физика лекции по оптике. Курс лекций по физике ч волновая и квантовая оптика Строение атома и ядра Красноярск 2011 Волновая оптика 2
 Скачать 4.1 Mb.
|
|
11.13. Кварки Кварки - элементарные микроскопические частицы, входят в состав всех адронов. К настоящему времени известны кварки u, d, s, c, b и t. Последний t кварк пока используется в теории. Кварки различаются значениями квантовых чисел, массами и т. д. Кварки u, c, t имеют заряд +2/3; кварки d, s, b – заряд –1/3. Массы кварков m u 5 МэВ m d 7 МэВ m s 150 МэВ m c 1,3 ГэВ m b 5 ГэВ m t 22 ГэВ. Каждый тип кварка q i предоставлен тремя разновидностями q i , у которых квантовые числа и масса одинаковы, но различаются цветом. Их называют при =1, 2, 3 соответственно красный, желтый, голубой. Смесь их бесцветна. Каждый барион состоит из трех кварков, каждый мезон - из кварка и антикварка. Например, протон 1 1 p = (uud), нейтрон 0 1 n =(udd), плюс мезон Кроме того, каждый барион окружен морем виртуальных кварк-антикварковых пари глюонов. Эксперименты на ускорителях доказали кварковую структуру материи. Кварки в нуклонах можно представить как точечно-подобные бесструктурные частицы размером 10 18 м, окруженные шубой из глюонов и кварк-антикварковых Волновая оптика 190 пар размером 10 16 м. Кварки в барионах связаны между собой сильными взаимодействиями ив свободном состоянии не существуют. Однако теория сильных взаимодействий квантовая хромодинамика -предсказывает существование фазового перехода адронной материи в кварк-глюонную плазму в условиях сильного сжатия и нагревания. Свойства кварков определяют особенности тех барионов, в состав которых они входят. Все три поколения кварков u и d; s и c; b и t, входили в состав кварк глюонной плазмы впервые моменты после Большого Взрыва (10 6 с. Всем кваркам приписывают барионное число B 1 3 , стем чтобы барионы имели В = Тип кварка характеризуется значениями внутренних квантовых чисел изотопического спина (I) и его проекции (I s ); странности (s); очарования (си красоты (b), определяющих аромат кварков. Таблица 11.3 Символ Название В I I s s c b t Q u d s c b t верхний нижний странный очарованный красивый истинный 1 3 1 3 1 3 1 3 1 3 1 3 1 2 1 2 0 0 0 0 1 2 1 2 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 2 3 0 0 2 3 1 3 2 Не исключено, что в аромат могут входить и другие квантовые числа, например, истинность (t), связанная с t кварком (табл. 11.3). Электрический заряд кварков определяется обобщенной формулой Q I B s c b t s 1 2 ( ) . (11.33) Для каждого типа кварка, аромат и электрический заряд одинаковы для всех цветов, те. для всех значений . Особенностью кварков является дробный электрический заряд, кратный e 3 1 (табл. Результаты теории квантовой хромодинамики кварков и глюонов свидетельствуют о необычных свойствах сил взаимодействия между ними. Невозможность отрыва кварков из адронов обусловлена тем, что все глюоны, испускаемые кварками, сосредоточиваются только вблизи линий, Волновая оптика 191 соединяющих кварки, образуя узкую трубку глюонного поля (рис. 11.15). Так как глюонное полене рассеивается в окружающее пространство, то глюоны также не вылетают из адронов и поэтому их невозможно зарегистрировать. Другой отличительной особенностью кварков является ослабление их взаимодействия приуменьшении расстояния между ними (асимптотическая свобода).Из за удержания кварки могут выбиваться только вместе с антикварками. Например, возбуждение бариона состоит в том, что один из кварков бариона начинает удаляться от остальных кварков (рис. 11.16, где кварк белый кружок, антикварк черный кружок. По мере удаления кварка энергия возбуждения бариона возрастает и при достижении некоторого порога рождения пары кварк антикварк рождается эта пара. Кварк, возникшей пары притягивается оставшимися двумя кварками бариона и присоединяется к ним, восстанавливая барион в невозбужденном состоянии. Возникший антикварк объединяется с удаляющися кварком, образуя пару, которая регистрируется как мезон, испущенный барионом. Гипотеза кварков не только объясняет свойства адронов, но и является естественным основанием теории ядерных сил, раскрывающей механизм ядерных взаимодействий. В специальных опытах, подтверждающих гипотезу кварков, обнаружены в адронах точечные образования, называемые партонами. 