Первая  релятивистская космологическая модель (модель Вселенной) была предложена самим  Эйнштейном. Это была стационарная конечная сферическая замкнутая  модель. Затем российский физик, геофизик и космолог Александр Александрович Фридман (1888 – 1925) в 1922 г. нашел ряд решений для расширяющихся Вселенных, заполненных веществом. Три модели Вселенной Фридмана и поныне служат основой для самых современных космических построений. Фридман сделал два очень простых предположения: во-первых, Вселенная выглядит одинаково, в каком бы направлении мы ее не наблюдали (изотропность Вселенной), и во-вторых, это утверждение должно оставаться справедливым и в  том случае, если бы мы производили наблюдения из какого-нибудь другого места (однородность Вселенной). Эти два предположения составляют так называемый космологический принцип. Не прибегая ни к каким другим предположениям, Фридман показал, что Вселенная не должна быть статической.

    Существуют  три разные модели Фридмана, для которых выполним космологический принцип. В первой модели Вселенная расширяется медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого Вселенная начинает сжиматься. В остальных моделях сжатия не происходит. В первой модели Фридмана пространство искривляется, замыкаясь на себя, как поверхность Земли. Поэтому размеры его конечны. Во второй же модели, в которой Вселенная расширяется бесконечно, пространство искривлено иначе – как поверхность седла, т.е. в этом случае пространство бесконечно. В третьей модели Фридмана пространство плоское и значит тоже бесконечное.

    Но  какая из моделей Фридмана подходит для нашей Вселенной? Перестанет ли Вселенная расширяться и начнет сжиматься или же будет расширяться вечно? Чтобы ответить на эти вопросы, нужно знать нынешнюю скорость расширения Вселенной и ее среднюю плотность.

    Контрольные вопросы

1. В чем состоит  сущность электродинамических явлений, открытых Ампером и Эрстедом?
2. Какой количественный закон был открыт Ампером?
3. Какова сущность физического явления, открытого Фарадеем?
4. В чем сущность теории электромагнитного поля, созданной Максвеллом?
5. Каким стали представлять мир ученые после открытия электромагнитных волн?
6. Спектр излучения электромагнитных волн.
7. Чему равна скорость распространения электромагнитных волн в вакууме?

    Лекция  № 6 

    Тема: Концепции фундаментальных  полей. Основы статистической физики и термодинамики

    (с. 61-68 /5/, с. 45-49 /1/, с. 30-35 Ю) 

• Концепция элементарных частиц.
• Виды взаимодействий элементарных частиц: а) сильные; б) слабые; в) гравитационное; г) электромагнитное.
• Новые элементарные частицы кварки.
• Принцип запрета Паули.
• Основы статистической физики и термодинамики.

    Элементарные  частицы и силы в природе 

    Аристотель  считал вещество непрерывным, т.е. любой  кусок вещества можно бесконечно дробить на все меньшие и меньшие  кусочки, так и не дойдя до такой  крошечной крупинки, которая дальше бы не делилась. Однако другие древнегреческие  философы, например Демокрит, придерживались мнения, что материя имеет зернистую структуру, и что все в мире состоит из большого числа разных атомов. Проходили века, но продолжался бездоказательный спор как с той, так и с другой стороны. Спор этот длился до начала нашего века, пока английский физик Джозефер Томсон (1856 – 1940) не открыл в 1897 г. простейшую элементарную частицу материи – электрон. Вскоре стало ясно, что электроны должны вылетать из атомов. В 1911 г английский физик Эрнст Резерфорд доказал, что атомы вещества действительно обладают внутренней структурой: они состоят из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов.

    Сначала предполагали, что ядро атома состоит  из электронов и положительно заряженных частиц, которые назвали протонами. Однако, в 1932 г. Джеймс Чедвик обнаружил, что в ядре есть еще и другие частицы – нейтроны, масса которых почти равна массе протона, но которые не заряжены.

