Методическое пособие по дисциплине «Концепции современного естествознания» содержит разделы: введение в дисциплину; фундаментальное строение материи (раздел общей темы «Физическая картина мира»); вопросы по теме двух уровней сложности.

1   2   3   4   5   6   7

рис.1 квантовая лестница ограничивается энергиями порядка 1 ГэВ (субъядерная ступенька). В настоящее время достигнуты энергии в сотни и тысячи раз большие. Заканчивается строительство ускорителя (ЦЕРН, Швейцария), который позволит получать энергию протонов до 7 ТэВ = 710¹² эВ.

6 Фантастическая проникающая способность нейтрино поразила воображение известного американского писателя Джона Апдайка, который написал шутливое стихотворение «Космическая наглость»:

Нейтрино, крохотные тени, отринув массу и заряд,

Не признают закон общений, взаимодействий и преград.

Они по всей вселенной шарят, не поступаясь прямизной.

Для них –пустой воздушный шарик трилльоннотонный шар земной!…

Ныряя где-нибудь в Евфрате, они уходят в глубину,

Чтобы пронзить из-под кровати ньюйоркца и его жену.

Средь ночи протыкать перину! Вы скажете: вот молодцы!

А я считаю, что нейтрино – космические наглецы.

7 В последнее время появились теории, рассматривающие возможность того, что у нейтрино нет античастиц (нейтрино и антинейтрино тождественны). В этом случае масса нейтрино должна быть отлична от нуля. Соответствующие эксперименты сейчас активно проводятся в ведущих лабораториях мира.

8 Интересно отметить тот факт, что спин имеет необычную геометрическую природу. Так, спин частицы дает нам сведения о том, как «выглядит» эта частица, если «смотреть» на нее с разных сторон. Частица с нулевым спином похожа на точку (она выглядит одинаково со всех сторон). Частицу со спином 1 можно сравнить со стрелой: с разных сторон она выглядит по-разному и принимает один и тот же вид лишь после полного оборота на 360⁰. Частицу со спином 2 можно сравнить со стрелой, заточенной с обеих сторон: любое ее положение повторяется после полуоборота (180⁰) и т.д. Удивительно, что существуют частицы, которые после полного оборота не принимают прежний вид: их нужно дважды полностью повернуть - это частицы со спином ½. Это означает, что свойства электрона, совершившего поворот спина на 360⁰ , заметно отличаются от свойств электрона, не подвергшегося такому воздействию. Чтобы вернуть электрон в исходное состояние, необходимо повернуть его спин дополнительно на 360⁰, то есть описать два полных оборота. Таким образом, для элементарных частиц со спином ½ полный оборот (при котором мир возвращается в исходное состояние) равен 720⁰ . В мире людей и в случае крупных объектов (макромир) это свойство утрачено, – мы не отличаем один оборот на 360⁰ от следующего. Получается, что мы в некотором смысле лишь наполовину воспринимаем мир, доступный электрону. Это странное «двойственное» представление о мире, присущее электронам и другим микрочастицам (связанное с необычной геометрической природой спина), принято считать фундаментальным свойством природы.

9 Одним из интереснейших практических применений нейтринных пучков высоких энергий в последнее время стало их использование для поисков нефти и для точных измерений скорости дрейфа континентов.

10 Название «кварки», введенное М.Гелл-Маном в 1964г. не имеет прямого смыслового значения и было заимствовано из романа Дж.Джойса «Поминки по Финнегану», герою которого во снах часто слышались слова о таинственных трех кварках: «Три кварка для мистера Марка!»

11 Аналогичную таблицу можно построить для античастиц, заменив знаки всех зарядов (q, B, L) на противоположные.

12 Согласно одной из современных теорий, барионная асимметрия нашей Вселенной (преобладание вещества над антивеществом), возникшая на ранних стадиях ее эволюции, тесно связана с существованием именно трех поколений фундаментальных частиц. Не будь этого, вещество и антивещество были бы в равных количествах и в результате аннигиляции превратились бы в фотоны и нейтрино. Такая Вселенная была бы нейтрино - фотонной пустыней: без звезд, без планет и без нас с вами.

13 По современным представлениям, цветные кварки и глюоны, плененные адронами в адронной материи, при достаточно высоких температурах и/или больших барионных плотностях могут переходить в новое состояние, которое называется кварк-глюонная плазма. В этом состоянии кварки и глюоны могут распространяться как квазиподобные частицы по всему объему плазменной материи. Кварк-глюонная плазма недавно была получена на протонных коллайдерах ЦЕРНа (Швейцария) и Бруккхэвена (США).

14 Разделы, помеченные звездочкой (*) предназначены для более глубокого изучения материала.

15Силы, осуществляющие сильное взаимодействие, принято называть «цветными» силами, а теория сильного взаимодействия получила название – квантовая хромодинамика.

