Привожу мысли физика на этот счёт:
Часть первая.
Но сначала отдаю свой старый долг, который тянется за мной еще с Форума и Гатти и о чем мне тактично напомнил наш старый друг Станислав. Поэтому, нарушаю хронологию, которая по логике должна иметь место и начаться с того какие причины вызвали Великий Взрыв, положивший начало существования нашей Вселенной и переношусь в наше время, чтобы рассказать о самой распространенной, и в тоже время самой загадочной форме материи нашего МИроздания, получившей название - "Темная Энергия".
Прежде всего сообщу Вам, что общий вклад этой загадочной субстанции в энергию доступной нам Вселенной (эту границу я в дальнейшем буду называть "Горизонт") составляет от 71% до 75% на данный момент. Величина, как Вы видите, просто ошеломляюще большая. История, связанная с открытием "Темной Энергии" достаточно интересна. Как Вы понимаете, в результате Великого взрыва, все объекты (микрочастицы) получили импульсы, которые направлены от некоего геометрического центра (указать где он в ночном небе нельзя - задача не трехмерная), и, соответственно, начали разлетаться в разные стороны. Историю с образованием звездных скоплений, Галактик скоплений Галактик и сверхскоплегий, я расскажу в другой раз, а сейчас чрезвычайно важно другое. Как Вы догадываетесь в результате того, что частицы (массовые и безмассовые), которые оказались вблизи "Горизонта" со временем должны были бы снижать свою собственную скорость движения за счет гравитационного взаимодействия с той массой, которая оказалась дальше от "Горизонта", чем они сами. Наглядно это можно продемонстрировать на примере раздувающегося шара, заполненного пылью, если при этом все пылинки связаны друг с другом растяжимыми нитями. Чем сильнее растянута нить, тем сильнее она тянет более отдаленную частицу к менее отдаленной. Аналогия, конечно сомнительная, гравитационное взаимодействие имеет другой вид потенциала, но для обсуждения нашего вопроса покамест сойдет.
Метод с помощью которого происходит измерение скорости движения относительно нас космических объектов известен - это измерение Допплеровского красного смещения. То есть, чем быстрее от нас удаляется космический объект, тем дальше в низкоэнергетическую часть спектра сдвинуты спектральные линии его излучения. Здесь есть одна тонкость - чем дальше от нас объект, тем дольше от него к нам идет свет, а значит мы получаем информацию от отдаленных объектов Вселенной о ранних стадиях ее развития. И если Великий Взрыв произошел, как сейчас подсчитано примерно 13.7 миллиардов лет назад, то изучая излучение объекта, который отстоит от нас скажем на 10 миллиардов световых лет, мы получаем информацию о том, каким он был через 3.7 миллиарда лет после Великого Взрыва. Удобнее всего это изучение было проводить на примере вспышек Сверхновых Звезд (во-первых очень яркая вспышка, а, во-вторых, их спектры хорошо известны ученым). Что и проделовалось на протяжении достаточно большого периода времени. И вот тут-то было совершено отурытие, которое практически перевернуло само представление о структуре и свойствах нашего континуума.
Из измерений скоростей удаления от нас звезд, которые впоследствии исчезли в вспышках Свехновых, неожиданно получилось, что последние 5-7 миллиардов лет Вселенная расширяется не замедленно, а ускоренно!!! То есть скорость удаления от нас "Горизонта" не уменьшается, а растет. В рамках обычных представлений о природе Мироздания это было непонятно. Получалось, что в вакууме находится непонятная субстанция, более того она распределена практически равномерно ( в отличие скажем от видимой материи, да и от Темной Массы), которая обладает отрицательным гравитационным эффектом!! Пусть и достаточно слабым. Вы можете спросить, а почему собственно физики пришли к выводу о равномерности распределения? Ответ предельно прост - указанный эффект, связанный с измерением скоростей удаления от нас далеких Сверхновых оказался одинаков во всех направлениях по величине (есть небольшие отклонения <0/1%, но это несущественно). И именно эта загодочная форма материи - получила название "Темная Энергия".
Конец первой части.
(С), Эледем Часть вторая.
Как Вы понимаете, дорогие друзья, это открытие немедленно породило вопрос, связанный с тем, что нужно было понять природу "Темной Энергии" и заодно требовалось объяснить причину того, что ее доминирование во Вселенной началось не сразу, а спустя очень и очень продолжительное время.
