Теория взаимодействия частиц во Вселенной
В июле 2012 г. участники семинара ЦЕРН (Европейского центра ядерных исследований) рассказали о том, что им наконец удалось обнаружить частицу, похожую на элементарный бозон Хиггса, предсказанный в конце ХХ в. американским ученым Стивеном Вайнбергом. Это событие стало новой вехой в развитии физики, ведь найденный бозон уже давно получил титул Частицы Бога и чуть ли не главного элемента всех процессов и явлений во Вселенной.
Еще Альберт Эйнштейн делал попытки разработать «единую теорию всего», объединив четыре взаимодействия, на которых зиждутся все физические процессы: гравитационное (сила тяжести), электромагнитное, сильное (ответственное за реакции в ядрах атомов) и слабое (влияющее на реакции между элементарными частицами, в том числе нейтрино). Увы, несмотря на все старания, ученый так ни к чему и не пришел.
Но зачем вообще нужно было объединять все эти взаимодействия? Дело в том, что с ростом энергии, выделяющейся при столкновениях и рассеяниях частиц, способы их контактирования постепенно становятся все более схожими. Очевидно, в первые моменты после Большого взрыва, который дал начало нашей Вселенной, существовало лишь одно взаимодействие, но материя охлаждалась, энергия частиц таяла, и взаимодействовать они хотели уже по-разному. Так со временем некогда целостное взаимодействие раскололось на четыре отдельные силы. Ученые долго бились над тем, чтобы представить этот процесс в виде физической и математической моделей, однако им не хватало знаний.
Решение нашел Стивен Вайнберг (р. 1933), написавший знаменитую книгу «Первые три минуты», где понятным языком было изложено то, что происходило в первые 3 мин после Большого взрыва. С 1960-х Вайнберг разрабатывал математическую систему, основанную на симметрии — идее зеркального отражения частиц и их взаимодействий. Если принять эту идею, становится понятным, почему при рассеянии одной частицы на другой наблюдаются те или иные формы взаимодействия между ними.
Само понятие симметрии появилось еще в 1930-х, но ученые никак не могли догадаться, как оно может связать слабые и электромагнитные силы. Знать бы, что общего может быть у этих сил, и можно аналитическим путем прийти к единой теории, поясняющей причины и процесс базовых взаимодействий во Вселенной. А общей у них могла быть лишь некая частица, которая исполняла бы функции переносчика, — подобно тому, как световой квант, фотон, переносит электромагнитные взаимодействия между электронами и позитронами, а глюон переносит заряд между кварками. Сложность состояла в том, что такая частица по идее должна была иметь огромную массу, и технические возможности тогдашних ускорителей не позволяли ее обнаружить.
Только в 1967 г. Вайнберга осенило, что искать загадочную частицу нужно в другом направлении. В попытках соединить тяжелый W-бозон — переносчик слабых взаимодействий — с невесомым фотоном, переносящим электромагнитное взаимодействие, ученый пришел к мысли, что упускает какой-то механизм, неведомый ранее. Проведя еще ряд теоретических исследований, Вайнберг нашел этот механизм и назвал его «бозон Хиггса».
В том же 1967 г. ученый издал статью «Модель лептонов», где четко выстроил в единую теорию принципы взаимодействия частиц и квантовую механику, а главное — связал электромагнетизм со «слабой силой», вызывающей определенные ядерные распады. Подчеркнув, что все это — проявления одной и той же силы, Вайнберг ввел механизм Хиггса, который сообщает частицам массу. За это открытие в 1979 г. ему вручили Нобелевскую премию.
С момента выхода статьи Вайнберга ЦЕРН задался целью доказать его умозаключения, для чего принялся конструировать все более мощные ускорители. В 1973 г. установка Gargamelle представила первое подтверждение существования электрослабого тока. В 1982 г. суперпротонный синхротрон впервые позволил обнаружить W-бозон. Наконец, в декабре 2011 г., проводя эксперименты в ЦЕРН на Большом адронном коллайдере (LHC — Large Hadron Collider), ученые смогли четко рассмотреть искомую частицу H.
