Общая Теория Относительности (ОТО) - Процессы и прогнозировать их развитие


^ Общая Теория Относительности (ОТО)

В настоящее время считается, что скорость света в вакууме - максимально возможная скорость движения объектов в природе. Но этому представлению не соответствует закон всемирного тяготения Ньютона, который предполагает мгновенное распространение гравитационного возмущения в пространстве. Для решения этого противоречия Эйнштейн разработал ОТО – релятивистскую теорию гравитации, основанную на постулатах СТО. За исходный пункт Эйнштейн принял равенство гравитационной (в законе всемирного тяготения F=GmгM/r2) и инертной (во 2-ом законе Ньютона: F=mиa) масс (принцип эквивалентности). Следствием этого равенства является то, что невозможно различить действие гравитации от действия равноускоренного движения. В ОТО, постулируется, что гравитационные эффекты вызываются не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а являются проявлениями деформаций самого пространства-времени, вызываемых локальным присутствием массы-энергии. Это приводит к следующим выводам:


При малых (по сравнению с c) скоростях сложные уравнения ОТО переходят в обычные уравнения Ньютона, а искривленное 4-х мерное пространство-время становится плоским.


^ Зарождение квантовых представлений в физике.

К концу 19 века казалось, что создание полной и окончательной картины мира завершено. Господствовала концепция детерминизма: все явления природы являются следствиями электромагнитных и гравитационных взаимодействий между зарядами и массами, поведение которых полностью определено начальными условиями. Концепция детерминизма была фундаментальной, а статистический подход объяснялся незнанием. Считалось, что имеющиеся проблемы должны были решиться в ближайшем будущем.

Наиболее важные из них состояли в следующем:

1) Спектр излучения нагретых тел. Согласно теоретическим подсчетам Релея-Джинса, основанным на классических представлениях, энергия излучения любого тела при любой температуре должна быть бесконечной. Этот вывод противоречил экспериментам и получил название "Ультрафиолетовой катастрофы".

2) Явление фотоэффекта.

3) Спектры атомов.

Однако события развивались иначе:

В 1900 г. – идея Планка о том, что излучение происходит не непрерывно, а порциями – квантами, зависящими от частоты: - это предположение было очень искусственным, однако благодаря ему все встало на свои места – было получено согласие с экспериментом.

1905 г. – идею Планка развил Эйнштейн, предположив, что свет (э/м волны) не только излучается, но и поглощается квантами. Это позволило объяснить созданную им теорию фотоэффекта. Когда же опыты Боте и Комптона показали, что и распространения света имеет квантовый характер, к нему стали относиться двояко: как к волне (интерференция, дифракция, дисперсия) и как к частице (поглощение, рассеяние – фотоэффект). Это явление получило название корпускулярно-волновой дуализм.

1911 г. – Резерфорд в своих опытах показал, что основная масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре, а отрицательные электроны находятся на значительном от него расстоянии. Однако согласно классической электродинамики должен двигаться по орбите ускоренно, излучая энергию и со временем упасть на ядро. До этого считалось (Томпсон), что атом – положительно заряженная капля, в которую вкраплены отрицательные заряды – электроны.

1913 г. – Нильс Бор применил квантовый подход к построению атома, который разрешал противоречия в модели атома Резерфорда. Постулаты Бора:

1. Электрон может двигаться вокруг ядра, не излучая энергии, только по орбитам, на которых укладывается целое число его волн де Бройля (Существует стационарные состояния электрона в атоме, т.е. состояния, находясь в которых электрон не излучает энергию.)

2. Электрон может мгновенно перескакивать с орбиты на орбиту, при этом он испускает или поглощает квант света с энергией: hν.

1924 г. – "сумасшедшая" идея Луи де Бройля, в соответствие с которой, любая движущаяся частица обладает волновыми свойствами λ=h/p, ν = E/h .

1926 г. – Шредингер получил основное уравнение квантовой механики, закон изменения волновой функции, описывающей квантовую частицу.

1928 г. – гипотеза де Бройля получила экспериментальное подтверждение в опытах Дэвиссона и Джермера по дифракции электронов.


^ Особенности неклассического подхода к описанию динамики микрочастиц.

Квантовая (волновая) механика Шредингера – состояние микрообъекта описывается не положением и скоростью в какой-то момент времени, а непрерывной комплексной функцией координат и времени "пси-функцией", которая непосредственного физического смысла не имеет. Физический смысл имеет dP = |ψ(x,y,z,t)|2dV, представляющая собой вероятность нахождения микрочастицы в данном месте пространства (с координатами x,y,z и объемом dV) в данное время.