Начну с того, что мы изначально могли сказать об этой субстанции. Во-первых, она не вступает ни в какие взпимодействия с остальной материей Вселенной кроме гравитационного, а точнее антигравитационного. Во-вторых, она абсолютно равномерна распределена в пространстве внутри "Горизонта", а в-третьих, носители этой энергии должны находиться в равновесии друг с другом. Последний пункт означает, что они либо вообще не взаимодействуют друг с другом, или в результате их взаимодействия каждый из носителей не меняет свои физически измеряемые параметры (о неизмеряемых вопрос отдельный). И именно последние два пункта послужили ключом к началу разгадки природы "Темной Энергии". Но сначала мне придется дать нкоторые пояснения.
Когда Эйнштейн написал свои знаменитые уравнения Общей Теории Относительности, то в правой части основного уравнения стояла "кривизна" нашего пространственно-временного континуума + так называемый лямбда-член, а влевой части тензор (ну специфическая форма представления) энергии и импульса рассматриваемой в конкретной задаче материи. Причина по которой появился лямбда-член (в дальнейшем я буду называть его космологическим слагаемым) была чрезвычайно проста - это слагаемое впмсывалось в необходимые условия, которым должно было соответствовать уравнение и выкидывать его не было никаких причин. Однако во всех реальных задачах, которые решались в Общей Теории Относительности, включая задачу о существовании Черных Дыр, его величина полагалась равной нулю, и получающиеся решения вполне соответствовали наблюдаемым в космосе явлениям. Так и продолжалось до тех пор, пока основное уравнени ОТО не было применено ко всей нынешней Вселенной в целом. И вот тут-то произошел казус. По наблюдениям астрофизиков (экспериментальную и практическую часть я оставляю в покое - это длинный и специфический рассказ) оказалось, что кривизна нашего континуума составляет величину порядка единицы (Мироздание близко к четырехмерной сферической симметрии), а вот показатели энергии-импульса (включая вклад от Темной Массы), которые стоят в правой части уравнения - давали величину раза в три меньшую. Даже учет всех возможных поправок не позволял свести наблюдательные данные с тем, что давала Общая Теория Относительности. И тут-то и вспомнили про Космологическое Слагаемое в основном уравнении. К тому же в физике высоких энергий была описана (именно теоретически описана) некоторая гипотетическая ультрарелятивистская форма поля, давление которой на окружающую материи в точности было равно его плотности энергии (размерности были сведены за счет некоторых констант), а значит...
Далее я сошлюсь на работу советского физика Э.Глинера, который в первом приближении описал подобный тип материи и показал довольно забавную вещь - при расширении пространства плотность энергии такой формы материи вообще не меняется!!! Так что же - мы открыли Космологичекое Слагаемое? Но какой оно природы? И в какой момент в ходе развития Вселенной возникло?
(С), он же.
Добавлено (02.03.2011, 18:16)
---------------------------------------------
Часть третья.
Увы, но на поледние вопросы астрономы и астрофизики ответить не могли. Ну действительно, что можно сказать о субстанции, которая вообще не взаимодействует с электромагнитным излучением, никак его не рассеивает и о самом существовании которой судят исключительно по косвенным признакам, как те, которые были описаны в первой части? Однозначно - никак. Но тут на помощь пришел тот раздел физики, который носит гордое название "Физика элементарных частиц" или "Физика высоких энергий". Но сначала, чтобы ВАм, мои дорогие друзья, было понятно, откуда ноги растут. я сконструировал некий диалог между физиком, работающим в этой области и человеком, который не имеет специальных знаний, но очень интересуется тем, как наше Мироздание устроено (назовем его Читатель).
Ч. - Ну расскажите же мне, откуда может взяться столь странная субстанция, тем более, что Вы утверждаете, что ее существование вам и вашим коллегам более или менее понятно.
Ф. - Постараюсь. Но сначала вам такой вопрос - что такое по Вашему вакуум?
Ч. - Как это что? Ну,..пустота, конечно.
Ф. - А что Вы понимаете под пустотой?
Ч. - Гм-м-м, странный вопрос, ну это когда в каком-то объеме ничего нет.
Ф. - Вообще ничего нет?
Ч. (задумываясь) - Наверное да. Скажем так - ничего такого, что вообще можно обнаружить.
Ф. - Ага, уже лучше, но все же, как Вы понимаете само слово - нельзя обнаружить?
ч. - Да достаточно просто. Там нет ничего с чем я могу вступить взаимодействие!
Ф. - Отлично. А как насчет того. с чем Вы не можете провзаимодействовать? Оно там может быть?
Ч. - Гм-м-м, странный вопрос. Наверное может. Но что же это такое, если с ним и взаимодействовать нельзя. Это же вообще "ничто" получается.
