Таблицы
I. Свойства некоторых элементарных частиц
Свойства некоторых элементарных частиц. Энергия покоя – та, которая высвободится, если всю массу частицы превратить в энергию. Температурный порог – это энергия покоя, деленная на постоянную Больцмана. Это температура, при которой частицы начинают свободно рождаться из находящегося в тепловом равновесии излучения. Эффективное число степеней свободы показывает, какой вклад в полную энергию, давление и энтропию дают рассматриваемые частицы при температуре много большей, чем температурный порог. Это число является произведением трех сомножителей. Первый – 2 или 1 – показывает, есть ли у данной частицы отличная от нее античастица. Второй равен числу всевозможных ориентаций спина частицы. Наконец, третий – 7/8 или 1 – говорит о том, подчиняется ли частица принципу запрета Паули или нет. Время жизни – это средний срок, после которого частица претерпевает радиоактивный распад на другие частицы.
II. Свойства электромагнитного излучения разных диапазонов
Свойства электромагнитного излучения разных диапазонов. Каждому виду излучения соответствует свой диапазон длин волн, приведенный здесь в сантиметрах. Ему в свою очередь соответствует диапазон энергий фотона, выраженный в таблице в электронвольтах. Температура абсолютно черного тела – та, при которой максимум в излучении черного тела приходится на данный диапазон. В таблице она приведена в кельвинах. (Например, Пензиас и Вильсон открыли реликтовое излучение на волне 7,35 см, которая попадает в микроволновый диапазон. Когда же в ядре происходит радиоактивный распад, высвобождаются фотоны с характерной энергией в один миллион электронвольт – т. е. речь идет уже о гамма-излучении. Что касается поверхности Солнца, нагретой до 5800 К, то она излучает видимый свет.) Естественно, четкого разделения на различные виды излучения не существует и границы между диапазонами достаточно условны.
Глоссарий
Абсолютная светимость. Полная энергия, излучаемая небесным телом в единицу времени.
Адрон. Частица, участвующая в сильных взаимодействиях. Адроны подразделяются на два класса: барионы (например, нейтрон и протон) подчиняются принципу запрета Паули, а мезоны – нет.
Ангстрем. Одна стомиллионная сантиметра (10–8 см). Обозначается Å. Типичный размер атома – несколько ангстрем. Длина волны видимого света порядка нескольких тысяч ангстрем.
Античастица. Частица с той же массой и спином, что и у данной, но обладающая противоположными по знаку (и равными по абсолютной величине) зарядом, барионным и лептонным числами и т. д. У каждой частицы есть своя античастица. Исключения – истинно нейтральные частицы, такие как фотон и π-мезон, одновременно являющиеся своими же античастицами. Антинейтрино – античастица нейтрино, антипротон – античастица протона, и т. д. Антиматерия состоит из антипротонов, антинейтронов и антиэлектронов (позитронов).
Асимптотическая свобода. Свойство некоторых теорий сильных взаимодействий, заключающееся в том, что на малых расстояниях силы ослабевают.
Барионы. Класс частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. К барионам относятся, например, нейтрон, протон и нестабильные адроны, известные как гипероны.
Барионное число – полное число барионов в системе за вычетом всех антибарионов.
Видимая светимость. Полная энергия, принимаемая в единицу времени единицей площади от какого-либо небесного тела.
Водород. Самый легкий и наиболее распространенный химический элемент во Вселенной. Ядро обычного водорода состоит из единственного протона. У водорода есть два изотопа – дейтерий и тритий. В любом случае атомы водорода содержат ядро и один электрон. В положительно заряженных ионах водорода электрон отсутствует.
Галактика. Крупное гравитационно связанное скопление звезд, содержащее до 1012 солнечных масс. Говоря о нашей Галактике и Млечном Пути, слово «Галактика» пишут с заглавной буквы. На основе своей формы галактики подразделяются на классы: эллиптические, спиральные и неправильные галактики.
Гелий. Второй по массе и по распространенности химический элемент. Гелий имеет два стабильных изотопа: ядро гелия-4 (4He) состоит из двух протонов и двух нейтронов, а ядро гелия-3 (3He) – из двух протонов и одного нейтрона. Атомы гелия содержат по два электрона.
Гидроксильная группа. Ион ОН–, состоящий из атома кислорода и атома водорода, а также одного дополнительного электрона.
Горизонт. В космологии – расстояние, с которого до нас не дошел еще ни один сигнал. Если Вселенная живет конечное время, то расстояние до горизонта порядка возраста Вселенной, умноженного на скорость света.
