URSS.ru - Издательская группа URSS. Научная и учебная литература
Об издательстве Интернет-магазин Контакты Оптовикам и библиотекам Вакансии Пишите нам
КНИГИ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ


 
Вернуться в: Каталог  
Обложка Хлопов М.Ю. Космомикрофизика
Id: 166790
 
169 руб.

Космомикрофизика. Изд.3

URSS. 2013. 112 с. Мягкая обложка. ISBN 978-5-397-03432-6.

 Аннотация

Книга посвящена логике становления и перспективам развития науки космомикрофизики, зародившейся на стыке теории элементарных частиц и космологии. На основе теоретического анализа сочетание целенаправленных лабораторных экспериментов, астрономических наблюдений и численного моделирования астрофизических процессов позволяет изучать недоступные прямому экспериментальному исследованию физические представления о фундаментальной структуре микромира и процессах на очень ранней стадии эволюции Вселенной.

Рассчитана на читателей, интересующихся проблемами и достижениями современной физики.


 Оглавление

Введение
1 Теоретическая космомикрофизика
 § 1.Бариосинтез
 § 2.Инфляция
 § 3.Происхождение неоднородностей
 § 4.Скрытая масса
 § 5.Горизонтальное объединение
2 Экспериментальная космомикрофизика
 § 1.Лабораторная космомикрофизика
 § 2.Астромикрофизика
 § 3.Вычислительная космомикрофизика
 § 4.Астрономия элементарных частиц
Заключение
Литература

 Введение

Космомикрофизика -- новая наука, изучающая основы микро- и макромира и их фундаментальную взаимосвязь, проявляющуюся в комплексном сочетании микрофизических, астрофизических и космологических эффектов. Ее появление -- закономерный этап развития космологии и физики элементарных частиц, которые в своих теоретических построениях и целом ряде фундаментальных положений вынуждены опираться на представления, процессы и явления, недоступные прямой лабораторной проверке и требующие, поэтому, косвенных, в том числе и астрономических методов исследования.

Наиболее серьезный барьер в восприятии космомикрофизики -- психологический. Предмет ее исследования необычен вдвойне. В физике элементарных частиц эту науку интересуют еще не известные редкие процессы взаимодействий. В астрономии -- редкие явления или новая интерпретация уже известных фактов. Как всякая экзотика, это привлекает и будоражит воображение. Но в той же мере воспринимается отстраненно, именно как экзотика -- яркая, броская, красивая, но ничего, кроме легкого возбуждения, уму и сердцу не дающая. Не вкладывается в рамки сложившихся стереотипов и другая сторона космомикрофизики -- отсутствие прямых экспериментов по проверке ее представлений, необходимость сочетания разнородных наблюдательных и экспериментальных методов для такой проверки.

Привычная логика развития науки -- ожидание экспериментального подтверждения каждого нового теоретического предположения -- здесь, кажется, не срабатывает, поскольку эти предположения относятся к процессам в мире элементарных частиц, часто недоступным лабораторному изучению, и к стадиям эволюции Вселенной, которые непосредственно не могут фиксироваться в астрономических наблюдениях.

Однако эти барьеры преодолимы. Непривычные понятия быстро усваиваются и становятся общепринятыми и необходимыми, а способ их проверки лишь на первый взгляд разительно отличается от апробированных методов лабораторного исследования.

Возникшая на основе идей великого синтеза фундаментальных сил природы, космомикрофизика по необходимости сочетает в своих построениях анализ с синтезом. В этом ее специфика или, возможно, специфика ее сегодняшнего дня.

Космомикрофизика -- закономерный результат внутреннего развития и физики элементарных частиц, и космологии. Появление этой науки обязано слиянию двух тенденций -- развитию теории элементарных частиц, нетривиальные проявления которой раскрываются только в процессах при сверхвысоких энергиях, и возникновению представлений о новых формах материи, необходимых для самосогласованного описания совокупности наблюдаемых явлений во Вселенной. Отчетливое осознание взаимосвязи между проблемой определения структуры микромира и проблемой обоснования структуры макромира вывело совместное рассмотрение микро- и макромира на новый уровень, на котором эти задачи сливаются, образуя новое качество. В космомикрофизике структура микромира озвучивается гармонией небесных сфер.

Связь представлений о микро- и макромире прослеживается на всех этапах их развития. Долгое время суждения о мироздании и о его первоначалах, составляя единое целое, оставались чисто умозрительными. Источником таких суждений были наблюдения и умозаключения на их основе.

Затем появились оптические приборы, вооружившие глаз наблюдателя. Интересно, что обращение в глубь явлений с помощью микроскопа и расширение взгляда на мир с помощью телескопа было основано на одном и том же физическом принципе. И наверное, не случайно у истоков и физического эксперимента, и оптической астрономии стоит один и тот же ученый -- Галилео Галилей. С этого момента оптическая астрономия и экспериментальная физика стали развиваться самостоятельно. Отчетливо выявилась и их специфика.

