Физика / 14.________ ______ ________ ____

резонансний прискорювач електронів, який на шляху 3 км прискорює частинки до енергій ~ 22 ГэВ. При таких великих енергіях електронів, лінійні резонансні прискорювачі виявляються більш перспективними, чим циклічні. Інакше обстоїть справа у відношенні прискорювачів протонів і інших, більш важких часток.

Циклотрон. Прискорювач заряджених частинок, що складається з двох металічних дуантів А, С двох половинок тонкостінної металічної циліндричної коробки, розділеної вузькою щілиною, називається циклотроном. Дуанти розміщені в плоскій камері K між полюсами сильного електромагніта так, що індукція поля B площині основ

дуантів. До них прикладена змінна напруга U = U0 cos(2πt) , яка створює в

T0

щілині прискорююче електричне поле. Шляхом багаторазового проходження частинкою прискорюючого поля при обертовому русі в сильному магнітному полі, її енергія може стати досить значною. При одному оберті частинки, вона кожного разу при виході з дуанту потрапляє в прискорююче електричне поле. Це досягається тим, що період змінної напруги Т0 дорівнює періоду Т обертання

частинки (синфазність)

Т=Т0, T = 2qBπm .

При досягненні певної швидкості, релятивістська маса частинки почне збільшувати період обертання Т, що приведе до запізнення входу частинки в прискорююче поле і з часом поле

дуантів стане гальмувати рух частинки. Теоретично показано, що набута гранична енергія частинки в циклотроні не перевищує

4 moc2 qUπ0 ,

де U0 - амплітуда прискорюючого електричного поля. Траєкторії руху частинок в дуантах є частини кола, а при переході частинки з одного дуанта в другий радіус кола збільшується на величину

циклічний прискорювач називається синхрофазотроном. При цьому період Т залишається сталим, а енергії прискорених частинок досягають сотень ГеВ

(1ГеВ = 109 еВ).

Колайдери. В таких прискорювачах реалізується зіткнення двох зустрічних пучків. При цьому уся енергія частинок, що співударяються, переходить у внутрішню енергію системи. Для збільшення ймовірності співударяння, в колайдерах використовують накопичувачі, у яких збираються разом частинки, прискорені у звичайних циклічних

прискорювачах. У колайдерах енергії прискорених частинок сягають ~ 1011 еВ. Співударяння двох протонів у цих пучках, розігнаних до енергії 50 Гев, еквівалентно бомбардуванню нерухомої мішені з протонів пучком протонів, розігнаних до енергії ~ 5300 Гев.

§ 93. Макросвіт.

Макросвіт існує у вигляді живої й неживої матерії та силових полів. Нежива матерія існує в різноманітних формах. Сполучення нуклонів та електронів утворює атоми, а їх сполучення у свою чергу утворює розмаїття молекул і хімічних речовин, число яких налічується до мільйона. До того ж слід додати велике число існуючих рідких та твердих розчинів і сплавів із різноманітними властивостями. При достатньо низьких температурах усі тіла існують у вигляді кристалічних структур, за виключенням гелію 42He та 32He ,

котрі майже при гелійових температурах та тисках менше 2,5106 Па залишаються рідкими. Частинки кристала локалізуються в обмеженому просторі стану рівноваги, здійснюючи малі теплові коливання. При збільшенні температури, збільшується амплітуда коливання. Зростання температури переводить кристали у рідкий стан. Такий процес називається плавленням і кожна з речовин має свою характерну температуру плавлення. Частинки рідини вже не локалізуються і їх рух має складний характер.

При подальшому збільшенні температури рідини переходять у газ, причому у процесі утворення, він спочатку характеризується як пар: простим

стисненням він може бути переведений у рідину. При збільшенні температури за критичну, таке перетворення газу у рідину неможливе.

Подальше значне підвищення температури середовища ( ~ 104-5 К) призводить до іонізації його атомів: розпаду їх на іони та електрони. Такий стан речовини називається плазмою. Плазма при певних густинах проявляє колективні властивості, характерні конденсованому стану : твердим тілам та рідинам. Для довідки вкажемо характерні значення концентрації частинок у макротілах та плазмі у звичайних умовах: тверді тіла та рідини

~ 1028−29 част м−3 ; гази ~ 1025 част м−3 ; плазма ~ 1019 част м−3 .

