Физический вакуум

Таким образом, в действительности можно рассматривать материю не в двух проявлениях – веществе и поле, а в трех. Третьим является физический вакуум. Физический вакуум является прародителем всех частиц вещества и квантов полей вследствие спонтанного нарушения симметрии. Общепринятое представление о вакууме как о состоянии, в котором среднее значение энергии всех физических полей равно 0, отвергается. Признается возможность существования состояний с наименьшей энергией при отличном от нуля значении некоторых физических полей. Возникает представление о существовании вакуумных конденсатов – состояний с отличным от нуля вакуумным средним. Спонтанное нарушение симметрии означает, что при определенных макроусловиях фундаментальные симметрии оказываются в состоянии неустойчивости.

Синергетический подход к эволюции Вселенной

Современная космология (наука об эволюции Вселенной) предполагает инфляционную стадию в развитии Вселенной. Основная идея: расширение Вселенной рассматривается из состояния, когда вся материя была представлена только физическим вакуумом. Вакуум нашей Вселенной обладает определенными свойствами, задающими характер взаимодействий, специфику явлений, протекающих в нашем мире, размерность пространства. Инфляция, т.е. «вздутие» означает процесс вздутия Вселенной. Это состояние в отличие от истинного вакуума отличается высокой энергией, обеспечивающей вследствие гравитационного отталкивания раздувание Вселенной. Состояние так называемого «ложного» вакуума симметрично, но энергетически нестабильно. Эволюция Вселенной в контексте инфляционной теории рассматривается как синергетический самоорганизующийся процесс. Процессы самоорганизации можно представить в рамках взаимодействия двух открытых подсистем – физического вакуума и всевозможных микрочастиц и квантов полей. В результате расширения произошел «большой взрыв». Дальнейшее развитие проходило через критические точки – точки бифуркации, в которых происходили спонтанные нарушения симметрии исходного вакуума.

Таким образом, энергия из вакуума перекачивалась в энергию тех частиц и полей, которые из вакуума и рождались. Ход этих процессов оказался таким, что в результате появилась жизнь нашего типа.

Лекция 9. Элементарные частицы

Под элементарными частицами можно понимать такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить как объединения других частиц.

Чтобы объяснить свойства и поведение элементарных частиц, их приходится наделить, кроме массы, электрического заряда и спина, рядом дополнительных величин (квантовых чисел).

Существуют 4 вида взаимодействия: (по участию в них подразделяются и элементарные частицы).

Сильное – обеспечивает связь нуклонов в ядре. Интенсивность взаимодействия характеризуется с помощью так называемой константы взаимодействия – безразмерного параметра, определяющего вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия. У сильного взаимодействия она равна 10. Наибольшее расстояние, на котором оно проявляется ~ 10^-13 см.

Электромагнитное взаимодействие – константа взаимодействия = 1/137 ≈ 10^-2. Радиус действия не ограничен (r = ∞).

Слабое взаимодействие – отвечает за все виды β-распада ядер, за распады элементарных частиц, за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Константа взаимодействия равна по порядку величины 10^-14 (10^-5). Слабое взаимодействие также является короткодействующим.

Гравитационное взаимодействие. Константа взаимодействия имеет значение ~ 10^-39 (r = ∞). Ему подвержены все элементарные частицы.

Физика до недавнего времени изучала материю в двух ее проявлениях – вещества и поля. В природе существуют две группы частиц – адроны и лептоны. Частицы вещества являются ферми-частицами (фермионами). Системы тождественных ферми-частиц подчиняются статистике Ферми-Дирака. Все фермионы имеют полуцелое значение спина. Для них справедлив принцип Паули, согласно которому происходит заполнение электронных оболочек. Адроны участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях. Лептоны не участвуют только в сильном взаимодействии.

Кванты полей являются бозе-частицами (бозонами) – частицами с целочисленным значением спина. Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны, электромагнитного поля – фотоны, (γ-кванты), слабого взаимодействия – w⁺ и z^o – бозоны. Переносчиками гравитационного взаимодействия ученые считают гипотетические пока (на современном уровне развития науки) гравитоны.