Космомікрофізика – порівняно нова галузь науки, завданням якої є встановлення взаємозв’язку між мега- і мікросвітом. Тобто – йдеться про всебічне поєднання (навіть злиття) ідей, законів і взаємозалежностей, встановлених при вивченні світу елементарних частинок, із сучасними уявленнями про Всесвіт з усіма спостережуваними даними, що вже є в розпорядженні астрономів. “Космомікрофізика, що виникла на основі ідей великого синтезу фундаментальних сил природи, за необхідністю поєднує у своїх побудовах аналіз із синтезом... (Вона) – закономірний результат внутрішнього розвитку і фізики елементарних частинок, і космології. Поява цієї науки зумовлена злиттям двох тенденцій – розвитку теорії елементарних частинок, нетривіальні прояви якої розкриваються лише в процесах при надвисоких енергіях, і виникненні уявлень про нові, форми матерії, що є необхідні для самоузгодженого опису сукупності спостережуваних явищ у Всесвіті, чітке усвідомлення взаємозв’язку між проблемою структури мікросвіту і проблемою обґрунтування структури макросвіту вивело сумісний розгляд мікро- і макросвіту на новий рівень, на якому ці задачі зливаються, утворюючи нову якість. У космомікрофізиці структура мікросвіту озвучується гармонією небесних сфер” (М.Ю. Хлопов, 2003 р.). Розмаїття матеріальних структур у нашому Всесвіті зформувалося і підтримується завдяки чотирьом типам взаємодій між його окремими “частинками”. Першою була усвідомлена гравітаційна взаємодія, тобто взаємне притягання, завдяки якому “маємо” планети й зорі. “Носієм” взаємодії тут є (поки що гіпотетичний) гравітон. Усі ж теоретичні передбачення (а вони – дивовижні!) стали можливими завдяки “своєчасно прийнятим і належно розробленим” двом концепціям: 1) фізичного поля і 2) симетрії з її вершиною – суперсиметрією. Фізичне поле – система із безконечним числом ступенів свободи, що змінюється у просторі і часі. Будь-які силові впливи частинок одна на одну при зміні їхнього положення можуть передаватися лише у формі збурень поля, які поширюються зі скінченною швидкістю від одної точки до іншої. Поле є носієм енергії й імпульсу (Л.Б. Окунь, 2005). Завдяки взаємодії двох полів елементарні частинки “набувають” масу – кожна у свій час, на певному етапі зміни параметрів системи. За особливостями своїх проявів поле може бути скалярним, векторним або ж тензорним. Як ось, у кімнаті, при закритих вікнах і дверях, температура однакова в усіх точках і не залежить від напрямку, і цей стан якраз описують скалярною функцією. У космології “особливо популярним” є скалярне поле, ним, зокрема, описують “стан системи” – вакуум. Оглядаючись на проміжок часу 150 років, бачимо, що дослідження фізичних явищ “навколо нас” привели поступово: 1) до формування передусім ідеї електромагнітного поля як самостійного фізичного об’єкта. Щоправда, спочатку, при “класичному підході” взаємодію, зокрема, двох електронів описували так: один із них, пролітаючи поблизу іншого, “відчуває” його електричне поле і відхиляється ним. Квантова ж теорія поля пояснила це інакше: проходячи на певній відстані один від одного, електрони обмінюються фотонами, і цей обмін обумовлює їх відхилення, це ж стосується і взаємодії електрона з протоном; 2) до становлення квантової механіки як засобу для опису явищ і законів руху мікрочастинок у заданих зовнішніх полях. Як наслідок а) зформульовано співвідношення невизначеностей Гайзенберга: Δx · Δυx ≥ ħ/m, Δt · ΔE ≥ ħ (3.1) – у мікросвіті неможливо водночас точно визначити швидкість частинки υ і її координату x, як також її енергію E на певний момент часу t! І те, і інше знаходять із похибками – Δυx, де υx – проекція швидкості на вісь х, а також – із похибками ΔE (m – маса частинки, ħ=h/2π). б) введено поняття спіна частинки, без якого опис мікросвіту є неможливим. Адже, зокрема, особливості спектрів (роздвоєння спектральних ліній деяких елементів) буквально вимагали уявлення: електрон має двозначність квантових властивостей, яку, за словами В. Паулі (1900 – 1958) “неможливо описати класично”. Довелося ввести (1925 р.) поняття спіна – наче механічного моменту обертання, з обмовкою: “ця характеристика має чисто квантову природу”. Отже цей “внутрішній стан електрона” має значення +½ або –½ (в одиницях ħ) – тобто “є дві проекції на виділену вісь”. Згаданий учений зформулював і дуже важливий принцип Паулі: дві тотожні частинки з півцілими спінами в одиничному фазовому просторі не можуть перебувати в одному стані. Тому то в атомі гелію на “орбіті” з номером n = 1 є два електрони, але й у всіх інших, важчих елементів на цій “орбіті” їх також по два! Один ніби “обертається навколо осі” за, інший проти годинникової стрілки. в) здійснено поділ частинок на дві принципово різні групи (типи) – на ферміони і бозони. Перші мають спін s = ½, їх в одиничному об’ємі може бути не більше двох, у бозонів спін цілочисельний s = 1(може бути й s = 2), їхнє число в одиниці об’єму не обмежене. І – розглядаючи взаємодію електричних зарядів, фізики дійшли висновку: вона здійснюється обміном фотонів. Загалом же зформульовано висновок: є частинка – власник заряду, її спін s = ½, і є носій взаємодії зі спіном (конкретно для фотона) s = 1, тобто цілочисельний. Невдовзі визріло переконання: напевне, і теорії інших взаємодій можуть бути збудовані за таким же зразком! г) отримано перші докази (1931 р.) симетрії, наявної у світі елементарних частинок. Бо ж позитрон (е+) відрізняється від електрона (е–) лише знаком електричного заряду. У 1932 р. В. Гайзенберг увів поняття ізотопічного спіна, тоді ще як “формальний математичний прийом”, Це дало змогу вважати нейтрон і протон однією частинкою “з маленьким застереженням”: у певному ізотопічному просторі проекції спіна (ізоспіна) на вісь зет Іг = +1 відповідає протон, проекції ж Iz = –1 – нейтрон. 3) до усвідомлення того, що принцип найменшої дії, як головний закон фізики, успішно (і навіть безальтернативно) може бути використаний і при з’ясуванні задач квантової механіки, і особливо – фізики елементарних частинок. Як відомо, у пошуку розв’язків задачі про рух матеріальної точки під дією заданої сили F = ma, де – прискорення, можна іти двома шляхами. 1-й: безпосередньо розв’язуючи диференціальне рівняння зокрема при отримуючи закони Кеплера. І 2-й: використовуючи функцію Лагранжа L, точніше – лагранжіан L(x) – густину функції Лагранжа (різницю між кінетичною і потенціальною енергією) у конкретній точці простору-часу. Якраз знаючи (задаючи) L(x), знаходять дію (3.2) тут – координата світової точки. Для реальних процесів, які перебігають у природі, величина дії екстремальна, тобто її варіації (зміни) рівні нулю: δS = 0. І тут наведемо слова Л.Б. Окуня: “Основна велич дії пов’язана не із законами збереження, а з тим, що в дії вміщена вся динаміка взаємодії полів і частинок. І ... побудова теорії елементарних частинок зводиться до знаходження фундаментального лагранжіана, яким описується фізичний світ, і до розв’язку рівнянь руху, які з нього випливають... А в пошуку різних доданків фундаментального лагранжіана провідними зорями є симетрії”. Ефектним стало застосування лагранжіана при з’ясуванні: “окремих граней” слабкої взаємодії. Можна було збудувати (і збудовано) теорію за зразком електромагнітної, і в обох випадках носії взаємодії не мали маси спокою. Але сам факт малого радіуса дії вів до висновку: носії слабкої взаємодії мають масу! За деталями відсилаємо читача до, зокрема, книги Г. Кейна (1990 р.). Тут же, задля дохідливості, зазначимо, що найціннішим ключем досліджень у фізиці елементарних частинок був і є метод збурень. Так, щодо Землі сусідня планета є причиною збурення поля тяжіння. І “в нульовому наближенні” у лагранжіані є “стандартне співвідношення” величин, що відображає взаємодію “Сонце – Земля” і ці доданки автоматично усуваються з опису збуреного руху. Залишок же, як відображення збурення поля планетою, вміщує добуток маси Сонця на масу планети. Теорія дивовижно дає змогу передбачити не лише існування нових частинок, але й оцінити їх масу. Їх і було знайдено, і маси були акурат такими, як передбачено, – зокрема – для носіїв слабкої взаємодії W± та Zº. Але ж – за умови, що маса “головної частинки” (маса протона), у прикладі – маса Сонця, відома – “від початку”. Отже – те, що названо Стандартною моделлю у фізиці елементарних частинок не є завершеною, вона потребує якихось узагальнень! І що важливе: об’єднання електромагнітної і слабкої взаємодій відбулося завдяки розумінню: носії першої взаємодії – фотони – маси не мають, ті, другої, – саме таку, яку й “передбачила теорія”. 