Найбільш близьким для нас є власний людський організм та усе живе на землі, які містять у собі біологічну інформацію виникнення й розвитку. Вона закодована в генах - окремих ланках молекул ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота), що є в основі усього живого на Землі. З точки зору фізики життя є формою існування біополімерних тіл (систем), здатних до самовідтворення в умовах сталого обміну речовиною й енергією з оточуючим середовищем.

Людина в середньому містить у собі близько 1016 елементарних фізіологічних комірок, які називаються клітинами. В одній клітині міститься, в свою чергу, близько 1012 - 1014 атомів. До кожної з клітин входить щонайменш одна довга молекулярна нитка - ДНК, яка є носієм усіх хімічних даних для формування цілого живого організму. Молекула ДНК містить ~ 108

-1010 атомів, взаємне розташування яких не повторюється від особи до особи

і змінюється при переході від одного виду живого до іншого. На сьогодні налічується понад 106 відомих біологічних видів.

Методами молекулярної біології та генетики встановлено структуру ДНК та механізм кодування розвитку живого на клітинному рівні. ДНК має структуру подвійної спіралі з двох полінуклоїдних ланцюгів, закручених одна з другою за законами взаємного доповнення. Показано, що кодування виконується лінійною послідовністю чотирьох різних молекулярних груп, що є похідними органічних основ: аденіна (А), тиміна (Т), гуаніна (Г) та цитозина (Ц). Порядок розташування цих нуклеотидних основ закладає всю необхідну інформацію розвитку. При біологічному відтворенні молекули ДНК нова молекула будується за певними закономірностями: група А викликає створення в новій нитці групу Т і навпаки (принцип А-Т), а група Г

-Ц ( принцип Г-Ц). Після нарощування повного ланцюга молекула ділиться на дві молекули. Слід зауважити, що відтворення ДНК відбувається як під впливом білків-ферментів, так і спонтанно. В 2002 році американські та англійські вчені заявили, що ними створено геном людини – розшифровано генну структуру будови клітинок.

§94. Мегасвіт.

Основу відомої частини Всесвіту складають протони та нейтрони, яких із точністю до двох порядків налічується ~1080 частинок. До складу Сонця входить 1057 протонів та нейтронів, а до складу Землі - коло 4 1051. Загального числа протонів та нейтронів у Всесвіті достатньо для створення 1023 зірок із масою, рівною масі нашого Сонця. Зірки об’єднуються у Галактики, які мають ~ 109-12 зірок. Учені вважають, що маси зірок коливаються у межах 0.01-100 мас Сонця ~ 1030 кг, а маса Галактики ~ 1041 кг. Загальне число Галактик доступного Всесвіту складає ~ 1011. Таким чином,

маса Всесвіту складає 1080 1.66 10-27 кг 1.66 1053 кг із середньою густиною ~ 10-26 кг/м3, тобто ~ 10 атомів водню на 1м3.

В 1965 році по зміні спектра випромінювання Галактик (червоне зміщення), американський фізик Хаббл установив, що Галактики віддалюються від нас із величезною швидкістю, розбігаючись одна від одної. У цій моделі приймається, що галактики знаходяться на поверхні сферичної форми і розбігання галактик пов’язується з розширенням Всесвіту. Украй плідною у вивченні далекого Всесвіту є робота у космосі телескопа Хаббла, названого в честь цього фізика. Завдяки цьому телескопу уточнюється розмір Всесвіту, відстані до Галактик та їх розміри й число, вік зірок, процеси їх зникнення та народження.

З геометричної точки зору Всесвіт має радіус кривизни ~ 5 1026 м (1010 світових років), що випливає із взаємної узгодженості даних астрономічних спостережень всередині Сонячної системи. Наприклад, розрахунки руху відомих планет на основі законів Кеплера привели до відкриття планет Нептуна та Плутонію ще до їх першого спостереження у телескоп. Першопричиною цих розрахунків були спостереження збурень орбіт відомих планет.