11.14. Источники и методы регистрации частиц В ядерной физике исследуется субатомная структура материи. Характерные размеры этой структуры малы по сравнению с размерами атомов (< 10 18 мВ ядерной физике непосредственно измеряются промежутки времени 10 9 си только в некоторых случаях удается измерить время, близкое к 10 с. Однако с помощью соотношения неопределенности энергия-время косвенно измеряются промежутки времени, вплоть до 10 24 с. Физические явления, происходящие на сверхмалых расстояниях можно изучать пока в основном только по столкновениями распадам атомных ядер Рис. 11.15 Рис. 11.16 Волновая оптика 192 и элементарных частиц. Все источники ядерных излучений подразделяются на радиоактивные препараты, ускорители, ядерные реакторы и космические лучи. В настоящее время используются ускорители от 5 10 ГэВ до 100 150 ГэВ электростатический генератор Ванде Граафа, линейные ускорители, циклотроны, фазотроны, бетатроны, синхрофазотроны, ускорители на встречных пучках, накопительные кольца и др. Существуют различные методы регистрации элементарных частиц, возникающих при проведении ядерных реакций. Например, электронные (счетчики. К ним относятся импульсные ионизационнные камеры, пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера- Мюллера, сцинтилляционные, черенковские и полупроводниковые счетчики. К трековым детекторам относятся камеры Вильсона, пузырьковые камеры, толстослойные фотоэмульсии, широкозазорные искровые и стримерные, пропорциональные и дрейфовые камеры. Например, полупроводниковые счетчики (рис. 11.17) используют переходное излучение в рентгеновской области и имеют большое будущее в физике ТэВ области для идентификации частиц. Принцип работы полупроводникового счетчика тот же, что и ионизационной камеры, только вместо газа используется полупроводник. В этом его преимущество, т. кв твердом теле на одном и том же отрезке пути заряженная частица отдает в сотни раз больше энергии, чем в газе. Проходя через полупроводник частица вызывает переход электронов из валентной зоны в зону проводимости, порождая пару электрон дырка. Энергия W, необходимая для рождения такой пары, составляет 2,9 эВ в германии и 3,5 эВ в кремнии. Если энергия частицы равна W k , тона своем пути в полупроводнике она создает W k /W электронно дырочных пар. Для уменьшения помех полупроводниковые детекторы охлаждают до температур жидкого азота. В счетчике любого вида регистрация осуществляется немедленно, те. без последующей обработки. Следовые регистраторы (камера Вильсона, пузырьковая камера, метод толстослойных эмульсий и др) позволяют получить полную информацию о траекториях заряженных частиц. Оба эти преимущества объединены в искровой камере. Рис. 11.17 Волновая оптика 193 Искровая камера состоит из набора плоскопараллельных электродов площадью дом, расположенных на расстоянии в несколько миллиметров друг от друга и соединенных через один. Электроды помещают в замкнутый объем, заполненный газовой смесью гелия и неона. Одна половина электродов заземляется, а к другой прикладывается высоковольтный импульс (рис. 11.18). Главное достоинство искровой камеры состоит в том, что ее рабочий объем состоит из блоков, число которых не ограничено. 11.15. Когерентность и материя Классическая когерентность, генерация излучения в лазерах, когерентное состояние вещества, сверхпроводимость, сверхтекучесть, сверхизлучение, сверхрассеяние относятся к явлениям когерентности Поскольку пространственная когерентность определяется не абсолютным, а относительным угловым размером источника, то оказывается возможной когерентность лучей света, который приходит на Землю от далекой звезды. Свет самой звезды является пространственно некогерентным, но при наблюдении звезды в телескоп можно видеть резкие кольца, обусловленные когерентными явлениями. Например, была получена интерференционная