Концепции современного естествознания Лекция 6 Квантовая теория поля

Концепции современного естествознания Лекция 6 Квантовая теория поля. Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия. Концепции современного естествознания Лекция 6 Квантовая теория поля. Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия.

Развитие физических теорий в 20 веке электромагнетизм Галилеевский принцип относительности термодинамика Теория гравитации Ньютона Развитие физических теорий в 20 веке электромагнетизм Галилеевский принцип относительности термодинамика Теория гравитации Ньютона Специальная теория относительности Общая теория относительности Квантовая механика Квантовая теория поля

Между 1925– 27 было создано три варианта квантовой механики Вернер Гейзенберг Werner Heisenberg Матричная Между 1925– 27 было создано три варианта квантовой механики Вернер Гейзенберг Werner Heisenberg Матричная механика Эрвин Шрёдингер Поль Дирак Erwin Schroedinger Paul Dirac Волновая механика Квантовая алгебра Оказались математически эквивалентны !

Квантовая механика является предельным случаем квантовой теории поля при низких значениях энергии, когда ее Квантовая механика является предельным случаем квантовой теории поля при низких значениях энергии, когда ее недостаточно для взаимопревращений частиц

Строение атома Современная квантовая модель Строение атома Современная квантовая модель

Квантовая механика дала теоретическое обоснование таблицы Менделеева – почему она именно такая Квантовая механика дала теоретическое обоснование таблицы Менделеева – почему она именно такая

He - + N N + 2 Номер элемента 4 Масса элемента Число протонов He - + N N + 2 Номер элемента 4 Масса элемента Число протонов и нейтронов Число электронов = числу протонов

Если бы протоны и нейтроны были Ø 10 см, то электрон – 0, 1 Если бы протоны и нейтроны были Ø 10 см, то электрон – 0, 1 мм, а атом – 10 км

Спектры излучения атомов – это переходы между энергетическими уровнями т ле ио аф тр Спектры излучения атомов – это переходы между энергетическими уровнями т ле ио аф тр ль У n=2 n=3 n=4 n=5 Спектр водорода n=1 све имый ид В Инф рак рас т ный

Линейные спектры – у раскаленных газов (атомы не взаимодействуют друг с другом) Гелий Ртуть Линейные спектры – у раскаленных газов (атомы не взаимодействуют друг с другом) Гелий Ртуть Азот

Квантовые числа Состояние электрона в атоме полностью задается 4 квантовыми числами Квантовые числа – Квантовые числа Состояние электрона в атоме полностью задается 4 квантовыми числами Квантовые числа – это собственные значения операторов энергии и импульса электрона

n – главное квантовое число Физический смысл: Собственные значения гамильтониана (оператора энергии) Размер орбиты n – главное квантовое число Физический смысл: Собственные значения гамильтониана (оператора энергии) Размер орбиты

n – главное квантовое число n = 1, 2, 3 … 7 Теоретически может n – главное квантовое число 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 В периодической системе n определяет период

l – орбитальное квантовое число l n = 0, 1, … – 1 Физический l – орбитальное квантовое число l n = 0, 1, … – 1 Физический смысл: Собственные значения оператора момента импульса, энергетические подуровни Форма орбитали s p d f

m – магнитное квантовое число m = –l, … 0, … +l Физический смысл: m – магнитное квантовое число m = –l, … 0, … +l Физический смысл: Магнитный момент, ориентация орбиталей в пространстве px py pz

s – спин Физический смысл: Магнитный момент, «вращение» электрона относительно собственной оси Вольфганг Паули s – спин Физический смысл: Магнитный момент, «вращение» электрона относительно собственной оси Вольфганг Паули

s – спин К изумлению Паули, открывшего это число, спин оказался дробным s – спин К изумлению Паули, открывшего это число, спин оказался дробным

Спин = 1 / число оборотов, чтобы частица вернулась в прежнее состояние Электрон надо Спин = 1 / число оборотов, чтобы частица вернулась в прежнее состояние Электрон надо повернуть дважды!

Классификация частиц по спину 1 оборот ½ оборота 2 оборота мезоны Спин = 0 Классификация частиц по спину 1 оборот ½ оборота 2 оборота мезоны Спин = 0 Спин = 1 Спин = 2 Спин = ½ Бозоны целый спин Фермионы Взаимодействие (кванты полей) Вещество

Возможные значения квантовых чисел Название Символ Возможные значения Главное квантовое число n 1, 2, Возможные значения квантовых чисел 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

Принцип запрета Паули В атоме или молекуле два электрона никогда не находятся в одном Принцип запрета Паули В атоме или молекуле два электрона никогда не находятся в одном и том же квантовом состоянии. у каждого электрона свой набор квантовых чисел

Принцип минимума энергии В первую очередь электроны занимают орбитали, имеющие наименьшую энергию Принцип минимума энергии В первую очередь электроны занимают орбитали, имеющие наименьшую энергию

Элементарны е частицы Элементарны е частицы

История открытия 1897 – е, электрон, Томпсон 1919 – р, протон, Резерфорд 1932 – История открытия 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 me), Карл Андерсон На сегодня известно более 400

Характеристики элементарной частицы: масса заряд спин стабильность Стабильны всего 4 частицы – электрон, протон, Характеристики элементарной частицы: масса заряд спин стабильность Стабильны всего 4 частицы – электрон, протон, нейтрино, фотон Нейтрон вне ядра распадается за 12 мин.