Усі фізичні об’єкти Мегасвіту є реліктами - вони несуть на собі результат процесу походження та результати взаємодії з оточенням. Так, наприклад, Місяць, Земля, Марс є фізичними об’єктами з певними масами, розмірами, поверхнею. Вони несуть інформацію про обставини свого виникнення й розвитку.

Людство цікавить поперед усього, як виникла матерія - речовина? Як утворились зірки, планети, живі організми? Який їх вік? Як не дивно, але фізики значно краще уявляють стан речовини в середині зірок, а ніж близьких нам планет. Так, наприклад, ми знаємо, що центральні частини Сонця мають температуру ~ 107 К та тиск ~ 1016 Па. Такий стан є плазмою, в якій відбуваються реакції термоядерного синтезу водню з утворенням гелію. Такі реакції на сьогодні вважаються основним джерелом енергії зірок. З утратою енергії шляхом електромагнітного випромінювання відбуваються перетворення зірок у нейтронні зірки через захват протонами вільних електронів і перетворення їх у нейтрони. Такі зірки являють собою надзвичайно стиснений нейтронний газ. Їх розміри, при однаковій масі, у 105 разів менші звичайних зірок. Густина нейтронної зірки складає ~ 1017 кг/м3.

§ 95. Простір і час.

Неперервна послідовність відношень, що фіксують взаємне місцеположення об'єктів, подій та їх відносна величина визначають поняття простору, а неперервна послідовність відношень, що визначають взаємну послідовність та протяжність подій лежать в основі поняття часу. Усі процеси, що характеризують стан та рух Всесвіту відбуваються у просторі й часі. Це накладає на них просторово-часовий зв’язок, і тому виникають певні обмеження на всі події у Всесвіті. Найбільш вагомими є ізотропність простору, однорідність простору й часу: однаково поставлені експерименти дають тотожні результати, якщо вони проводяться в різних просторових і часових точках. Наприклад, якщо допустити неоднорідність простору, то фізичні закони, відкриті у 18 столітті, не були б вірними у 20 столітті, а експеримент, поставлений у Сіднеї, дав би інший результат, якщо б його поставили у Києві. Названі властивості простору й часу зумовлюють закони збереження енергії, імпульсу та моменту імпульсу замкнених систем. Для опису властивостей оточуючого нас світу, фізика ввела єдині просторовочасові системи відліку. Наприклад, були створені спеціальна та загальна теорія відносності. Існують просторово-часові шкали мікро-, макрота астрофізичних об’єктів. Ми вже наводили їх розміри та час життя, тому лише

нагадаємо про деякі інші. Розміри ядер ~ 10−15 м, розміри атомів ~ 10−10 м, найменший час життя нестабільних елементарних частинок досягає ~ 10−25 с. Середній радіус Землі ~ 6.4 106 м, Сонця ~ 7 108 м, Галактик ~ 7 1021 м.

Їх середній час існування вимірюється мільярдами років: Землі ~ 4.6, Сонця та зірок ~ 5-10.

Простота та компактність достовірного опису та викладення фізичних законів і наслідків із них забезпечується застосуванням математики: евклідової та ріманової геометрії, алгебри, аналізу нескінченно малих, диференціальних та інтегральних рівнянь, що воєдино зв'язують простір і час, теорію груп та інше. У багатьох випадках розвиток математики та фізики йшов окремими шляхами, але в кінці кінців вони знаходили одне одного, і пізнання людиною оточуючого середовища піднімалося на вищий щабель. Одним із яскравих прикладів того є створення теорії груп. ЇЇ засновник вважав, що ця теорія стане однією з найкрасивіших іграшок математики і не знайде будь-якого застосування у пізнанні природи. Однак через десяток років набула широкого розвитку теорія твердого тіла, квантова механіка та інші напрямки фізики, які не могли б існувати без теорії груп, яка визначає властивості частинок у залежності від просторової та часової симетрії їх псі-функцій.

На закінчення, зауважимо, що для подальших досліджень Всесвіту у просторі й часі нам бракує швидкостей, близьких до швидкості світла, і приладів спостереження Мікро й Мегасвіту достатньої розрізнювальної

здатності. Перше пов'язане із створенням нових надпотужних джерел енергії, а друге - із новими теоретичними та експериментальними відкриттями у Мікросвіті.