Ф. - Замечательная мысль. А как по Вашему - это самое "ничто" энергией может обладать?
Ч. - Ну если оно и есть, то наверное какой-то энергией и обладает. Но мне-то что с того? Я ведь с ней никак не взаимодействую?
Ф. - А вот здесь Вы не совсем правы. Мы с Вами только что договорились, что в том, что Вы называете пустотой, а я физическим вакуумом, может существовать некоторая энергия, среднее значение которой отлично от нуля.
Ч. - Странно как-то получается. с одной стороны ноль, а с другой не ноль. Что-то Вы меня запутывать начинаете.
Ф. - Что Вы, отнюдь. Просто это среднее значение энергии, которое там находится - не проявляет себя впрямую в нашей повседневной жизни. Но это вовсе не означает, что оно вообще себя проявить не может.
Ч. - Кажется начинаю понимать. Если создать необходимые условие, то эту энергию можно как-то и увидеть... Но ведь это..Это абсолютно неиссякаемый источник энергии. Значит проблемы получения энергии в будущем для человечества вообще не будет существовать!!
Ф. - Не спешите, отнюдь не все так просто. Во-первых, условия для взаимодействия с ней очень и очень непростые и мы сейчас только в экспериментах подбираемся к их примерному созданию, а во-вторых часть этой энергии (назовем ее энергией вакуума) уже израсходована.
Ч. - Как израсходована? То есть кем? И на что?
Ф. - Ну насчет кем - признаюсь, что самим Мирозданием (если его вообще можно называть - кто, я четсно говоря, предпочитаю - что), а вот вопрос на что довольно интересен. Ответ такой - на придание массы покоя всему сущему. А как - через нарушение симметрии вакуума (но эту часть мы оставим в покое).
Ч. - То есть Вы хотите этим сказать, что не будь этой энергии, то во всей вселенной остались бы только фотоны и нейтрино?
Ф. - Скорее всего и нейтрино бы не было. На данный момент мы уже практичеки нашли массу двух из трех типов нейтрино, не за горами и последний тип. Да, тогда бы Вселенная была совсем иной, сли бы энергии вакуума не было.
Ч. - Но кто эту энергию создает? И .. это и есть та самая "Темная Энергий"?
Ф. - Ну, Вы слишком спешите. Однако теперь, когда Вы поняли, что вакуум отнюдь не такая простая вещь, как ранее казалось, я могу переходить непосредственно к тому, какое отношение к всем вакуумным ненулевым средним имеет сама "Темная Энергия". А заодно рассказать еще одну модель, которая может объяснить ее существование.
Часть четвертая. ( виде монолога физика, постепенно переходящий в диалог с Читателем)
Итак, первый вариант для "Темной Энергии" - это релятивистская энергия вакуума. Вопрос из чего она состоит одновременно и сложен и прост. По своей сути такие поля соответсвуют (если это чистой воды поле) невзаимодействующему газу скалярных частиц нулевой массы Что такое скалярная частица - спросите Вы? Отвечу - это частица с нулевым спином, то есть собственным, не связанным с движением механическим моментом. Кстати, квант электромагнитного взаимодействия фотон, имеет спин равный единице - это векторная чатиуа. А скалярных безмассовых частиц релятивистского типа (то есть двигающихся со скоростью света) возникает явление, которое Вы, наверное знаете в электромагнетизме, как Солнечный световой ветер. Фотоны, летящие от Солнца оказывают давление на все с чем встречаются и как бы отталкивают все с чем встречаются. Но есть и одна существенная разница - это скалярное вакуумное поле давит на любую материю во всех точках пространства-времени одинаково и исключительно по каналу гравитационного взаимодействия. Сразу встает вопрос а граввитационное-то притяжение эти частицы испытывают? На него пока нет однозначного ответа, хотя не исключено, что и испытывают. Вот только оказываемое ими давление, расталкивающие материю на несколько порядков сильнее - отсюда и антигравитационный эффект. Влюс еще одна вещь, которая будет подробна рассказана в дальнейшем. Эти частицы не чувствуют границ "вакуумных пузерей другой фазы". Именно поэтомуэто поле равномерно распространено во всем пространстве независимо от того, есть ли в данной области какая-либо материя (даже ЧД) или это пространство между сверхскоплениями Галактик. Ну что же, Вы считаете, что "Темная Энергия" имеет именно корпускулярно-волновую природу и описывается Космологическим Слагаемым в уравнении "Эйнштейна?
Читатель (робко) - Ну если не считать того, что Вы не рассказали о том, как вообще происходят взаимодействия, то похоже Вы правы.
