Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее

Потупа Александр Сергеевич

Видимая звездная величина Солнца: m?( = -26,77

Абсолютная звездная величина Солнца: M?( = 4,79

Масса Галактики: Мгал ?1,5.1011 М(

Радиус Галактики: Rгал ? 2.104 пс

Радиус ядра Галактики: Rядра ?10 пс

3. ЕДИНИЦЫ ВРЕМЕНИ, РАССТОЯНИЙ И ЭНЕРГИИ

Характерное космологическое время: T = 1/H = 1,96 .1010 лет

(при значении функции Хаббла Н = 50 км/сМпс)

Сидерический год: 1 год = 3,1558.107 с ? ?.107 с

Галактический год для Солнца: 1 гал. год ? 2,75.108 лет

Астрономическая единица: 1 а.е. = 1,4959787066(2).1011 м ? 1,5.108 км

(среднее расстояние между Землей и Солнцем)

Световой год: 1 св. г. = 9,46.1015 м ? 6,324.104 а.е. = 0,3066 пс

Парсек: 1 пс = 3,0856775806.1016 м ? 3,2616 св.

г. ? 2,06.105 а.е.

Ангстрем: 1 A = 10-10 м

Электронвольт: 1 эВ = 1,60217733(49).10-19 Дж

Джоуль (единица энергии в СИ): 1 Дж = 107 эрг ? 6,24.1018 эВ

Ватт (единица мощности в СИ): 1Вт = 1 Дж/с = 107эрг/с

4. ПРИСТАВКИ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОИЗВОДНЫХ ЕДИНИЦ

Атто (а) - 10-18

фемто (ф) - 10-15

пико (п) - 10-12

нано (н) - 10-9

микро (мк) - 10-6

милли (м) - 10-3

санти (с) - 10-2

деци (д) - 10-1

дека (да) - 101

гекто (г) - 102

кило (К) - 103

мега (М) - 106

гига (Г) - 109

тера (Т) - 1012

пета (П) - 1015

экса (Э) - 1018

Таким образом, наносекундные импульсы имеют характерную длительность 10-9 секунды, сантисветовая ракета способна достичь скорости 10-2 с ? 3.108 см/с, а "Тэвный ускоритель" соответствует энергиям разогнанных в нем элементарных частиц порядка 1012 эВ. Слова типа "микромир" (для элементарных частиц) или "мегамир" (для космических масштабов - от галактик и выше) употребляют просто по традиции, не связываясь соответствующими множителями.

5. ПЛАНКОВСКАЯ СИСТЕМА ЕДИНИЦ

Длина: lP = v2G h /c3 ? 2,286 .10-33 см

Время: tP = v2G h /c5 ? 7,624 .10-44 с

Скорость: vP = c ? 2,998 .108 м/с

Масса: mР = v h c /2G ? 1,540 .10-8 кг

Энергия: EP = mРc2 = v h c5 /2G ? 1,384.109 Дж = 8,637.1027 эВ

Мощность LP = c5/2G ? 1,815 .1059 эрг/с = 1,815 .1052 Ватт

(светимость):

Частота: ?P = v c5 /2G h ? 1,312 .1043 c-1

Температура: TP = EP/k =k-1v h c5 /2G ? 1,002 .1032 K

Плотность массы: ?P = mР/4? lP3 /3 = 3c5/16 ? hG2 ? 6,158.1092 г/см3

Ускорение: aP = vP/ tP = v c7 /2G h ? 3,932 .1051 м/с2 ? 4.1050g(

Сила: FP = c4/2G = 6,053 .1043 Н

Используя планковскую систему, нетрудно представить все уравнения физики в полностью безразмерной форме - все входящие в них величины приобретают абсолютный масштаб. Формально это можно сделать, полагая h = с = 2G = кБольц = 1. Читатель, затративший некоторое время на такую работу, будет вознагражден хотя бы довольно ясным ощущением того, что все наши знания о мире звезд и элементарных частиц соответствуют обломкам какой-то правильной теории, точнее, ее пределам при x " lP, t " tP, L " LP, ( " (P и т. п. Единственный параметр, по которому современная физика умеет приближаться к планковской области - скорость (v ( c). Разумеется, в физике, химии и биологии довольно свободно обращаются с массами m ~ mP ? 15 микрограмм (водяная капелька радиусом порядка 0,15 мм), но по всем остальным параметрам (плотность, температура, размер и т. д.) соответствующие объекты крайне далеки от планковской области, и пока даже непонятно, может ли обусловить близость массы объекта к mP какие-то особые эффекты в макроскопическом мире. Удивительна, например, близость описанной водяной капельки к характерным параметрам биологических клеток (характерный размер одноклеточного эукариота, амебы, порядка 0,1 мм).

