Концепции современного естествознания Лекция 6
Развитие физических теорий в 20 веке электромагнетизм термодинамика Теория гравитации Ньютона Галилеевский принцип относительности Специальная теория относительности Общая теория относительности Квантовая теория поля Квантовая механика
Вернер Гейзенберг Werner Heisenberg Между 1925 – 27 было создано три варианта квантовой механики Матричная механика Эрвин Шрёдингер Erwin Schroedinger Поль Дирак Paul Dirac Оказались математически эквивалентны ! Волновая механика Квантовая алгебра
Квантовая механика является предельным случаем квантовой теории поля при низких значениях энергии, когда ее недостаточно для взаимопревращений частиц
Современная квантовая модель
Квантовая механика дала теоретическое обоснование таблицы Менделеева – почему она именно такая
He 2 4 Номер элемента Число протонов Масса элемента Число протонов и нейтронов Число электронов = числу протонов + N N + - -
Если бы протоны и нейтроны были Ø 10 см, то электрон – 0,1 мм, а атом – 10 км
Инфракрасный Видимый свет Спектры излучения атомов – это переходы между энергетическими уровнями Ультрафиолет n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 Спектр водорода
Гелий Ртуть Азот
Состояние электрона в атоме полностью задается 4 квантовыми числами Квантовые числа – это собственные значения операторов энергии и импульса электрона
Физический смысл: Собственные значения гамильтониана (оператора энергии) Размер орбиты
n = 1, 2, 3 … 7 Теоретически может принимать целые значения до ∞ В реальности же при n > 7 электроны уже не удерживаются возле ядра
В периодической системе n определяет период
Физический смысл: Собственные значения оператора момента импульса, энергетические подуровни Форма орбитали s p d f l = 0,1, … n – 1
Физический смысл: Магнитный момент, ориентация орбиталей в пространстве p x p y p z m = – l, … 0, … + l
Физический смысл: Магнитный момент, «вращение» электрона относительно собственной оси Вольфганг Паули
К изумлению Паули, открывшего это число, спин оказался дробным s – спин
Спин = 1 / число оборотов, чтобы частица вернулась в прежнее состояние Электрон надо повернуть дважды!
Спин = ½ Спин = 0 Спин = 1 1 оборот Спин = 2 ½ оборота 2 оборота Фермионы Вещество Бозоны целый спин Взаимодействие (кванты полей) мезоны
Название Символ Возможные значения Главное квантовое число n 1, 2, 3, 4,... Орбитальное квантовое число ℓ 0, 1, 2,... (n-1) Магнитное квантовое число m - ℓ,... -1, 0, +1,... + ℓ Спиновое квантовое число S Возможные значения квантовых чисел
В атоме или молекуле два электрона никогда не находятся в одном и том же квантовом состоянии. у каждого электрона свой набор квантовых чисел
В первую очередь электроны занимают орбитали, имеющие наименьшую энергию
На сегодня известно более 400 1897 – е, электрон, Томпсон 1919 – р, протон, Резерфорд 1932 – n, нейтрон, Джеймс Чедвик 1936 – μ, мюон – первая частица, не встречающаяся в атомах, «тяжелый электрон» ( ~ 200 m e ), Карл Андерсон История открытия
Стабильны всего 4 частицы – электрон, протон, нейтрино, фотон. Нейтрон вне ядра распадается за 12 мин. Характеристики элементарной частицы: масса заряд спин стабильность
Элементарные частицы Составные Фундаментальные Не имеют внутренней структуры Адроны Состоят из фундаментальных, но разделить их на части невозможно 1960-е – протоны и нейтроны имеют внутреннюю структуру – кварки
3 семейства (поколения) В каждом поколении – Два кварка Электрон (или его аналог) Нейтрино (или его аналог) 0 – 1 u d
Удерживает кварки вместе Переносчик – глюон (8 типов) Сильное взаимодействие
Каждый кварк имеет один из трех цветов красный синий зеленый Антикварки имеют анти-цвета анти-красный анти-синий анти-зеленый Квантовая хромодинамика
Протон u u d Нейтрон u d d Стабильны только бесцветные комбинации 1 барион = 3 кварка Синий + зеленый + красный = белый qqq
π + мезон u d зеленый антизеленый Переносят сильное взаимодействие между протонами и нейтронами π – мезон синий d u антисиний 1 мезон = 1 кварк + 1 антикварк qq Частицы из 2 кварков – мезоны Синий + антисиний = белый
I II III d down – нижний s strange – странный b beauty (bottom) прелестный u up – верхний c charm – очарованный t truth (top) истинный
Почему ровно три цвета? Почему ровно три поколения кварков? Случайно ли совпадение числа цветов и числа поколений? Случайно ли совпадение этого числа с размерностью пространства в нашем мире? Из чего состоят кварки? Вопросы, на которые пока нет ответа:
0 – 1 Два кварка Электрон Мюон Тау Нейтрино
Семейство 1 Семейство 2 Семейство 3 Частица Масса Частица Масса Частица Масса Электрон 0,00054 Мюон 0,11 Тау 1,9 Электрон-ное нейтрино < 10 – 8 Мюонное нейтрино <0,0003 Тау-нейтрино <0,033 и -кварк 0,0047 с-кварк 1,6 t -кварк 189,0 d -кварк 0,0074 s -кварк 0,16 b -кварк 5,2 Фундаментальные частицы и их массы в массах протона.