Физик. - Ну непосредственно про сами механизмы, обеспечивающие взаимодействия я расскажу, когда речь о квантовой теории поля пойдет - это-то как раз несложно. Беда в другом. Экспериментально проверить описанную гипотезу мы не можем. Более того, на данный момент мы даже смутно не можем себе представить эксперимент, который это позволил бы сделать. Остается только уповать на наблюдательные астрофизические данные.
Читатель. - Здрасти, приехали. Но Вы же говорили, что решая уравнения Эйнштейна для всей Вселенной с Космологическим Слагаемым Вы как раз и получили великолепное согласие с наблюдаемыми данными? Или я Вас неправильно понял?
Физик. - Увы мне, увы. Я все время забываю о необходимости специальных пояснений. Дело в том, что то, что я описал - это одно из решений уравнения Эйнштейна для четырехмерного пространственно-временного континуума.
Читатель. - А что есть и другие решения? Или другие континуумы?
Физик. - А почему Вы собственно говоря решили, что наш континуум четырехмерный.
Читатель. (несколько неуверенно) гу как же - вот они три измерения длина, ширина и высота, вот часы у меня на руке тикают, время идет, то есть четвертая координата. А где же все остальное?
Физик. - Хороший вопрос Вы задаете. А действительно где? Представьте себе, что они свернуты в трубки на очень малом радиусе, как Вы можете свернуть лист бумаги.
Читатель (методично сворачивая лист). Ага, действительно поверхность листа , когда я соединил его края после свертки утратило одно измерение. Гм-м-м, все равно не до конца понимаю. А какой же радиус свертки у Высших измерений и сколько их вообще есть?
Физик. - Всего или одиннадцать или двенадцать (тут М-теория однозначного ответа не дает), а вот радиус свертки могу назвать с очень высокой точностью - это десять в минус тридцать третьей степени сантиметра.
Читатель. - Угу, тогда понятно, почему я их не вижу и не чувствую. Но при чем же здесь "Темная Энергия"?
Физик. - А Вы забыли начало нашего с Вами разговора. Подумайте, если эти высшие семь или восемь измерений свернуты, то следует ли отсюда, что их средняя энергия в вакууме (а точнее в каждой точке пространства) по определению равна нулю?
Читатель (удрученно) Да нет, не следует. То есть Вы хотите сказать, что "Темная Энергия" это след в нашем Мироздании от энергии более высоких измерений ?
Физик. - Дорогой друг, Вы опять спешите. Я хочу только сказать, что так ыполне может быть. По крайней мере решения некоторых уравнений для странных объектов, называемых суперструнами, в 11-мерном пространстве действительно дает такой эффект.
Читатель. - Единственный эффект?
Физик. - Что ВЫ, один из многих. Но наблюдать мы можем сейчас немногие и это один из них.
Читатель (жадно) А остальные наблюдаемые?
Физик. - Они к "Темной Энергии" отношения не имеют. А чтобы ответить какой же из этих двух механизмов действительно отвечает субстанции, называемой "Темной Энергией" нужно написать не макроскопические, а микроскопические уравнения для ее носителей. И как-то проверить их либо в наблюдениях, либо в эксперименте. А может быть эти две модели на самом деле - разные части чего-то более общего и их удастся объединить. Ведь М-теория сейчас вовсю развивается.
Читатель. - И когда это будет сделано? Ведь интересно же.
Физик (улыбаясь) - Надеюсь, что при нашей жизни, мой друг, надеюсь.
Окончание последней части.
Добавлено (02.03.2011, 18:19)
---------------------------------------------
Правда анализ всего материала, который мне предстоит поведать, показал мне, что начинать все же придется с того, что сейчас называют Стандартной Моделью (СМ), иначе многие вещи вряд ли будут понятны.
СМ включает в себя на данный момент следующее:
1. Теория Гравитации - она же Общая Теория Относительности. Пространственно-временной континуум рассматривается в ней как чисто геометрическое образование с одной тонкой спецификой. Это пространство не прямолинейно, а криволинейно, из-за существования в нем отличного от нуля тензора (матрица, преобразуемая специальным образом при переходе от одной системы отсчета к другой + не меняющая своих свойств при повороте осей координат). Основное уравнение связывает параметр кривизны пространства (тензор Ричи) с тензором энергии-импульса. Энергия дает вклад в один компонент, импульс, как векторная величина в три оставшихся. Кроме того в уравнение входит так называемый Космологический Член - это произведение некоей константы (величина которой заранее неизвестна) на метрический тезор пространства. Вид у этой матрицы довольно простой, а в большинстве рассматриваемых случаев вообще диагональный (все элементы, не лежащие на главной диагонали равны нулю). Решения этого уравнения позволяют связать наличие массивных объектов в 4-мерном континууме с искажением самого пространства-времени. Уравнения очень сложные и их точное аналитическое решение на данный момент удается получить только в немногих частных случаях (обычная звезда, Черная Дыра, двойная звезда), но с помощью численных методов возможны решения и в гораздо более сложных системах.
