Слайд 2
Единство материального мира
Формы:
вещественная
энергетическая
структурная
Доказательства:
одинаковость вещественного состава всех известных материальных
объектов
малое число фундаментальных взаимодействий и законов, обнаруживающих единую природу
взаимопревращения
различных видов материи
…
Слайд 3
Фундаментальные взаимодействия
4 вида фундаментальных взаимодействий:
Гравитационное
Между любыми массивными телами
Слабое
Между
кварками
Электромагнитное
Между заряженными телами
Сильное ядерное
Между нуклонами в ядре
и между кварками в нуклоне
Слайд 4
Гравитационное взаимодействие
Гравитация –взаимодействие, заключающееся во взаимном притяжении всех
тел друг к другу
Передается посредством гравитационного поля
Квант поля не
обнаружен
Слайд 5
Отступление: вещество и поле
Две формы материи:
вещество
находится в определенных
точках пространства
поле
находится во всех точках пространства
Проявляются поля в виде
взаимодействия тел, переносимого с конечной скоростью, причем таковое осуществляется посредством возмущений поля
Единица возмущения поля – квант
его удобно представить в виде частицы-переносчика взаимодействия
Слайд 6
Гравитация в механике
В рамках классической механики описывается законом
всемирного тяготения Ньютона:
где G = 6,673·10-11 Н·м2·кг-2 – гравитационная
постоянная
Сильные гравитационные поля описываются ОТО как возмущения пространства-времени
Слайд 7
Электромагнитное взаимодействие
Электромагнитное взаимодействие –взаимодействие электрических зарядов, как покоящихся,
так и движущихся.
Осуществляется посредством электромагнитного поля
Частица-переносчик взаимодействия – фотон
Слайд 8
Кое-что о кварках
Кварк – фундаментальная частица
электрический заряд –
е/3
не наблюдается в свободном состоянии
Предсказан М. Гелл-Манном
Нобелевская премия по
физике, 1969
Свойства кварков:
«аромат» (6 различных)
«цвет» (3 различных): RGB
Слайд 9
Взаимодействие кварков
Сильное взаимодействие
изменяет цвет кварка
Слабое взаимодействие
изменяет аромат
кварка
Слайд 10
Сильное ядерное взаимодействие
Сильное взаимодействие – взаимодействие кварков внутри
элементарных частиц, которое может изменить их цвет
Взаимодействие обеспечивает связь
между протонами и нейтронами внутри ядра
Частица-переносчик – π-мезон, глюон
Слайд 11
Слабое взаимодействие
Слабое взаимодействие – обмен
ароматом между кварками
Ответственно за
β-распад
нейтрона
Частица-переносчик – W+-0-бозон
Свойства:
близкодействующее
переносится массивными частицами
нарушает СP-симметрию природы
Слайд 12
Сравнение фундаментальных взаимодействий
Слайд 13
Симметрия
Симметрия – неизменность структуры и свойств материальных объектов
при каких-либо преобразованиях
Фундаментальное свойство природы!
3 вида симметрии в физике:
С
(charge) – относительно
замены частиц античастицами
P (parity) – относительно замены правого на левое
Т (time) – относительно движения времени
Слайд 14
Теорема СРТ
Теорема CPT утверждает:
Все физические законы инвариантны относительно
одновременного наложения C-, P- и T-симметрий
Другими словами, жизнь в
зеркальном отображении нашей Вселенной текла бы точно так же, как и здесь
Слайд 15
Нарушение симметрии
Если в природе все симметрично, почему существуем
мы с вами?
Ведь в процессе Большого взрыва должно было
появиться одинаковое количество вещества и антивещества
Нарушение СР-симметрии – неинвариантность законов физики относительно операции зеркального отражения с одновременной заменой всех частиц на античастицы
Слайд 16
Таким образом,
некоторые реакции в физике элементарных частиц идут
не так, как их зеркальные отображения!
Нобелевская премия по физике,
2008
Почему в сильном взаимодействии СР-симметрия не нарушается?
Никто не знает…
Как так случилось, что Вселенная полностью состоит из материи?