1960 -е – протоны и нейтроны имеют внутреннюю структуру – кварки Элементарные частицы Фундаментальные 1960 -е – протоны и нейтроны имеют внутреннюю структуру – кварки Элементарные частицы Фундаментальные Не имеют внутренней структуры Составные Адроны Состоят из фундаментальных, но разделить их на части невозможно

Фундаментальные частицы 3 семейства (поколения) В каждом поколении – Два кварка u Электрон (или Фундаментальные частицы 3 семейства (поколения) В каждом поколении – Два кварка u Электрон (или его аналог) Нейтрино (или его аналог) d – 1 0

Квантовая хромодинамика Сильное взаимодействие Удерживает кварки вместе Переносчик – глюон (8 типов) Квантовая хромодинамика Сильное взаимодействие Удерживает кварки вместе Переносчик – глюон (8 типов)

Квантовая хромодинамика § Каждый кварк имеет один из трех цветов красный синий зеленый § Квантовая хромодинамика § Каждый кварк имеет один из трех цветов красный синий зеленый § Антикварки имеют анти-цвета анти-красный анти-синий анти-зеленый

Частицы из 3 кварков – протон, нейтрон Стабильны только бесцветные комбинации Синий + зеленый Частицы из 3 кварков – протон, нейтрон Стабильны только бесцветные комбинации Синий + зеленый + красный = белый Нейтрон Протон u u d u 1 барион = 3 кварка d d qqq

Частицы из 2 кварков – мезоны Переносят сильное взаимодействие между протонами и нейтронами qq Частицы из 2 кварков – мезоны Переносят сильное взаимодействие между протонами и нейтронами qq 1 мезон = 1 кварк + 1 антикварк π– d синий π+ мезон u антисиний u зеленый мезон d антизеленый Синий + антисиний = белый

3 поколения кварков I II u up – верхний d down – нижний III 3 поколения кварков I II u up – верхний d down – нижний III c charm – очарованный s strange – странный t truth (top) истинный b beauty (bottom) прелестный

Вопросы, на которые пока нет от Почему ровно три цвета? Почему ровно три поколения Вопросы, на которые пока нет от 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?

Два кварка Нейтрино 0 Электрон Мюон – 1 Тау Два кварка Нейтрино 0 Электрон Мюон – 1 Тау

Семейство 1 Семейство 2 Семейство 3 Частица Масса Частиц Масс а а а Электро Семейство 1 Семейство 2 Семейство 3 Частица Масса Частиц Масс а а а Электро 0, 00054 Мюон 0, 11 Тау 1, 9 н <0, 033 Электро < 10– 8 Мюонно <0, 0003 Таун-ное е нейтрин но о о и-кварк 0, 0047 с-кварк 1, 6 t-кварк 189, 0 d-кварк 0, 0074 s-кварк 0, 16 b-кварк Фундаментальные частицы и их массы в массах протона. 5, 2

I II III I II III

Фундаментальные взаимодействия и квантовые теории поля Фундаментальные взаимодействия и квантовые теории поля

Развитие физических теорий в 20 веке электромагнетизм Галилеевский принцип относительности термодинамика Теория гравитации Ньютона Развитие физических теорий в 20 веке электромагнетизм Галилеевский принцип относительности термодинамика Теория гравитации Ньютона Специальная теория относительности Общая теория относительности Квантовая механика Квантовая теория поля

Квантовая механика СТО НЕрелятивистская Движение частиц – дискретность Эл-магн. поле – непрерывность (ур-я Максвелла) Квантовая механика СТО НЕрелятивистская Движение частиц – дискретность Эл-магн. поле – непрерывность (ур-я Максвелла) Не описывает превращения частиц 30 - 40 -е годы Квантовая теория поля релятивистская дискретность поля (любого) Поле – это тоже частицы – переносчики взаимодействия

Фундаментальные взаимодействия Сила Между какими для Е~1 Гэ. В частицами Кванты поля Сильное Кварки, Фундаментальные взаимодействия Сила Между какими для Е~1 Гэ. В частицами Кванты поля Сильное Кварки, нуклоны 1 глюон 0 g Электромагнитное Имеющие заряд 10– 2 фотон 0 γ Слабое Гравитация уменьшение силы Все 10– 6 Все 10– 39 бозоны 86, 97 W+ W– Z Гравитон G 0