Имена ученых, которые будут часто упоминаться при дальнейших описаниях - Де-Ситтер, Шварцшильд, Гамов, Фридман, Старобинский.
Основное понятие теории - гравитационный радиус объекта. (Для Земли он равен несколько сантиметров, поэтому прямая проверка выводов ОТО в привычной жизни затруднена).
Физичекое обоснование Общей Теории Относительности - равенство между собой гравитационной и инертной массы (то есть коэффициентов, стоящих во втором законе Ньютона и в потенциале гравитационного поля). Константа гравитации очень мала (в общем виде для элементарных частиц она составляет 10 в минус 38 степени), поэтому для того, чтобы гравитация оказалась сравнимой с остальными взаимодействиями микромира требуется энергия порядка 10 в 19 ГэВ (гигаэлектронвольт). Для сравнения скажу, что максимальная энергия только что достроенного ускорителя в ЦЕРНе составит всего-навсего 10 в 4 степени ГэВ.
Формально - квантовая теория гравитации не создана, а о специфических достижениях теории суперструн расскажу в дальнейшем.
2. Электромагнитное взаимодействие.
Наиболее хорошо изученный тип взаимодействия, характеризуется константой равной 1/137 (величина безразмерная) и описывает взаимодействие электрических зарядов с электромагнитным полем. Квантовая Электродинамика - практически идеальная наука, позволяющая проводить расчеты с ЛЮБОЙ точностью. Основным свойством этого типа взаимодействий является то, что заряды способны излучать кванты собственного поля (то есть количество частиц в задаче способно меняться в любых количествах, что обычная квантовая механика не допускала). Главными уравнениями КЭД являются уравнения Клейна-Гордона (для бозонов - частиц с целым спином) и уравнение Дирака (для фермионов - частиц с полуцелым спином), а также общее выражение для функции Лагранжа (лагранжиана) электромагнитного поля. В пределах соотношения неопределенностей Гейзенберга (произведение неопределенности импульса на неопределенность координаты, или неорпеделенности энергии частицы на неопределенность ее" временной координаты" порядка постоянной Планка) позволяет нарушать в определенных пределах привычные законы сохранения энергии и импульса, что эффективно приводит к возникновению абсолютно нового мира - мира виртуальных частиц, которые существуют в континууме, но не могут быть зарегистрированы нашими детекторами. Однако именно эти частицы во многом составляют саму структуру известных нам частиц (в основном речь идет об электроне). То есть если мы начнем пытаться проникнуть внутрь электрона, то неожиданно начнет проявляться его "вакуумная структура". Классический радиус электрона составляет 10 в минус 13 степени сантиметра. Если же мы, воспользовавшись мощным ускорителем попытаемся другой высокоэнергетичесокй частицей ударить по электрону, то сначала добьемся того, сто обнаружим внутри электрон-позитронную пару (позитрон=антиэлектрон), повысим еще энергию - получим вторую пару, потом мюон-антимюонную пару и так далее... В итоге даже внутри электрона, масса которого составляет 0.511 МэВ (Мегаэлектронвольт) обнаружится W-бозон с массой примерно 80000 МэВ. Так что электрон ... неисчерпаем.
Важные моменты теории - константа взаимодействия не является постоянной величиной в нашем человеческом понимании, с ростом энергии, передаваемой при электромагнитных взаимодействиях она постепенно начинает возрастать (при энергиях порядка 80 ГэВ она уже составляет не 1/137, а 1/129), что означает "рост величины электрического заряда". Такое явление в дальнейшем будем называть "вакуумной экранировкой" или просто "экранировкой". О причинах, ее порождающих расскажу в дальнейшем. кстати, известный всем со школы закон Кулона, благодаря этому факту также приходится изменить.
Наиболее известные ученые КЭД - Дирак, Ландау, Фейнман, Клейн и многие другие.
Методика расчетов КЭД построена на Диаграммной Технике, разработанной Фейгманом.
Основные фундаментальные экспериментальные факты - равенство нулю массы фотона (с точностью до 10 в минус 17 степени грамма), Сохранение электрического Заряда в любых типах взаимодействий, переход в низкоэнергетическом пределе (устремление постоянной Планка к нулю в известные уравнения Максвелла для классической электродинамики).