Никто не знает…
Слайд 17
Закон сохранения энергии
Энергия изолированной (замкнутой) физической системы сохраняется
с течением времени
для каждой конкретной замкнутой системы, вне зависимости
от её природы можно определить некую величину, называемую энергией, которая будет сохраняться во времени
«что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому…» (М. Ломоносов)
Слайд 18
ЗСЭ в механике
Закон сохранения механической энергии
Полная механическая энергия
замкнутой системы тел, между которыми действуют только консервативные силы,
остаётся постоянной:
Т.е., в отсутствие сил трения движение может продолжаться вечно!
Слайд 19
ЗСЭ в термодинамике
Первое начало термодинамики:
Количество теплоты, полученное системой,
идёт на изменение её внутренней энергии и совершение работы
против внешних сил:
невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника
Слайд 20
Закон сохранения импульса
Сумма импульсов всех тел (или частиц)
замкнутой системы есть величина постоянная
для каждой такой системы можно
выбрать величину, характеризующую движение, которая при движении в пустом пространстве сохраняется во времени, а при наличии взаимодействий скорость изменения которой будет определяться суммой приложенных сил
Слайд 21
Закон сохранения момента импульса
Момент импульса замкнутой системы относительно
любой неподвижной точки не изменяется со временем
Момент импульса -
величина, зависящая от того, какова масса вращающегося тела, как она распределена относительно оси вращения и с какой скоростью происходит вращение.
Слайд 23
Мегамир
Мегамир – планеты, звезды, звездные скопления, галактики, метагалактика
(наблюдаемая часть Вселенной) и Вселенная в целом
Масштаб
1 световой год
= расстояние,
проходимое светом за 1 год
300 000 км/с · 31 556 926 с =
9.460528 × 1012 км
1 парсек = 3,26 световых года
Слайд 24
Вселенная
Вопросы:
Откуда взялась Вселенная?
Что происходит со Вселенной сейчас?
Теория:
Общая теория
относительности Эйнштейна
Предполагает расширение Вселенной
Два доказательства расширения Вселенной:
Космологическое красное смещение
Анизотропия
реликтового излучения
Нобелевская премия по физике,
1978, 2006
Слайд 25
Отступление: эффект Допплера
Эффект Допплера - изменение частоты и
длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или
движением приёмника.
Кристиан Допплер, 1842
Слайд 26
Космологическое красное смещение
Э. Хаббл, 1929
Линии спектра водорода в
Галактиках
Водородная лампа
Спектр, излучаемый элементом,
уникален для каждого элемента
Слайд 27
Космологическое красное смещение
Туманность Ориона
Когда мы видим определенный паттерн
линий
в спектре, мы понимаем,
что там присутствует водород
Слайд 28
Космологическое красное смещение
Галактика UGC 12915
Здесь виден тот же
самый паттерн,
но сдвинутый вправо
Слайд 29
Космологическое красное смещение
Галактика UGC 12508
Чем дальше галактика,
тем больше
сдвиг в красную область
Слайд 30
Космологическое красное смещение
Галактика KUG 1750
Чем больше красное смещение,
тем быстрее удаляется галактика
Слайд 31
Космологическое красное смещение
Галактика KUG 1217
Удаление галактик вызвано
расширением
пространства
Слайд 32
Космологическое красное смещение
Галактика IRAS F09159
Красное смещение –
свидетельство
расширения Вселенной
Слайд 33
Теория Большого взрыва
Вселенная расширяется
Если мы повернем время вспять,
Вселенная начнет сжиматься
Настанет такой момент, когда она сожмется в
точку
Проблема сингулярности как начального состояния Вселенной
Слайд 34
Реликтовое излучение
Реликтовое излучение – космическое электромагнитное излучение с
высокой степенью изотропности и со спектром, характерным для абсолютно
чёрного тела с температурой 2,725 К.
А. Пензиас и Р. Вилсон
Нобелевская премия по физике, 1978
Возникновение реликтового излучения:
Отделение излучения от материи через 400 000 лет после Большого взрыва
Слайд 35
Анизотропия реликтового излучения
Анизотропия – разница температуры реликтового излучения
в различных направлениях на небе
Свидетельство неоднородностей распределения материи на
квантовом уровне в первые секунды после Большого взрыва, из которых затем возникла структура Вселенной
Игорь Струков, РЕЛИКТ-1
Дж. Смут, Дж. Мэтер
Нобелевская премия по физике, 2006
Слайд 37
Спектр микроволнового излучения
Спектр совпадает со спектром абсолютно черного
тела
Ранняя Вселенная была равновесно горячей
Не наблюдается притока энергии спустя
~1 месяц с момента появления Вселенной!
