Размещено на http://www.allbest.ru/

Эволюция ранней вселенной и квантовая лестница еe структурного морфогенеза

Современная физика установила, что Мир, в котором мы живем, возник миллиарды лет назад. В первые минуты рождающаяся Вселенная бурно развивалась и продолжает эволюционировать. Эта тема, связанная с возникновением и эволюцией нашей Вселенной, в учебном курсе физики в методическом плане обсуждена и рассмотрена нами в [1] .

В этой заметке в развитие концепции, изложенной в [1], рассмотрен структурно-формирующий фактор эволюционного развития Вселенной. Около пятнадцати миллиардов лет назад Природой был проведен удивительный «эксперимент», установивший натурную взаимосвязь между космологией и физикой элементарных частиц, а точнее, установивший единство всей физики. В основе этого физического единства лежит универсальный (мировой) физический вакуум, имеющий квантово-релятивистские свойства. Произошло явление, которое в рамках современной космологии назвали Большим Взрывом. Факт его осуществления неопровержимо подтверждается большим комплексом наблюдательно-эмпирических данных космологии.

В настоящее время концепция Большого Взрыва в астрофизике и космологии подтверждена столь же хорошо, как и небесная гравидинамика во всех ее проявлениях. На основе реальных наблюдений и содержательных теоретических положений в последние три десятилетия разработана стандартная космологическая модель Вселенной (СКМВ), выводы и следствия которой в деталях согласуются с результатами очень большого множества астрофизических наблюдений и экспериментов. На основании этой модели сейчас мы знаем, что материя, образовавшаяся в результате Большого Взрыва, в начальной стадии своего существования представляла собой чрезвычайно плотную () и чрезвычайно «горячую» (К) космическую плазму [2].

Расширяясь и остывая, этот колоссальный космический фаербол От англ. fireball - «огненный шар». (а точнее вся та «весомая материя», родившаяся за счет неравновесной энергетики вакуума) в силу действия естественных законов квантово-релятивистской физики прошла серию фазовых превращений, которые регулировались внешними и «внутренними» () симметриями вакуума.

Схематически картина этой временной эволюции нашей Вселенной на ранних этапах ее развития представлена на рис. 1.

Рис. 1. Температурная шкала на диаграмме представлена в логарифмическом масштабе, а временная координатная ось - упорядоченными временными метками, отсчитываемыми от момента создания Вселенной. Символами SU (n) обозначены соответствующие группы «внутренних» симметрий элементарных частиц, которые управляли трансформационными процессами их рождения и превращения

Исследование свойств сверхплотной и сверхгорячей космической плазмы показало [3]: согласно единой теории калибровочных взаимодействии, при остывании она должна была пройти ряд фазовых превращений, что, оказывается, равносильно структурной перестройке физического вакуума. Остывающий вакуум прошел три характерных фазовых превращения, отвечающих следующим значениям физических параметров:

(1)

квантовая лестница космическая плазма

где - характерная энергия элементарного возбуждения вакуума; Т - характеристическая температура космической плазмы; - характерное время эпохи соответствующего фазового превращения, отсчитываемого от момента «творения» Вселенной.

Когда температура физического вакуума стала порядка , в результате фазового превращения единое электрослабое взаимодействие расщепилось на «самостоятельно» действующие слабое и электромагнитное. При температуре произошло расщепление единого кварк-лептонного взаимодействия на сильное и электрослабое. Согласно эвристической концепции супервеликого объединения, при температурах планковского масштаба, то есть при во вселенскую игру вступает суперфизика, которая и объединяет все феноменологические типы взаимодействий, включая и гравитационное.

Следует отметить, что концепция электрослабого объединения в настоящее время достоверно подтверждена экспериментами, доступными современной экспериментальной физике высоких энергий. Теория великого объединения (т.е. - симметрия) подтверждена только некоторым рядом теоретических и экспериментальных фактов и результатов. Концепция же супервеликого объединения (- симметрия) сейчас находится в состоянии разумной, но не подтвержденной прямыми экспериментами научной гипотезы [4]. Чрезвычайно сильным «эмпирическим» аргументом в пользу правомочности последней является сам факт рождения и существования нашей Вселенной! И в этом обстоятельстве нет ничего парадоксального. Для объективации подобного научного факта Человеку желательно было бы заглянуть за сакраментальный планковский предел [эВ и м].

Однако Природа такой уникальный шанс в нашей Вселенной реализовала всего лишь единственный раз, причем при таких обстоятельствах, когда никакого «наблюдателя» в физической реальности в принципе быть не могло. Тем не менее, несмотря на это обстоятельство, от грандиозного вселенского «эксперимента» по имени Большой Взрыв в нашей Вселенной остались специфические «следы» - продукты жизнедеятельности горячей Вселенной. Например, осталось и действует космологическое «эхо» Большого Взрыва, наличествующее в настоящую эпоху Вселенной в виде изотропного реликтового электромагнитного излучения, равномерно наполняющего всю Вселенную [5].