Фундаментальные математические понятия - СИММЕТРИЯ относительно преобразований группы U(1). Глобальная симметрия приводит как раз к сохранению электрического заряда (это когда некая фаза преобразований от 4-х мерных координат не зависит), а локальная симметрия (когда фаза от 4-хмерных координат зависит) как раз и приводит к появлению фотонов (как квантов электромагнитного поля). Симметрия группы U(1) считается НЕНАРУШЕННОЙ.
Основные феноменологические величины теории - элементарный заряд и массы частиц берутся из экспериментальных данных.
3. На очереди Теория Сильных Взаимодействий.
Эти самые взаимодействия отвечают (в обывательском представлении) за притяжение к друг другу нейтронов и протонов в ядрах атомов... Насколько же мы наивны.. Хотя сама по себе Теоретическая ядерная физика, описывающая обменные взаимодействия между нуклонами (протонами и нейтронами) в ядрах, благодаря обмену такой частицей, как пи-мезон вполне вменяема. Увы, но не ей было суждено стать той основой, которая является ТСВ (теория сильных взаимодействий). Оказалось, что и нуклоны и пи-мезоны (пионы) частицы НЕ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ, А СОСТАВНЫЕ. Тем более, что вскоре обнаружилось огромное количество новых частиц, вступающих в Сильные Взаимодействия (их число давно уже перевалило за 3000 и каждый год открывают еще по неколько десятков а то и сотен). Правда время жизни большинства этих частиц чрезвычайно мало порядка 10 в минус 23 степени секунды. СВ действуют на чрезвычайно малых расстояниях - порядка 10 в минус 13 степени сантиметра, но... и это еще не все. Как только мы достигаем расстояний меньших, чем 10 в минус 14 степени сантиметра - картина меняется совершенно фантастическим образом, но об этом чуть позже. Все частицы участвующие в СВ делятся на барионы и мезоны, причем барионам приписывается некоторой новый сохраняющийся параметр - барионное число (у барионов +1, у антибарионов -1, а у меозонов оно равно 0) . Соответственно в результате распадов барионов в конце должен образоваться конгломерат частиц суммарное барионное число которого равно +1 ( для антибарионов -1), а мезоны распадаются в итоге на лептоны и фотоны.
Небольшое отвлечение в сторону - лептонов открыто на данный момент всего 6(шесть), а если считать с антилептонами, то 12. Это электрон, мюон, тау-лептон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-лептонное нейтрино. Если первыет три частицы обладают массами, то массы нейтрино если и есть, то чрезвычайно малы (экспериментальные успехи по нахождению массы нейтрино последних трех лет пока оставлю в покое). Лептоны в сильных взаимодействиях не участвуют. А как же распады - спросите ВЫ, там же как раз лептоны и образуются, значит какое-то участие есть!! А вот об этом расскажу позже.
Барионов и мезонов, как Вы видите, дорогие друзья, практически немеряное количество и очевидно, что ФУНДАМЕНТАЛЬНЫМИ (не составными) частицами они являться не могут. Итак, кто же является фундаментальными частицами Сильных Взаимодействий, что является аналогм электрического заряда в СВ и кто исполняет роль фотонов (как квантов и переносчиков взаимодействий) в СВ??
Ответ на первый из трех вопросов - кварки. Каждый из барионов состоит из 3 кварков, а каждый мезон состоит из кварка и антикварка. Кваркам припысывают барионное число +1/3, а антикваркам - -(минус)1/3. Всего кварков известно шесть (заметьте друзья - снова шесть!) и они получили названия u (up),d (down), s (strange), c (charm), b (bottom), t (top). Из них u,c,t - кварки имеют электрический заряд = +2/3, а остальные три кварка имеют электрический заряд =-1/3. Спин всех кварков (также как фундаментальных лептонов) равен 1/2. И еще - Кварки, как оказалось, обладают дополнительной характеристикой, которой не обладает ни один барион или мезон - ЦВЕТОМ. Это абсолютно новое понятие (конечно, ничего общего с обычным цветом не имеющее), а Цветов у кварков возможно всего три - Синий, Краный, Желтый. Комбинация трех этих цветов дает... бесцветный вариант. Поэтому барионы Цветом не обладают. А мезоны спросите Вы? Отвечу - у антикварков тоже есть цвета - антикрасный, антижелтый и антисиний (вот такая странная терминология). Поэтому, если в мезоне кварк будет иметь синий цвет, то антикварк (не обязательно того же типа) - антисиний. И все цветовые взаимодействия спрятаны под расстояниями меньшими 10 в минус 14 степени сантиметра. Но почему, спросите Вы? И здесь мне придется ограничиться не совсем точными, но достаточно логичными рассуждениями.