Кванты поля частица mc 2 (Ge. V) g фотон 0 0 1 W± векторные Кванты поля частица mc 2 (Ge. V) g фотон 0 0 1 W± векторные бозоны 79. 8 ± 1 1 91. 2 0 1 глюоны 0* 0 1 сильное гравитон 0 0 2 гравитация Z 0 g q спин взаимодействие электромагн. слабое

Фермионы вещество Бозоны кванты поля массовые Фундаментальные частицы безмассовые Фермионы вещество Бозоны кванты поля массовые Фундаментальные частицы безмассовые

Бозон Хиггса Частица, отвечающая за появление массы у W± и Z бозонов Питер Хиггс Бозон Хиггса Частица, отвечающая за появление массы у W± и Z бозонов Питер Хиггс придумал этот бозон в 1965 Если слабое и электромагнитное взаимодействия – одно и то же, то эти бозоны не должны иметь массы, как и фотон НЕ ОТКРЫТА

Large Hadron Collider 8. 5 км Large Hadron Collider 8. 5 км

Радиус действия Сильное До 10 -15 м (Ø ядра) Электро магнитн ое Не ограничен Радиус действия Сильное До 10 -15 м (Ø ядра) Электро магнитн ое Не ограничен Слабое ~10 -18 м (0. 1% Ø протона) Гравита Не ограничен Время протекан ия*) Где Связь нуклонов в ~10 -23 с ядре и кварков в нуклонах Между ~ 10 -20 с. любыми зарядами ~ 10 -10 с β-распад Не ограниче Между любыми

1967 Абдус Салам Шелдон Глэшоу Стивен Вайнберг Теория единого электрослабого взаимодействия 1967 Абдус Салам Шелдон Глэшоу Стивен Вайнберг Теория единого электрослабого взаимодействия

Как возможно объединение взаимодействий и их теорий? Энергия X, Y бозоны? 1015 Гэ. В Как возможно объединение взаимодействий и их теорий? Энергия X, Y бозоны? 1015 Гэ. В глюон 102 Гэ. В W+ бозоны W– Z фотон Eсвязи ē ≈10– 8 Гэ. В глюон Eсвязи ядер ≈10– 2 Гэ. В

Гравитация Сильное Е = 100 Гэ. В T = 1016 К R = 10– Гравитация Сильное Е = 100 Гэ. В T = 1016 К R = 10– 16 см Слабое Е = 1015 Гэ. В T = 1029 К R = 10– 29 см Единое суперсимметрич ное взаимодействие Великое объединение Электрослабое Электромагнитное Е = 1019 Гэ. В T = 1033 К R = 10– 33 см Планковская энергия Планковская длина

Теории фундаментальных взаимодействий Классические Квантовые Электро. Максвелл КЭД магнитное Слабое Сильное Гравитация нет Ньютон Теории фундаментальных взаимодействий Классические Квантовые Электро. Максвелл КЭД магнитное Слабое Сильное Гравитация нет Ньютон Электрослабого взаимодействия Квантовая хромодинамика ОТО Великое Объединение Стандартная модель Теория всего? = струны?

Взаимопревращения частиц Взаимопревращения частиц

Поль Дирак – предсказание античастиц Античастица – те же масса и спин, Отличается знаками Поль Дирак – предсказание античастиц Античастица – те же масса и спин, Отличается знаками характеристик взаимодействия (электрический и цветовой заряд). e– +mc 2 0 Для каждой частицы – 1 анти Анти-электрон = позитрон Открыт Андерсоном в 1932 - mc 2 e+

Е > 2 mc 2 e– e– +mc 2 0 0 - mc 2 Е > 2 mc 2 e– e– +mc 2 0 0 - mc 2 e+ Рождение пары частица-античастица e+ Аннигиляция пары частица-античастица

Аннигиляция частиц и рождение частиц с массой из безмассовых квантов поля означали взаимопревращение вещества Аннигиляция частиц и рождение частиц с массой из безмассовых квантов поля означали взаимопревращение вещества и энергии, их эквивалентность

Бэта-распад Нейтрон Протон u d d u WЭлектрон e Анти-электронное нейтрино ne Бэта-распад Нейтрон Протон u d d u WЭлектрон e Анти-электронное нейтрино ne

Квантовая космология Квантовая космология

Квантовая космология Почему частицы и взаимодействия именно такие? Моделирование возможных сценариев (множественные Вселенные) Мир Квантовая космология Почему частицы и взаимодействия именно такие? Моделирование возможных сценариев (множественные Вселенные) 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

