загрузка...

трусы женские
загрузка...
Реферати » Реферати з математики » Внутрішня симетрія Всесвіту

На внутрішній симетрія Всесвіту

Артур Давидович Чернин, д.ф.-м.н., проф., гол.н.с. ГАІШ.

З чого зроблена Всесвіт? Аристотель, а за ним і інші мудреці класичної давнини, на це питання відповідали так: все в світі складається з чотирьох стихій - вогню, води, повітря і землі. Дивно, але в космології наших днів теж є рівно чотири стихії, або, як їх зараз називають, космічні енергії, з яких побудовано все на світі. Одна з нових стихій космології - космічний вакуум, відкритий зовсім недавно, в 1998-1999 рр.. Він вносить найбільший вклад в енергію сучасної Всесвіту, наскільки несподівано це не звучить. Справа в тому, що вакуум у фізиці - Не порожнечі, а особлива середу, в яку занурені всі тіла природи. Космічний вакуум володіє певною енергією, і на неї дійсно припадає приблизно 70% повної енергії світу. Дослідження реліктового випромінювання, спостереження далеких спалахів наднових зірок, вивчення темних гало галактик і скупчень явно вказують на це. Три інші енергії Всесвіту - темна речовина, яка вносить 25% (округлено), «звичайне» речовина, яка дає 4%, і випромінювання, внесок якого досить малий - 0.01%.

Внутренняя симметрия Вселенной

Спіральна галактика Мессьє 83 і подібні їй зоряно-газові системи демонструють складність і різноманітність поведінки баріонного речовини у Всесвіті. Але не воно - головна дійова особа нашого світу. Основну роль в динаміці Всесвіту грають її невидимі компоненти: темна речовина і темна енергія, про структуру і властивості яких ми поки знаємо дуже мало.

Ці процентні частки відносяться до сучасного стану світу; в ході еволюції Всесвіту вони змінювалися через загальне космологічного розширення. Наприклад, в ранньому Всесвіті, при віці світу в кілька хвилин, починаючи з якого історія світу впевнено простежується сучасною наукою, частка вакууму була близька до нуля, частка ж випромінювання наближалася до 100%. Такий змінний рецепт космічної суміші здається занадто складним, випадковим, а то і дивним або навіть абсурдним. Але це тільки на перший погляд. Ми побачимо, що насправді за всім цим ховається проста і не залежить від часу закономірність. Закономірність ця представляє собою особливого роду симетрію, яка - на відміну від знайомих всім геометричних симетрій - не стосується просторово-часових відносин. Симетрії негеометріческіх характеру називають внутрішніми симетріями. Простий приклад внутрішньої симетрії давно відомий у фізиці елементарних частинок: вона об'єднує протон і нейтрон, незважаючи на їх очевидні відмінності, в єдине ціле - дублет нуклонів. Внутрішня симетрія в космології об'єднує чотири космічні енергії і вказує на існування в природі не відомих раніше глибинних зв'язків.

Чотири енергії

Почнемо з короткої зведення сучасних даних про чотири космічних стихіях. Скажемо відразу, що наші відомості здебільшого бідні й невизначені. Насамперед це стосується фізичної природи і мікроскопічної структури космічних енергій. У рамки сучасної фундаментальної фізики укладаються тільки звичайну речовину і випромінювання, на які припадає всього трохи більше 4% повної енергії Всесвіту. Звичайне речовина - це протони, нейтрони і електрони, з яких складаються Земля і все, що на ній, включаючи і нас самих, а також планети і зірки. Ця речовина прийнято називати баріонним (хоча електрони до баріонів, тобто важким частинкам, і не відносяться).

Але навіть і з баріонами далеко не все ясно. Головне питання: чому в світі є протони і нейтрони, але не спостерігаються в тих же кількостях антипротони і антинейтрони? Адже відповідно до одного з фундаментальних законів фізики, в природі повинно мати місце рівноправність між частинками і античастицами. Те ж стосується, зрозуміло, і до електронів: їх античастинки позитрони - велика рідкість в природних умовах. Можливий шлях до вирішення проблеми був намічений А.Д.Сахарову і В.А.Кузьміним більше 30 років тому; з тих пір багато чого в цьому напрямку було зроблено теоретиками різних країн, але повного і остаточної відповіді на питання досі немає.

З випромінюванням справи йдуть набагато краще - вона напевне являє собою залишок, релікт колись щільного і дуже гарячого стану речовини на ранніх етапах еволюції Всесвіту. Це було вгадано Г.А.Гамова в 1940-1950-ті роки і підтверджено подальшими прямими наглядовими відкриттями. Випромінювання - це фотони і нейтрино (а можливо, і Гравітон), які перебували в термодинамічній рівновазі з речовиною і теж були дуже гарячими в далекому минулому. Потім, в ході космологічного розширення, випромінювання охололи до спостережуваної зараз дуже низької температури - всього близько 3 К (фотони) або 2 К (нейтрино). При цьому самі фотони і нейтрино не зникли, і їх повне число збереглося до наших днів (про те, за яким обсягом вважати частки, - див. нижче). Цих часток досить багато - приблизно тисяча в кожному кубічному сантиметрі простору. Випромінювання майже ідеально рівномірно заповнює весь обсяг Всесвіту, тоді як баріони (і темна речовина) зібрані в згущення різного просторового масштабу, які і утворюють все що спостерігається різноманіття космічних систем.

