Читать книгу: «Космология», страница 3

Космос – 17. Петлевая квантовая гравитация (ПКГ).

Еще одна новая теория гравитации, она развивается с восьмидесятых годов прошлого века. Представляет собой попытку экспансии квантовой механики на ОТО. Как я уже говорил, они не согласуются, так вот, в данном случае теория построена так, что если что-то в ОТО не квантовое, то тем хуже для ОТО. То есть, конечно, принимается, что пространство и время состоят из дискретных частей, эти части между собой связаны, и только на больших масштабах кажутся непрерывным ПВК. То есть для больших размеров правильна ОТО, а для маленьких – КМ.

Была, конечно, создана некая специфическая математика для описания; вообще говоря, все эти теории в связи с отсутствием экспериментальной их проверки – это, скорее, теории в математике, чем в физике, что характерно и для излагаемой теории.

Минимальный возможный объем (квант пространства) – это планковская длина (10^-33 см), а минимальный квант времени – планковское время (уже было описано).

Кванты пространства-времени описываются некими графами (спиновыми сетями), что позволяет описывать также нужные для соответствия с ОТО искривления пространства-времени.

"Отдельные узлы и ребра диаграмм представляют собой чрезвычайно малые области пространства: типичный узел соответствует объему около одной длины Планка в кубе, а линия – площади порядка одной длины Планка в квадрате. Но, в принципе, спиновая сеть может быть неограниченно большой и сколь угодно сложной. Если бы мы могли изобразить детальную картину квантового состояния нашей Вселенной (т.е. геометрию ее пространства, искривленного и перекрученного тяготением галактик, черных дыр и пр.), то получилась бы гигантская спиновая сеть невообразимой сложности, содержащая приблизительно 10¹⁸⁴ узлов".

Перемещение материи, таким образом, описывается как трансформация спиновой сети, при которых изменяется связность графов. То есть, по сути, мир – это такая сетка, а иллюзия видимых и движущихся объектов возникает, когда узлы меняют способ связи между ними: какие-то нити разрываются, какие-то появляются. Эти изменения – вероятностные, причем в данной теории были выведены формулы для вычисления квантовой вероятности шагов спиновой сети, то есть, для предсказания вероятности всего, что происходит в мире.

Поскольку во времени эти "нити" как бы изгибаются, то там они выглядят как "петли", отсюда название теории, а сам процесс мирового движения во времени описывается как "спиновая пена". Пена изменяется дискретно с промежутком в один квант времени (планковское время). То есть, типа, хоп – и все неподвижно, одно состояние пространства, потом хоп – и прошел один квант времени, т.е. пена поменяла связность, и опять все неподвижно. На отдельном срезе мир не меняется, так как его изменение – дискретно.

Одним из следствий из данной теории является то, что до Большого Взрыва происходило сжатие Вселенной, а взрыв являлся именно следствием большого схлопывания.

В случае если пространство и время непрерывны, приходится вводить многочисленные дополнительные измерения (как в теории струн), то есть ПКГ все-таки выглядит как нечто более похожее на то, к чему мы привыкли, собственно, поэтому это, если не ошибаюсь, и есть основной конкурент теории струн в настоящее время.

Космос – 18. Теория Лиси (ТЛ)

Последний сюжет про гравитацию.

Другое название этого – "Исключительно простая теория всего". Основано, как и большинство современных теорий, на специфической топологии.

Предполагает наличие пяти фундаментальных полей:

1. Кванты электрослабых полей W и B, из которых по теории Вайнберга – Салама (стандартной модели) получаются промежуточные бозоны W⁺, W^-, Z⁰ и фотон A.

2. Цветные глюоны g, являющиеся переносчиками сильных взаимодействий.

3. Спиновая частица w.

4. Частица e, фрейм.

5. Компания бозонов Хиггса f.

Гравитация, по Лиси, не является фундаментальным взаимодействием, но образуется комбинациями частиц еf и ew, то есть гравитон у него – это не одна частица, а две, да еще и сложных.

То есть из четырех известных взаимодействий у него три сведены в два (объединено электрическое и слабое), а четвертое, самое малоизвестное, гравитация, наоборот, разбито на три взаимодействия.

Математический аппарат для описания того, как из всего этого получается наблюдаемый мир – алгебра Ли на четырёхмерном многообразии. Взаимодействия полей рассматриваются как самодействие поля с некоммутативными образующими.

