Характеристики фундаментальных взаимодействий

Взаимодействие	Радиус действия	Конст. взаимдств.
Гравитационное	Бесконечно большой	6.10-39
Электромагнитное	бесконечно большой	1/137
Слабое	не превышает 10-16 см	10-14
Сильное	не превышает 10-13см	1

Спасибо.

Тема 5

“История мидян темна и непонятна. Ученые делят ее, тем не менее, на три периода:

первый, о котором ровно ничего неизвестно. Второй, который последовал за первым. И, наконец, третий период, о котором известно столько же, сколько о первых двух”. А. Аверченко. “Всемирная история”

Микромир Вселенной - ее прошлое.

В результате «Большого взрыва» 13.7 млрд лет тому назад зародилась Вселенная; теория Большого взрыва, или теория рождения Вселенной из сингулярности , является наиболее распространенной и общепринятой. Как возникла Вселенная, ученые не знают.

(Концепция «Большого Взрыва» - это концепция не рождения, а эволюции, развития Вселенной после ее образования. Точка сингулярности (в момент t=0) в классической космологии означает особое состояния (чего? непонятно чего, будем называть это Миром), не имеющего геометрических размеров и обладающего бесконечной плотностью энергии, или, что то же самое, бесконечной температурой; такие характеристики означают, по мнению многих ученых, что классическое описание этой начальной стадии лишено физического смысла.)

Эволюция Вселенной основные этапы.

1. В период времени от 0 до 10^-35 с -

раздувающаяся (инфляционная) Вселенная. Образно говоря, роды Вселенной происходили в вакууме. Точнее сказать, Вселенная рождалась из вакуумоподобного состояния; законы квантовой механики позволяют считать, что пустое пространство (вакуум) в действительности заполнено частицами (материей) и античастицами (антиматерией), которые постоянно создаются, живут какое-то время, встречаются снова и аннигилируют.

1. 10^-33с. разделение кварков и лептонов на частицы и античастицы.

Дисимметрия между числом частиц и античастиц (антич.<частиц 10^-6). Таким образом, вещество во Вселенной преобладает над антивеществом.

Инфляция заканчивается, в небольшой области (наша будущая Вселенная!) находится вещество и излучение.

В этот момент температура Вселенной составляет не менее 10¹⁵К, но не более 10²⁹ К (для сравнения, самая высокая температура, Т=10¹¹ К, на сегодня возможна при вспышке Сверхновой). Вселенная, вся ее материя и энергия, сосредоточены в объеме, сопоставимым с размером одного протона (!). Возможно, в это время действует единый тип взаимодействий и проявляются новые элементарные частицы - скалярные Х-бозоны.

После инфляционного периода расширение продолжается, но с намного меньшей скоростью: Вселенная не остается постоянной, энергия распределяется на больший объем, поэтому температура Вселенной падает, Вселенная охлаждается.

2. 10^-33с - разделение кварков и лептонов на частицы и античастицы.

Дисимметрия между числом частиц и античастиц (антич.<частиц ~10^-6). Таким образом, вещество во Вселенной преобладает над антивеществом.

3. 10^-10c – T=10¹⁵K

Разделение сильного и слабого взаимодействий.

4. 1 сек. Т=10¹⁰К.

Вселенная остыла. Остались только фотоны (кванты света), нейтрино и антинейтрино, электроны и позитроны и маленькая примесь нуклонов.

Отметим, что при эволюции Вселенной происходят процессы взаимного преобразования вещества в излучение и наоборот. Проиллюстрируем это тезис на примере процессов рождения и аннигиляции элементарных части. Процессы рождения пар электрон-позитрон при столкновении гамма-квантов и аннигиляции пар электрон-позитрон с превращением в фотоны:

 +  e⁺ + e^-

e⁺ + e^-  +

Для рождения пары электрон-позитрон надо затратить энергию около 1 Мэв, значит, такие процессы могут идти при температуре выше десяти миллиардов градусов (напомним, что температура Солнца около 10⁸ К)

5. 3 мин. Т=10⁹К

Нуклоны участвуют в термоядерных реакциях: происходит космологический нуклеосинтез легких элементов (в основном ядра гелия), и, конечно, в наибольшем количестве остается основной элемент Вселенной - водород.

Вещество – гелий – 22-28%, остальное – протоны. Основная энергия – в излучении – фотоны – 69%, нейтрино – 31%.

6. Миллион лет спустя Вселенная остывает настолько, что электроны и ядра рекомбинируют, образуя нейтральные атомы водорода, которые составляют 90% всех атомов, гелия -10%. Фотоны (кванты электромагнитного излучения - света) перестают взаимодействовать с веществом и остаются в виде фона - так называемого реликтового излучения.

Сейчас температура Вселенной - 2.7 К.

Вся информация о процессах, протекавших во Вселенной, осталась «записанной» в особом типе космического излучения – так называемого реликтового излучения. Реликтовое излучение было экспериментально обнаружено в 1965 г. американскими радиоастрономами А.Пензиасом и Р.Вилсоном.

Звезды, Галактики и другие структуры Вселенной.

Как развивалась Вселенная дальше? “Распад” Вселенной (возвращение к “первоначальному равновесному” состоянию) или усложнение структуры Вселенной?

Во Вселенной произошел скачок, и возникли разномасштабные структуры. Скачкообразный переход в новое состояние с разными подсистемами - от звезд и планет до сверхскопления Галактик.

Однородная и изотропная модель Вселенной - это первое приближение, справедливое лишь в достаточно больших масштабах, превышающих 300-500 млн. световых лет.

В меньших масштабах вещество распределено очень неоднородно: звезды собраны в галактики, галактики - в скопления.

Ячеистая структура Вселенной.

Размер этих ячеек около 100-200 млн. световых лет.

Сжатые облака, находящиеся на стенках ячеек - это место, где в дальнейшем образуются галактики.

Образование первых звезд.

В массивных звездах (красные гиганты) водород быстро сгорает, звезда сжимается и разогревается до температур несколько сотен миллионов градусов. Сложные термоядерные реакции - например, три ядра гелия объединяются и образуют возбужденное ядро углерода. Затем углерод с гелием образуют кислород и так далее вплоть до образования атомов железа.

Дальнейшая судьба звезды - силы тяготения могут так сжать ядро, что оно взорвется - вспышка Сверхновой. При этом в пространство со скоростью около 10 тыс.км/с выбрасывается огромное количество синтезированных химических элементов, и теперь во Вселенной существуют газопылевые облака. Во Вселенной существуют газопылевые облака, из которых возможно образование звезд следующих поколений.