Дальнейшие наблюдения показали, что бозон Хиггса не заряжен и нестабилен, при этом в зависимости от ситуации распадается по-разному. Благодаря LHC ученые увидели, что час-тица может распадаться на два фотона, а также на пары электрон/позитрон, мюон/антимюон. Как для микромира, бозон Хиггса живет относительно долго, а рождается либо сам от взаимодействия двух глюонов, либо вместе с парой легких высокоэнергетичных кварков, с одним W- или Z-бозоном или с парой t-кварка и антикварка. Изучая разные механизмы рождения этих частиц на LHC, можно многое узнать о взаимодействии бозона Хиггса с W-, Z-бозонами и t-кварком.
Еще одна важная характеристика Н-бозона — способность взаимодействовать с самим собой. То есть виртуальная частица Н (временный, маложивущий бозон, у которого нарушена связь между импульсом и энергией) может распасться на два обычных бозона. Впрочем, свойства этого процесса ученым еще предстоит исследовать.
По словам сотрудников ЦЕРН, «прошло полвека после публикации статьи Стивена Вайнберга, но до сих пор не была сформулирована теория, которая так же ясно объясняла бы фундаментальную физику. Именно Вайнберг собрал все части головоломки и соединил их в одну, очень простую идею».
Источник
Материя во Вселенной. Материя, вещество, поле, час
Тема лекции: Физика материи.
определение
Материя — существующее в пространстве осязаемое и неосязаемое содержание,
заполняющее собой (занимающее) место в пространстве, обладающее физическими свойствами.
Проще говоря — материя это всё то, что существует (присутствует) в пространстве, вне зависимости от собственной природы, включая осязаемое и неосязаемое. Всё это материя.
Что в связи с этим надо понимать:
Надо четко понимать — что материей является, а что материей не является.
Не все, о чем люди имеют представление, является материей.
Материей не является само пространство, а только то, что в нем расположено.
Это первая важная для понимания позиция.
Вторая, важная для понимания позиция это то что
материей не являются информация и абстракции.
И применительно к информации материальным может быть только носитель информации, а не сама информация.
То есть материя отдельно, пространство отдельно, и отдельно информация, все фантазии, образы, мыслеформы и глюки – все это отдельно. Они материей не являются.
Мы не сможем приснившейся дедушке гантелей разбить бабушкин телевизор.
Исходя из определение материи как «существующее в пространстве, обладающее свойствами содержание»), мы легко можем отличать материальное от нематериального, например, чем настоящий материальный (существующий в реальности) пингвин отличается от воображаемого нематериального (несуществующего в реальности).
Настоящий пингвин обладает физическими свойствами, заполняет собой место в пространстве и имеет протяженность. Воображаемый пингвин наоборот, реальных свойств не имеет, не заполняет собой место в пространстве и присутствует не в пространстве, а в воображении индивидуума, причем лишь в виртуальном виде, например, в виде некого образа.
Место дислокации воображаемого пингвина, не реальный мир, не пространство, а абстрактный «мир» — воображение.
И плечи свои такой пингвин расправляет не в пространстве, а в воображении индивидуума.
И мы не сможем обнаружить в мозгу человека ни само воображение, ни ту лужицу где плещется воображаемый пингвин.
При желании мы можем попытаться обозначить в пространстве габариты воображаемого пингвина, но мы не можем заполнить выбранное место воображаемым пингвином.
У воображаемого пингвина нет невымышленных свойств.
Воображаемый пингвин не пропечется в духовке и мы даже не сможем заготовить такого пингвина на зиму тем более отобрать его у Обамы .
Мы не сможем облить воображаемого пингвина краской, или закидать яйцами. Краска к нему не прилипнет, а от яиц он легко увернётся ;.
То есть по наличию либо отсутствию физических свойств — человек может отличать воображаемое от действительного.
далее
Реальная физическая материя проявляет различные свойства и мы в соответствии с общими признаками можем разделить материю на категории.
Согласно свойствам прерывности-непрерывности (по другому дискретности), материя делится на дискретную и недискретную формы
Недискретная (непрерывная) материя в природе представлена в виде поля
Дискретная (прерывная, зернистая) материя в природе представлена в виде частиц.
Частицы, в свою очередь находятся в одном из двух состояний:
-либо ведут себя непосредственно как частицы передвигаются в пространстве со скоростью близкой к скорости света
— либо группируются в вещество.
