2.4.5 Представление о Стандартной модели

Первой из теорий взаимодействий стала теория электромагнетизма, созданная Максвеллом в 1863 г. Затем в 1915 г. Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности, описывающую гравитационное поле.

В 1967 г. Саламом и Вайнбергом была создана теория электрослабого взаимодействия, объединившая электромагнетизм и слабые взаимодействия. Позднее, в 1973 г., была предложена теория сильного взаимодействия. На их основе была построена Стандартная модель элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. Основанием для возможности создания такой теории послужило то обстоятельство, что на малых расстояниях (менее 10^-29 см) и при большой энергии (более 10¹⁴ ГэВ) электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия описываются одинаковым образом, а кварки и лептоны становятся практически неразличимы.

Стандартная модель — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себя гравитацию.

Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: общей теорией относительности и Стандартной моделью. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания квантовой теории гравитации.

Экспериментальная проверка Стандартной модели заключается в обнаружении предсказанных ею частиц и их свойств. В настоящий момент открыты все элементарные частицы Стандартной модели, за исключением хиггсовского бозона, который пока ещё не обнаружен экспериментально.

Одна из важнейших задач современной фундаментальной физики — создание единой теории всех четырех фундаментальных взаимодействий — единой теории поля. В момент Большого Взрыва во Вселенной было одно фундаментальное взаимодействие, а четыре появились при расширении и охлаждении Вселенной. Теоретики предсказывают, что объединение электромагнитного, слабого, сильного и гравитационного взаимодействий возможно при энергиях больше 10¹⁹ эВ. Таких энергий пока не было зафиксировано нигде во Вселенной.

Суперсила — объединение всех четырех взаимодействий. Овладев суперсилой, мы сможем менять структуру пространства и времени. Идёт речь о перемещении в пространстве на расстояния, сравнимые с расстояниями между галактиками.

2.5 Физическая Вселенная: современная космология

2.5.1 Общие представления о Вселенной и ее происхождении

Вселенная — фундаментальное понятие в астрономии, характеризующее часть материального мира, доступную для изучения при помощи естественнонаучных методов (в более общем смысле Вселенная — весь окружающий человека мир). Границей наблюдаемой Вселенной является космологический горизонт. Наука о происхождении и эволюции Вселенной и ее отдельных частей называется космогонией. Строение и свойства Вселенной на современном этапе изучает космология.

Информацию о космических объектах человек получает на основе изучения электромагнитного излучения (радиоволн, инфракрасного излучения, видимого света, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения), а также элементарных частиц (электронов, протонов, нейтрино), приходящих от этих объектов. Для регистрации элекромагнитного излучения небесных тел (элементарных частиц) применяются специальные приборы — телескопы (детекторы). Исторически телескопы работали в видимом диапазоне спектра. В настоящее время их спектральный диапазон расширяется: существуют радиотелескопы, инфракрасные и ультрафиолетовые телескопы, детекторы рентгеновских и гамма-излучений, нейтринные обсерватории. Данные приборы размещаются как на поверхности Земли, так и в космическом пространстве (например, космический телескоп «Хаббл»).

Современная космология начала формироваться после создания в 1915 г. А. Эйнштейном общей теории относительности. Данная теория недостаточно полно описывала наблюдаемую Вселенную. В 1922 г. А.А. Фридман предложил нестационарную модель Вселенной (находящуюся в состоянии расширения или сжатия). В 1924 г. Э. Хаббл экспериментально подтвердил теоретический вывод А.А. Фридмана о расширении Вселенной, исследуя смещение спектральных линий галактик. Э. Хаббл установил эмпирический закон взаимного удаления галактик.

Для скоростей галактик, существенно меньших скорости света, закон Хаббла имеет вид

v = Hr,

где v — скорость удаления галактики от наблюдателя вдоль луча зрения;

r — расстояние до галактики;

Н — постоянная Хаббла, равная 50–100 км/с Мпк.

Таким образом, между скоростью удаления галактики и расстоянием до нее существует пропорциональная зависимость. Чем дальше галактики находятся друг от друга, тем с большей скоростью они двигаются.

Величина τ, обратная к постоянной Хаббла (τ = 1/H), определяет время жизни (возраст) Вселенной — около 13 млрд лет.

На основании теории расширяющейся Вселенной в 1948 г. Г.А. Гамов разработал теорию «горячей Вселенной» (теорию «Большого Взрыва»). В соответствии с этой теорией эволюция Вселенной началась 15–20 млрд лет назад из компактной области — сингулярной точки, которая характеризовалась особыми свойствами (в том числе высокими плотностью и температурой). Сингулярная точка оказалась в неустойчивом состоянии, что привело к быстрому ее расширению (взрыву) и дальнейшему охлаж­дению.