16 Эксперименты по детектированию гравитационных волн пока не увенчались успехом.

17Выбор цветов достаточно произволен. Например, это могут быть цвета: желтый (yellow), синий (blue), красный (red): - y, b, r - для кварков и соответственно антижелтый, антисиний, антикрасный - для антикварков.

18 Необходимо отметить, что в квантовой хромодинамике проблема конфайнмента полностью не решена. В этой области важную роль должно сыграть обнаружение и исследование экзотических адронов, которые являются связанными состояниями глюонов, глюонов и кварков или четырех кварков.

19W- и Z-бозоны сначала были введены теоретически (теория электрослабого взаимодействия Вайнберга-Глэшоу-Салама, Нобелевская премия 1979г); их экспериментальное обнаружение произошло в 1983 году (Нобелевская премия 1984г.).

20 В мире элементарных частиц существует так называемое соотношение неопределенностей, которое утверждает следующее: при измерении продолжительностью не более чем t нельзя измерить энергию с точностью, большей чем Е  h/t. Это означает, что на короткий промежуток времени t может появиться энергия Е, как бы «ниоткуда». Эта энергия может давать в пустоте рождение паре: частице и античастице.

21 Открытие бозона Хиггса является ближайшей задачей текущих и планируемых экспериментов в физике высоких энергий.

22Длина кольцевых туннелей современных ускорителей, в которых частицы ускоряются до энергий порядка 1 ТэВ, превышает десятки километров. Для ускорения частиц до энергии великого объединения потребовался бы ускоритель размером с Солнечную систему.

23 Отрицательный результат всех проведенных до настоящего времени экспериментов указывает на то, что время жизни протона должно превышать 10³² лет.

24 Подобные энергии абсолютно недостижимы в лабораторных условиях. Но соответствующий эксперимент был поставлен самой Природой: в первые мгновения после Большого взрыва Вселенная прошла все этапы от суперсилы до четырех фундаметальных взаимодействий.

25 Ожидаемые массы суперпартнеров должны лежать в «тевной» области, которая в настоящее время становится доступной изучению. Если хотя бы некоторые из суперпартнеров будут обнаружены в планируемых экспериментах на ускорителях ЦЕРНа и Фермилаб (США), это будет выдающимся достижением современной физики.

26 Впервые эта идея была введена в теории Калуцы-Клейна, в которой электромагнитное поле рассматривалось как проявление дополнительного пятого измерения, которое сворачивается (компактифицируется) до малых ненаблюдаемых размеров.

27 Научная теория, основанная на опытных данных, имеет статус Стандартной модели только тогда, когда предсказываемые ею новые результаты, получают экспериментальное подтверждение. Ранним примером такой модели является Периодическая таблица элементов Менделеева в химии. Стандартная модель физики элементарных частиц остается прекрасным приближением, описывающим природу, вплоть до пространственных масштабов порядка 10^-18м (масштабы энергий порядка 100 ГэВ). В то же время целый ряд современных космологических представлений не укладывается в ее рамки, что вместе с внутренними трудностями Стандартной модели и данными о нейтринных осцилляциях, служит серьезным указанием на ее неполноту. Ожидается, что «новая физика» за пределами Стандартной модели будет открыта в ближайшие десятилетия.

28 Хорошей наглядной аналогией эффекта компактифакции может служить аналогия с поверхностью апельсина – бугорки и неровности издали не видны, и апельсин кажется гладким. Так же и пространство-время: в очень малых масштабах оно десятимерно и сильно искривлено, а в больших масштабах кривизна и дополнительные измерения не видны.

29 До 1933 г., кроме электрона, были известны только фотон, протон, нейтрон и позитрон. «Тяжелый брат» электрона, мюон, был обнаружен в космических лучах в 1936 г. Экспериментальное открытие нейтрино стало возможным лишь спустя несколько десятилетий после их введения «на кончике пера» (электронное нейтрино открыто в 1953г., мюонное нейтрино – в 1963 г.). Последними были открыты самый тяжелый t-кварк (1995 г.) и таонное нейтрино (2000 г.).

30 Так, в 1993 г. Конгресс США прекратил финансирование строительства самого большого протон - протонного коллайдера в Техасе (с длиной кольцевого туннеля более 80 км и энергией каждого протонного пучка 20 ТэВ), уже после того как на его строительство было потрачено более миллиарда долларов. В строительстве большого ускорителя в ЦЕРНе с энергией протонов до 7 ТэВ, которое должно быть завершено к 2005 г., принимают участие не только ведущие европейские страны, но также США, Япония и Россия.

31 Большинство из вопросов второго (высшего) уровня предназначены для студентов, более глубоко интересующихся физикой и претендующих на отличную оценку.