Пишут, что теория элегантная, но всего многообразия наблюдаемых элементарных частиц не объясняет.

Космос – 19. Инфляционная эпоха

Проходила в период с 10^-35 до 10^-31 секунд от Большого Взрыва. Началось образование материи, что привело к тому, что Вселенная экспоненциально увеличивала свой радиус на много порядков. Образование материи описывается также как фазовый переход. Произошла первичная квантовая флуктуация, то есть вещество образовывалось неоднородным, что и привело к тому, что Вселенная имеет крупномасштабную структуру – галактики, скопления галактик и так далее (сейчас составлена довольно подробная трехмерная карта Вселенной).

Возникли кварки и глюоны, то есть, собственно, сильное взаимодействие, и немедленно начали объединяться в адроны (бариогенезис).

Во время бариогенезиса возникла барионная асимметрия Вселенной – наблюдающаяся асимметрия между материей и антиматерией, в результате которой после совместной аннигиляции материи и антиматерии осталось какое-то количество материи, из которой теперь все и состоит. Если бы не антиматерия, то там было бы вещества еще на десятки таких же Вселенных, в принципе.

К концу периода мир, по сути, уже похож на наш – есть три взаимодействия и элементарные частицы, и есть даже какая-то неоднородность (флюктуация), но он все еще значительно плотнее самой плотной звезды. В этом ужасно плотном состоянии мир состоит из своего рода жидкости из кварков, антикварков и глюонов.

Температура в начале периода 10²⁸ K.

За данный период линейные размеры Вселенной увеличились, по крайней мере, в 10²⁶ раза (может и больше), и, значит, объем вселенной увеличился в 10⁷⁸ раз.

Космос – 20. Сильное взаимодействие

Связывает кварки в адроны (из которых наиболее известны протоны с нейтронами), а также связывает ядерные частицы внутри ядра. Так как протоны одинаково заряжены, без сильного взаимодействия они бы разлетелись из-за электромагнитного отталкивания.

Формула его:

U = -k (exp (-r/r0)/r),

где k – константа сильного взаимодействия, принимается обычно за 1,

r – расстояние между частицами, которые взаимодействуют,

r0 – 10^-15 м.

Радиус ядра прямо зависит от этой r0 и числа нуклонов в ядре (А):

R=r0 * A^0,3.

Из этих соотношений определяют энергию, скорость и массу переносчиков этого взаимодействия (глюоны).

Сильно взаимодействуют все адроны, в том числе всякие экзотические тяжелые частицы, которых наоткрывали в пятидесятые годы (всякие там "омега-гипероны"). На самом деле, все адроны являются сложными частицами, состоящими из небольшого количества простых (кварков), то есть причина сильного взаимодействия заключается именно в наличии кварков, о которых будет позже. Поскольку основное уникальное свойство кварка условно называется "цветом", область физики, описывающая сильные взаимодействия, называется "квантовой хромодинамикой (КХД)" (глюоны еще и сами обладают цветом и взаимодействуют друг с другом, а не только с кварками). Результат соединения кварков – адрон – сам по себе бесцветен, а без адрона они не существуют (конфаймент).

Поскольку в 20 веке были огромные успехи в изучении элементарных частиц и вообще ядерной физики, в настоящее время сильное взаимодействие, как и электромагнитное, является хорошо описанным, и эти описания экспериментально проверены. То есть, в отличие от теории гравитации, которая сейчас, в основном, математическая, как раз ядра они весь 20 век расщепляли и частицы сталкивали, так что данных накопили много и изучили эту сферу довольно хорошо.

Основные темы КХД:

1. Жесткие адронные реакции, которые описываются теорией возмущений в КХД; в качестве конечной единицы анализа выступают глюоны и кварки.

2. Полужесткие реакции.

3. Мягкие адронные реакции, в которых взаимодействие осуществляется между адронами, а не между отдельными кварками.

4. Статические свойства адронов.

