Нерозв’язані проблеми сучасної фізики (до теми «Сучасна фізична картина світу»)

С. С. Сущенко, Л. С. Недбаєвська, МНУ, м. Миколаїв


Як відомо, вивчення шкільного курсу фізики закінчується узагальнювальним заняттям «Сучасна фізична картина світу». На цьому уроці вчитель розкриває еволюцію фізичної картини, виділяє основні її риси, узагальнює знання учнів про матерію, її рух і взаємодію. Пропонуємо включити до плану уроку й питання про нерозв’язані проблеми сучасної фізики. Чому це важливо? Тому що в цьому випадку учні будуть розуміти, що фізична картина світу розвивається й удосконалюється. Окрім цього, учні з цікавістю будуть сприймати матеріал, що стосується проблем, над якими працюють науковці, а деякі з цих проблем можуть викликати в них навіть здивування. Дійсно, хто з учнів не відкривав кран і не спостерігав, як струмок, що витікає з крана, розпадається на хаотичні частинки рідини, які не є вже єдиним потоком? Це і є явищем турбулентності, яке, як виявляється, ще не має переконливої теорії про те, що саме спричиняє турбулентність у рідині і як вона контролюється.

 

Нобелівський лауреат Р. Фейнман назвав турбулентність «найбільш важливою нерозв’язаною проблемою класичної фізики». Турбулентність дуже поширена в природі. Створення її теорії важливе для науковців, тому що дозволяє науці робити кращі прогнози погоди, краще розуміти різні природні явища, а для інженерів — проектувати більш ефективні автомобілі й літаки. Не краща справа й з кульовою блискавкою, природа якої ще залишається невідомою.

Це приклади нерозв’язаних проблем класичної фізики.
 
Метою ж даної статті є розгляд нерозв’язаних проблем сучасної фізики, які безпосередньо пов’язані з формуванням сучасної фізичної картини світу.
 
 
Темна енергія й темна матерія
 
Фізична картина світу буде не повною, якщо не розповісти учням про темну енергію й темну матерію. Розпочати таку розповідь можна з повідомлення про те, що вся відома матерія становить лише 5 % Усесвіту, а решта є «темною» й складається з темної енергії (68 %) і темної матерії (27 %). Про існування невідомого виду енергії з від’ємним тиском стало відомо після того, як у 1998 році науковці відкрили прискорене розширення Всесвіту. Науковці вважають, що причиною прискореного розширення Всесвіту є темна енергія. Від’ємний тиск темної енергії повинен породжувати відштовхування, антигравітацію, а тому спричиняти прискорене розширення Всесвіту.
 
Темна енергія рівномірно розподілена, має низьку густину і, що головне, не взаємодіє зі звичайною матерією засобами відомих фундаментальних взаємодій, окрім гравітаційної.
 
Темна матерія — це гіпотетична форма матерії, яка не здійснює електромагнітне випромінювання й не взаємодіє з ним. Ця властивість темної матерії робить неможливим її пряме спостереження. Висновок про існування темної матерії зроблено на основі численних непрямих (побічних) ознак поведінки астрономічних об’єктів і за гравітаційними ефектами, які вони чинять.
 
Науковці припускають, що темна матерія може складатися з баріонів.
 
Прискорене розширення Всесвіту розпочалося приблизно 5 мільярдів років тому. До цього розширення сповільнювалося завдяки гравітаційній дії темної матерії.
 
Темна матерія й темна енергія є фундаментальними силами космосу, причому темна енергія відштовхує, а темна матерія притягує. Від того, яка із сил переважатиме, вирішиться й доля Всесвіту — буде він розширюватися чи стискатися. Перед науковцями стоїть завдання встановити природу цих сил і правильно спрогнозувати майбутнє нашого Всесвіту.
 
 
Фундаментальні взаємодії
 
Нині відомо чотири типи взаємодій між елементарними частинками, а саме: сильна, електромагнітна, слабка й гравітаційна.
 
Відрізняються між собою відносною інтенсивністю, радіусом і часом взаємодії.
 
Кожна із взаємодій описується своєю теорією. Науковці поставили завдання: створити єдину теорію чотирьох взаємодій елементарних частинок. Спочатку була створена електрослабка теорія, у якій слабку й електромагнітну взаємодії розглядають як два різні прояви єдиної взаємодії. Таке об’єднання настає на відстанях, менших за 10−18м, де слабка взаємодія близька за величиною до електромагнітної. Потім науковці об’єднали теорію електрослабкої взаємодії з теорією сильної взаємодії (квантовою хромодинамікою) у так звану теорію Великого об’єднання. Таке об’єднання відбувається на відстанях, менших за 10−31м. У цій теорії існують тільки лептони й кварки, і, якщо вони наближуються на відстані, менші за 10−31м, то між ними перестає існувати будь-яка відмінність і кварк може перетворитися на лептон, і навпаки. Але ця теорія ще потребує експериментальної перевірки.
 