Слайд 38
Карта Вселенной (микроволновой спектр)
T = 2,728 K
ΔT=0.1 K
Слайд 39
Карта Вселенной (микроволновой спектр)
T = 2,728 K
ΔT=0.00335 K
Слайд 40
Карта Вселенной (микроволновой спектр)
T = 2,728 K
ΔT=0.000006 K
Слайд 41
Темная материя
Предсказание ОТО:
Во Вселенной больше материи, чем мы
видим
Откуда следует?
Гравитационное линзирование
Проблема скрытой массы
Слайд 42
Гравитационные линзы
Постулат ОТО:
Свет отклоняется в гравитационном поле
Зная теорию,
мы можем посчитать массу линзы
Слайд 43
Темная материя
Чтобы получить такую картинку, необходима масса, в
5 раз большая, чем мы видим
Существует что-то, чего
мы не видим, но что участвует в гравитационном взаимодействии => темная материя
Слайд 44
Что есть темная материя?
Никому не известно!
Поиск темной материи
Барионная
MACHOs
(massive astrophysical
compact halo objects) =
различного рода
невидимые
черные дыры
Небарионная
WIMPs (weakly interactive massive particles) = невзаимодействующие элементарные частицы
Слайд 45
Темная энергия
Теория Большого взрыва предполагает расширение Вселенной
Однако гравитация
– единственная сила, действующая на больших расстояниях, и она
только притягивает
Расширение Вселенной должно смениться ее сжатием?
Как именно расширяется Вселенная?
Слайд 46
Как расширяется Вселенная?
Наблюдение:
Вселенная расширяется
с ускорением!
И это согласуется с
ОТО
Слайд 47
Откуда мы это знаем?
Можно использовать сверхновые типа Ia
как «стандартные свечи»
Что такое «сверхновая Ia»?
Умирающая звезда становится белым
карликом
Слайд 48
Что такое «сверхновая Ia»?
Белый карлик снимает водород со
второй звезды в системе…
Слайд 49
Что такое «сверхновая Ia»?
…и использует его, чтобы взорваться,
как водородная бомба! БУХ!!!
Слайд 50
Что такое «сверхновая Ia»?
Взрыв сверхновой может затмить миллиарды
звезд в Галактике…
Слайд 51
Что такое «сверхновая Ia»?
…и может быть увиден из
далекой-далекой галактики, через много-много лет
Слайд 52
Темная энергия
Расстояние до галактики может быть измерено
из красного
смещения
зависит от степени расширения Вселенной
из наблюдения сверхновых Ia
настоящее расстояние,
которое преодолел свет
Второе расстояние оказывается больше первого!
Вселенная расширяется с положительным ускорением!
Гравитация = притяжение => cуществует что-то, чего мы не знаем – темная энергия
Слайд 53
Темное vs светлое
Темная энергия
73 %
Темная материя
23 %
«Нормальная» материя
4
Слайд 54
Вопросы без ответа
Что послужило причиной Большого взрыва?
Что было
перед ним?
Что есть темная материя и темная энергия?
Слайд 55
Галактики
Галактики – это четко ограниченные гравитационные звездные системы,
включающие также межзвездный газ и пыль, галактическое магнитное поле
и космические лучи.
Слайд 56
Открытие галактик
Э. Хаббл, 1924
Измерил расстояние до M31
(туманности
Андромеды)
и получил величину, много большую диаметра Млечного пути
Туманность
Андромеды
Слайд 57
Виды галактик
Эллиптические (E)
Спиральные (S)
Неправильные (I)
Слайд 59
Скрытая масса
Красное смещение позволяет нам вычислить скорость движения
материи
Мы можем узнать скорость вращения галактик!
Что-то помогает
галактикам
вращаться!
Слайд 60
Млечный Путь
Млечный Путь – спиральная Галактика, в которую
входит наша Солнечная система
Размер:
1011 звезд
Диаметр: ~30 кПк
Масса: 3·1012 масс
Солнца
