Стандартная модель вселенной кратко

Стандартная модель Вселенной

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 11 Сентября 2013 в 01:57, реферат

Краткое описание

Все наши представления о Вселенной и о действующих в ней физических законах основаны на разработанной учеными так называемой стандартной модели, в которой первостепенную роль играют фундаментальные физические постоянные.
Стандартной моделью сегодня принято называть теорию, наилучшим образом отражающую наши представления об исходном материале, из которого изначально построена Вселенная. Она же описывает, как именно материя образуется из этих базовых компонентов, и силы и механизмы взаимодействия между ними.

Содержание

Введение 3
Виды взаимодействий между частицами 4
Стандартная модель вселенной. Модель Большого взрыва 6
Открытие бозона Хиггса 10
Заключение 11
Список литературы 12

Вложенные файлы: 1 файл

Работа.docx

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ИНДУСТРИИ ТУРИЗМА

КАФЕДРА ИСТОРИИ И ФИЛОСОФИИ НАУКИ

РЕФЕРАТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ:

«КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»

Тема «Стандартная модель Вселенной»

1 курса 3110-э учебной группы

Факультет заочного обучения

Фамилия и инициалы преподавателя

Оглавление

Виды взаимодействий между частицами 4

Стандартная модель вселенной. Модель Большого взрыва 6

Открытие бозона Хиггса 10

Список литературы 12

Введение

Все наши представления о Вселенной и о действующих в ней физических законах основаны на разработанной учеными так называемой стандартной модели, в которой первостепенную роль играют фундаментальные физические постоянные.

Стандартной моделью сегодня принято называть теорию, наилучшим образом отражающую наши представления об исходном материале, из которого изначально построена Вселенная. Она же описывает, как именно материя образуется из этих базовых компонентов, и силы и механизмы взаимодействия между ними.

Виды взаимодействий между частицами

Согласно сегодняшним представлениям физиков, весь материальный мир построен из элементарных частиц и античастиц, связанных разного вида взаимодействиями. Количество обнаруженных элементарных частиц измеряется уже сотнями, и ученые открывают все новые. Зато видов фундаментальных взаимодействий между частицами известно всего четыре:

1. Гравитация — универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами. В приближении малых скоростей и слабого гравитационного взаимодействия описывается теорией тяготения Ньютона, в общем случае описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Гравитация является самым слабым из четырех типов фундаментальных взаимодействий 1 ;
2. Электромагнетизм — начало учению об электромагнитных явлениях положено открытием Эрстеда. В 1820 г. Эрстед показал, что проволока, по которой течет электрический ток, вызывает отклонение магнитной стрелки. Он подробно исследовал это отклонение с качественной стороны, но не дал общего правила, по которому можно было бы определять направление отклонения в каждом отдельном случае 2
3. Сильное взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в физике. Оно действует в масштабах порядка размера атомного ядра и менее, отвечая за связь между кварками в адронах и за притяжение между нуклонами (разновидность барионов — протоны и нейтроны) в ядрах 3 ;
4. Слабое взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в природе. Оно ответственно, в частности, за бета-распад ядра. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью 4 .

Что касается двух других последних видов взаимодействия, то следует, уточнить, что сильное взаимодействие удерживает вместе протоны и нейтроны, образующие ядра атомов; а слабое взаимодействие расталкивает их. И каждый из этих видов взаимодействия характеризуется определенной константой. Правда, среди физиков не утихают споры о том, действительно ли значения этих констант неизменны во времени.

И если фундаментальные константы все же меняются во времени, это могло бы объяснить главную загадку, связанную с возникновением Вселенной: дело в том, что Вселенная в ее сегодняшнем виде вообще могла возникнуть только при условии, что все константы имеют ровно те значения, что они имеют. Уже самое незначительное отклонение в величине, скажем, константы сильного взаимодействия имело бы катастрофические последствия: будь она всего на одну десятитысячную больше или меньше, и образование атомов углерода, а значит, и зарождение органической жизни, стали бы невозможными. 5

Стандартная модель вселенной. Модель Большого взрыва

Стандартная модель опирается на наблюдаемые факты разбегания галактик, которые установлены еще Хабблом. И сегодня ни у кого нет сомнения в том, что вселенная расширяется.

