Виртуальные частицы

Согласно соотношению неопределенности В.Гейзенберга ∆W • ∆t > ħ в течение небольшого промежутка времени ∆t до­пускается нарушение закона сохранения энергии на величину ∆W ~ ħ/∆t. Если промежуток времени достаточно мал, то энер­гия W может оказаться достаточной для образования двух ча­стиц (частицы и античастицы) массой т ~ h/(27πс²∆t). Таким образом, появление на небольшой промежуток времени Д* двух частиц не противоречит закону сохранения энергии. Именно две частицы необходимы для выполнения других законов сохране­ния, например, закона сохранения электрического заряда. Спу­стя время At эти частицы исчезают.

Итак, в вакууме неперывным образом рождаются и исчезают частицы. Эти частицы называются виртуальными. Виртуальные частицы образуются в результате флуктуации вакуума. Время их жизни настолько мало, что они не могут быть зарегистриро­ваны. Виртуальная частица успевает исчезнуть прежде, чем ее обнаружат. Этим виртуальные частицы отличаются от реаль­ных.

При некоторых условиях виртуальные частицы могут стать реальными. Это может произойти при наличии сильного внешне­го поля. Взаимодействуя с внешним полем, виртуальная частица может успеть получить энергию, достаточную для того, чтобы сталь реальной частицей. Например, в сильном электрическом поле на виртуальные электрон и позитрон действуют силы, стре­мящиеся удалить одну частицу от другой. Электрическое по­ле, расходуя свою энергию на удаление виртуальных электрона и позитрона друг от друга, создает эффект рождения реальных частиц из вакуума. Закон сохранения энергии при этом выпол­няется. Это явление используется, например, для объяснения эффекта испарения черных дыр.

Несмотря на то, что виртуальные частицы непосредственно нельзя обнаружить, их существование приводит к наблюдаемым эффектам. Например, рождение виртуальных пар заряженных частиц приводит к частичной экранировке заряда, внесенного в вакуум. Этот эффект аналогичен поляризации диэлектрической среды и называется поляризацией вакуума. Поляризация вакуума приводит к небольшим изменениям уровней энергии атомов, т.е. к их сдвигам. Соответствующий сдвиг атомных уровней во­дорода экспериментально был обнаружен в 1947 году Лэмбом и Ризерфордом и называется лэмбовским сдвигам.

Исследование свойств вакуума, который, как оказалось, име­ет сложную структуру, принесет по-видимому еще не один сюр­приз.

Лекция №44

Строение и эволюция Вселенной

Как устроена наша Вселенная? Этот вопрос интересовал и волновал людей на протяжении многих веков. В 20 веке был до­стигнут крупный прогресс в понимании мира, в котором мы жи­вем. Это касается как области микромира — элементарных и субэлементарных частиц, так и мегамира, включающего звезды, галактики, скопления галактик и нашу Метагалактику. При этом под Метагалактикой мы понимаем ту часть пространства, кото­рая доступна для нашего наблюдения.

Наблюдения показывают, что мы живем в эволюциониру­ющей и притом расширяющейся Вселенной (Метагалактике). Красное смещение спектральных линий света, приходящего к нам от далеких галактик, есть следствие эффекта Допплера. Это свя­зано с тем, что галактики удаляются от нас. Впервые эффект разбегания галактик был обнаружен экспериментально амери­канским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году. Согласно закону Хаббла

Здесь u — скорость движения галактики, r — расстояние до нее. Величина Н называется постоянной Хаббла. Не касаясь экспе­риментальных трудностей определения Н, укажем лишь, что ее значение с достаточно большой (~ 50%) погрешностью принима­ется равным^*)

В соответствии с формулой (1), чем дальше от нас галактика, тем с большей скоростью она удаляется. Однако еще до откры­тия Хаббла модель нестационарной Вселенной была предсказана теоретически. Молодому петроградскому математику и метео­рологу Александру Александровичу Фридману удалось решить уравнения общей теории относительности Эйнштейна.

Фридман показал, что эта теория приводит к неожиданному результату: Вселенная должна быть нестационарной. Работы Фридмана были опубликованы в 1922-1924 гг. на русском и не­мецком языках. В его работах были построены три возможные модели Вселенной. В двух из них радиус кривизны пространства монотонно растет и Вселенная расширяется (в одной модели — из точки, в другой — начиная с некоторого конечного объема). Третья модель представляла картину пульсирующей Вселенной с периодически меняющимся радиусом кривизны.

Достижения Фридмана-Хаббла оказались поворотным пунк­том в наших представлениях о Метагалактике. Они показали — Вселенная изменяется!

В основу модели Вселенной, предложенной Фридманом, по­ложены два постулата. Их иногда называют основными космо­логическим постулатами:

1) Вселенная изотропна в трехмерном пространстве,

2) Вселенная однородна в трехмерном пространстве.

Покажем, что если в начальный момент времени Вселенная была однородной, то эта однородность сохраняется всегда. Рас­смотрим закон изменения плотности. Возьмем шар, содержащий распределенную массу М; радиус его обозначим R = R(t). Плот­ность вещества р = M/( R³), отсюда

Подставим в эту формулу закон Хаббла dr/dt = и = HR, тогда получим

Следовательно, если в какой-то момент времени р не зависела от координат, то при законе расширения (1) и во все последующие моменты времени р также не зависит от координат, хотя и меня­ется с течением времени р = p(t). При этом очевидно, что dp/dt тоже не зависит от координат.

Тот же результат можно получить и для свойств распреде­ления скорости. Скорость и оказывается изотропной и равной u= Hr, хотя величина Я может зависеть от времени.