Гравитационная постоянная Ньютона. Фундаментальная константа теории гравитации Ньютона и общей теории относительности. Обозначается буквой G. В законе всемирного тяготения Ньютона сила притяжения между двумя телами равна G, умноженной на произведение масс и деленной на квадрат расстояния. В системе СГС гравитационная постоянная равна 6,67 × 10–8 сантиметра в кубе на грамм в секунду.
Гравитационные волны. Волны гравитационного поля, аналогичные световым волнам электромагнитного. Они тоже распространяются со скоростью света – 299 729 км/с. Зарегистрировать эти волны до сих пор никому не удалось, однако их предсказывает общая теория относительности и мало кто подвергает сомнению их существование. Квант гравитационного излучения, аналогичный фотону в электромагнитном, называется гравитоном.
Дейтерий. Тяжелый изотоп водорода (2H). Ядро дейтерия, носящее имя «дейтон», состоит из одного протона и одного нейтрона.
Длина волны. Расстояние между последовательными гребнями волны. Применительно к электромагнитным волнам их длину можно определить как расстояние между точками, в которых любая из компонент вектора электрического или магнитного поля достигает своей максимальной величины. Обозначается буквой λ.
Длина свободного пробега. Среднее расстояние, проходимое частицей между двумя столкновениями в некоторой среде. Средний промежуток времени, проходящий между столкновениями, называется временем свободного пробега.
Закон Рэлея – Джинса. Простое соотношение между плотностью энергии (на единичный интервал длин волн) и длиной волн, справедливой в длинноволновой области планковского распределения, и длиной волны. В этом пределе плотность энергии обратно пропорциональна четвертой степени длины волны.
Закон сохранения. Закон, гласящий, что полное значение некоторой величины во всех процессах остается неизменным.
Закон Стефана – Больцмана. Пропорциональность плотности энергии чернотельного излучения четвертой степени температуры.
Закон Хаббла. Пропорциональность скорости удаления сравнительно близких галактик расстоянию до них. Коэффициент пропорциональности называется постоянной Хаббла и обозначается Н или Н0.
Излучение абсолютно черного тела (чернотельное излучение). Излучение, плотность энергии которого в любом диапазоне длин волн такая же, как и у излучения, испускаемого нагретым телом с идеально поглощающей поверхностью. Излучение, находящееся в тепловом равновесии, является чернотельным.
Изотропия. Свойство пространства, заключающееся в том, что для наблюдателя оно выглядит одинаково во всех направлениях. Предполагается, что Вселенная изотропна.
Инфракрасное излучение. Электромагнитное излучение с длиной волны от 0,0001 см до 0,01 см (от десяти тысяч до миллиона ангстрем), занимающее промежуточное положение между видимым светом и микроволновым излучением. Тела при комнатной температуре испускают в основном инфракрасный свет.
Калибровочные теории. Подающий большие надежды класс теорий поля, с помощью которого ученые пытаются описать слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия. Эти теории сохраняют свой вид (инвариантны) при определенных преобразованиях симметрии, параметры которых меняются в пространстве-времени от точки к точке. Термин «калибровочные» происходит от слова «калибровка», т. е. выбор системы отсчета.
Каталог Мессье. Каталог туманностей и звездных скоплений, составленный Шарлем Мессье. Входящие в него объекты обозначаются буквой «М» и следующим за ней порядковым номером. Например, Туманность Андромеды обозначают как М31.
Квазизвездные объекты. Класс астрономических объектов с очень малыми угловыми размерами, внешне напоминающих звезды, но имеющих большое красное смещение. Иногда их называют квазарами, а те из них, которые испускают интенсивное радиоизлучение, – радиоквазарами. Их подлинная природа остается неизвестной.
Квантовая механика. Фундаментальная физическая теория, развитая в 1920-х гг. взамен классической механики. Волны и частицы в ней – два аспекта единой сущности. Частица, сопоставляемая данной волне, называется квантом. Кроме того, ограниченные системы вроде атомов и молекул могут находиться только в состояниях с определенной энергией. Таким образом, говорят, что энергия квантуется.
Кварки. Гипотетические частицы, из которых, как предполагается, состоят адроны. Одиночные кварки до сих пор никто не наблюдал. Более того, имеются теоретические основания полагать, что свободный кварк нельзя получить в принципе.
Кельвин. Единица измерения температуры, по величине совпадающая с градусом Цельсия, но отсчитываемая не от точки плавления льда, а от абсолютного температурного нуля. Точка плавления льда при давлении в одну атмосферу приходится на температуру 273,15 К.