    Как говорилось выше, частицы могут себя вести подобно волне (корпускулярно-волновой дуализм). Открытие волновой природы электрона раскрыло новый, своеобразный мир явлений. Изящная теория электрона была предложена выдающимся физиком-теоретиком П. Дираком в 1928 г. эта теория дает нам возможность определить, когда электрон сходен с частицей, а когда – с волной. Одна из посылок теории Дирака об электроне заключалась в том, что должна существовать элементарная частица, обладающая такими же свойствами, как электрон, но с положительным зарядом. Такая частица (или античастица) была обнаружена и названа позитроном. Из теории Дирака также следовало, что позитрон и электрон, взаимодействуя между собой (реакция аннигиляции), образуют пару фотонов, т.е. квантов электромагнитного излучения. Возможен и обратный процесс (процесс рождения), когда фотон, взаимодействуя с ядром, превращается в пару электрон-позитрон. Кроме того, электрон и позитрон могут возникать и исчезать не только совместно, но и по отдельности – при взаимных превращениях нейтронов и протонов или их античастиц, т.е. антинейтронов и антипротонов.

    Характерное для волновой механики (механика, которая рассматривает частицу, как волну) вероятностное распределение рассматриваемых частиц (каждой частице сопоставляется волновая функция, квадрат амплитуды которой равен вероятности обнаружить частицу в определенном объеме) относится не только к электрону. В случае атомных ядер оно позволяет составляющим эти ядра нуклонам (т.е. протонам и нейтронам) «просачиваться» через непреодолимый для них потенциальный барьер наружу – это так называемый квантово-механический туннельный эффект.

    Еще лет двадцать пять тому назад протоны  и нейтроны считались элементарными  частицами, но эксперименты по взаимодействию движущихся с большими скоростями протонов и нейтронов показали, что на самом  деле протоны состоят из еще более  мелких частиц. Впервые исследовал эти частицы американский физик-теоретик Гелл-Манн. Он назвал их кварками. Название «кварк» взято из стихотворной строки Джойса: «Три кварка для мистера Марка!».

 кварк   кварк           кварк                      кварк                     кварк    кварк 
 
 
 

    Известно  несколько разновидностей кварков: предполагают, что существует, по крайней  мере, шесть ароматов, которым отвечают u – кварк, d – кварк, странный кварк, очарованный кварк, b – кварк и t – кварк. Кварк каждого аромата может иметь еще и один из трех цветов – красный, зеленый, синий. Это просто обозначение, т.к. размер кварков значительно меньше длины волны видимого света и поэтому цвета в обычном смысле слова у них нет.

    Итак, мы узнали, что ни атомы, ни находящиеся  внутри атомов протоны с нейтронами не являются неделимыми, а поэтому  возникает вопрос: «Что же такое  настоящие элементарные частицы? Это  те исходные кирпичи, из которых все  состоит».

    Частицы-переносчики  можно классифицировать на четыре типа в зависимости от величины переносимого ими взаимодействия и от того, с какими частицами они взаимодействовали.

    1. Первая разновидность – гравитационная  сила. Эти силы носят гравитационный  характер. Это означает, что всякая частица находится под действием гравитационной силы, величина которой зависит от массы и энергии частицы. Это очень слабая сила, которую мы вообще не заметили бы, если бы не два ее специфических свойства: гравитационные силы действуют на больших расстояниях и всегда являются силами притяжения.

    В квантомеханическом подходе к гравитационному  полю считается, что гравитационная сила, действующая между двумя  частицами материи, переносится  частицей со спином 2, которая называется гравитоном. Гравитон не обладает собственной массой и поэтому переносимая им сила является дальнодействующей. Гравитационное взаимодействие между Солнцем и Землей объясняется тем, что частицы, из которых состоят Земля и Солнце, обмениваются гравитонами. Несмотря на то, что в обмене участвуют лишь виртуальные частицы, создаваемый ими эффект безусловно поддается измерению, потому что этот эффект – вращение Земли вокруг Солнца. Реальные гравитоны распространяются в виде волн, но они очень слабые и их так трудно зарегистрировать, что пока это никому не удалось сделать.