Для того чтобы сказать о том, что «все течет и изменяется», нужно иметь представление о Начале. Такое представление о Начале в понимании возникновения материи, вещества, пространства и времени в Стандартной модели упирается в событие, которое физиками принимается за сингулярность – состояние сверхплотного вещества перед Большим взрывом. Не все в этой модели может быть объяснено. Например, по экспериментальным данным время жизни протона составляет не менее 1030 лет. Это гораздо больше, чем время существования вселенной, в которой возникла частица протона. Физики молчаливо предполагают, что вещество, состоящее из протонов и нейтронов, в настоящее время уже не может образоваться, но было когда-то рождено во вселенной из так называемого сингулярного состояния, которое является само проблемой, так как свойства этого состояния не известны и не могут быть описаны в рамках ОТО.

Под «Стандартной моделью» вселенной понимается модель, отвечающая концепции Большого взрыва из состояния сингулярности, прошедшая стадию инфляции (раздува).

Основные параметры принимаемые « Стандартной моделью» современной вселенной:

1. плотность вещества в ней оценивается около 5,475358∙10 -30 г/см3;
2. плотность вещества в галактиках в среднем около 10 -29 г/см3;
3. плотность вещества в Солнечной системе около 10 -27 г/см3;
4. основная масса излучающего вещества равна 2,307957…∙10 53 kg мала по отношению к общей массы вселенной, равной 1,58136631∙10 56 kg;
5. темное вещество невыясненной природы на 25% представляет собой так называемую холодную энергию, и на 70 % – темное вещество;
6. современная оценка средней температуры вселенной на основе открытия
7. реликтового космического фонового излучения составляет около 2,73 К;
8. реликтовое фоновое космическое излучение слабо анизотропно и поляризовано;
9. возраст расширяющейся вселенной оценивается в 13,7 млрд. лет. 6

Модель горячей вселенной (модель Большого взрыва) была предложена еще Дж. Гамовым в 1948 г. Он выдвинул концепцию «горячей» вселенной, в которой рассматриваются ядерные реакции, протекавшие когда-то в плотном веществе. Температура должна была быть высокой и затем падала по мере расширения вселенной. Он практически предсказал, что первоначальным веществом, из которого образовались позже галактики и звезды, состояло на 75% из водорода и 25% гелия. В последствие это нашло свое подтверждение в эксперименте по открытию реликтового фонового излучения почти через 15 лет. Он также предсказал наличие во вселенной слабого электромагнитного излучения, названное реликтовым, оставшимся от начальных этапов расширения. Позже модель Гамова была уточнена и оформилась в современную научную теорию, которая основана на современных достижениях астрономии, астрофизики, космохимии.

Основное положение теории Большого Взрыва заключается в том, что около 13,7 млрд. лет назад она возникла из бесконечно малой области размером 10 -33 см3, при плотности вещества в ней 10 93 г/см3 с бесконечно большой температурой около 10 32 К. Это состояние называется сингулярностью.

В настоящее время хорошее подтверждение получила единая теория поля. Возможность объединения всех видов взаимодействий связана с температурой вещества. Согласно современным данным, объединение трех взаимодействий («великое объединение») наступает при температуре 10 28 К, а т.н. «величайшее объединение» или «суперобъединение» наступает в условиях объединения всех четырех взаимодействий при температуре 10 32 К. Последнее условие может быть достигнуто как раз в самой начальной фазе существования вещества во вселенной до момента расширения, то есть, в состоянии сингулярности.

Расширяясь, вселенная остывала, и в это время происходили фазовые переходы первичного состояния вещества, приводившие к отделению разных видов взаимодействий и к появлению массы покоя у некоторых частиц, которые в первоначальной горячей вселенной, двигаясь со световыми скоростями, имели нулевую массу покоя. Такая перестройка должна была сильно изменять темп расширения вселенной в сторону ее увеличения. Кварки и лептоны обрели массу, и Большой взрыв свершился.