Кількість баріонів теж зберігається при розширенні світу, але їх «поштучно» набагато менше - всього одна частинка на кубічний метр простору. Відношення числа фотонів до баріонів - величезне безрозмірне «баріонна число» , рівне по порядку величини мільярду. Через неясності з антібаріонов (див. вище) його фізична природа являє собою велику загадку космології та фундаментальної фізики.

Що стосується темної речовини, то воно цілком залишається поза рамками «стандартної моделі» фізики елементарних частинок - нинішня фундаментальна фізика нічого подібного не передбачає. Темна речовина дотепер вислизає від прямого фізичного експерименту, незважаючи на багаторічні зусилля в цьому напрямку. Але надійно встановлено, що його в природі принаймні в п'ять-шість разів більше за масою, ніж звичайної речовини. Темна речовина заповнює величезні обсяги навколо галактик, їх груп і скупчень. Воно не світиться і проявляє себе тільки своїм тяжінням. У космології зазвичай передбачається, що носіями темної речовини служать невідомі поки стабільні елементарні частинки досить великої маси, приблизно в тисячу разів перевищує масу протона. На відміну від протонів і нейтронів, ці частинки не відчувають «сильних» ядерних сил, але беруть участь, як і електрони, в електрослабкої взаємодії. Темні частинки, будучи, як і фотони з баріонами, стабільними, зберігаються в ході космологічного розширення. Головна загадка тут - чому природа так любить ці частинки, що віддає їм зараз чверть всієї своєї енергії?

Внутренняя симметрия Вселенной

Розподіл галактик (жовті точки) в тонкому шарі Всесвіту, «просканувати» за допомогою двох оглядів червоних зсувів галактик - огляду Гарвард-Смітсонівського астрофізичного центру (CfA) і Слоановского цифрового огляду неба (SDSS). Наша Галактика знаходиться в вершині клиновидних карт, відстань від неї вказано в мільйонах світлових років. Як бачимо, в масштабі мільярда світлових років розподіл речовини у Всесвіті ще вельми неоднорідне: видно скупчення і надскупчення галактик, об'єднані в кілька «великих стін» , що простягаються по прямому сходженню (яке зазначено в годинах дуги).

Але найважча проблема фундаментальної фізики і космології - природа і мікроскопічна структура космічного вакууму. Енергію вакууму прийнято називати темною енергією, і вона дійсно темна - не випромінює, не відображає і не поглинає світла, так що її неможливо побачити. Вона проявляє себе тільки тим, що створює ... антітяготеніе. За цим динамічному ефекту вона і була виявлена ??на найбільших космологічних відстанях [1, 2]. Той же ефект дозволив помітити її присутність і в нашому найближчому галактичному оточенні, на відстанях в 1-3 Мпк [3, 4].

Століттями говорили: тяжіння - сила, що рухає світами. Тепер же доводиться визнати, що і розширенням Всесвіту як цілого, і рухом галактик поблизу нас керує не тяжіння, а антітяготеніе (докладніше про це див, наприклад, у книзі [5]).

Антітяготеніе донедавна не видавало себе ні в астрономічних спостереженнях, ні в фізичному експерименті. Але в теоретичній фізиці про нього говорять і сперечаються давно - відтоді як в 1917 р. Ейнштейн додав в рівняння загальної теорії відносності «космологічну постійну» . Вона-то і описує антітяготеніе як силу взаємного відштовхування, діючу між усіма тілами природи. Цю силу створюють не самі тіла, а темна енергія вакууму, в яку тіла занурені. Щільність темної енергії прямо пов'язана з космологічної постійної, як вперше встановив Е.Б.Глінер ще в 1965 р. [6]; тому щільність темної енергії вакууму постійна в просторі і незмінна в часі.

Фрідмановской інтеграли

Кожній з чотирьох космічних енергій можна зіставити певну фізичну величину розмірності довжини, звану фрідмановской інтегралом. Вона була введена в космологію в знаменитій роботі А.А.Фрідмана 1922 року, з якої, як відомо, і почалася сучасна теорія Всесвіту,. У Фрідмана ця величина характеризувала звичайне (нерелятивістському) речовина і виражалася через повне число частинок цієї речовини в заданому розширюється обсязі. Число частинок речовини зберігається при космологічному розширенні, і разом з ним незмінним в часі виявляється і фрідмановской інтеграл. У точності за цим зразком ми можемо

Сторінки: 1 2 3
загрузка...
ur.co.ua

енциклопедія  з сиру  аджапсандалі  ананаси  узвар