    2. Следующий этап взаимодействия  создается электромагнитными силами, которые действуют между электрически  заряженными частицами, но не  отвечают за взаимодействие таких  незаряженных частиц как гравитоны.  Электромагнитные взаимодействия гораздо сильнее гравитационных: электромагнитная сила, действующая между двумя электронами, примерно в 10⁴⁰ раз больше гравитационной силы. В отличие от гравитационных сил, которые являются силами притяжения, одинаковые по знаку заряды отталкиваются, разноименно заряженные – притягиваются.

    3. Взаимодействие третьего типа  называется слабым взаимодействием.  Оно отвечает за радиоактивность  и существует между всеми частицами  вещества со спином ½, но  в  нем не участвуют частицы  со спином 0, 1, 2 – фотоны и гравитоны.

    В 1967 г. английский физик-теоретик Абдус  Салам и американский физик из Гарварда Стивен Вайнберг одновременно предложили теорию, которая объединяла слабое взаимдействие с электромагнитным. Вайнберг и Салам высказали предположение  о том, чтов дополнение к фотону существует еще три частицы со спином 1, которые вместе называются тяжелыми векторными бозонами и являются переносчиками слабого взаимодействия. Эти бозоны были обозначены символами W⁺, W^-, Z⁰. Массы бозонов предсказывались большими, чтобы создаваемые ими силы имели очень маленький радиус действия. Примерно через десять лет предсказания, полученные в теории Вайнберга-Салама, подтвердились экспериментально.

    4. Сильное ядерное взаимодействие  представляет собой взаимодействие  четвертого типа, которое удерживает кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Переносчиком сильного взаимодействия считается частица со спином 1, которая называется глюоном. Глюоны взаимодействуют только с кварками и с другими глюонами. У сильного взаимодействия есть одно необычное свойство – оно обладает конфайнментом. Конфайнмент состоит в том, что частицы всегда удерживаются в бесцветных комбинациях. Один кварк не может существовать сам по себе, потону что тогда он должен иметь цвет (красный, зеленый, синий).

    Следствием  конфайнмента является то, что мы не можем наблюдать отдельный кварк  или глюон. Не означает ли это, что  само представление о кварках  или глюонах как о частицах несколько метафизично? Нет, потому что сильное взаимодействие характеризуется еще одним свойством, которое называется асимптотической свободой. Это свойство состоит в том, что при высоких энергиях сильное взаимодействие заметно ослабевает и кварки, и глюоны начинают вести себя почти так же, как свободные частицы. В результате экспериментов на мощных ускорителях действительно получены фотографии треков (следы частиц) свободных кварков, родившихся в результате столкновения протона и антипротона высокой энергии.

     ТИПЫ  ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ МЕЖДУ  ЭЛЕМЕНТАРНЫМИ ЧАСТИЦАМИ

    После успешного объединения электромагнитного  и слабого взаимодействий стали  предприниматься попытки соединения этих двух видов с сильным взаимодействием, чтобы в результате получилась так  называемая теория великого объединения. Было предложено несколько вариантов таких «великих» теорий.

    Конечно, в этом названии есть некоторая доля преувеличения: во-первых, все предложенные теории на самом деле вовсе не такие  уж и великие, а во-вторых, они  просто не могут объединить в себе все четыре вида взаимодействий по причине того, что совсем не рассматривают гравитационные взаимодействия. Тем не менее, такие теории могут стать определенным шагом на пути создания полной теории объединения, охватывающей все взаимодействия. Теории великого объединения «проливают свет» и на само наше существование.

    Контрольные вопросы

1. Свойства  сингулярной точки.
2. Понятие «реакция аннигиляции».
3. Модель атома Резерфорда. Какие элементарные частицы называют нуклонами?
4. Основные законы стат.физики и термодинамики.
5. Охарактеризуйте вклад Ломоносова в развитие естествознания.

    Лекция  № 7 

    Тема: Объединение физики. Зарождение четвертой  глобальной естественно-научной революции

    (с. 35-38 Ю) 

• Зарождение  четвертой глобальной естественно-научной  революции.
• Колебательный процесс и величины, его характеризующие.
• Уравнение свободных гармонических колебаний
• Затухающие и вынужденные колебания. Резонанс.
• Сущность четвертой естественно-научной революции.