Астрономии было дано лишь пристально вглядываться во внешние проявления внеземных объектов, недра которых закрыты для глаз, наблюдать результаты процессов, причины и ход которых неподвластны контролю. В физическом же эксперименте можно дробить объекты исследования, докапываясь до их сути, можно менять начальные условия и контролировать ход процессов. Поэтому не удивительно, что во взаимоотношениях астрономии и физики усиленное внимание уделялось развитию последней, что определяло и прогресс астрономии, и степень осмысления астрономических результатов.

Так, исследованная физикой структура атомов и спектров их излучения вооружила астрономию методами спектрального анализа. Физические законы взаимодействия вещества и излучения легли в основу понимания закономерностей излучения звезд, а развитие ядерной физики открыло астрономам источники энергии этого излучения. Ответные астрофизические знаки благодарности физике можно перечесть по пальцам. Среди них открытие гелия по линиям излучения Солнца и существование уровня возбуждения в углероде, предсказанное теоретически для объяснения термоядерного горения гелия в звездах. Астрофизика, казалось, была обречена лишь на освоение прочно подтвержденных в лабораториях физических законов, на роль своеобразного полигона, преломляющего известные эффекты причудливыми сочетаниями неземных условий, подлежащих изучению.

Однако в 20-е годы XX века мысленному взору Фридмана предстала нестационарная Вселенная, изменчивость которой была затем подтверждена в наблюдениях Хаббла. На месте вечной и неизменной Вселенной открылась картина Вселенной, расширяющейся за конечное время из сверхплотной фазы до современного состояния.

Тем самым астрономия предоставила физике естественный ускоритель, масштабы и значение которого начинают в полной мере осознаваться физикой микромира только сейчас. Создание теории нестационарной Вселенной почти на десятилетие опередило революционный переворот, сделанный в 1930-е годы в представлениях об элементарных частицах.

Выход из мучительных проблем, связанных с сохранением энергии и момента в бета-распаде, с "азотной" катастрофой и загадкой строения ядра, физика микромира нашла в отказе от идеи вечных и неизменных частиц, в переходе к представлениям о возможности их рождения и уничтожения в процессах их взаимодействий. Другой урок, преподнесенный в 1930-е годы, состоял в том, что число элементарных частиц в Природе оказалось значительно больше, чем этого требует простая и экономная картина строения вещества.

Революции в физике элементарных частиц и в науке о Вселенной в целом, космологии, произошли в одно десятилетие, и хотя они охватывали совершенно не пересекающиеся в то время области знания, близость по времени этих двух событий далеко не случайна. Осознание факта нестационарности Вселенной психологически подготовило и смену представлений о свойствах микрочастиц: во Вселенной, за конечное время радикально меняющей свое состояние, вечным и неизменным частицам нет места. Отсюда и смена взгляда на основания физики -- законы сохранения и взаимодействия элементарных частиц.

Так, сохранение электрического заряда становилось не простым следствием сохранения неуничтожимых электрически заряженных частиц, а нетривиальным правилом, определяющим строгий локальный баланс уничтожения и рождения заряженных частиц. Менялось и представление о заряде как мере электромагнитного взаимодействия -- от неотъемлемой характеристики вечной и неизменной частицы к характеристике закона превращения, при котором уничтожение начальной и рождение конечной заряженных частиц сопровождались рождением или уничтожением электромагнитного кванта.

Эта смена представлений содержала богатейший простор для обобщений. Аналогичным образом можно было описать и законы ядерных превращений под действием сильного и слабого взаимодействий. В таких превращениях уничтожение и рождение частиц сопровождаются рождением и поглощением квантов поля сильного или слабого взаимодействий.

Логический шаг к единообразному описанию всех фундаментальных взаимодействий мог бы быть сделан еще в 1930-е годы, но на самом деле для его осуществления потребовалось целых полвека. Трудность пути к построению единой картины всех взаимодействий была связана с необходимостью совместить сходство описания с различием в наблюдаемых свойствах этих взаимодействий. Нужно было объяснить, почему слабое взаимодействие проявляется только на малых расстояниях, превращение каких именно частиц вызывает сильное взаимодействие, и с какими зарядами взаимодействуют кванты его поля.

Ответы на эти и другие вопросы легли в основу современной теории электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий, основанной на симметрии превращений частиц и объясняющей наблюдаемые различия их свойств нарушением этой симметрии. Расширяя симметрию, можно было перейти от единообразия описания разных взаимодействий к их фундаментальному единству. Но такой шаг, поначалу подкрепленный и надеждой на экспериментальное подтверждение распада протона, и жесткой, соответствующей экспериментальным данным, связью зарядов слабого и электромагнитного взаимодействий, означал скачок теории к области сверхвысоких энергий, недоступной прямому экспериментальному изучению.

С этим шагом теория теряла непосредственную опору в экспериментальной физике высоких энергий. От привычной прямой экспериментальной проверки своих предсказаний теория должна была перейти к анализу сочетания косвенных проявлений своих фундаментальных построений. Миру физики высоких энергий, опиравшемуся дотоле на собственные экспериментальные возможности, открылись все допустимые косвенные способы исследования гипотетических явлений, прямое экспериментальное изучение которых не представляется возможным. В этом контексте взаимосвязь физики микромира с космологией приобретает особое значение, становится необходимой опорой развития теории микромира.