I II III
Развитие физических теорий в 20 веке электромагнетизм термодинамика Теория гравитации Ньютона Галилеевский принцип относительности Специальная теория относительности Общая теория относительности Квантовая теория поля Квантовая механика
Квантовая механика Квантовая теория поля СТО релятивистская НЕрелятивистская 30 - 40-е годы Движение частиц – дискретность Эл-магн. поле – непрерывность (ур-я Максвелла) Не описывает превращения частиц дискретность поля (любого) Поле – это тоже частицы – переносчики взаимодействия
Фундаментальные взаимодействия Сильное Электро-магнитное Слабое Гравитация уменьшение силы Между какими частицами Кварки, нуклоны Имеющие заряд Все Сила для Е ~1 ГэВ Все 1 10 – 2 10 – 6 10 – 39 Кванты поля глюон 0 g фотон 0 бозоны 86, 97 γ W + W – Z Гравитон 0 G
g глюоны 0* 0 1 сильное частица mc 2 (GeV) q спин взаимодействие W ± векторные бозоны 79.8 ±1 1 слабое 91.2 0 1 Z 0 g фотон 0 0 1 электромагн. гравитон 0 0 2 гравитация
Фундаментальные частицы Фермионы в ещество Бозоны кванты поля массовые безмассовые
Частица, отвечающая за появление массы у W ± и Z бозонов Если слабое и электромагнитное взаимодействия – одно и то же, то эти бозоны не должны иметь массы, как и фотон Питер Хиггс придумал этот бозон в 1965 НЕ ОТКРЫТА
Large Hadron Collider 8.5 км
Радиус действия Время протекания* ) Где Сильное До 10 -15 м ( Ø ядра) ~10 -23 с Связь нуклонов в ядре и кварков в нуклонах Электромагнитное Не ограничен ~ 10 -20 с. Между любыми зарядами Слабое ~10 -18 м (0.1% Ø протона) ~ 10 -10 с β-распад Гравитационное Не ограничен Не ограничено Между любыми массами
Абдус Салам Шелдон Глэшоу Стивен Вайнберг 1967 Теория единого электрослабого взаимодействия
Как возможно объединение взаимодействий и их теорий? 10 15 ГэВ 10 2 ГэВ E связи ядер ≈ 10 – 2 ГэВ E связи ē ≈ 10 –8 ГэВ Энергия W + W – Z X, Y бозоны? глюон глюон фотон бозоны
Е = 10 19 ГэВ T = 10 33 К R = 10 – 33 см Е = 10 15 ГэВ T = 10 29 К R = 10 – 29 см Е = 100 ГэВ T = 10 16 К R = 10 – 16 см Сильное Электромагнитное Слабое Гравитация Великое объединение Единое суперсимметричное взаимодействие Электрослабое Планковская энергия Планковская длина
Сильное Электро-магнитное Слабое Гравитация Максвелл Классические Квантовые нет Ньютон ОТО КЭД Электрослабого взаимодействия нет Квантовая хромо-динамика Великое Объединение Стандартная модель Теория всего? = струны?