картина от Солнца. За счет синхронизации мод получена интерференция волн с различными частотами, возникающая при генерации лазером ультракоротких импульсов. Таким способом получены мощности 10 12 Вт при длительности импульса 10 10 с. Эти импульсы тем короче, чем большее число волн с различными частотами будут интерферировать. Наличие волновых свойству вещества позволяет поставить вопрос о его когерентности, те. о возможности для системы, невзаимодействующих между собой частиц, обнаружить свойства, связанные с синхронизацией фаз функций отдельных частиц, атомов или молекул. С когерентностью вещества, возникающей в результате резонансного взаимодействия с излучением, связан целый ряд эффектов самоиндуцированная прозрачность, фотонная индукция, фотонное эхо, оптическая нутация, сверхизлучение, сверхрассеяние, сверхизлучающий Рис. 11.18 Волновая оптика 194 фазовый переход, оптическая бистабильность. В трехуровневой системе с помощью взаимодействия на равновесную фазу импульсов с частотами 12 и 23 можно наблюдать сверхизлучающие импульсы на всех трех частотах. Это позволяет исследовать характеристики перехода, несоответствующего какой-либо из частот излучения, падающего на молекулярную систему. С помощью трехуровнего подхода было получено, что для спонтанного комбинационного рассеяния на предварительно возбужденной среде может осуществиться режим сверхрассеяния, а также возможность существования солитонов возбужденного комбинационного рассеяния. Рассматривается возможность создания фотонной машины. Подобно электрогенератору и мотору, лазер и фотонная машина могут меняться ролями. Когерентные явления носят общий глобальный характер. Они проявляются во всех трех известных уровнях структуры вещества атомной, ядерной и элементарных частиц в широком диапазоне физических условий при нестационарных и нелинейных процессах. Когерентные явления наблюдаются для излучения и вещества, для кристаллов, жидкостей, газа, плазмы, молекул атомов, ядер, элементарных частиц и т. д. Обсуждаются вопросы о возможностях получения когерентного гравитационного поля и управления гравитацией. Когерентные явления успешно применяются в биологии и для приложений в общественных науках. Обнаружены общие фундаментальные черты различных областей физики, самых разнородных явлений, подтверждающих внутреннее единство материи, указывающих на взаимосвязь когерентных явлений со структурой материи. Лекция 17 10. ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА 10.1. Возникновение Вселенной Вселенная (Метагалактика, в которой мы живем, возникла из космологического сингулярного состояния (гипотеза Большого Взрыва) в далеком прошлом 15 млрд. лет (по последним данным 12 - 13 млрд. лет. Космологическая сингулярность представляется как квантовый объект с планковскими характеристиками размером кванта порядка 10 33 см, плотностью Волновая оптика 195 10 г см, массой 10 5 г, характерным временем протекания процессов 10 44 с. О Вселенной можно говорить, начиная с момента времени 10 44 с, после Большого Взрыва. С этого момента работает “ земная физика. 10.2. Эволюция Вселенной Вначале своей эволюции Вселенная проходит, согласно современным космологическим представлениям, инфляционную эпоху стремительного раздувания, затем Вселенная вступает в период непрерывно продолжающегося до настоящего времени расширения, которое сдерживается силами тяготения вещества Вселенной (табл. 10.1). После инфляционного раздувания, длившегося 10 34 с, вакуумно-подобное состояние первичной материи исчезло, уступив место горячей плазме, состоящей из всех фундаментальных частиц и античастиц, среди которых присутствовали кварки и антикварки. Эта кратковременная эпоха, когда существовала сверхгорячая (Т 10 27 К) и сверхплотная плазма ( 10 г см, имела определяющее значение для дальнейшей судьбы Вселенной. Именно в эту эпоху возникло незначительное превышение кварков над антикварками, что сделало возможным существование нашей барионной Вселенной. Состояние ранней Вселенной стремительно трансформировалось за счет распада тяжелых частиц