Студопедия  
Главная страница | Контакты | Случайная страница

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Глава 2. Проблемы современной космологии

 

На сегодняшний день представления о Вселенной складываются в так называемую Стандартную модель современной теории строения и взаимодействий элементарных частиц. Она была экспериментально проверена не один раз и поэтому заслуживает доверия. Суть её в том, что она базируется на очень небольшом количестве постулатов. Это позволяет теоретически предсказывать свойства тысяч различных процессов в мире элементарных частиц, опираясь на выводы из этой модели. Несмотря на довольно большую точность предсказания, иногда Стандартная модель расходится с опытом, и, соответственно, подвергается большой критике, как не отражающая реальность. Также Стандартная модель не способна описать некоторые явления, которые наблюдаются в природе, к примеру, в ней нет места массам нейтрино и частицам темной материи.

Именно поэтому считается, что Стандартная модель — это та граница, которая отделяет достоверно известное от гипотетического в мире элементарных частиц. Физики настойчиво ищут любые отклонения от Стандартной модели, любые частицы, силы или эффекты, которые Стандартной моделью не предсказываются. Все эти явления ученые обобщенно называют «Новая физика»; именно поиск Новой физики и составляет главную задачу Большого адронного коллайдера.

Таким образом, в XX-XXI веке в качестве главной проблемы формулируется уже не недостаток знаний о мире, а их достоверность. В связи с открытием «скрытой» массы, а также с расхождениями Стандартной модели с опытом возникает вопрос о правдивости знаний, а также о месте и взаимодействии теорий, таких как теория Большого взрыва или теория расширяющейся Вселенной, в реальном знании о мире.

2.1 Парадокс «скрытой массы»

 

Впервые о скрытой массе или тёмной материи заговорил ещё в начале XX века американский астроном швейцарского происхождения Фриц Цвикки, в связи с измерением скорости Галактик из скопления в созвездии Волосы Вероники при помощи красного смещения. Он внезапно обнаружил, что лучевые скорости этих Галактик соответствовали массе скопления в целом и потому оказались слишком высокими для должной им массы, определённой по количеству наблюдаемых Галактик. Именно тогда была выдвинута смелая теория, что в скоплении присутствует нечто вроде скрытой массы, которая хоть и влияет на скорость, тем не менее, остаётся невидимой для телескопов.

Но удивительней всего было открытие того, что невидимой материи гораздо больше, чем видимой. С тех самых пор гипотеза о существовании невидимого вещества многократно использовалась для объяснения некоторых противоречивых астрономических данных, и по большей части для интерпретации особенностей движения звёзд и газовых облаков по орбитам в дисках Галактик. В том случае, если бы основная масса Галактики была локализована в звёздах, их орбитальные скорости снижались бы по мере отдаления от центра. Фактически же они не только не уменьшаются, но в ряде случаев даже возрастают. То же самое происходит и в нашей Галактике.

Чтобы объяснить это явление, необходимо допустить, что далеко за пределами видимых границ Галактики находится тёмная материя, невидимая телескопами. В 70-х годах, методами рентгеновской астрономии был открыт горячий межгалактический газ, особенно заметный в скоплениях Галактик. Температура этого газа составляет десятки миллионов градусов. По значению температуры можно оценить характеристики гравитационного поля, в котором находится газ, а, следовательно, и полную массу вещества, являющегося источником этого поля. Уже первые результаты рентгеновских наблюдений горячего газа в скоплениях Галактик подтвердили присутствие в них скрытой массы, не входящей в состав отдельных Галактик.

В рамках первого подхода была сформулирована альтернативная теория гравитации, утверждающая, что в галактических масштабах большая часть вещества во Вселенной приходится на «темную материю» – взаимодействующую с обычной материей только на гравитационном уровне. Считается, что сразу после Большого взрыва ее тяжелые частицы двигались крайне медленно, позволяя частицам обычной материи стягиваться вокруг них, постепенно формируя облака и первые звезды, и не позволяя им просто равномерно распределиться по всему пространству. Но возникает новый вопрос: из чего же всё таки сделана эта тёмная материя? Сама природа тёмной материи остается областью, в которой можно строить лишь гипотезы.