П p и л о ж e н и e 2

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ФУНДАМЕНАТАЛЬНЫЕ СИЛЫ

До сих пор все выглядит так, как если бы было построено по принципу колесиков внутри колес, мы ищем самое сокровенное колесико. Но все может быть совсем не так. И тогда вы ищете, не зная, что за чертовщина вам попадется.

Р. Фейнман

1. КЛАССИФИКАЦИЯ

Под элементарными частицами подразумеваются объекты, из которых на современном уровне эксперимента не выделены какие-либо более простые и самостоятельно регистрируемые сущности. Такое определение позволяет включить в число элементарных частиц все объекты, реально

интересующие физику высоких энергий, не ограничиваясь теми, которые пока считаются бесструктурными (фотон, лептоны, кварки, глюоны). Первая элементарная частица (электрон) была открыта в 1897 г. английским физиком Дж. Дж. Томсоном, и несколько сотен аналогичных частиц, обнаруженных с тех пор, можно назвать "кирпичиками мироздания" - похоже, что из них построено все вещество наблюдаемой Вселенной. Неуверенность, что это вещество построено только из них, и подозрение, что они сами выстроены из чего-то более простого и фундаментального, исключительно сильно стимулируют исследовательскую активность.

Элементарные частицы характеризуются рядом параметров - таких, как масса, собственный момент количества движения (спин), заряды, с помощью которых обычно описывается взаимодействие и (или) законы сохранения*. Если частица нестабильна, то есть самопроизвольно распадается в вакууме, то по известным схемам распада вычисляют ее время жизни, и оно должно полностью выражаться через фундаментальный набор констант.

* Массы частиц можно выражать в граммах или килограммах, однако это не очень удобно. Поэтому используют специальные энергетические единицы электронвольт и его производные (чаще всего 1 МэВ = 106 эВ и 1 ГэВ = 109 эВ), в масштабе которых величины mс2 не имеют слишком больших или слишком малых множителей.

Собственный момент количества движения (спин) всегда дается в единицах постоянной

Планка h. Частицы, чей спин выражается в целых значениях h (0, h, 2h и т. д.),

называют бозонами (в честь индийского физика Шатьендраната Бозе), а в полуцелых

(h/2, 3h/2 и т. д.) - фермионами (в честь итальянского физика Энрико Ферми).

Электрический заряд всегда задают в единицах заряда электрона, а для описания электромагнитных взаимодействий удобна безразмерная величина ? = e2/ hc ? 1/137, так называемая постоянная тонкой структуры Аналогичные константы для описания сильных взаимодействий в 100 - 1000 раз больше. Для слабого взаимодействия вводится универсальная постоянная Ферми GF ? 10-5. h3/mp2c.

Аналогом постоянной тонкой структуры в гравитационных взаимодействиях служит квадрат отношения массы элементарной частицы к планковской массе (?гр = Gm2/ hc = 1/2 (m/mP)2). Некоторым частицам приписывают заряды, не имеющие динамического смысла, необходимые лишь для того, чтобы характеризовать сохранение частиц определенного сорта в реакциях. Так вводят, например, барионный заряд, полагая, что в любой реакции разность между числом барионов и антибарионов постоянна.

Калибровочные бозоны* - частицы со спином единица, переносчики электрослабого взаимодействия. В это семейство входят фотон (от греч. photos - частица света) - безмассовый квант электромагнитного поля (экспериментальное ограничение m? 3.10-33 МэВ) и открытые совсем недавно промежуточные бозоны - два заряженных W+ и W- (mw = 80,6 +- 0,4 ГэВ) и один нейтральный Z0 (mZ = 91,161 +- 0,031 ГэВ). Фотон стабилен. W- и Z-бозоны, самые тяжелые из известных частиц, распадаются на лептон-антилептонные пары, однако их времена жизни оцениваются пока весьма приближенно (? ~ (2 ? 3) 10-25 с).

*Здесь и в дальнейшем данные заимствуются из "Обзора свойств частиц", составленного международной группой по данным о частицах (Particle Data Group, "Review of Particle Properties", Physics Letters, В 239, April, 1990).

Лептоны (от греч. leptos - легкий, мелкий) - к этому семейству частиц относятся электрон (е-), мюон (?-), ?-лептон (?-) и три типа нейтрино электронное (?e), мюонное (?? )и ?-нейтрино (??), а также соответствующие античастицы - позитрон (е+), антимюон (?+), анти-? (?+) и три типа антинейтрино (?e, ??,??). Все они - фермионы со спином 1/2. Характерное свойство лептонов - отсутствие собственной структуры, в рамках современных экспериментальных данных их рассматривают как точечные частицы, которые не способны напрямую участвовать в сильных взаимодействиях. Массы и времена жизни лептонов указаны в таблице (у соответствующих антилептонов те же параметры):