Особенности:

1. Если в классическом естествознании статистические закономерности относились к поведению большого числа идентичных объектов, то в квантовой механике вероятностный подход применим к индивидуальным объектам и отражает невозможность наблюдения за их движением без искажения этого движения (отказ от концепции детерминизма).

2. Если в классической механике можно сколь угодно точно измерить все необходимые динамические параметры (m,x,v), то для микрообъектов этого в общем случае сделать нельзя. Состояние объекта оценивают в соответствие с принципом дополнительности Бора, который объясняется влиянием "измерительного прибора" и гласит: получение информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о других, дополнительных первым. Частным случаем является принцип неопределенности Гейзенберга: нельзя одновременно абсолютно точно измерить и положение микрочастицы, и ее скорость: ∆x∙∆p>, а также соотношение ∆E∙∆t>.

3. В науку стали вводиться величины, сами по себе не являющиеся измеряемыми (пси-функция).

4. Объединение противоположных классических понятий (корпускулярно-волновой дуализм).

5. Отход от "здравого смысла" как критерия истинности, математизация теоретических моделей.


^ Интерпретации квантовой механики. (Не одна из них не является доказанной)

Копенгагенская (Бор): До того, как кто-нибудь измерит положение электрона, не имеет смысла даже спрашивать, где он. Он не имеет определенного положения, природа сама этого не знает. Когда мы измеряем положение электрона, мы не измеряем объективное, существующее заранее свойство реальности. Скорее, акт измерения глубоко вмешивается в создание самой реальности, которая измеряется.

(Гейзенберг): Отказ от взгляда, что волновые функции есть объективные особенности квантовой реальности, и, вместо этого, рассмотрение их только как воплощений того, чего мы знаем о реальности.

Многомировая (Эверетт 1957). Отрицается, что волновая функция когда-либо коллапсирует. Вместо этого любой и каждый потенциальный результат, воплощенный в волновой функции, происходит отдельной вселенной. В этом подходе "вселенная" расширяется, чтобы включить бесчисленные "параллельные вселенные" – бесчисленные версии нашей вселенной, – так что все, что может произойти по предсказаниям квантовой механики, даже если его вероятность ничтожна, происходит, по меньшей мере, в одной копии.

^ Скрытых переменных (Бом 1950): Частицы, такие как электроны, обладают определенными положениями и определенными скоростями, точно как в классической физике, и точно так, как на это надеялся Эйнштейн. Но, в соответствии с принципом неопределенности, эти свойства скрыты от рассмотрения; они являются примерами скрытых переменных. Такая неопределенность представляет предел того, что мы можем знать, но ничего не предполагает о действительных атрибутах самих частиц. Его подход не находится в противоречии с результатом Белла и Аспекта.

(Жирарди Римини Вебер): Модификация уравнения Шредингера неким хитрым способом, что приводит в почти любом эффекте к "обычной" эволюции волновой функции индивидуальной частицы, но имеет драматическое влияние на квантовую эволюцию, когда это применяется к "большим" повседневным объектам. Предложенная модификация полагает, что волновые функции в своей основе нестабильны; даже без вмешательства, которое предпринимает исследователь, рано или поздно каждая волновая функция коллапсирует по своему собственному желанию к пикообразной форме.


^ Фундаментальные взаимодействия в природе.

В соответствие с современными представлениями различают 4 вида фундаментальных взаимодействий, не сводящихся друг к другу. Рассмотрим их в порядке убывания интенсивности:

1. Сильное. Самое "мощное", но короткодействующее, не чувствительно к заряду. Осуществляется между кварками и адронами - протон, нейтрон, …. Наиболее известное его проявление - ядерные силы, обеспечивающие существование атомных ядер.

2. Электромагнитное. В нем участвуют только электрически заряженные частицы и фотоны.

3. Слабое. Присуще всем частицам, кроме фотонов. Наиболее известное его проявление - бета-превращения атомных ядер. Играет огромную роль в реакциях термоядерного синтеза (эволюции звезд). Оно же обуславливает нестабильность многих элементарных частиц, например нейтрона: n0  p+ + e- + e.

4. Гравитационное. Самое слабое, универсальное. Действует между всеми элементарными частицами и материальными объектами на огромных расстояниях. В мире элементарных частиц при обычных энергиях непосредственной роли не играет.

Эти взаимодействия в мире элементарных частиц имеют квантовый характер, т.е. каждое из них осуществляется путем обмена квантами.