То есть более детально по признаку сгруппированности — можно разделить материю более детально и выделить три основные категории.
Вещество, частицы, поле.
Первая позиция это частицы сгруппировавшиеся в вещество,
Вторая позиция — свободные частицы (не сгруппировавшиеся в вещество)
и третья позиция поле.
И материя в природе проявляет себя и как вещество и как частицы и как поле.
——
И опять же надлежит хорошо помнить, что материей является только, то что обладает свойствами.
Необладающая свойствами неведомая «чавойта» не является материей.
Если какая-то материя существует, но до сих пор не обнаружена,
то при обнаружении она сообразно своим свойствам угодит в одну из категорий
либо вещество, либо свободные частицы, либо поле.
рассмотрим по пунктам.
Что такое вещество.
Вещество — вид материи обладающий массой покоя.
Всё что имеет массу покоя это вещество. Вода (жидкость)- это вещество. Газ это вещество.
И все предметы в нашем осязаемом мире состоят из вещества, не важно шифер это или бабушкин дирижабль — всё это в конечном итоге состоит из частиц и все это вещество.
С осознанием того, что такое вещество обычно трудностей не возникает и как правило, все в состоянии понимать, что такое вещество.
Далее.
позиция — поле.
Поле это нечто материальное, но невещественное. И не все сразу способны уразуметь (осознать, понять) как материальное может быть невещественным.
На самом деле все довольно просто.
Ученые изначально определились, что считать материальным-
Материальное — это все то, что находится в пространстве и обладает свойствами.
Вот у нас есть 100% того, что находится в пространстве — это материя
и часть её проявляет такие — то свойства.
Если бы свойств никаких не было — это бы не являлось материей.
Свойства проявляет – значит это одна из форм материи,
При этом, по фактическим проявлениям поле не соответствует определению вещества в частности у поля отсутствует масса.
И совокупно получается, что по своим свойствам поле материально но не вещественно.
Чтобы понять, что такое поле, надо представить себе физику без поля.
Летят навстречу друг другу два кирпича.
Чем соприкасаются два кирпича?
По внешнему контуру соприкасаются атомами.
Анимашка олег
Давайте рассмотрим как там атомы взаимодействуют и как это будет выглядеть без поля:
Летят на встречу друг другу два атома,
протоны настрополили, электроны распушили, сейчас случится большой бабах
А поле с собой атомы не взяли, зацепиться друг за друга было нечем, так насквозь и проскочили.
Никакого столкновения эти атомы и не заметили, не могли заметить.
Каков совокупный объем составляющих атом дискретных объектов?
Сколько там в этом атоме мяска? Сколько там того, чего можно пощупать и какой объем оно занимает? Иногда атомы рисуют очень мясистыми. Иногда не очень.
Но если рассматривать подробнее, то между частицами есть расстояние, и каждый меньший элемент, в свою очередь опять же планетарен, а значит дискретная материя опять же занимает незначительную часть от общего объема. И это все стремится практически к нулю.
То есть изображать надлежит не мясистый атом, а тощенький.
Давайте смоделируем атом без поля.
А чтобы было наглядно, возьмем пол эскадрильи обычного размера мух и пусть они летят над московской кольцевой дорогой, прямо над машинами по большому кругу.
А в центре, в районе арбата пусть скачет главная такая протонная мушильда, а остальные мухи пусть вокруг неё главной по кольцу летают не приближаясь.
Мы получили вполне пристойную мушиную модель атома без полей.
А теперь давайте где ни будь в Лапландии разместим вторую такую же мушиную модель атома и начнем обе эти модели друг к другу приближать.
Пусть они по взрослому, летят друг на друга.
Какова вероятность, что при сближении моделей этих двух атомов они друг за друга зацепится?
И чем они зацепятся?
Жужжания много, а поля вообще нет.
Даже если какие-то две мухи друг другу точно в лоб попадут – то и в этом случае они не смогут зацепиться. Второй атом это тоже планетарная система, практически пустота.
Вероятность зацепа никакая. Цепляться без поля нечем.
Два атома при таких условиях свободно пролетают сквозь друг друга.
При такой геометрии без поля это один сплошной сквозняк.