Космологическая постоянная (лямбда-член). Слагаемое, которое Эйнштейн в 1917 г. добавил в свои уравнения гравитационного поля. Это слагаемое могло бы обеспечить отталкивание на больших расстояниях и тем самым уравновесить силы тяготения в статической Вселенной. Сегодня нет оснований полагать, что космологическая постоянная не равна нулю.
Космические лучи. Заряженные частицы высоких энергий, попадающие в земную атмосферу из космоса.
Космологический принцип. Гипотеза о том, что Вселенная однородна и изотропна.
Красное смещение. Смещение линий в спектре удаляющегося источника в длинноволновую область, вызванное эффектом Доплера. Применительно к космологии говорят о смещении линий в длинноволновую область в спектрах далеких астрономических объектов. Изменение длины волны, взятое по отношению к самой длине волны, обозначается буквой z.
Критическая плотность. Если плотность вещества в современной Вселенной превышает критическую, расширение однажды сменится сжатием. Кроме того, Вселенная при этом имеет конечный объем.
Критическая температура. Температура, при которой происходит фазовый переход.
Лептоны. Класс частиц, не участвующих в сильных взаимодействиях. К ним относятся, например, электрон, мюон и нейтрино.
Лептонное число. Полное число лептонов в системе за вычетом антилептонов.
Максимальная температура. Верхний предел температуры, предсказываемый некоторыми теориями сильных взаимодействий. По оценкам, проведенным в рамках этих теорий, равен 2 триллионам кельвинов.
Масса Джинса. Минимальная масса, при которой силы тяготения могут перебороть давление вещества и привести к образованию гравитационно связанной системы. Обозначается MJ.
Мезоны. Класс частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Включает в себя пи-мезоны, K-мезоны, ро-мезоны и другие частицы с нулевым барионным числом.
Микроволновое излучение. Электромагнитное излучение с длиной волны от 0,01 до 10 см, занимающее промежуточное положение между высокочастотными радиоволнами и инфракрасным излучением. Микроволновое излучение испускают, например, тела, нагретые до нескольких градусов Кельвина.
Млечный Путь. Историческое название полоски звезд на небе, лежащих в плоскости нашей Галактики. Этим именем иногда называют и саму нашу Галактику.
Модель Фридмана. Математическая модель пространства-времени Вселенной, основанная на общей теории относительности (без космологической постоянной) и космологическом принципе.
Мюон. Нестабильная отрицательно заряженная элементарная частица, напоминающая электрон, но в 207 раз тяжелее него. Обозначается буквой μ. Иногда ее называют мю-мезоном, хотя она и не участвует в сильных взаимодействиях.
Нейтрино. Безмассовая электрически нейтральная частица, чувствительная только к слабому и гравитационному взаимодействиям. Обозначается буквой ν. Нейтрино бывают по крайней мере двух видов: электронные () и мюонные ().
Нейтрон. Незаряженная частица, образующая наряду с протоном атомное ядро. Обозначается буквой n.
Нуклоны. Протоны и нейтроны, частицы, составляющие атомное ядро.
Общая теория относительности (ОТО). Теория гравитации, развитая в 1906–1916 гг. Альбертом Эйнштейном. Согласно его теории, основная идея общей теории относительности заключается в том, что гравитационное поле является проявлением кривизны пространственно-временного континуума.
Однородность. Свойство пространства, заключающееся в том, что для всех наблюдателей, где бы они ни находились, оно выглядит одинаково. Предполагается, что Вселенная однородна.
Параметр ускорения. Число, показывающее, насколько быстро замедляется разбегание удаленных галактик.
Парсек. Единица измерения расстояния в астрономии. Определяется как расстояние до объекта, параллакс которого (регулярное годовое смещение по небу, вызванное движением Земли вокруг Солнца) равен одной секунде дуги. Сокращенно обозначается как пк. Один парсек равен 3,0856 × 1013 километров, или 3,2615 светового года. Широко используется в астрономической литературе вместо светового года. Характерная для космологии единица длины – миллион парсек, или мегапарсек, сокращенно обозначаемый Мпк. Постоянную Хаббла обычно приводят в километрах в секунду на мегапарсек.
Пи-мезон. Легчайший из адронов. Бывает трех видов: положительно заряженный пи-мезон (π+), его отрицательно заряженная античастица (π–) и чуть более легкая нейтральная разновидность (π 0). Пи-мезоны иногда называют пионами.
Планковское распределение. Распределение энергии по длинам волн излучения, находящегося в тепловом равновесии, – т. е. чернотельного излучения.
Плотность. Значение некоторой величины в расчете на единицу объема. Массовая плотность – масса в единице объема. Под плотностью часто имеют в виду именно ее. Плотность энергии – энергия в единице объема. Плотность частиц (или концентрация) – количество частиц в единице объема.