Анти-электрон = позитрон Открыт Андерсоном в 1932 0 +mc 2 - mc 2 e + e – Античастица – те же масса и спин, Отличается знаками характеристик взаимодействия (электрический и цветовой заряд). Для каждой частицы – 1 анти
0 +mc 2 - mc 2 e + e – 0 +mc 2 - mc 2 e + e – Е > 2 mc 2 Рождение пары частица-античастица Аннигиляция пары частица-античастица
Аннигиляция частиц и рождение частиц с массой из безмассовых квантов поля означали взаимопревращение вещества и энергии, их эквивалентность
d u d u d u e n e W - Протон Нейтрон Электрон Анти-электронное нейтрино
Квантовая космология
Моделирование возможных сценариев (множественные Вселенные) Квантовая космология Почему частицы и взаимодействия именно такие? Мир без слабого взаимодействия возможен. В нем возможно существование звезд и возникновение тяжелых элементов, а значит жизни Roni Harnik, Graham D. Kribs, Gilad Peres. A universe without weak interactions // Physical Review D, 74, 035006, 2006
Вакуум Состояние поля с минимальной энергией (не нулевой!) Виртуальные частицы
Заполнен полями, соответствующими каждому типу частиц. Поле – потенциальная возможность рождения частицы. Квантовые флуктуации поля, даже в отсутствие частиц означают, что вакуум – это море «вриртуальных частиц»
Планковская система единиц ≈ 10 19 ГэВ ≈ 10 −5 г ≈ 10 – 43 с ≈ 10 – 33 см длина время масса энергия
Планковская черная дыра ≈ 10 19 ГэВ ≈ 10 −5 г ≈ 10 – 33 см длина масса энергия Радиус Шварцшильда для частицы с Планковской массой
Планковская длина ~ 10 –33 см Противоречие с ОТО
Элементарные частицы ( 10 ─17 м ) Струны настолько же меньше частиц, насколько частицы меньше нас Как устроены частицы, если смотреть на них с Планковских масштабов?
Главная идея: частицы – не точечные объекты, а одномерные протяженные Могут быть замкнутыми и открытыми электрон фотон
Протяженность делает взаимодействие частиц «размазанным» - нет одной «точки соприкосновения» (релятивистский эффект)
Еще одна идея – пространство на микроуровне имеет больше измерений Скрытые размерности
Теодор Калуца Theodor Kaluza Оскар Клейн Oskar Klein 1919 Геометрия скрытых размерностей
10 пространственных измерений: 3 обычных и 7 свернутых Пространство Калаби-Яу
Дополнительные 6 свернутых измерений (Калаби-Яу)
Браны – протяженные p -мерные объекты Материальная точка — 0-брана Струна — 1-брана Мембрана — 2-брана Наша Вселенная — 3-брана в многомерном пространстве
3-мерная брана в пространстве с большим числом протяженных измерений
Все известные кванты полей имеют спин = 1 И объясняет, почему гравитационное взаимодействие такое слабое: гравитоны распространяются в большем числе измерений и лишь пересекают нашу 3-брану.
Сила взаимодействия убывает как где х – размерность пространства 2 -мерный мир 3-мерный мир 4-мерный мир
Свернутые дополнительные измерения Протяженные дополнительные измерения Обычные частицы Гравитон
The Graviton is free to escape the membrane while the electron is tied down
«Изогнутая Вселенная» Свет распространяется только по бране. Гравитация может проходить между слоями браны коротким путем через другие измерения. Гравитация от соседних слоев – темная материя?
Сближение бран Большой Взрыв
Предполагается, что все существующие на сегодня струнные теории являются вариантами одной – М-теории
Статьи об элементарных частицах Википедии: Классификация известных и гипотетических элементарных частиц http://ru.wikipedia.org/wiki/Список_частиц http://en.wikipedia.org/wiki/Elementary_particle Популярное изложение Стандартной модели http://sharpc.livejournal.com/26697.html Перевод английского сайта по теории струн http://astronet.ru/db/msg/1199352
Robert Myers. Adventures with Superstrings http://www.perimeterinstitute.ca/pifiles/the_superstring_adventure.ppt В лекции использованы отдельные слайды из презентации Рисунки из книги Брайана Грина «Элегантная Вселенная» http://physics-vargin.net/books/popul/vselennaya/greene.rar
Вы можете свободно Использовать данную презентацию в образовательных целях с сохранением авторства. Использовать рисунки и отдельные слайды в своих презентациях и на сайтах со ссылкой на данный сайт или автора. Авторские права Вы НЕ имеете права Копировать, распространять или использовать ее другим способом для извлечения коммерческой выгоды. Выкладывать на интернет-сайтах для скачивания. Использовать слайды, текст и авторские рисунки без ссылок, выдавая их за свои. © М.А. Волошина 2009 http:// biologii.net Вы скачали данную презентацию с сайта Biologii.Net, согласившись с тем, что Если вы не согласны с этими условиями, удалите презентацию с вашего компьютера.