Мы бы в принципе не смогли бы столкнуть никакие две элементарные частицы если бы у них не было поля.
Кирпичи бы сквозь друг друга замечательно пролетали.
Вот собственно, какую роль играет поле.
Без поля мы в принципе не имеем возможности взаимодействия ни на макро ни на микро уровне.
Идём дальше:
Каковы свойства поля?
Поле не имеет ни внутренней ни наружной дискретности.
То есть не имеет разрывов, а так же не имеет внешних границ как таковых.
Понять геометрию поля можно из графика распределения воздействия на расширяющуюся сферу:
График стремится к нулю но не обнуляется. Как бы далеко мы не удалялись от источника поля
Поле ослабевает но не исчезнет. Границы у поля как таковой нет.
Кроме того поле упруго.
(Магнит)
Поле фундаментально упруго, недискретно и не обладает массой.
Определение поля:
Поле – особый не обладающий массой вид материи, представляет собой непрерывный объект, расположенный в пространстве, в каждой точке которого на частицу действуют определенные по величине и направлению уравновешенные либо неуравновешенные силы.
И опять же мы не забываем, что это давно известная информация
и в рамках физической концепции вещество и поле традиционно противопоставляются друг другу как два вида материи, у первого из которых структура дискретна, а у второго— непрерывна.
Заглубимся в матчасть:
Первое что надо понимать, это то, что вся вселенная на макроуровне равномерно заполнена вещественной материей, а значит, равномерно заполнена полем.
В силовом плане это самое мощное из существующих физических явлений и носит оно гравитационную природу. Совокупное гравитационное поле.
Анимашка олег 2 старс
Все физические взаимодействия, в том числе каждая связь в каждом в атоме вашего тела определяется этим полем.
Гравитационное поле фундаментально, а все остальные поля это частные локальные явления на этом базовом гравитационном поле.
Представьте, что здесь бы были миллиарды резинок а мы обрезали всего одну. И это бы было аналогом вторичного поля, например электромагнитного поля.
Частное возмущение на базовом поле.
И когда мы рассматриваем поле любого магнита – это тоже вторичное поле — незначительное возмущение на базовом гравитационном поле имеющем колоссальный потенциал.
В определенном смысле гравитационное поле и есть тот самый эфир или по другому — «физический вакуум», который все ищут и не могут найти. Но это единый недискретный некорпускулярный объект.
Силы возникают в каждой точке пространства заполненного полем и никаких пробелов там нет.
Следующая позиция частицы.
Частица — материальный дискретный микрообъект.
В чем основные различия между частицами и полем.
Частицы дискретны (каждая из них представляет самостоятельный объект сложного внутреннего строения),
Этим они отличаются от поля которое недискретно не имеет внутренней дискретности (не имеет разрывов), а так же поле, не имеет внешних границ как таковых.
Применительно к частицам надлежит понимать, что бытующее в науке разделение материи на категории не совсем строгое.
В литературе порой допускаются нестрогие некорректные трактовки.
Свободные частицы обладающие массой по современной научной моде относятся в самостоятельную категорию, а частицы не обладающие массой покоя в ряде случаев нестрого трактуются как поле.
И в этом месте для многих наступает недоразумение известное как корпускулярно волновой дуализм.
Причины этого мыслительного явления мы уже отдельно объясняли (в разделе корпускулярно волновой дуализм). Повторно останавливаться не будем.
В этом месте достаточно напомнить, что в научном смысле и частицы и поле и волна это по прежнему, самостоятельные понятия.
И это требование первого закона логики, который гласит:
«…иметь не одно значение — значит не иметь ни одного значения; если же у слов нет значений, тогда утрачена всякая возможность рассуждать друг с другом, а в действительности — и с самим собой; ибо невозможно ничего мыслить, если не мыслить что-нибудь одно».
Либо поле, либо частица.
Далее:
Давайте рассмотрим какие взаимные связи присущи материи.
Кирпич это материя, кирпич состоит из той части материи которую принято называть веществом
Но это еще не все.
Имеется связка вещества (а значит и любого кирпича) с полем. Каждый кирпич находится в совокупном вселенском поле.
И кроме того каждый кирпич имеет собственное поле.