и вследствие взаимодействия кварков и лептонов, а не сохранение барионного числа при этом и породило тот незначительный избыток кварков над антикварками ( 10 +9 ), который в последующем и определил барионное число Вселенной, равное 10 78 . При дальнейшем расширении и охлаждении Вселенной кварковая плазма испытывает фазовый переход в адронную фазу, состоящую из кварков. По истечении 0,3 с после начала расширения все вещество Вселенной становится прозрачным для нейтрино они перестают взаимодействовать с остальным веществом. Число таких нейтрино не меняется. Только в процессе расширения Вселенной их энергия из-за красного смещения должна упасть, как энергия и температура квантов электромагнитного излучения - фотонов реликтового излучения. Еще раньше при t 0,01 с после расширения Вселенной она стала прозрачной для мюонных, тау-нейтрино и их античастиц. А еще много раньше при t 10 43 с Вселенная стала прозрачной для гравитонов. Таблица 10.1 Стадия эволюции Время Состояние вещества Квантовая эпоха Инфляционная эпоха Эпоха кварковой плазмы 3 10 44 с 10 35 с Космологическая сингулярность, сверхплотный кипящий вакуум. Экспотенциальное раздувание вакуумноподобного состояния. Фазовый переход к горячей плотной Вселенной, рождение барионной Волновая оптика 196 Распад вакуумноподобного состояния. Возникновение барионной асимметрии Кварковая плазма Кварковый синтез Эпоха радиационно- доминированной плазмы Нейтроно-протонная плазма. Первичный нуклеосинтез. Высокотемпературная ионизированная плазма Эпоха вещества-эпоха прозрачной Вселенной Рекомбинация плазмы. Атомарная Вселенная. Звездная Вселенная 10 34 с 10 32 с 10 32 -10 6 с 10 32 -10 6 с 10 4 -10 1 с 1 -10 3 с 10 3 слет лет 10 6 -10 9 лет 10 9 -2 10 лет материи. Плазма всех фундаментальных частиц и античастиц. Распад Х-,Y-бозонов, образование избытка кварков над антикварками. Плазма из всех поколений кварков, тяжелые кварки распадаются, остаются легкие кварки. Кварк-адронный фазовый переход, образование барионов и мезонов. Исчезают свободные кварки. Нуклоны в море лептонов и фотонов, нейтроны постепенно распадаются. Образование легких ядер водорода, гелия, лития. Плазма из ионов водорода (75%) и гелия (25%), электронов и фотонов. Превращение плазмы в нейтральную среду. Барионное вещество в составе атомов. Вселенная прозрачна для фотонов. Формирование галактики звезд. Нуклеосинтез в звездах. Образование Солнечной системы По мере дальнейшего остывания вещества происходит аннигиляция частиц и античастиц, нестабильные частицы распадаются, в результате чего из всех адронов выживает лишь тот относительный избыток протонов и нейтронов, который обязан первоначальному превышению кварков над антикварками. Это произошло примерно через 1 с после Большого Взрыва. Относительное содержание нейтронов застывает назначении. После этого создаются условия для начала первичного термоядерного нуклеосинтеза. В течение последующих 100 св протон-нейтронной плазме оказывается возможным образование ядер водорода, гелия, лития. Однако из-за дальнейшего понижения температуры и плотности вещества становится невозможным синтез более тяжелых элементов. Это происходит примерно через 300 с после начала расширения Вселенной. В этот момент вещество ранней Вселенной состояло в основном из водорода (75%) и гелия (25%). Через миллион лет после начала расширения образуются нейтральные атомы, и Вселенная стала прозрачной для фотонов. Эпоха фотонной эры длилась 10 9 лет. После этого стали возникать зародыши первых будущих космических структур. Теория горячей Вселенной дает предсказание, что в нашу эпоху существует реликтовое электромагнитное излучение во Вселенной с температурой 3-5 К, оставшееся от той эпохи, когда вещество в прошлом было плотными горячим. Оно было открыто в 1965 г. Отношение числа квантов электромагнитных волн фотонов) к числу тяжелых частиц характеризует энтропию Вселенной S = 10 9 , и Волновая оптика 197 при дальнейшей эволюции Вселенной эта величина практически не меняется. Если масса нейтрино отлична от нуля (m 5 10 32 г, тов сумме они