С фактом рождения и развития нашей Вселенной связано еще одно обстоятельство и условие. Важнейшим фактором, определившим характер развития Вселенной, является квантованность действия, которая применительно к квантово-релятивистским трансмутациям элементарных частиц представляется следующим обобщенным соотношением неопределенностей:

, (2)

где - масштаб энергетических вариаций, проявляющихся в соответствующей структурной нише стабильной материи; - характерный пространственный масштаб, соответствующей области пространственной локализации структурированых элементов «весомой материи». Это соотношение, обусловленное проявлением и действием фундаментальных принципов квантово-релятивистской физики, определяет энергетические и пространственные масштабы вариаций материализованных структур, которые возникают из физического вакуума и фиксируются на определенной энерго-пространственной «ступеньке» структурного облика Мира.

Ниже на рис. 2 приведена энерго-пространственная диаграмма такой структурной организации нашей Вселенной, называемой «квантовой лестницей».

Рис. 2. Квантовая лестница. Ее структура реализуется на основе соотношения неопределенностей , где - характерная энергия возбуждения (в электрон-вольтах) «элементарных» структурных единиц соответствующей области микромира, - величина их пространственного масштаба, измеряемая в метрах. Диаграмма построена в логарифмическом масштабе. Отдельные секторы диаграммы представляют различные структурные уровни физического мира: 1 - молекулярный, 2 - атомный, 3 - ядерный, 4 - барионный, 5 - электрослабых взаимодействий, 6 - великого объединения, 7 - супервеликого объединения, 8 - субпланковской физики. Числовые значения физических параметров, представленных на диаграмме, имеют приблизительный, оценочный характер. эВ, м -соответственно планковский предел для энергии возбуждений и пространственный масштаб, с которого начинается субпланковская физика

Расширяясь и остывая после Большого Взрыва, Вселенная в результате действия условия (2) стала формировать ряд разрешенных структурно различных образований (или фаз) материи. В процессе эволюционного развития возникновение каждой новой ступени мировой квантовой лестницы происходило путем определенных фазовых превращений космической плазмы. Этот процесс образования все новых и новых форм материи шел закономерно и последовательно.

Каждая ступень квантовой лестницы имеет отношение к явлениям, которые характеризуются совершенно особыми свойствами и, следовательно, представляют собой отдельную область физики. Каждая ступень отличается от соседних совершенно различными по порядку величины энергиями и пространственными размерами структурных образований - . Квантовая лестница позволяет шаг за шагом раскрыть структурное строение окружающего нас мира. Сейчас достоверно известны и хорошо изучены несколько ее ступеней, в частности:

1) атомная ступень с характерными энергиями квантовых переходов порядка и типичными размерами ;

2) ядерная ступень, где и ;

3) субъядерная ступень, где и .

Кроме этих, на квантовой лестнице (ниже энергии атомов) имеются еще две ступени, очень важные для возникновения и развития феномена жизни, - это молекулы и макромолекулы. Чем меньше энергия на квантовой лестнице, тем более ярко выраженной становится специфичность соответствующих структур: …барионы и мезоны ядро атом молекула макромолекула жизнь.

Существование квантовой лестницы имеет глубокий физический смысл: более тонкая (мелкомасштабная) структура вещества не проявляет себя и не участвует в энергетическом обмене до тех пор, пока средняя «тепловая» энергия не достигнет соответствующего уровня энергии квантового возбуждения. Так, при исследовании явлений на уровне энергии атомов никак не проявляется внутренняя структура ядер, а в изучении газов при нормальных температурах и давлении - внутреннее строение атомов. Иными словами, объект, имеющий внутреннюю структуру с точки зрения более высокой энергетической ступени, оказывается бесструктурным во всех явлениях на любой низшей ступени, поскольку энергии, характерные для этих ступеней, меньше энергии его возбуждения (атом является элементарной частицей в газовой кинетике, ядро - в атомной физике и т.д.). В пределах же каждой ступени имеется обширная спектроскопия с характерным расстоянием между уровнями энергии порядка [6, 7].

Фактор структурного морфогенеза различных форм стабильной материи, последовательно и закономерно возникавших в процесс космологической эволюции нашей Вселенной, является базовым онтологическим положением, которое должно лежать в основе обобщающей общефизической темы школьного курса физики - «Современная физическая картина мира».

Методологическая и методическая идея, представленная фактором «квантовой лестницы» Мира, становится как конструктивным, так и онто-дидактическим положением, позволяющим объединить в единую концептуальную систему весь комплекс основополагающих квантовых принципов, используемых при построении раздела «Квантовая физика» современного школьного курса физики [1].

Безусловно, настоящая заметка представляет только эскизный набросок соответствующей методической канвы, которая с необходимостью должна быть вплетена в содержательную компоненту современного курса квантово-релятивистской физики как школы, так и вуза.

Литература

1. Марков В.Н., Пухов Н.М. Современная физика: Концептуальные и методические основы изучения. - Тамбов: Изд-во Тамбовского университета им. Г.Р. Державина, 2007.

2. Линде А.Д. Физика элементарных частиц и инфляционная космология. - М.: Наука, 1990.

3. Киржниц Д.А., Линде А.Д. Фазовые превращения в физике элементарных частиц и космологии // Наука и Человечество. 1982. - М.: Знание, 1982.

4. Грин Б. Элегантная Вселенная. - М.: УРСС, 2005.

5. Лауреаты нобелевских премий за 2005 год // Природа. - 2007. - № 1.

6. Вайскопф В. Физика в двадцатом столетии. - М.: Атомиздат,1977.

7. Готтфрид К., Вайскопф В. Концепции физики элементарных частиц. - М.: Мир, 1988.

Размещено на Allbest.ru