1. Обратите внимание, в сравнение с КЭД - там электрический заряд только одного типа (то есть сам заряд), а Цветовых зарядов - Три типа. Далее, сам фотон электрический заряд не переносит, а... вот тут мы приходим к квантам Сильного Взаимодействия, которые получили названия - глюоны (в переводе с английского, клей). Так вот, Глюонов - восемь штук!!! И они сами нескт Цветовые Заряды!!
2. Цветовой Заряд сохраняется во всех СВ, и именно он является тем самым аналогом элетрического заряда КЭД.
3. Фотоны сами по себе не испучкают другие фотоны, а Глюоны на это способны. То есть глюон может испускать другой глюон. И чем дальше от того кварка, который испустил первый Цветной Глюон, тем Глюонов становится в пространстве не меньше, а больше. Кваки как будто начинают обрастать глюонной шубой. И хотя масса глюонов равна нулю, но их энергия-то нулю не равна (также как энергия фотона). И если предположить, сто подобное будет происходить на любых расстояниях, то... Закон Сохранения Энергии прикажет долго жить. Значит рано или поздно, указанный процесс должен каким-то образом оборваться. Следовательно, нам требуется, чтобы кварки, образующие бесцветную комбинацию находились все время неподалеку друг от друга, то есть Свободных Кварков, обладающих цветовыми Зарядами быть принципиально не должно!!! Этот эффект называется конфайнментом (пленением) и ограничивает расстояние между кварками в барионах и мезонах теми самыми 10 в минус 13 степени сантиметра, где начинается взаимодействие внутри ядер. Зато при сближении кварков, сила СВ начинает падать и на нулевом расстоянии между ними обращается в нуль (это назывется - АСИМПТОТИЧЕСКАЯ СВОБОДА). Чтобы было понятно, как это может выглядеть - представьте себе два шарика, соединенные нерастянутой пружиной. Как только Вы ее начнете растягивать, так сила притяжения шариков начнет расти по линейному закону. Это и есть - Зависимость энергии СВ от расстояния (точнее это квадратичная зависимость, тогда сила изменяется по линейному Закону).
Подобный эффект носит название - АНТИЭКРАНИРОВКА, или можно считать, что "константа" сильного взаимодействия падает с уменьшением расстояния, что соответствует росту передаваемой друг другу частицами при взаимодействии энергии. Аналога в обычной жизни подобному явлению - вообще-то нет. Вы можете спросить, а что происходит, если пружину продолжить растягивать, ведь она порверся, в конце концов? Так оно и происходит, в месте разрыва "Глюонной пружины" (или точнее струны) рождается пи-мезон с массой 150 МэВ. Если Вам повезет, то могут родиться и более тяжелые частицы.
Наука, изучающая СВ кварков и глюонов носит название - Квантовая Хромодинамика (КХД). Константа взаимодействия в КХД приблизительно равна 1, и постепенно уменьшается с ростом энергетических масштабов. Точные расчеты по методы Фейнмана в КХД чрезвычайно затруднены, и могут быть выполнены только в ряде частных случаев. Почему - об этом в будущем.
Ученые, с чьими именами связаны успехи КХД - Янг, Миллз, Грассман, Гросс, Пайерлс.
Фундаментальные основы теории - подчиненность КХД группе симметрии SU(3). Из условия глобальной симметрии вытекает сохранение Цветового Заряда, а из условия локальной симметрии - существование 8 типов глюонов. Пространственно-временной континуум на кварковом уровне очень сильно искажен, поэтому его описание, я на время отложу (вплоть до Теории Великого Объединения), конфайнмент кварков, асимптотическая свобода.
Основные феноменологические параметры КХД - константа сильного взаимодействия кварков (кстати, при взаимодействиях протонов и нейтронов она равна примерно 14.5), а также, так называемые массы крнституентных (скажем так покоящихся) кварков.