В эволюции Вселенной выделяют четыре эры: адронную, лептонную (формирование элементарных частиц), фотонную (эру излучения), звездную (формирование звезд):

1  В адронную эру (продолжительность 10^–4 с) материя существовала в форме кварков и фотонов. Из кварков образовывались тяжелые адроны и другие частицы, между которыми осуществляется сильное взаимодействие.

2  Лептонная эра (продолжительность 10 с) — эра образования лёгких частиц (электронов, позитронов, нейтрино).

3  В фотонную эру (продолжительность 1 млн лет) фотоны (кванты излучения) отделились от вещества, а Вселенная стала прозрачной для излучения. В настоящее время эти фотоны наблюдаются в виде реликтового излучения. В эту же эру начинался синтез ядер атомов водорода и гелия (нуклеосинтез) из протонов и нейтронов.

4  Звездная эра начинается с появления атомов водорода и гелия и продолжается сейчас. Вещество, из которого формировались первые звезды и галактики, состояло из водорода (75%) и гелия (25%). Все другие химические элементы образовались при дальнейшей эволюции Вселенной в недрах звезд. Во Вселенной как самоорганизующейся системе образовывались флуктуации плотности вещества, которые приводили к образованию зародышей звезд и галактик.

Теорию Большого Взрыва подтверждают такие экспериментальные факты, как «красное смещение» (изменение частоты электромагнитного излучения) в спектрах далеких галактик, свидетельствующее об удалении источников этих излучений друг от друга; наличие реликтового излучения, которое отделилось от вещества в фотонную эру и может быть зарегистрировано. Спектр этого излучения близок к спектру абсолютно черного тела с температурой около 2,7 К.

В настоящее время Вселенную считают однородной и изотропной по отношению распространения в ней вещества. Модель Г.А. Гамова не может объяснить такую изотропность. В 80-е годы XX в. А. Гут разработал инфляционную теорию (теорию раздувания Вселенной). Различие между концепцией Большого Взрыва и концепцией инфляционной Вселенной касается только первых мгновений существования мира. Согласно этой теории, Вселенная произошла из физического вакуума, в котором не было вещества, но была запасена огромная энергия. Ячейка физического вакуума, не сдерживаемая гравитацией из-за отсутствия вещества, за доли секунды раздувается до размеров Вселенной, после чего энергия превращается в вещество. Раздувание, или быстрое расширение пространства, было названо инфляцией. По теории инфляции в точке образования вещества соединились все четыре фундаментальных взаимодействия (теория Великого объединения, или Суперсила).

Расширение Вселенной не может быть бесконечно, оно будет продолжаться до тех пор, пока средняя плотность Вселенной не окажется меньше некоторой критической величины. После этого процесс станет обратным — пространство начет сжиматься, произойдет «схлопывание» Вселенной. По современным представлениям, средняя плотность вещества во Вселенной близка к критической.

Согласно космологическим исследованиям, материя во Вселенной представлена следующими формами:

1) излучение — менее 0,1%;

2) наблюдаемое обычное вещество (звезды и их планетные системы, межзвездные газ и пыль) — около 0,5%;

3) невидимое обычное вещество — более 4%;

4) темная (скрытая) материя — 25%;

5) темная энергия — 70%.

Темная материя — невидимая субстанция, которая не взаимодей­ствует с электромагнитным излучением (не испускает и не поглощает его). Она ответственна за гравитационную связанность галактик и галактических скоплений. Если бы галактики состояли только из той массы, которую можно наблюдать (массы звезд), то звезды, вращающиеся вокруг центров галактик, под действием центробежных сил двигались бы по незамкнутым орбитам. Оптически наблюдаемая масса галактик меньше той, которая необходима для достижения их устойчивости. Следовательно, должна существовать «скрытая» масса, которая проявляет свое существование через гравитационное воздействие на видимую, обычную материю. Согласно современным представлениям, темная материя обеспечивает около 25% полной массы вещества во Вселенной.

Темная энергия была обнаружена при наблюдении сверхновых звезд в 1999 г. Она равномерно распределена во Вселенной и отвечает за ускоренное удаление галактик. Астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что Вселенная расширяется с ускорением (скорость расширения растет со временем). Обычное гравитационное притяжение замедляло бы разбегание галактик, а в нашей Вселенной получается всё наоборот. Такое возможно только в случае, если во Вселенной наряду с силами притяжения есть силы отталкивания (антигравитации). Такая картина не противоречит общей теории относительности, однако для этого темная энергия должна обладать специальным свойством — отрицательным давле­нием. Это резко отличает её от обычных форм материи.