Фундаментальные взаимодействия различаются интенсивностями и радиусами действия:

Взаимодействие

Интенсивность

Радиус действия, м

Сильное

~1

~10-16

Электромагнитное

1/137



Слабое

~10-10

~10-18

Гравитационное

~10-38




^ Стандартная модель элементарных частиц

Фундаментальные частицы

Частица

Заряд

Масса, me

Время жизни, c

Лептоны

Электрон

-1

1



Мюон

-1

207

2∙10-6

Тау

-1

3487

3∙10-13

Электронное нейтрино

0

<4·10-6



Мюонное нейтрино

0

<0.4



Тау нейтрино

0

<40



Кварки

u

+2/3

4.5±1.5



d

-1/3

10±4



c

+2/3

2500±200

нестабилен

s

-1/3

190±50

нестабилен

t

+2/3

350000±6000

нестабилен

b

-1/3

8600±150

нестабилен

Частицы переносчики взаимодействий

Взаимодействие

Переносчик

Заряд

Масса, me

Современная теория

Сильное

Глюон

0

0

Квантовая хромодинамика (1974)

Электромагнитное

Фотон

0

0

Квантовая электродинамика Фейнмана, Швингера, Томонаги, Дайсона (1940)

Слабое

W+-бозон

+1

157000

Теория электрослабого взаимодействия: Вайнберг, Глэшоу, Салам (1967)

W—бозон

-1

157000

Z0-бозон

0

178000

Гравитационное

Гравитон

0

0

ОТО: Эйнштейн (1915)

В квантовой теории поля взаимодействие между частицами рассматривается как обмен виртуальной частицей. Из соотношения неопределенности ∆t∙∆E> следует, что если частица существует в течение короткого промежутка времени t, то ее энергия может флюктуировать на величину /∆t. Такая частица называются виртуальной. Для описания различных процессов с участием частиц используют диаграммы Фейнмана. На этих диаграммах линиям со свободными концами отвечают реальные частицы или ядра, а внутренним линиям - виртуальные частицы. Точка, в которой рождается и поглощается виртуальная частица, называется узлом диаграммы. Узлы диаграммы содержат основную информацию о процессе - типе фундаментального взаимодействия и его вероятности. Например взаимодействие двух электронов посредствам обмена фотоном выглядит так:



Адроны

Частица

Кварковый состав

Электр.заряд

Масса, me

Время жизни, c

Барионы (состоят из 3-х кварков)

Протон

uud

+1

1836.2

>1031-33 лет

Нейтрон

udd

0

1838.7

886 (вне ядра)

Сигма0

uds

0

2334

6∙10-20

Сигма+

uus

+1

2328

8∙10-11

Сигма-

dds

-1

2343

1.5∙10-10

Дельта++

uuu

+2

2410

6∙10-24

Дельта+

uud

+1

2410

6∙10-24

Дельта0

udd

0

2410

6∙10-24

Дельта-

ddd

-1

2410

6∙10-24

Кси0

uss

0

2573

2.9∙10-10

Кси-

dss

-1

2586

1.64∙10-10

Ламбда

uds

0

2183

2.6∙10-10

Омега-

sss

-1

3273

8.2∙10-11

и т.д.















спин jP=1/2+ спин jP=3/2+

x- проекция изоспина y – странность




Мезоны (состоят из кварка и антикварка)




Частица

Античастица










Пион0



0

264

8.3∙10-17

Пион+ Пион-

ud̃

dũ

+1 -1

273

2.60∙10-8

Каон0

ds̃

sd̃

0

974

5.2∙10-8

0.89∙10-10

Каон+ Каон-

us̃

sũ

+1 -1

966

1.24∙10-8

Эта



0

1074

<10-18

и т.д.




























псевдоскалярные мезоны векторные мезоны



Барионы подразделяются на нуклоны (S=0) и гипероны (S≠0) (S-странность)

Переносчиками сильного взаимодействия между адронами являются мезоны (между кварками в адронах - глюоны).

У каждой элементарной частицы есть античастица, обозначается она тем же символом, но с добавлением тильды над ним.

Античастицы фотона, π0, η0 ρ0,…- мезонов тождественны самим частицам. Эти частицы являются истинно нейтральными, они не способны к аннигиляции, но испытывают взаимные превращения, являющиеся фундаментальным свойством всех элементарных частиц.

Лептоны (от греч. leptos - легкий) – не участвуют в сильных взаимодействиях

Адроны (от греч. hadros - массивный, крупный).

Лептоны группируются парами, каждая пара состоит из заряженного лептона и нейтрино. Таким образом 6 лептонов образуют 3 поколения.

Число лептонов равно числу типов кварков — принцип кварк-лептоннои симметрии.

Начиная с 1932 года было открыто более 400 элементарных частиц.


4073717254964168.html
4073867072321521.html
4073905894816487.html
4073951707436706.html
4074028322333018.html