Зараз науковці активно ведуть дослідження зі створення теорії, яка об’єднала б усі чотири фундаментальні взаємодії, зокрема й гравітаційну.
 
Для об’єднання фундаментальних взаємодій в одну теорію використовують різні підходи: теорію суперсиметрії, теорію супергравітації, теорію суперструн та інші. Наприклад, теорія суперсиметрії об’єднує в одну групу частинки з різними спінами, як із цілим (бозони), так і з напівцілим (ферміони). В основі цієї теорії лежить уявлення про те, що кожна елементарна частинка має значно важчого партнера, або «суперчастинку». Суперсиметрія повинна проявлятися за надвисоких енергій. Ідея суперсиметрії є однією з центральних ідей побудови Єдиної теорії усіх фундаментальних взаємодій. Але жодна із запропонованих науковцями теорій не має ще експериментального підтвердження, оскільки для проведення відповідного експерименту необхідна енергія, яка є недосяжною для сучасних прискорювачів елементарних частинок. Науковці сподіваються, що Великий адронний колайдер зможе підтвердити або спростувати частину цих теорій.
 
 
Елементарні частинки
 
У фізиці елементарних частинок існує теоретична конструкція, яка має назву «Стандартна модель» (рис. 1).
 
Вона описує електромагнітну, слабку й сильну взаємодії всіх елементарних частинок. Ця модель не включає тільки гравітацію.
 
Згідно з цією моделлю вся речовина складається з 24 фундаментальних частинок — ферміонів: 6 лептонів і 6 кварків та 12 відповідних античастинок. Із кварків складаються адрони (мезони й баріони). У природі відсутні вільні кварки. Кварки й лептони є основним будівельним матеріалом Усесвіту.
 
Виділяють три покоління лептонів і три покоління кварків. Від покоління до покоління зростають маси частинок. Ці покоління частинок зображають так:
 
Взаємодія між кварками й лептонами здійснюється за допомогою фундаментальних бозонів — «переносників» взаємодій: для сильної взаємодії — 8 глюонів, для слабкої взаємодії 3 важкі калібрувальні бозони, для електромагнітної взаємодії — фотон. Нещодавно відкритий бозон Гіґґса, взаємодіючи з іншими частинками, наділяє їх масою.
 
До нерозв’язаних проблем фізики елементарних частинок можна віднести такі:
  • ??Чи існують фундаментальні частинки, які ще не спостерігали, і якщо існують, то які вони і які їхні властивості?
  • ??Чи є лептони й кварки істинно елементарними частинками, чи вони також складаються з частинок?
  • ??Чи існує більш ніж три покоління кварків і лептонів?
  • ??Чому взагалі існують покоління?
  • ??Чи існують частинки — носії «магнітного заряду»?
  • ??Скільки бозонів Гіґґса існує?
 
 
Фундаментальні фізичні сталі
 
До фундаментальних фізичних сталих належать гравітаційна стала G, швидкість світла у вакуумі c, стала Планка h, елементарний електричний заряд e, маса електрона me, стала Больцмана k та ін.
 
Фундаментальні константи відображають найбільш глибокі та основоположні властивості світу, який нас оточує. Кожна з фундаментальних сталих входить до ядра якоїсь фізичної теорії, будучи, за висловом М. Планка, «абсолютним центральними пунктами». Навіть самі теорії часто називають за назвою констант, які входять у їхнє ядро. Наприклад, квантову механіку іноді називають ?-теорією.
 
Науковцям необхідно дати відповідь на такі запитання:
  • Чи існує теорія, яка пояснює значення всіх ? ?фундаментальних констант?
  • Чи змінюються з часом фундаментальні фізич ? ?ні константи?
  • Чи можна пов’язати фундаментальні констан ? ?ти одна з одною якоюсь формулою?
 
Це б допомогло створенню Єдиної теорії поля й розв’язанню низки космологічних проблем.
 
Серед інших нерозв’язаних проблем сучасної фізики виділимо декілька таких:
  • Чи являється простір-час неперервним чи він ? ?дискретний?
  • Чи існують у природі додаткові (? ?інші) виміри простору-часу, крім відомих чотирьох?
  • Чому у Всесвіті речовини виявляється більше, ? ?ніж антиречовини?
  • Чи можна гравітаційні хвилі виявити експе ? ?риментально?
  • Чи породжують чорні дірки теплове випроміню ? ?вання? Чи утримує це випромінювання інформацію про внутрішню структуру чорної діри?
 
Наостанок відзначимо, що на заключному уроці-лекції учні повинні одержати деякі уявлення про сучасний стан фізичної науки, відчути, що вивчене в школі — це дуже мала частина того, що відомо сучасній фізиці. Нехай учням захочеться заглянути в цей дивовижний світ сучасних фізичних ідей і нехай у них виникне бажання продовжити фізичну освіту.
   
Dounload PDF

Відгуки читачів

Залиште перший відгук.

Залишити відгук

Ваше ім'я
E-mail (не публікується)
Відгук
Введіть 1021
 
Догори