Физический вакуум Физический вакуум

Вакуум Состояние поля с минимальной энергией (не нулевой!) Виртуальные частицы Вакуум Состояние поля с минимальной энергией (не нулевой!) Виртуальные частицы

Квантовый вакуум Заполнен полями, соответствующими каждому типу частиц. Поле – потенциальная возможность рождения частицы. Квантовый вакуум 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– 33 см длина ≈ 10− 5 г масса ≈ Планковская система единиц ≈ 10– 33 см длина ≈ 10− 5 г масса ≈ 10– 43 с время ≈ 1019 Гэ. В энергия

Планковская черная дыра ≈ 10– 33 см Радиус Шварцшильда для частицы с Планковской массой Планковская черная дыра ≈ 10– 33 см Радиус Шварцшильда для частицы с Планковской массой длина ≈ 10− 5 г масса ≈ 1019 Гэ. В энергия

Планковская длина ~ 10– 33 см Противоречие с ОТО Планковская длина ~ 10– 33 см Противоречие с ОТО

Теория струн Теория струн

Как устроены частицы, если смотреть на них с Планковских масштабов? Элементарные частицы ( 10─17 Как устроены частицы, если смотреть на них с Планковских масштабов? Элементарные частицы ( 10─17 м ) Струны настолько же меньше частиц, насколько частицы меньше нас

Главная идея: частицы – не точечные объекты, а одномерные протяженные электрон фотон Могут быть Главная идея: частицы – не точечные объекты, а одномерные протяженные электрон фотон Могут быть замкнутыми и открытыми

Частота колебаний энергия частицы Частота колебаний энергия частицы

Протяженность делает взаимодействие частиц «размазанным» - нет одной «точки соприкосновения» (релятивистский эффект) Протяженность делает взаимодействие частиц «размазанным» - нет одной «точки соприкосновения» (релятивистский эффект)

Еще одна идея – пространство на микроуровне имеет больше измерений Скрытые размерности Еще одна идея – пространство на микроуровне имеет больше измерений Скрытые размерности

1919 Геометрия скрытых размерностей Теодор Калуца Оскар Клейн Theodor Kaluza Oskar Klein 1919 Геометрия скрытых размерностей Теодор Калуца Оскар Клейн Theodor Kaluza Oskar Klein

Два дополнительных измерения, свернутые в сферу на плоскости Два дополнительных измерения, свернутые в сферу на плоскости

Пространство Калаби-Яу 10 пространственных измерений: 3 обычных и 7 свернутых Пространство Калаби-Яу 10 пространственных измерений: 3 обычных и 7 свернутых

Дополнительные 6 свернутых измерений (Калаби-Яу) Дополнительные 6 свернутых измерений (Калаби-Яу)

Браны – протяженные p-мерные объекты Материальная точка — 0 -брана Струна — 1 -брана 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 3 -мерная брана в пространстве с большим числом протяженных измерений

Теория струн предсказывает существование гравитона – частицы со спином 2 Все известные кванты полей Теория струн предсказывает существование гравитона – частицы со спином 2 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.

Гравитация Сила взаимодействия убывает как 2 -мерный мир 3 -мерный мир где х – Гравитация Сила взаимодействия убывает как 2 -мерный мир 3 -мерный мир где х – размерность пространства 4 -мерный мир

Свернутые дополнительные измерения Протяженные дополнительные измерения Обычные частицы Гравитон Свернутые дополнительные измерения Протяженные дополнительные измерения Обычные частицы Гравитон

The Graviton is free to escape the membrane while the electron is tied down 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 «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 Сближение бран Большой Взрыв

Предполагается, что все существующие на сегодня струнные теории являются вариантами одной – М-теории Предполагается, что все существующие на сегодня струнные теории являются вариантами одной – М-теории

Источники Статьи об элементарных частицах Википедии: Классификация известных и гипотетических элементарных частиц http: //ru. Источники 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

Слайды и рисунки В лекции использованы отдельные слайды из презентации Robert Myers. Adventures with Слайды и рисунки В лекции использованы отдельные слайды из презентации Robert Myers. Adventures with Superstrings http: //www. perimeterinstitute. ca/pifiles/the_superstring_adventure. ppt Рисунки из книги Брайана Грина «Элегантная Вселенная» http: //physics-vargin. net/books/popul/vselennaya/greene. rar

Авторские права Вы скачали данную презентацию с сайта Biologii. Net, согласившись с тем, что Авторские права Вы скачали данную презентацию с сайта Biologii. Net, согласившись с тем, что Вы можете свободно Вы НЕ имеете права § Копировать, распространять или § 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. 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. Если вы не согласны с этими условиями, удалите презентацию с вашего компьютера. © М. А. Волошина 2009 http: //biologii. net