По мере расширения вселенной кварки, объединяясь, породили протоны и нейтроны, а ядерный синтез привел к формированию ядер водорода и гелия в соотношениях близких к 70:30.

Один из вариантов эволюции ранней вселенной базируется на двух основных предположениях, занимающих прочное место в теории гравитации и физике элементарных частиц.

Во-первых, это подтверждение общей теории относительности в области сильных гравитационных полей.

Во-вторых, это существование единого поля при высоких энергиях (температурах), объединяющего все виды взаимодействий. Так называемое условие суперобъединения.

Теорией Большого взрыва предсказывается образование ядер, относительное содержание нескольких химических элементов, а также существование и точную температуру микроволнового фонового излучения, пронизывающего вселенную и оставшегося от ранних стадий расширения.

Мы можем представить себе начальные стадии Большого взрыва как действительно гигантский взрыв. Механизм взрыва будет характеризоваться ростом объема, снижением плотности вещества, падением температуры. Кинетическая (положительная) энергия возрастает за счет падения потенциальной (отрицательной) энергии. Однако только стадией Большого Взрыва нельзя было объяснить сам факт начального события, которое породило событие, приведшее к Большому взрыву. 7

Открытие бозона Хиггса

Открытие бозона Хиггса «закроет двери» Стандартной модели — главной теории физики частиц, но может сильно повлиять на представления о характеристиках нашей Вселенной. 8

Бозон Хиггса первоначально был предсказан в теории, и после нескольких десятков лет поиска 4 июля 2012 года представители ЦЕРН сообщили, что каждый из двух основных детекторов БАК наблюдал новую частицу с массой около 125—126 ГэВ. Есть веские основания считать, что эта частица является бозоном Хиггса. 9

Это гипотетическая частица отвечает за массы всех других элементарных частиц. Однако теория не позволяет точно установить массу бозона Хиггса. Физики измеряют массы частиц в единицах энергии — электронвольтах — основываясь на формуле Эйнштейна, E=mc2, 100 ГэВ/c2 примерно в 107 раз больше массы протона.

Существует несколько вариантов рождения и последующего распада бозона Хиггса на другие частицы, и сигнал был обнаружен при отслеживании канала, в котором бозон Хиггса распадается на два высокоэнергетических гамма-фотона.

Масса обнаруженной частицы составляет около 125 гигаэлектронвольт, что близко к значениям, представленным ранее. В декабре 2011 года физики, работающие на детекторе ATLAS, объявили, что видят некоторое превышение сигнала над фоном в интервале от 116 до 130 гигаэлектронвольт. Статистическая значимость такого превышения около значения 126 гигаэлектронвольт составляла 2,8 сигма. 10

Заключение

Стандартная модель Вселенной какой мы ее знали в скором времени может кардинально измениться. С постройкой БАК ученые экспериментально начали изучение частицы, которую открыл Питер Хиггс — профессор Эдинбургского университета 48 лет назад и ввел понятие бозон.

В 2011 году были получены результаты исследований в этом направлении. В июле 2012 года ученые получили первые убедительные свидетельства о существовании частицы.

Стандартная модель заканчивается, двери закрываются. Открытие бозона Хиггса создает большие проблемы для теоретиков. Все закончено, можно идти домой», — сказал Велтман, выступая на традиционной встрече нобелевских лауреатов с молодыми учеными в южногерманском городе Линдау.

Однако открытие частицы может кардинально изменить наше представление о Вселенной и иметь важные последствия для космологии.

Источник

Стандартная модель Вселенной

Стандартная модель – это теория, которая отображает современные представления об исходном базовом материале для построения Вселенной. Эта модель описывает, каким образом образуется материя из своих базовых компонентов, какие силы взаимодействия существуют между ее компонентами.