являются главной составной частью массы материи во Вселенной. В этом случае плотность только электронных нейтрино примерно равна критической плотности вещества во всей Вселенной ( г см 3 кр ). Это имеет чрезвычайно важное значение для дальнейшей эволюции Вселенной - она начнет сжиматься в далеком будущем. Масса возникших нейтринных облаков составляет M 10 15 Мс (Мс 10 33 г, масса видимого вещества в галактиках много меньше (г 10 13 Мс. Согласно теории блинов крупномасштабная структура Вселенной представляет собой ячеистую структуру невидимых нейтринных облаков Обычное же вещество в виде холодного нейтрального газа состоящего из нейтральных молекул водорода и гелия, начинает сгущаться в поле тяготения нейтринных облаков, из которых впоследствии стали рождаться протозвезды и протогалактики. Таким образом, возникла крупномасштабная структура Вселенной, в которой распределение скоплений галактик носит ячеистый характер. Вместе пересечения стенок ячеек возникают скопления и сверхскопления галактик, в стенках ячеек - галактики, а между стенками - космическая пустота. Размеры ячеек 100 Мпк, толщина стенок 3 - 4 Мпк. В масштабах более 200 Мпк Вселенная однородна. Гравитационное сжатие и разогревание вещества в звездах приводят к сложной цепочке термоядерных реакций, а конец эволюции массивных звезд знаменуется новым фазовым состоянием вещества - нейтронными, кварковыми звездами и черными дырами. К настоящему моменту Вселенная успела расшириться до 6 10 9 Мпк или 15 млрд. световых лети продолжает расширяться. Радиус Вселенной (расстояние до горизонта видимости) определяетсятем расстоянием, на которое распространился свет от момента возникновения Вселенной до настоящего времени. Доплеровское красное смещение света неограниченно нарастает, когда излучающий объект лежит вблизи горизонта видимости, и на самом горизонте видимости оно бесконечно. Следовательно, мы можем видеть конечное число звезд и галактик. В бесконечной Вселенной, заполненной звездами, луч зрения рано или поздно встретит светящуюся поверхность звезды. В этом случае все небо должно сиять как поверхность Солнца или другой звезды. В действительности из-за наличия горизонта мы видим конечное число звезд, редко разбросанных в пространстве, и ночное небо видится темным. Вблизи самого горизонта видимости в принципе должно наблюдаться вещество, сохранившееся с того далекого прошлого. Процессы распада радиоактивных ядер, образующихся в звездных процессах нуклеосинтеза, дают огромное энерговыделение, которое можно наблюдать при вспышках сверхновых звезд. По теории Зельдовича считается что первоначальные сгущения вещества превращаются со временем в огромные слои газа, которые сравнимы по массе со скоплениями и сверхскоплениями галактик. По мнению Амбарцумяна ядра галактик состоят из трех компонент звезд, газа и небольших по размерам сверхмассивных тел. Волновая оптика 198 Масса их равна 10 9 МС. Это сверхплотные тела представляют собой новую форму существования материи неизвестную современной физике. Активность галактик - результат деятельности этих тел. Они способны разделяться на части, удаляющиеся друг от друга с большими скоростями, а также выбрасывать массивные сгустки вещества, струи, кольца и т.д. На рис. 10.1 приведен снимок радиогалактики "Геркулес А, полученный с помощью радиотелескопа, где отчетливо видно, что эта галактика испускает кольца, предположительно состоящие из субатомных частиц и по размерам, превосходящие нашу Галактику (Млечный Путь, а в противоположную сторону испускает мощную струю до расстояний в 5 10 5 световых лет, состоящую из неизвестного вещества и голубых сгустков материи размерами с небольшие галактики. Генератором гигантских вихревых колец перемещающихся в противоположную сторону от направления истечения струи являются какие-то сверхмощные процессы активности ядра галактики "Геркулес А. Для этого в ядре галактики должны быть заключены громадные количества энергии. Кроме пыли и газа межзвездное пространство заполнено космическими лучами, в состав которых входят быстролетящие