Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее

Светимость Солнца: L€ = 3,826(8).10²⁶ Ватт

Видимая звездная величина Солнца: M_€ = -26,77

Абсолютная звездная величина Солнца: M_€= 4,79

Масса Галактики: М_гал » 1,5.10¹¹ М€

Радиус Галактики: R_гал » 2.10⁴ пс

Радиус ядра Галактики: R_ядра » 10 пс

3. Единицы времени, расстояний и энергии

Характерное космологическое время: T = 1/H = 1,96.10¹⁰ лет (при значении функции Хаббла Н = 50 км/сМпс)

Сидерический год: 1 год = 3,1558.10⁷ с » .10⁷ с

Галактический год для Солнца: 1 гал. год » 2,75.10⁸ лет

Астрономическая единица: 1 а. е. = 1,4959787066(2).1011 м » 1,5.10⁸ км (среднее расстояние между Землей и Солнцем)

Световой год: 1 св. г. = 9,46.10¹⁵ м? 6,324.10⁴ а.е. = 0,3066 пс

Парсек: 1 пс = 3,0856775806.10¹⁶ м? 3,2616 св. г.? 2,06.10⁵ а.е.

Ангстрем: 1 A = 10^–10 м

Электронвольт: 1 эВ = 1,60217733(49).10^–19 Дж

Джоуль (единица энергии в СИ): 1 Дж = 10⁷ эрг? 6,24.10¹⁸ эВ

Ватт (единица мощности в СИ): 1 Вт = 1 Дж/с = 10⁷эрг/с

4. Приставки для образования производных единиц

Атто (а) — 10^{– 18}

фемто (ф) — 10^{– 15}

пико (п) — 10^{– 12}

нано (н) — 10^{– 9}

микро (мк) — 10^{– 6}

милли (м) — 10^{– 3} с

анти (с) — 10^{– 2}

деци (д) — 10^{– 1}

дека (да) — 10¹

гекто (г) — 10²

кило (К) — 10³

мега (М) — 10⁶

гига (Г) — 10⁹

тера (Т) — 10¹²

пета (П) — 10¹⁵

экса (Э) — 10¹⁸

Таким образом, наносекундные импульсы имеют характерную длительность 10^{– 9} секунды, сантисветовая ракета способна достичь скорости 10^{– 2} с » 3.10⁸ см/с, а «Тэвный ускоритель» соответствует энергиям разогнанных в нем элементарных частиц порядка 10¹² эВ. Слова типа «микромир» (для элементарных частиц) или «мегамир» (для космических масштабов — от галактик и выше) употребляют просто по традиции, не связываясь соответствующими множителями.

5. Планковская система единиц

Длина: l_P = 2G ћ /c³ » 2,286.10^–33 см

Время: t_P = 2G ћ /c5 » 7,624.10^–44 с

Скорость: v_P = c » 2,998.10⁸ м/с

Масса: m_Р = ћ c /2G » 1,540.10^{– 8} кг

E_P = m_Рc² = ћ c⁵ /2G » 1,384.10⁹ Дж = 8,637.10²⁷ эВ

Мощность L_P = c⁵/2G » 1,815.10⁵⁹ эрг/с = 1,815.10⁵² Ватт (светимость):

Частота: _P = c⁵ /2G ћ » 1,312.10⁴³ c^{– 1}

Температура: T_P = E_P/k =k^{– 1} ћ c⁵ /2G » 1,002.10³² K

Плотность массы: _P = m_Р/4 l_P³ /3 = 3c⁵/16 ћG2 » 6,158.10⁹² г/см³

Ускорение: a_P = v_P/ t_P = c7 /2G ћ » 3,932 .10⁵¹ м/с² » 4.10⁵⁰_g~a

Сила: F_P = c4/2G = 6,053.10⁴³ Н

Используя планковскую систему, нетрудно представить все уравнения физики в полностью безразмерной форме — все входящие в них величины приобретают абсолютный масштаб. Формально это можно сделать, полагая ћ = с = 2G = к_Больц = 1. Читатель, затративший некоторое время на такую работу, будет вознагражден хотя бы довольно ясным ощущением того, что все наши знания о мире звезд и элементарных частиц соответствуют обломкам какой-то правильной теории, точнее, ее пределам при x » l_P, t » t_P, L « L_P, 1/2 « 1/2 _P и т. п. Единственный параметр, по которому современная физика умеет приближаться к планковской области — скорость (v (c). Разумеется, в физике, химии и биологии довольно свободно обращаются с массами m ~ m_P » 15 микрограмм (водяная капелька радиусом порядка 0,15 мм), но по всем остальным параметрам (плотность, температура, размер и т. д.) соответствующие объекты крайне далеки от планковской области, и пока даже непонятно, может ли обусловить близость массы объекта к m_P какие-то особые эффекты в макроскопическом мире. Удивительна, например, близость описанной водяной капельки к характерным параметрам биологических клеток (характерный размер одноклеточного эукариота, амебы, порядка 0,1 мм).