Эта взаимосвязь вырастает в необходимую основу развития и современной космологии. Первоначально развитие теории расширяющейся Вселенной проходило относительно самостоятельно. Открытие в 1965 году теплового фона электромагнитного излучения подтвердило выдвинутую Г.Гамовым так называемую горячую модель расширяющейся Вселенной. Современная температура этого излучения мала (  3К), мала и его плотность энергии в сравнении с плотностью энергии покоя атомов, но, прослеживая в прошлое известный закон расширения, мы приходим к картине не только плотного, но и горячего состояния вещества с доминирующей плотностью энергии излучения.

Простые оценки показывают, что в ранней Вселенной вещество и излучение находились в термодинамическом равновесии. Соединение закона расширения Вселенной с законами термодинамики позволило получить логически замкнутую картину космологической эволюции вещества и излучения, в которую элементарные частицы, открываемые физикой высоких энергий, вносили лишь малые количественные поправки. Эта картина превращения радиационно-доминированной горячей плазмы в современную неоднородную структуру вещества, пронизываемую однородным фоновым излучением, качественно подтверждается данными астрономических наблюдений.

Качественно внутренне самосогласованная, эта картина требовала, однако, задания определенных начальных условий при очень высоких температурах и плотностях на очень ранних стадиях расширения Вселенной, наблюдательная информация о которых отсутствует. И для обоснования этих начальных условий космология должна была обратиться к таким предсказаниям теории элементарных частиц, которые оказывались недоступны лабораторной проверке.

На основе именно этих, не проверенных в лабораториях представлений физики микромира, современной космологии удалось обосновать причины расширения и замечательную однородность наблюдаемой части Вселенной, создать теорию инфляционной Вселенной, объяснить ее барионную асимметрию и природу малых начальных неоднородностей, развитие которых привело к образованию современной крупномасштабной структуры Вселенной, количественно согласовать формирование этой структуры с наблюдаемой изотропией реликтового излучения.

Эти успехи современной космологии были достигнуты ценой привлечения в теорию гипотетических форм материи, определивших скрытую массу Вселенной на различных этапах ее эволюции. Тем самым недоступные прямой проверке в астрономических наблюдениях основы современной космологии сливаются с недоступными прямому опыту основами современной теории микромира.

До тех пор пока физика микромира ограничивалась изучением отдельных превращений известных элементарных частиц, обращение к миру в целом в ее теоретических построениях казалось излишним. С другой стороны, знание законов общей эволюции Вселенной также на первый взгляд имеет мало общего с детальными представлениями об отдельных процессах с элементарными частицами.

Но, обращаясь к основаниям и симметрии микромира и начальных условий расширения Вселенной, мы обнаруживаем неразрывную связь физики элементарных частиц и космологии. Фундамент микро- и макромира оказывается единым. Изучение этого единого фундамента во всем многообразии его проявлений и является предметом космомикрофизики.

На пути к единому описанию структуры микро- и макромира космомикрофизика естественным образом сочетает теоретические исследования, вычислительный эксперимент и все возможные способы получения косвенной информации в лабораторных экспериментах и астрономических наблюдениях. Эти составные элементы космомикрофизики имеют свою специфику, к обсуждению которой мы и переходим.


 Заключение

Уже проведенный краткий экскурс по различным аспектам космомикрофизики вселяет надежду на светлые перспективы ее развития. Важнейшим шагом в становлении космомикрофизики как сложившейся области знания станет всестороннее освоение мировой наукой бесценного опыта отечественных исследований в этой области.

Давая единое обоснование разносторонним теоретическим и экспериментальным исследованиям, космомикрофизика стимулирует технологический прогресс для оснащения своей экспериментальной и наблюдательной базы, открывает перспективы поиска новых сил природы, все значение овладения которыми трудно переоценить.

Зародившаяся на основе внутренних логически закономерных тенденций развития космологии и физики микромира, космомикрофизика в своем целостном восприятии структуры микро- и макромира становится естественнонаучным воплощением духа сегодняшнего дня, с его тревогой о мире в целом, с его заботой об органическом сочетании всех деталей. Космомикрофизика обращает фундаментальные исследования к поиску единых оснований гармонии микромира и Вселенной, к открытому для широкого международного сотрудничества соединению мирного космоса с мирным атомом.


 Об авторе

Хлопов Максим Юрьевич -- доктор физико-математических наук, профессор. Автор более 200 научных работ по проблемам космологии, астрофизики и физики элементарных частиц. Ведущий научный сотрудник Института прикладной математики им.М.В.Келдыша Российской академии наук, профессор Московского инженерно-физического института, руководитель научно-учебного центра по космомикрофизике "Космион". Научный руководитель проекта "Космомикрофизика", Международных проектов "Astrobelix", "Astrodamus", "Cosmion-ETHZ" и "AMS-Epcos". Председатель Оргкомитета и ответственный редактор издания трудов 1, 2, 3, 4 и 5 Международных конференций по космомикрофизике "Космион-94", "Космион-96", "Космион-97", "Космион-99" и "Космион-2001".

 
© URSS 2016.

Информация о Продавце