электроны, ядра различных химических элементов и другие частицы. Без синтеза ядер химических элементов тяжелее водорода и гелия (оставшихся после Большого Взрыва) не могла возникнуть жизнь. Известно пять видов фундаментальных взаимодействий информационные, сильные, электромагнитные, слабые и гравитационные. Они проявляются раздельно при малых энергиях, а при больших энергиях - объединяются в единое взаимодействие. Так, при энергиях W 10 2 Гэв, что соответствует температуре T 10 К, объединяются электромагнитные и слабые взаимодействия (такое взаимодействие удалось осуществить. При энергиях W 10 15 Гэв (T 10 28 К) должно произойти Великое объединение, когда сливаются сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия. При энергиях W 10 19 Гэв (T 10 32 К) к ним присоединяется и гравитационное взаимодействие -“Суперобъединение”. Согласно теории Великого Объединения возможно нарушение закона сохранения барионного числа. К тому же наблюдается отсутствие симметрии между частицами и античастицами. Это означает, что темпы реакций с частицами и античастицами протекают по Рис. 10.1 Волновая оптика 199 разному. Из-за чего появляется небольшой избыток частиц над античастицами. Частицы и античастицы проаннигилируют входе эволюции Вселенной, превращаясь в фотоны, а избыток барионов останется, который является обычным веществом наблюдаемой Вселенной в наши дни. Это положение объясняет существование большой энтропии Вселенной (S 10 9 ). Однородность и изотропность Вселенной в больших масштабах устанавливается по наблюдениям реликтового излучения. Это излучение приходит на Землю с разных областей космического пространства и имеющего одинаковую интенсивность. Следовательно, в прошлом, в момент рекомбинации, когда из плазмы, ставшей прозрачной для фотонов, вышли реликтовые фотоны. Наблюдаемые нами сегодня, далеко разнесенные в пространстве точки имели одинаковые температуру и другие физические свойства. Каждая точка тогда лежала вне горизонта видимости, те. они причинно не связаны друг с другом и не могли вовремя расширения Вселенной обменяться сигналами. Как же в таком случае у них получились одинаковые температуры, если одна точка не могла знать, какая температура у другой Эта проблема получила название проблемы горизонта. Стадия раздувающейся Вселенной решает проблему горизонта. Действительно, точки, которые до стадии раздувания Вселенной, лежали близко друг к другу внутри общего горизонта видимости, благодаря чему обмен сигналами между ними был возможен. В результате же стремительного раздувания за время от t 10 34 с до t 10 32 с оказываются разнесенными на очень большие расстояния, заметно превышающие расстояние до горизонта. В этот момент происходит фазовый переход ложного вакуума, сего огромной плотностью, в плотность обычной материи. Антигравитация ложного вакуума заставляет возникающую из него обычную материю расширяться с точно сбалансированной скоростью. Значит, плотность вакуума в точности соответствует критической плотности для той эпохи. После фазового перехода плотность материи, естественно, тоже равна критической с огромной точностью ( г см 3 кр , без учета плотности вещества скрытой массы. Входе фазового перехода во Вселенной возникают соприкасающиеся домены с разными физическими свойствами. На границах доменов могли возникнуть магнитные монополи с массой враз тяжелее протона и несущие магнитный заряд. Домены рождаются в эпоху соответствующей t 10 34 с после начала расширения Вселенной. Размер каждого домена 10 34 световой секунды или около 10 24 см. Затем, в эпоху раздувания Вселенной, его размер увеличивается враз, те. до 10 26 см (около 10 6 световых лет. Волновая оптика 200 Стадия раздувающейся Вселенной заканчивается к моменту t 10 32 с. После этого Вселенная расширяется по обычным законам, тормозясь тяготением. Размеры Вселенной к нашему времени увеличиваются еще 10 25 раз. Следовательно, окончательный размер домена 10 51 см ( 10 33 световых лет. Размер наблюдаемой области Вселенной составляет только 10 10 световых лет. Это и есть горизонт видимости. |