Позитрон. Положительно заряженная античастица электрона. Обозначается как e+.
Постоянная Больцмана. Фундаментальная константа статистической физики, связывающая шкалы температур и энергий. Обычно обозначается буквой k или kB. Численно равна 1,3806 × 10–16 эрг на кельвин, или 0,00008617 электронвольта на кельвин.
Постоянная Планка. Фундаментальная постоянная квантовой механики. Обозначается буквой h и равняется 6,625 × 10–27 эрг, умноженных на секунду. Впервые эта постоянная появилась в 1900 г. в предложенной Планком теории чернотельного излучения. Затем, в 1905 г., Эйнштейн ввел ее в свою гипотезу о природе фотонов: энергия фотона равна постоянной Планка, умноженной на скорость света и деленной на длину волны. Сегодня чаще используют постоянную Ά, равную постоянной Планка, деленной на 2π.
Постоянная тонкой структуры. Фундаментальная константа атомной физики и квантовой электродинамики, определяемая как квадрат заряда электрона, деленный на произведение постоянной Планка и скорости света. Обозначается буквой α. Равняется 1/137,036.
Принцип запрета Паули. Принцип, согласно которому две одинаковые частицы не могут занимать одно и то же квантовое состояние. Барионы с лептонами ему подчиняются, а фотоны с мезонами – нет.
Протон. Положительно заряженная частица, наряду с нейтроном образующая атомное ядро.
Рекомбинация. Процесс, в результате которого электроны присоединяются к атомным ядрам, образуя обычные атомы. Применительно к космологии означает процесс образования атомов гелия и водорода, начинающийся при температуре около 3000 градусов.
Ро-мезон. Один из многочисленных нестабильных адронов. В среднем через 4,4 × 10–24 с распадается на два пи-мезона.
Сверхновые. Грандиозные звездные взрывы, в которых все вещество звезды (за исключением внутреннего ядра) выбрасывается в межзвездное пространство. За несколько дней сверхновая испускает столько энергии, сколько Солнце излучает за миллиард лет. В последний раз в нашей Галактике сверхновую, расположенную в созвездии Змееносца, в 1604 г. наблюдал Кеплер (а также корейские и китайские придворные астрономы). Впрочем, считается, что радиоисточник Кассиопея А возник в результате взрыва более поздней сверхновой.
Световой год. Расстояние, которое свет проходит за один год, равное 9,4605 триллиона километров.
Сильное взаимодействие. Самое интенсивное из четырех известных взаимодействий элементарных частиц. Оно, в частности, удерживает протоны и нейтроны в атомном ядре. Сильное взаимодействие оказывает влияние только на адроны – лептоны и фотоны к нему безучастны.
Синее смещение. Смещение линий в спектре приближающегося источника в область коротких длин волн, вызванное эффектом Доплера.
Скопление в Деве. Гигантское скопление более чем 1000 галактик в созвездии Девы. Оно удаляется от нас со скоростью примерно 1000 км/с и, по-видимому, находится на расстоянии 60 миллионов световых лет.
Скорость света. Фундаментальная постоянная специальной теории относительности, равная 299 729 км/с. Обозначается буквой с. Все безмассовые частицы – фотоны, нейтрино и гравитоны – летят со скоростью света. Скорость обычных частиц становится сравнимой со световой, когда их энергия достигает порядка энергии покоя тс 2.
Слабое взаимодействие. Одно из четырех взаимодействий элементарных частиц. При обычных энергиях слабое взаимодействие значительно уступает электромагнитному и сильному, но по интенсивности превосходит гравитационное. Слабое взаимодействие отвечает за относительно слабые распады таких частиц, как нейтрон и мюон, а также проявляется во всех процессах с участием нейтрино. Господствующая сегодня точка зрения гласит: слабое, электромагнитное и, возможно, сильное взаимодействия – суть разные грани одной простой калибровочной теории поля.
Специальная теория относительности (СТО). Новый взгляд на пространство и время, предложенный Альбертом Эйнштейном в 1905 г. Как и механика Ньютона, СТО обладает классом преобразований, связывающих между собой пространственно-временные координаты различных наблюдателей, относительно которых законы природы выглядят одинаково. Однако в СТО при этих преобразованиях скорость света остается неизменной – вне зависимости от того, какой из наблюдателей ее измеряет. Любая система, частицы которой имеют скорости, близкие к световой, называется релятивистской. В ней ньютонова механика уже не действует – на смену ей приходит специальная теория относительности.
Собственное движение. Смещение астрономического объекта на небе, вызванное его перемещением под прямым углом к лучу зрения. Обычно измеряется в секундах дуги в год.