4. З’ясовано (теоретично – з 1964 р.), що як протон, так і нейтрон складаються з “елементарних частинок вищого рівня” – із кварків. Далі зроблено висновок, що носіями сильної взаємодії тут є глюони. А щоб несуперечливо описати поєднання трьох кварків у “бувші елементарні” і , довелося ввести додаткове квантово-механічне поняття кольору”, тому й є хромо- (“кольорова”) динаміка – теорія взаємодії кварків завдяки глюонам. 5. Розроблено теорію суперсиметрїї. Підкреслимо ще раз: “дотепер” ферміони були (і є в реальному нашому світі!) “представниками” речовини, “власниками” зарядів, бозони ж – “обслуговуючий персонал”, носії взаємодії. Тут – чітка асиметрія! Але “в рамках теорій, що описують ці взаємодії”, неможливо визначити, встановити величини певних характеристик (як ось масу тої чи тої частинки, зрештою – швидкість світла тощо). Зусилля у здійсненні об’єднання двох, трьох і, нарешті, усіх чотирьох згаданих вище взаємодій не обіцяли дати рецепти для визначення цих параметрів. Тому то фізики упродовж чи не 30 років робили спроби збудувати Теорію Вищого Рівня, в якій, як тут згадано, ферміони і бозони були б “рівноправними”. А це, річ ясна, стає можливим, якщо кожна частинка має свого суперпартнера із протилежним спіном. Так, кварки, електрон і нейтрино мають “доповнення” – скварки, селектрон, снейтрино зі спінами s = 0. І, навпаки, для фотонів, глюонів, W± і Z0 бозонів – це фотіно, глюїно, віно і зіно зі спіном s = ½. Усе це розігрується в 11-вимірному просторі-часі, де з 10 просторових вимірів сім компактифікуються – “згортаються”. Приклад: так же “зникають” ширина і товщина стовпа електромережі і залишається, зі збільшенням відстані до нього, лише один вимір – висота. Проблема ж вакууму і “реалізації його можливостей” у породженні різних типів елементарних частинок вимагає окремого обговорення. Тут насамкінець зазначимо лише, що важливим “мірилом” при цьому є планківські одиниці довжини lpl, часу tpl, маси mpl і густини ρpl, отримані комбінацією трьох фундаментальних фізичних сталих – швидкості світла c, гравітації G і сталої Планка ћ = 1,05·10–34 Дж·с (ћ = h/2π): Адже, зокрема, приймають, що первісною “коміркою“, яка, роздуваючись, стає Всесвітом, є об’єм усього лише lpl3. Отож із теорії “стандартної моделі” Всесвіту, який розширюється, випливає, що чим ближче «до початку», тим вища його температура. Цей результат одержаний астрономами. Зі свого боку, фізики, збільшуючи енергію (тобто «температуру») частинок, які стикаються в прискорювачах, зробили дивні висновки про зміну властивостей речовини у міру зростання енергії частинок, що її становлять. Інакше кажучи, вони крок за кроком наближаються до «Великого об’єднання» і «супероб’єднання» наявних у природі взаємодій – електромагнітної, слабкої, сильної і гравітаційної. Щоправда, це, напевне, буде реалізовано на “вищому рівні” – в “М-теорії” (див. далі). Можна все ж підсумувати: процеси усіх чотирьох взаємодій стають нерозрізненними при енергіях 1019 ГеВ (рис 3.1) Отже з початку 80-х років ХХ ст. історію нашого Всесвіту вже почали описувати від моменту t ≈ tpl ≈ 10–43 с і просторового масштабу lpl ≈ 10–33 см. Приймалося, зокрема, що при температурі понад 1030 К, процеси електромагнітної, слабкої і сильної взаємодій нерозрізнювані між собою. Цей стан має такі особливості: 1. Частинки матерії поки що не мають мас . 2. У вакуумі стану, тобто в «резервуарі» віртуальних частинок і полів, прихована потенціальна енергія, густина якої пов’язана з густиною вакууму ρв співвідношенням εВ = с2∙ρв причому в деяких варіантах теорії приймалося ρв = 1074 г/см3 , в інших ρв = ρРl = 1094 г/см3, так що густина енергії цього псевдовакууму відповідно рівна 1088 Дж/см3 або 10108 Дж/см3. 3. Завдяки роздуванню Всесвіту температура стрімко зменшується, тоді як густина вакууму до певного часу залишається незмінною.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Фрагменти космомікрофізики» з дисципліни «Фрагменти космології»