Суть стандартной модели

По своей структуре все элементарные частицы (нуклоны), из которых состоит атомное ядро, так же, как и любые тяжелые частицы (адроны), состоят из еще более мелких простых частиц, называемых фундаментальными.

Такими первичными элементами материи в настоящее время считаются кварки. Наиболее легкие и распространенные кварки делятся на верхние (u) и нижние (d). Протон состоит из комбинации кварков uud, а нейтрон – udd. Заряд u-кварка равен 2/3, а у d-кварка – отрицательный заряд, -1/3. Если посчитать сумму зарядов кварков, то заряды протона и нейтрона получатся строго равными 1 и 0. Это дает основание полагать, что стандартная модель абсолютно адекватно описывает реальность.

Существует еще несколько пар кварков, которые составляют более экзотические частицы. Так, вторую пару составляют очарованный (с) и странный (s) кварки, а третью пару – истинный (t) и красивый (b).

Почти все частицы, которые смогла предсказать стандартная модель, уже открыты экспериментальным путем.

Помимо кварков, в качестве «строительного материала» выступают так называемые лептоны. Они тоже образуют три пары частиц: электрон с электронным нейтрино, мюон с мюонным нейтрино, тау-лептон с тау-лептонным нейтрино.

Кварки и лептоны, по мнению ученых, являются главным строительным материалом, на основе которого была создана современная модель Вселенной. Они взаимодействуют между собой с помощью частиц-переносчиков, которые передают силовые импульсы. Существует четыре основных вида подобного взаимодействия:

– сильное, благодаря которому кварки удерживаются внутри частиц;

– слабое, которое приводит к формам распада;

Сильное цветовое взаимодействие переносят частицы, называемые глюонами, у которых отсутствуют масса и электрический заряд. Квантовая хромодинамика изучает именно этот тип взаимодействия.

Электромагнитное взаимодействие осуществляется путем обмена лишенными массы фотонами – квантами электромагнитного излучения.

Слабое взаимодействие происходит благодаря массивным векторным бозонам, которые почти в 90 раз больше протонов.

Гравитационное взаимодействие обеспечивает обмен гравитонами, у которых нет массы. Правда, экспериментально обнаружить эти частицы пока не удалось.

Стандартная модель рассматривает первые три типа взаимодействия как три различных проявления единой природы. Под воздействием высоких температур силы, которые действуют во Вселенной, фактически сплавляются воедино, вследствие чего их невозможно потом различить. Первыми, как выяснили ученые, объединяются слабое ядерное взаимодействие и электромагнитное. В результате оно создает электрослабое взаимодействие, которое мы можем наблюдать в современных лабораториях при работе ускорителей элементарных частиц.

Теория Вселенной гласит, что в период своего возникновения, в первые миллисекунды после Большого Взрыва, грань между электромагнитными и ядерными силами отсутствовала. И только после понижения средней температуры Вселенной до 10 14 К, четыре типа взаимодействия смогли разделиться и принять современный вид. Пока же температура была выше данной отметки, действовали только фундаментальные силы гравитационного, сильного и электрослабого взаимодействия.

Электрослабое взаимодействие объединяется с сильным ядерным при температуре около 10 27 К, что недостижимо в современных лабораторных условиях. Но подобными энергиями сейчас не обладает даже сама Вселенная, поэтому практически подтвердить или опровергнуть эту теорию пока не представляется возможным. Но теория, которая описывает процессы объединения взаимодействий, позволяет дать некоторые прогнозы относительно процессов, происходящих при более низких уровнях энергии. И эти прогнозы сейчас подтверждаются экспериментально.

Таким образом, стандартная модель предлагает теорию строения Вселенной, материя которой состоит из лептонов и кварков, а виды взаимодействия между этими частицами описываются в теориях великого объединения. Модель пока является неполной, поскольку она не включает гравитационное взаимодействие. С дальнейшим развитием научного знания и технологий эту модель можно будет дополнить и развить, но в настоящее время – это лучшее из того, что смогли разработать ученые.

Источник