундаментальные взаимодействия и служат их переносчиками. Они не являются «строительным материалом мироздания», а образуют своего рода «скрепляющий раствор», не позволяющий Вселенной разлететься на куски. И, наконец, третье положение гласит о существовании поля Хиггса, приводящего к спонтанному нарушению симметрии и описывающего наличие массы у всех остальных элементарных частиц. Поскольку в квантовой теории каждому полю соответствует своя частица-квант, то у хиггсова поля тоже есть такой квант — бозон Хиггса.
Стандартная Модель нуждалась в механизме приобретения частицами массы. Новую полевую теорию разработали Питер Хиггс, Роберт Браут, Франсуа Энглер, Джералд Гуралник, Карл Хаген и Томас Киббл. Согласно современным представлениям бозоны не должны иметь инертной массы, однако, W- и Z-бозоны ею обладают. Для объяснения этого явления британский физик Питер Хиггс предположил, что частицы вроде протонов, нейтронов и кварков получают массу через взаимодействие с невидимым электромагнитным полем, известным как поле Хиггса (или хиггсовское поле). Некоторые частицы способны проходить через это поле, не получая массы, в то время как другие «вязнут» в нем и накапливают ее. Это можно сравнить с пенопластовыми шариками, рассыпанными на поверхности стола, достаточно лёгкого дуновения ветра и их сметёт, а если рассыпать их на поверхность воды, то их движение будет замедленно. Если это так, то «невидимое» поле должно иметь связанную с ним частицу — бозон Хиггса, — которая контролирует взаимодействия с другими частицами и хиггсовским полем, изменяя при помощи него виртуальные частицы Хиггса.
Бозон Хиггса – это квант хиггсовского поля, обладающий массой 125,3 ГэВ. Он был открыт в июле 2012 года во время эксперимента на Большом Адронном коллайдере (БАК) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН). Суть эксперимента проста, сложна реализация и интерпретация результатов. Берутся два протона на околосветовой скорости и сталкиваются лоб в лоб. Протоны, состоящие из кварков и антикварков, от такого мощного столкновения разваливаются и появляется множество вторичных частиц. Так учёные обнаружили бозон Хиггса.
Симметрии теорий микромира запрещают фундаментальным частицам иметь массы, а хиггсовское поле нарушает эти симметрии и обеспечивает возможность существования масс у фундаментальных частиц. В этом главная роль хиггсовского поля. Взаимодействуя с фундаментальными частицами, поле Хиггса наделяет их массами, величины которых пропорциональны напряженности этого поля, умноженному на силу (интенсивность) взаимодействия. Чем сильнее (интенсивнее) это взаимодействие, тем больше масса частицы.
Гипотеза о количестве фундаментальных физических взаимодействий — почему в природе именно то количество взаимодействий, которое есть, предполагает, что количество фундаментальных взаимодействий зависит от вида коэффициента затухания в рассматриваемых уравнениях колебаний. При этом некоммутативная структура этого коэффициента свидетельствует в пользу существования поля Хиггса в качестве фундаментального взаимодействия.
4.Заключение
Таким образом, во Вселенной имеется 6 кварков и 6 лептонов и 4 вида взаимодействий: сильное, слабое и электромагнитное и гравитационное,
переносимых квантами соответствующих полей: глюоном g, W- и Z-бозонами и фотоном и гравитонами. К этим четырём взаимодействиям теперь добавилось пятое, переносимое хиггсовским бозоном. Этим набором частиц и взаимодействий между ними исчерпываются все известные фундаментальные частицы и силы природы.
Я считаю, мне удалось ответить на поставленные вопросы. Данная тема очень актуальна и интересна, и каждый образованный человек, по моему мнению, должен знать о таком явлении как фундаментальные взаимодействия и о роли фундаментальных частиц. Так как это порождает новую почву для размышлений о том, как именно образовалась наша Вселенная. Также остаются вопросы о создании новых теорий объединения фундаментальных сил, например, гравитационного и хиггсовского взаимодействий с тремя остальными, на которые, я считаю, в ближайшем будущем будут даны ответы.
В заключении приведу таблицу видов и свойств всех пяти взаимодействий. Отметим, что хиггсовские силы, как и слабые, очень короткодействующие (следствие большой массы бозона Хиггса). Кроме того, константа взаимодействия этих сил на два порядка превосходит константу слабых сил:
Рис. 3. Виды и свойства фундаментальных взаимодействий
5.Список литературы
https://studopedia.ru/5_60154_teorii-velikogo-ob-edineniya-i-superob-edineniya.html
https://habr.com/ru/post/403521/
https://uchebnikfree.com/populyarnaya-fizika_1438/velikoe-obyedinenie-63397.html
https://studopedia.ru/23_58760_fundamentalnie-vzaimodeystviya.html
http://nuclphys.sinp.msu.ru/pilgrims/cr01.htm
https://postnauka.ru/video/47947
https://mining--cryptocurrency-ru.turbopages.org/mining-cryptocurrency.ru/s/higgs-boson/
https://www.shkolazhizni.ru/world/articles/69391/
http://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/add/l6_2.htm
https://ru.m.wikipedia.org/wiki/Фундаментальные_взаимодействия
https://elementy.ru/LHC/HEP/SM
https://ru.wikipedia.org/wiki/Бозон_Хиггса
|
|
|
Скачать 305.91 Kb.