Теория Электрослабых Взаимодействий (Теория Вайнберга-Салама)
С самого начала именно Слабые Взаимодействия (СлВ) представляли собой главную загадку физики элементарных частиц. Во-первых, попытка в бета-распаде (это когда из ядра атома вылетает электрон или позитрон) соблюсти известные еще по школьному курсу Законы Сохранения (импульса и энергии) наткнулись на то, что они категорически отказывались соблюдаться. Суммарная энергия вылетевшей частицы и Ядра отдачи практически во всех случаях оказывалась меньше, нежели энергия первоначального ядра. Тогда, кстати, и возникло предположение о существовании нейтрино, которая достаточно быстро получила свое экспериментальное подтверждение и впервые была найдена частица без массы 9или почти без нее), без электрического заряда, зато обладающая спином 1/2. Долгое время не удавалось понять, чем же нейтрино от антинейтрино по своей сути может отличаться (заряда - нет, массы вроде тоже), однако проявления в реакциях элементарных частиц у них разные... Наконец догадались, что разными у них являеются "Спиральности" (проекция спина на направление импульса) и тут... Оказалось, что нейтрино бывают только "левые" (так у них природа устроена), а антинейтрино "правые"... Одним ударом получилось, что само наше пространство не обладает зеркальной симметрией правого и левого. Правда немедленно была выдвинута гипотеза, что на самом деле нейтрино и антинейтрино - это все же одна и та же частица, имеющая два компонента (так называемый майорановский вариант), экспериментальная проверка этого факта не закончена до сих пор, исследования ведутся, а чем это закончится узнаем, в лучшем случае через пару лет в эксперименте по двойному бета-распаду. Это было только начало, друзья, только начало...
Следующим пунктом было создание первого варианта теории, в котором предусматривалось одновременное уничтожение и появление по паре частиц, то есть четырехфермионная теория Ферми (она получила название V-A теория СлВ, то есть вектор минус аксиальный вектор). Заодно Фнрми сумел из эксперимента определить константу этого взаимодействия и получил порядка 10 в минус 5 степени ГЭВ деленных на массу протона в квадрате. Элементарный пересчет на расстояния показал, что эти самые СлВ происходят на расстояниях порядка 10 в минус 16 степени сантиметра!! А размеры протона и нейтрона, кстати, только 10 в минус 13 степени сантиметра. Это означало, что все происходит... глубоко внутри известных частиц. Это уже не укладывалось ни в какие представления о природе Элементарных Частиц. Более того, скоро выяснилось, что симметрия правого и левого в СлВ нарушена 100%!!! Правда достаточно быстро кое-кому удалось выправить ситуацию и показать, что если провести не только пространственную инверсию, но и заменить частицы на античастицы (так называемая пространственно-зарядовая четность), то вроде бы ситуация выправится. Недолго, однако, музыка играла... Спустя восемь лет в распадах нейтральных K-мезонов, было показано, что и этот вариант симметрии нарушен. Правда очень мало (всего 10 в минус 3 степени), правда только в этих распадах (впоследствии этот же эффект был обнаружен и для В-мезона), но все же, все же... Это было вообще необъяснимо. Дело в том, что существует некая, так называемая, CPT-теорем, которая гласит, что комбинация трех инверсий - пространственной, зарядовой и временной, обязательна должна быть ненарушенной. И если CP-четность нарушена, то получается, что нарушена и Т-четность?? И эти частицы в каком-то смысле существуют в обратном времени??? Пусть даже и частично??? Просто невероятно.
А в придачу ко всему неожиданно выяснилось, что если начать учитывать все вакуумные (радиационные) эффекты, то вероятностивсех процессов в СлВ мгновенно окажутся равными бесконечности!! Какая-то чертовщина, право слово...
Да еще СлВ, как выяснилось, совершенно спокойно нарушают и другие законы сохранения (в частности, касающиеся СВ - не сохраняются странность, очарование, боттом и топ). Вообщем стало ясно, что СлВ это что-то принципиально иное и привычные представления Теории Квантованный Полей здесь не годятся. Следовательно, предстояло построить абсолютно иную Теорию СлВ, которая позволяла бы переходить к V-A теории Ферми, как к некоему предельному случаю. На сцене Мировой Науки появились Абдус Салам и Стивен Вайнберг. Но не только они...
Авторы новой Теории предположили, что у СлВ, также как и у других взаимодействий имеется квант (переносчик взаимодействий), который получил название W-бозон. На первом этапе предсказания новосозданной Теории были весьма успешны, W-бозонов оказалось три штуки (один с положительным электрическим зарядом, второй с отрицательным, а третий электрически нейтральный), "зарядом" самого Слабого Взаимодействия оказался, так называемый Слабый Изоспин, а непосредственно в самих СлВ участвовали только "левые" компоненты волновых функций всех частиц, отсюда и нарушение зеркальности (пространственной четности). Как и следовало ожидать - проблеиы не заставили себя долго ждать.
Во-первых, как выяснилось, введение W-бозонов отнюдь не решало проблему бесконечностей в расчетах вероятностей Сл-процессов, просто она частично уходила н