Космос – 21. Глюоны

Векторные калибровочные бозоны сильного взаимодействия; говоря проще, это – те частицы, которые связывают кварки. Поскольку кварки связаны так плотно, что отдельно не существуют, употребляется метафора "склеивание", и поэтому они называются "глюоны", от английского glue. В связи с описанным ранее конфайментом, глюон, как и кварк, тоже отдельно не существует. В 2005 году была впервые получена кварк-глюонная плазма, где они не образуют адронов, но все равно отдельно не существуют. Еще ранее были получены многочисленные экспериментальные доказательства физического существования как кварков, так и глюонов.

Специфика заключается в том, что, как уже было сказано в предыдущей главе, в данном случае частица, обеспечивающая взаимодействие, сама несет цветной заряд, то есть сама еще дополнительно взаимодействует (у фотонов, которые переносят электричество, такого не наблюдается).

Свойства:

1. Не имеет массы.

2. Спин = 1.

3. Две поляризации.

4. Является античастицей самому себе, то есть глюонов-античастиц не существует. В антимире, если он где-то существует, глюоны такие же.

Кварки могут нести три типа цветового заряда, антикварки – три типа антицветового. Итого получается шесть цветных глюонов, и для симметрии в теорию введено еще два бесцветных.

"Цветами" заряды называются потому, что комбинация всех трех зарядов дает бесцветный (инвариантный), что напоминает ситуацию, когда смешение основных цветов дает белый цвет.

То есть, на самом деле, это – базисные векторы, которые просто так называются: красный (к), зелёный (з) и синий (с).

У антикварков антицвета: ак, аз, ас, причем допустим ак+к=0 (комбинация цвета и антицвета бесцветна).

Глюоны математически интерпретируются как комбинации, которые не являются инвариантными относительно вращений в цветовом пространстве, и всего получается восемь таких комбинаций:

к-аз, к-ас, з-ак, з-ас, с-ак, с-аз, (к-ак − з-аз)/√2, (к-ак + з-аз − 2с-ас)/√6.

Ну, то есть, практически это выглядит так: синий кварк испускает глюон типа с-аз (синий-антизеленый), за счет чего обеспечивается связь в ядре, а сам синий кварк при этом превращается в зеленый. И так они постоянно там меняют свои цвета, и за счет этого и связываются. Когда они уже собрались в частицу, сама по себе частица бесцветна (цвета внутри нее взаимно погасились), и поэтому она через глюоны уже не взаимодействует. Адроны поэтому связываются не через глюоны, а через пи-мезоны, что тоже описывается как "сильное взаимодействие".

Космос – 22. Кварки

Фундаментальная частица; она в 20 тысяч раз меньше протона. То есть, подобно тому, как атом, в основном, пустой, так и протон тоже, по сути, пустой, так как в нем только три кварка.

Помимо цвета, про который было при описании сильного взаимодействия, кварк обладает еще так называемым ароматом. На самом деле, под ароматами имеют в виду разные сорта кварков, никакой дополнительной символики это слово в данном случае не содержит.

Ароматы также классифицируются по трем поколениям. Смысл тут в том, что в каждом поколении у одного кварка заряд –1/3, во втором +2/3:

Первое поколение

символ-название-заряд-энергия

d нижний −1/3 4,79±0,07 МэВ/c²

u верхний +2/3 2,01±0,03 МэВ/c²

Второе поколение

s странный −1/3 95±5 МэВ/c²

c очарованный +2/3 1,8 ГэВ/c²

Третье поколение

b прелестный −1/3 4,5 ГэВ/c²

t истинный +2/3 171 ГэВ/c²

Антикварки такие же, только анти-.

Почему они так называются, сказано будет потом, при описании слабого взаимодействия.

Кварки являются уже полноценным таким веществом, и участвуют во всех четырех взаимодействиях.

Сильные взаимодействия могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут менять аромат.

Почему такие цвета, поколения и ароматы, в настоящий момент неизвестно, а вся модель существует на основе экспериментальных данных.

Есть альтернативные теории, которые описывают строение вещества без кварков, но более сложные и малоизвестные:

Модель Сакаты.

Барионные-антибарионные нонеты.

Космос – 23. Антиматерия

Представления об античастицах возникли довольно рано для ядерной физики, которая почти вся сформировалась в последние 100 лет (подумать только, структура атома была определена Резерфордом в 1912 году, то есть вся атомная и вся ядерная физика – это ровно сто лет!)