Спин. Фундаментальное свойство элементарных частиц, отражающее их вращательные характеристики. Согласно законам квантовой механики спин, измеренный в единицах постоянной Планка, может принимать только определенные значения – либо целые, либо полуцелые.
Температурный порог. При температуре выше температурного порога для данного сорта частиц они начинают в изобилии рождаться из чернотельного излучения. Численно температурный порог равен массе частицы, умноженной на скорость света в квадрате и деленной на постоянную Больцмана.
Теория Большого взрыва. Космологическая модель, согласно которой расширение Вселенной началось в конечный момент времени в прошлом из состояния с огромными плотностью и давлением.
Теория стационарной Вселенной. Космологическая теория, развитая Бонди, Голдом и Хойлом. Гласит, что свойства Вселенной в среднем не меняются со временем. Чтобы плотность Вселенной при расширении оставалась постоянной, приходится предположить, что непрерывно рождается новая материя.
Термодинамическое (тепловое) равновесие. Состояние, при котором в заданном диапазоне скоростей, спинов и т. д. в единицу времени появляется столько же частиц, сколько исчезает. Если любую физическую систему предоставить самой себе, то рано или поздно она приходит в тепловое равновесие.
Типичные галактики. В этой книге так мы называем галактики, не имеющие пекулярных скоростей, то есть те, которые переносятся со всеобщим потоком вещества, вызванным расширением Вселенной.
Тритий. Нестабильный тяжелый изотоп водорода (3H). Ядро трития состоит из одного протона и двух нейтронов.
Туманность. Протяженные астрономические объекты, напоминающие небольшие облака. Одни туманности являются галактиками, другие на самом деле облака пыли и газа, расположенные в нашей Галактике.
Туманность Андромеды. Ближайшая к нам большая спиральная галактика массой около 3×1011 солнечных масс. В каталоге Мессье значится под номером M31. Номер в Новом общем каталоге – NGC 224.
Ультрафиолетовое излучение. Электромагнитное излучение с длиной волны в диапазоне от 10 до 2000 ангстрем (от 10–7 см до 2 × 10–5 см). Занимает промежуточное положение между видимым светом и рентгеновскими лучами.
Фазовый переход. Резкий переход системы из одной формы в другую – как правило, с изменением симметрии. В качестве примеров можно привести плавление, кипение и переход проводника в сверхпроводящее состояние.
Фейнмановские диаграммы. Диаграммы, обозначающие определенные математические выражения, возникающие при расчетах физических характеристик взаимодействия элементарных частиц.
Фотон. В квантовой теории излучения – частица, сопоставляемая со световой волной. Обозначается буквой γ.
Характерное время расширения. Величина, обратная постоянной Хаббла. Примерно равна стократному промежутку времени, за который размер Вселенной увеличивается на 1 %.
Цефеиды. Яркие переменные звезды, обладающие хорошо выраженной зависимостью между абсолютной светимостью, периодом изменения блеска и цветом. Свое название получили по имени звезды δ Цефея в созвездии Цефея (Царя). Служат инструментом измерения расстояний до относительно близких галактик.
Циан. Химическое соединение углерода и азота (CN). О наличии облаков циана в межзвездном пространстве можно судить по поглощению ими света.
Частота. Количество гребней волны, проходящих через данную точку в единицу времени. Равна скорости волны, деленной на ее длину. Измеряется в обратных секундах, или в герцах.
Электрон. Легчайшая из известных массивных частиц. Все химические свойства атомов и молекул определяются электрическим взаимодействием электронов с атомным ядром и друг с другом.
Электронвольт. Применяемая в атомной физике единица энергии, равная энергии, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов в один вольт. Один электронвольт равен 1,60219 × 10–12 эрг.
Энергия покоя. Энергия покоящейся частицы, которая может высвободиться, если частица проаннигилирует. Вычисляется по формуле Эйнштейна: E = тс 2.
Энтропия. Фундаментальная физическая величина статистической физики, характеризующая степень беспорядка в физической системе. В процессах, не нарушающих термодинамическое равновесие, энтропия сохраняется. Второй закон термодинамики гласит, что в любых процессах полная энтропия остается постоянной либо возрастает.
Эрг. Единица энергии в системе СГС (сантиметр-граммсекунда), равная кинетической энергии тела массой один грамм, перемещающегося со скоростью один сантиметр в секунду. Один эрг равен одной десятимиллионной (10–7) джоуля.
Эффект Доплера. Изменение частоты сигнала, возникающее при относительном движении источника и приемника.
Ядерное равноправие. Парадигма, согласно которой все адроны одинаково фундаментальны.
