December 05 2016 16:36:30
School Nogma
Навигация
 
Авторизация
Логин

Пароль



Вы не зарегистрированы?
Нажмите здесь для регистрации .

Забыли пароль?
Запросите новый здесь.
 
Возникновение и развитие Вселенной
Физические основы информации
  1. Частицы и поля. Спин. Фермионы и бозоны. Струны и суперструны.

  2. Фундаментальные взаимодействия частиц: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Единая теория взаимодействий.

  3. Гипотеза Большого взрыва. Расширение Вселенной. Основные этапы формирования современной Вселенной.

  4. Характерные пространственные масштабы микро-, макро- и мегамира.

  5. Стабильность физических постоянных и связь их численных значений со структурой Вселенной.


Цель курса – познакомить студентов с теми физическими явлениями, которые в настоящее время широко используются в информационных технологиях, перспективными направлениями развития этих технологий, основанными на достижениях современной физики. Речь идет о дополнительных главах квантовой механики, физики твердого тела, полупроводниковой электроники, лазерной физики, оптики, которые необходимы для понимания тенденций развития элементной базы экспериментальной физики, метрологии, микроэлектроники, систем получения, обработки, передачи и хранения информации. Отметим, что элементная база микроэлектроники, наноэлектроники  и квантовых компьютеров, распознавание образов и анализа изображений, онто-, радио- и акустоэлектроника, а так же оптическая и СВЧ-связь в рамках приоритетных направлений развития науки и техники относятся к критическим технологиям федерального уровня.

Освоение материала этого курса должно способствовать развитию таких необходимых качеств как умение формировать собственную картину мира, способность пополнения имеющихся знаний и генерации информации, не содержащейся в исходной системе, работа с нечеткими понятиями, диалоговое общение, адаптация к изменяющимся внешним условия. Все вышеперечисленные качества относятся к основным признакам интеллекта, сформулированным при разработке искусственных интеллектуальных систем.

Согласно современным представлениям материя существует в виде частиц и физических полей, определяющих взаимодействие между частицами. Все частицы обладают полуцелым спином (в единицах ћ = h/2π, h = 6,6·10-34Дж·с – постоянная Планка) и относятся к фермионам. Спин – собственный момент импульса элементарной частицы, имеющий квантовую природу и не связанный с движением центра масс частицы. Концепция спина была введена в 1925г. Дж. Уленбеком и С. Гаудсмитом на основе анализа спектроскопических данных. Спин частицы однозначно связан с характером статистики – частицы с полуцелом спином подчиняются статистике Ферми-Дирака. К фермионам относятся кварки, образующие нуклоны атомных ядер, сами нуклоны, т.е. протоны и нейтроны, электроны, а также электрически нейтральное нейтрино. Все они имеют спин s = ½.

Физические поля, определяющие взаимодействия между частицами вещества, в квантовой теории рассматриваются как системы элементарных возбуждений – квантов. С этой точки зрения взаимодействие между частицами есть обмен квантами соответствующего поля. Кванты физических полей обладают целым спином и относятся к бозонам. Квант электромагнитного поля – фотон обладает спином 1, квант гравитационного поля – гравитон обладает спином 2, квант сильного взаимодействия – глюон обладает спином 1 и кванты слабого взаимодействия – промежуточные векторные бозоны обладают спином 1.

Обобщение понятий частица и квант поля рассматривается в теории бозонных и фермионных струн, являющихся частными случаями суперструн – одномерных релятивистских объектов, возбуждения которых описывают как бозоны, так и фермионы. Возможно, что суперструны могут стать «элементарными кирпичиками», лежащими в основе современной Вселенной. Длина струн порядка планковской длины.

Материя существует в четырехмерном пространстве – времени, геометрия которого согласно релятивистской теории гравитации (общей теории относительности) определяется распределенной материей. К настоящему времени открыты 5 состояний вещества: твердое жидкое, газообразное, плазменное и кварк-глюонная плазма, полученная в 2000г. на ускорителе в г.Церне (Швейцария). Кварк-глюонная плазма возникает при освобождении кварков из нуклонов за счет большой кинетической энергии сталкивающихся частиц. Такое состояние вещества могло наблюдаться лишь в течение времени порядка 10-6с после Большого взрыва, в результате которого возникла современная Вселенная.

Для нас наибольший интерес представляют три состояния – жидкое твердое и газообразное, основу которых составляют атомы и молекулы. Молекулы состоят из атомов с характерным размером ~10-10м, атомы – из ядер с характерным размером ~10-15м и электронов, которые в настоящее время считаются бесструктурными частицами с размером ~10-15м, атомные ядра – из протонов и нейтронов с характерным размером
~10-15м, наконец, нуклоны состоят из трех кварков с дробными электрическими зарядами 2/3е и -1/3е, где е = 1,6·10-19Кл – заряд электрона, с характерным размером ~10-19м.

Элементарные частицы образуют материальные структуры любого пространственного масштаба благодаря четырем фундаментальным взаимодействиям: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному.

Интенсивность сильного взаимодействия принимается за 1, его радиус действия ≤10-15м, оно удерживает нуклоны в атомных ядрах и обеспечивает их стабильность (в свободном состоянии нейтрон за время 15,3 мин. распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино, согласно теоретическим оценкам время распада свободного протона ~1030 - 1032 года), играет важную роль в таких ядерных реакциях как α – распад, деление и синтез ядер.

Относительная интенсивность электромагнитного взаимодействия ~10-2, оно является дальнодействующим, обеспечивает стабильность атомов, молекул, жидкостей и твердых тел.