Уже в 1932 году обнаружен позитрон, в дальнейшем сложилось впечатление о том, что мир принципиально симметричен: каждой частице соответствует своя античастица. Однако некоторые частицы симметричны относительно самих себя, а именно – фотон, нейтральный пи-мезон, эта-мезон и прочие кварконии, хиггсовский бозон, Z-бозон, гравитон не имеют античастиц (являются античастицами к самим себе).

Античастица по отношению к частице:

1. Имеет ту же массу и спин.

2. Имеет противоположный заряд (поскольку взаимодействий известно несколько, заряд может быть как электрический, так и цветовой, а также барионное и лептонное квантовые числа).

3. При столкновении со своей частицей они могут аннигилировать (но не всегда), при этом обычно выделяется очень много энергии – в связи с этим ожидается, что если удастся получить антивещество в нормальных количествах, энергетические проблемы будут навеки решены, да и любую планету можно будет разнести на части небольшой по размерам бомбой.

В основном, их получают, сталкивая частицы между собой (разогнанные при большой энергии), поэтому стоит сейчас антивещество дико дорого (самое дорогое вещество на планете), в небольших количествах атомы антивещества уже получены, и прямо сейчас ведутся эксперименты, как антивещество относится к гравитации, крайне важные для физики в целом, так как гравитация является ее основной проблемой.

Античастицы имеются и в космических лучах, так как не все аннигилируют. Однако, что касается атомного антивещества, напоминающего наше, то есть на позитронах и антипротонах, то, конечно, при любом перемешивании с веществом, оно ёбнет со страшной силой.

В принципе, могут существовать во Вселенной массивные объекты из антивещества, пространство же там, в основном, пустое, и вероятность того, что они столкнутся с объектами из вещества, очень маленькая. Но пока никаких таких объектов не обнаружено, более того, дискутируется, а можно ли их вообще обнаружить, в условиях, когда фотон и гравитон истинно нейтральны. То есть, допустим, свет и притяжение от звезды и антизвезды вообще никак не будут отличаться.

Существует космологическая проблема, относящаяся как раз к описываемому этапу Большого Взрыва – если рождались кварки, то там должны появляться и антикварки; так вот, если бы их было строго поровну, то все вещество бы аннигилировало на фотоны, и никаких атомов бы не возникло. В связи с этим имеются разные теории насчет того, а почему этого не было. Впрочем, мне кажется, тут очередной пример смелой интерполяции того, что наблюдается на Земле в ускорителях, на то, что было при совершенно невообразимых условиях гигантской плотности, энергии и температуры. Если до сих пор непонятно, почему сами кварки-то возникли из энергии, что уж говорить про то, сколько там было антикварков, когда нам сам процесс возникновения неизвестен! Возможно, антивещество попарно возникает только у них в ускорителях, а при БЗ по каким-то неизвестным ныне законам оно вообще не возникало. Кстати, еще одна причина, почему Эйнштейн неправ: по Эйнштейну, они могут возникнуть только в равных количествах, и никак иначе. То есть, из теории ОТО прямо следует Большой Взрыв, и из нее же следует, что в результате Большого Взрыва мир никак бы не мог образоваться, так как вся возникающая материя аннигилировала бы с антиматерией, которая бы возникала строго в равных количествах.

Космос – 24. Условия Сахарова

Предназначены для объяснения явного несоответствия в ОТО, о котором я писал ранее: из ОТО следует Большой взрыв, а из БЗ следует, что атомы возникнуть не могли, потому что антиматерия и материя возникали в одинаковых размерах. В то же время, наблюдаются не только атомы, но и барионная асимметрия вселенной, то есть в наблюдаемой части мира материи явно больше, чем антиматерии (реально какие-то крохи антиматерии научились делать совсем недавно, и это страшно дорого).

В 1967 году Сахаров предложил три необходимых условия, необходимых для того, чтобы материи получалось больше, чем антиматерии:

1. Нарушение баланса барионных чисел.

2. Нарушение С-симметрии и СР-симметрии – то есть нарушения в зарядовом сопряжении, которое и есть, собственно, операция замены частицы на соответствующую античастицу (это про С). Что касается СР, то это – неинвариантность законов физики относительно операции зеркального отражения с одновременной заменой всех частиц на античастицы. Нарушение СР-симметрии экспериментально наблюдается при распадах нейтральных каонов и В-мезонов, то есть такая штука бывает, но очень редко, и крайне маловероятно, чтобы она была тогда глобальной. Но без нее не получилось бы барионной асимметрии.