Если говорить упрощая, мы можем назвать это поле полем кирпича, можем назвать гравитационным полем кирпича.
В природе нет ни одного кирпича, не окруженного собственным полем.
поле сопутствует каждому кирпичу.
Вся вещественная материя в природе имеет поле.
И в этом плане необходимо понимать, что в природе не существует вещества не имеющего своего частного поля.
И любой материальный объект в фундаментальном физическом смысле представляет из себя совокупность вещества и поля.
И это поле распределено равномерно во все стороны от вещества и по мере удаления от вещества это поле ослабевает.
То есть фундаментально у каждого объекта обладающего массой есть своё поле и кроме того все массы вселенной в совокупности формируют единое гравитационное поле вселенной.
Теперь давайте поймем: где кирпич, а где его частное поле. Частное поле привязано к кирпичу.
Если мы разделим кирпич на части и разведем эти части в стороны, то и частное поле кирпича тоже будет разделено и разнесено в стороны.
(ломаем кирпич)
Частное поле кирпича разделено и разнесено в стороны.
Теперь давайте рассмотрим, что общего между частицами связанными в рамках вещества и между несвязанными, свободными частицами.
Пример.
К чему приведет планомерное расщепление кирпича, деление кирпича
Планомерное разрушение так называемых внутренних связей кирпича.
Все без исключения внутренние связи кирпича определяются извне, со стороны базового поля. Совокупное вселенское поле создает в пространстве колоссальное напряжение, которое и определяет все внутренние связи в вещественных объектах.
Чем глубже мы расщепляем кирпич, чем меньше будет фракция, тем больше частиц будут становиться несвязанными веществом, эти частицы отделятся от кирпича и начнут перемещаться со скоростью близкой к скорости света.
Если продолжить расщепление, то все фрагменты расщепятся, высвободятся до уровня несвязанных частиц и под влиянием внешнего поля начнут перемещаться со скоростью близкой к скорости света по всем свободным направлениям.
То есть, если полностью расщепить кирпич, до уровня частиц, то кирпич умчится со скоростью света во всех свободных направлениях.
И если бы внешнего поля вообще бы не было, то кирпич бы сделал то же самое, но с гораздо большей скоростью, со скоростью превышающей скорость света (но это предмет отдельного разговора, а так же вопросы массы и так называемого нейтрино).
Для общего понимания давайте рассмотрим какая ситуация бы имела место для незаполненной веществом вселенной.
Пустая вселенная и один кирпич.
Казалось бы, да как мы это узнаем?
Но самом деле, знаем мы это абсолютно точно, потому что вариантов приложения сил к телу всего два: притяжение и отталкивание.
И так же мы знаем, что на силах прямого притяжения материя существовать не может в принципе, это технически невозможно, потому что неминуемо приводит к лавинообразному процессу обвала в материи в одну точку.
Те кто этого ещё не знает, может посмотреть доказательную часть по ссылке, либо посмотреть фильм «Равновесие в физике».
Продолжим:
Единственный возможный вариант для существования материи в пространстве это взаимное отталкивание, которое при достаточном насыщении вселенной материей приводит к комплексному приталкиванию масс друг к другу.
Тяготение это комплексное приталкивание.
Так что же будет происходить с кирпичом во вселенной не заполненной материей?
(Абсолютно пустая вселенная и один кирпич).
При таком сценарии внутренние связи кирпича обеспечить в принципе не чем. Внешнего поля, внешних сил, внешнего приталкивания нет. Все вещество кирпича без вариантов полностью расщепится и разлетится во всех направлениях, соответственно рассеется и поле кирпича.
Никакое существование никакого вещественного физического тела в таких условиях невозможно.
Во вселенной же заполненной телами, массами картина иная.
Массы «создали» общее поле,
на макроуровне вселенная заполнилась равномерно, ковер галактик.
Это поле обеспечило внутренние связи в каждом кирпиче.
И мы видим, что в реальной вселенной материя не распадается на частицы и не разлетается.
Материя: вещество, частицы, поле.
И если бы не было поля, то не было бы ни каких взаимодействий между частицами, да и самих частиц привычном понимании тоже бы не было.
С вами был Виктор Катющик.
Следите за нашими публикациями.
Подписывайтесь на видеоканал.
Источник