Пpиложeниe 2 Элементарные частицы и фундаменатальные силы

До сих пор все выглядит так, как если бы было построено по принципу колесиков внутри колес, мы ищем самое сокровенное колесико. Но все может быть совсем не так. И тогда вы ищете, не зная, что за чертовщина вам попадется.

Р. Фейнман

1. Классификация

Под элементарными частицами подразумеваются объекты, из которых на современном уровне эксперимента не выделены какие-либо более простые и самостоятельно регистрируемые сущности. Такое определение позволяет включить в число элементарных частиц все объекты, реально интересующие физику высоких энергий, не ограничиваясь теми, которые пока считаются бесструктурными (фотон, лептоны, кварки, глюоны). Первая элементарная частица (электрон) была открыта в 1897 г. английским физиком Дж. Дж. Томсоном, и несколько сотен аналогичных частиц, обнаруженных с тех пор, можно назвать «кирпичиками мироздания» — похоже, что из них построено все вещество наблюдаемой Вселенной. Неуверенность, что это вещество построено только из них, и подозрение, что они сами выстроены из чего-то более простого и фундаментального, исключительно сильно стимулируют исследовательскую активность.

Элементарные частицы характеризуются рядом параметров — таких, как масса, собственный момент количества движения (спин), заряды, с помощью которых обычно описывается взаимодействие и (или) законы сохранения [205] . Если частица нестабильна, то есть самопроизвольно распадается в вакууме, то по известным схемам распада вычисляют ее время жизни, и оно должно полностью выражаться через фундаментальный набор констант.

Собственный момент количества движения (спин) всегда дается в единицах постоянной Планка ћ. Частицы, чей спин выражается в целых значениях ћ (0, ћ, 2ћ и т. д.), называют бозонами (в честь индийского физика Шатьендраната Бозе), а в полуцелых (ћ/2, 3ћ/2 и т. д.) — фермионами (в честь итальянского физика Энрико Ферми).

205

Массы частиц можно выражать в граммах или килограммах, однако это не очень удобно. Поэтому используют специальные энергетические единицы электронвольт и его производные (чаще всего 1 МэВ = 10⁶ эВ и 1 ГэВ = 10⁹ эВ), в масштабе которых величины mс² не имеют слишком больших или слишком малых множителей.

Электрический заряд всегда задают в единицах заряда электрона, а для описания электромагнитных взаимодействий удобна безразмерная величина = e²/ ћc » 1/137, так называемая постоянная тонкой структуры Аналогичные константы для описания сильных взаимодействий в 100 — 1000 раз больше. Для слабого взаимодействия вводится универсальная постоянная Ферми G_F » 10^{– 5}. ћ³/m_p²c.

Аналогом постоянной тонкой структуры в гравитационных взаимодействиях служит квадрат отношения массы элементарной частицы к планковской массе (_гр = Gm²/ ћc = 1/2 (m/m_P)²). Некоторым частицам приписывают заряды, не имеющие динамического смысла, необходимые лишь для того, чтобы характеризовать сохранение частиц определенного сорта в реакциях. Так вводят, например, барионный заряд, полагая, что в любой реакции разность между числом барионов и антибарионов постоянна.

Калибровочные бозоны [206] — частицы со спином единица, переносчики электрослабого взаимодействия. В это семейство входят фотон (от греч. pћotos — частица света) — безмассовый квант электромагнитного поля (экспериментальное ограничение m меньше 3.10^–33 МэВ) и открытые совсем недавно промежуточные бозоны — два заряженных W⁺ и W^– (m_w = 80,6 +- 0,4 ГэВ) и один нейтральный Z0 (mZ = 91,161 +- 0,031 ГэВ). Фотон стабилен. W- и Z-бозоны, самые тяжелые из известных частиц, распадаются на лептон-антилептонные пары, однако их времена жизни оцениваются пока весьма приближенно ~ (2? 3) 10^–25 с).

206

Здесь и в дальнейшем данные заимствуются из «Обзора свойств частиц», составленного международной группой по данным о частицах (Particle Data Group, «Review of Particle Properties», Pћysics Letters, В 239, April, 1990).