3. Взаимодействия без термического равновесия. Термическое равновесие должно быть нарушено, иначе сработает CPT-инвариантность (фундаментальная симметрия физических законов при преобразованиях, включающих одновременную инверсию заряда, чётности и времени).

Сахаров показал, что текущее положение дел могло случиться только если все эти три физических равновесия, постоянно наблюдаемые в природе, случайным образом при создании мира, в самые первые описываемые доли секунды, были нарушены.

Экспериментально:

1. Нарушение баланса барионных чисел – не наблюдалось никогда.

2. Нарушение СР-симметрии – наблюдается только при распадах двух крайне редких элементарных частиц.

3. Третье условие при сверхбыстром расширении, которое было как раз в инфляционную эпоху, действительно могло быть.

Во времена Сахарова темная материя была еще не в моде, поэтому объясняли это "флуктуацией" (то есть случайностью: как-то так все совпало, что ОТО нарушилась, а после этого уже не нарушалась). Сейчас более модно объяснение через темную материю, не менее расплывчатое, потому что темная материя – дело темное.

Космос – 25. Электрослабая эпоха

Время от 10^-32 до 10^-12 после Большого Взрыва. К концу периода мир представляет собой кварк-глюонную плазму размером примерно с маленький мячик.

Электромагнитное и слабое взаимодействие все еще едины (разделяются к концу периода), то есть всего в это время три взаимодействия: гравитация, сильное и электрослабое (более 100 ГЭВ).

В больших количествах рождаются так называемые экзотические частицы, то есть те, которые сейчас не наблюдаются, прежде всего – бозоны W, Z и Хиггса. После отделения слабого взаимодействия W и Z бозоны быстро погибли.

Физика этого периода довольно хорошо описывается, в рамках теории электрослабого взаимодействия.

Космос – 26. W и Z бозоны, бозон Хиггса

Объединяю, потому что про W & Z будет потом, когда слабое взаимодействие отделится, это, вообще-то, его переносчики. Что имеется в виду, когда говорят, что в электрослабую эпоху эти бозоны были, но слабого взаимодействия не было, не имею понятия; вероятно, были, но не переносили взаимодействия.

Бозон как таковой определяется формально по спину (спин целый), при этом их два класса:

1. Калибровочные бозоны: переносят какое-либо взаимодействие, далее не делятся (соответственно, фотон, глюон и вот это W & Z, а также не открытый пока что гравитон). Только W-бозоны имеют электрозаряд и, соответственно, античастицы.

2. Мезоны: составной бозон из двух кварков, в принципе, тоже осуществляет сильное взаимодействие (только между протонами и нейтронами, а не между кварками). Мезонов открыто огромное количество, явно избыточное для того, чтобы связывать частицы в ядре (с чем справляется и просто пион), всякие там распады и синтезы мезонов – экзотическая часть физики элементарных частиц, и мне сдается, что там, по крайней мере, некоторые частицы возникают просто у них там, в реакторе, большой же роли в природе они не играют.

Имеются также многочисленные их классификации по разным параметрам.

Бозон Хиггса стоит как-то особняком, поскольку он элементарный, но не калибровочный. Нужен, собственно, для того чтобы появилось вещество, а не просто играла энергия, поскольку он отвечает за наличие у элементарных частиц массы (механизм Хиггса). Имеет нулевой спин. С 2012 года команда БАКа утверждает, что нашла-таки его экспериментально.

Механизм Хиггса заключается в том, что некое поле (если есть поле, то, по господствующим ныне представлениям, есть и его переносчик) препятствует движению частиц с ускорением и тем самым создает их инертность. На фотон это не действует, именно поэтому скорость света – максимальная. Поскольку масса везде есть, получается, что частицы поля Хиггса равномерно распределены во Вселенной (вроде бы это единственное во Вселенной равномерное что-то, остальное все комками).

Поскольку бозон Хиггса появился в электрослабую эпоху, только тогда физика начала походить на теперешнюю (потому что появилась масса), а до того, например, "кварки были, а массы у них не было" и тому подобное.

В связи с тем, что на БАК просили кучу денег именно для поиска хиггсовского бозона, тему сильно раскрутили.