Относительная интенсивность слабого взаимодействия ~10-14, его радиус действия ~10-18м, оно играет важную роль в процессах превращения элементарных частиц, определяет основной энергетический процесс на Солнце (образование ядер гелия из протонов), обеспечивающий излучение Солнца и, соответственно жизнь на Земле, играет важную роль при взрывах сверхновых звезд и образовании пульсаров.

Относительная интенсивность гравитационного взаимодействия ~10-39, оно является дальнодействующим, играет основную роль в эволюции Вселенной, определяет геометрию пространства – времени, сжатие массивных звезд и образование черных дыр.

Между фундаментальными взаимодействиями существует внутренняя связь, которая может быть выявлена при изменении пространственного или энергетического масштаба. Согласно стандартной теории электрослабого взаимодействия, в области с размерами ≤10-18м происходит объединение слабого и электромагнитного взаимодействий. Если размер области ≤10-31м, то в соответствии с теорией великого объединения сильное и электрослабое взаимодействия описываются с единых позиций. Наконец, в случае области с размером порядка планковской длины

img001,

где G = 6,67·10-11Н·м2/кг2 – гравитационная постоянная и с = 3·108м/с – скорость света в вакууме, все четыре фундаментальных взаимодействия проявляются как единое взаимодействие.

Такая эволюция фундаментальных взаимодействий от единого взаимодействия до современных  четырех различных взаимодействий могла иметь место в процессе формирования современной Вселенной после момента Большого взрыва. Отсчет времени начинается не с самого момента Большого взрыва, а с момента

img002,

где tппланковское время, поскольку современная физическая теория не в состоянии описать процессы, происходившие в интервале времени 0 < t <tп.

После Большого взрыва формирование Вселенной проходит через следующие стадии: 1) инфляция или раздувание Вселенной (t ~ 10-42 ÷ 10-36с), 2) рождение вещества
(t ~ 10-36c), 3) стадия горячей Вселенной (t ~ 10-35 - 10-32с), причем при t > 10-32 уже почти нет античастиц, 4) полное разделение четырех фундаментальных взаимодействий
(t ~ 10-19с), 5) возникновение нуклонов (t ~ 10-6с), 6) появление стабильных ядер легких элементов (t ~ 3мин 44с), 7) образование атомов, разделение излучения и вещества
(106лет > t > 35мин).

На всех перечисленных стадиях Вселенная расширяется, причем это расширение продолжается и в настоящее время. Кинематика расширения однородной и изотропной современной Вселенной описывается законом Хаббла

img003,                                          (I.1.1)

где R – расстояние между двумя удаленными объектами, например, галактиками,
t – время, Н ~ (10÷20). 109лет – постоянная Хаббла. Закон Хаббла был открыт в 1929г. с помощью наблюдения красного смещения (смещения в сторону больших длин волн) спектральных линий в излучении далеких звезд. Это красное смещение объясняется эффектом Доплера, возникающим при движении источника излучения от наблюдателя.

С помощью фундаментальных взаимодействий, законов движения и законов сохранения на основе относительно небольшого числа фундаментальных постоянных физических теорий (h – постоянная Планка, с – скорость света в вакууме, G – гравитационная постоянная, е – заряд электрона, mе – масса электрона, mр – масса протона, mn – масса нейтрона и некоторые другие) можно рассчитать параметры основных материальных объектов Вселенной.

Наименьший пространственный масштаб в современной физике – планковская длина ~10-35м. В пространственных областях меньших размеров возможно квантование пространства – времени, большие квантовые флуктуации пространственно-временных характеристик и т.д. Как уже указывалось выше, размер кварков ~10-19м, электронов нуклонов и атомных ядер ~10-15м, атомов ~10-10м, Земли ~107м, Солнечной системы
~1010м, галактик ~ 1021м, горизонт событий ~ с·tВ ~ 1026м, где tв ~ 1010лет – возраст Вселенной.

Структура Вселенной определенным образом согласована с численными значениями фундаментальных физических постоянных. Например, если бы разность масс нейтрона и протона

mn – mp = 2,3·10-30кг

была бы в 4 раза меньше, то основным элементом Вселенной был бы гелий, а не водород. При заряде электрона е' ≥ 10е атомы, как устойчивые связанные состояния, не могут существовать. С другой стороны, в случае существование атомов и сложных ядер возможно лишь для е' ≥ е/3. Кроме того, важную роль играет размерность пространства. В пространствах с размерностью n > 3 не могут существовать устойчивые планетные системы и атомы, а для n < 3 маловероятно образование сложных форм материи в силу того, что в этом случае существуют только финитные движения. Таким образом, пространственная размерность n = 3 является выделенной. Можно сказать, что физические законы, включая численные значения фундаментальных физических постоянных, подчиняются некой гармонии, обеспечивающей существование нашей Вселенной (см. И.Л. Розенталь. Физические закономерности и численные значения фундаментальных постоянных. УФН, 1980, т.131, №2, с.239-256).

Очень важным обстоятельством является стабильность фундаментальных физических постоянных, их независимость от времени в процессе формирования Вселенной. По последним экспериментальным данным, вселяющим надежду на устойчивость Вселенной

img004img005.

Здесь точка сверху обозначает производную по времени. В заключение отметим, что фундаментальные постоянные – как бы звенья в теории, связывающие воедино все разделы физики, поскольку имеют микроскопическую, а потому и универсальную природу.

Комментарии
Нет комментариев.
Добавить комментарий
Пожалуйста, залогиньтесь для добавления комментария.
Рейтинги
Рейтинг доступен только для пользователей.

Пожалуйста, авторизуйтесьили зарегистрируйтесь для голосования.

Нет данных для оценки.

Время загрузки: 0.04 секунд 4,195,168 уникальных посетителей