Тёмная материя может представлять собой как массивные чёрные дыры, гораздо тяжелее Солнца, так и гипотетические более легкие, чем электрон, элементарные частицы. Список потенциальных кандидатов на роль темной материи ограничивается не столько какими-то физическими условиями, сколько нашим воображением и допустимыми теоретическими представлениями. Самое простое объяснение состоит в том, что во Вселенной просто очень много обыкновенных тусклых или холодных объектов, невидимых в телескопы: планет, коричневых и белых карликов, черных дыр.

Другие кандидаты на роль темной материи гораздо легче и меньше. Вполне вероятно, что наша Вселенная заполнена большим числом еще неизвестных нам элементарных частиц, путешествующих по ее просторам со времен Большого взрыва. Эти частицы настолько слабо (иначе говоря, редко) взаимодействуют с обычным веществом, что с трудом поддаются детектированию. Они получили название вимпов, и теория говорит, что они могут взаимно аннигилировать, испустив при этом гамма-лучи. Но, как и всегда, пока эта теория не полностью подтверждена, существуют и альтернативные версии – вплоть до полностью обратной, постулирующей, что темная материя состоит из частиц, которые быстро движутся и гораздо легче вимпов, их называют горячей тёмной материей. Однако часть скрытой массы может заключаться в телах, состоящих из обычных атомов.

В данный момент, считается, что для формирования звезд и Галактик она абсолютно необходима, поскольку лишь ее гравитация позволяет стянуть в ту или иную область пространство достаточно вещества. Она может остаться тем самым «космическим мусором», оставшимся во Вселенной после Большого взрыва.

Кроме «тёмной» материи существует также понятие антивещества. Так называемое, антивещество состоит из античастиц – группы элементарных частиц, которые полностью сопоставимы в отношении массы и прочих физических характеристик со своими двойниками — частицами. Но различия у них всё же есть, они отличаются от частиц знаком некоторых характеристик взаимодействий, таких как электрический заряд. Эти античастицы также называются антиядрами и, подобно частицам, они окружены электронами античастиц – позитронами. Позитроны были открыты в 1932 году. Существование же античастиц было предсказано в работах П. А. М. Дирака ещё в 1928 году. Именно тогда он предложил своё знаменитое уравнение в физике, которое содержало решения с отрицательными энергиями. Именно это повлекло за собой интерес к античастицам и, впоследствии, было открыто, что античастица есть у каждой частицы.

Но вернемся к антивеществу. Какую же роль оно исполняет? Учёные полагают, что именно оно является ключом к подтверждению или опровержению теории Большого взрыва, кроме того, некоторые думают, что антивещество можно использовать как экологически чистое топливо, но пока это только мечты фантастов.

С целью найти ответы на эти вопросы и был построен Большой адронный коллайдер, а называется он так потому, что в мире есть еще несколько малых адронных колладеров. Он является ускорителем частиц, при столкновении которых (если они разогнаны до скоростей, при которых энергия превышает энергию возникновения пары «частица-античастица») происходит рождение античастиц. Адронный коллайдер – это единственное место, где частицы могут развить эту скорость.

Не так давно, после 28 лет работы, был остановлен американский протон-антипротонный коллайдер Тэватрон. Он находился в Национальной лаборатории им. Э. Ферми в Чикаго. Это один из самых первых коллайдеров, периметр которого составлял 6,28 км, а это значит, что он был самым большим до LHC (Large Hadron Collider). От него ожидали ответы на вопросы о рождении Вселенной, но сейчас многие разочарованы тем, что Тэватрону не удалось открыть ни хиггсовский бозон, ни Новую физику.

Хотя он и не смог перевернуть мир при помощи открытий, зато он позволил аккуратно измерить многие параметры Стандартной модели, но так и не ответил на вопрос, на какой более фундаментальной теории эта модель базируется. Ответы теперь придется ждать от Большого адронного коллайдера.




Дата добавления: 2015-09-12; просмотров: 13 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав

Введение | Глава 1. История исследования Вселенной | Теория расширяющейся Вселенной | Теория Большого взрыва |


lektsii.net - Лекции.Нет - 2014-2024 год. (0.007 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав