Глоссарий

Абсолютно черное тело (АЧТ) – физическая абстракция, введенная Густавом Кирхгофом в 1862 году и широко применяемая в термодинамике, как идеализированное тело, поглощающее все падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Спектр излучения АЧТ определяется только его температурой. В классической теории излучения анализ спектра АЧТ привел к парадоксу «ультрафиолетовой катастрофы», решенной с помощью гипотезы квантов действия Макса Планка.

Адроны – микрочастицы, включающие барионы с полуцелым спином, состоящие из трех кварков, и мезоны, участвующие в сильных ядерных взаимодействиях.

Альфа-распад – радиационный распад атомных ядер с испусканием альфа-частиц – ядер атомов гелия, состоящих из двух протонов и двух нейтронов.

Аннигиляция – процесс столкновения частицы и ее античастицы, при котором происходит рождение новых частиц и взрывное выделение энергии, а исходные частицы взаимно уничтожают друг друга.

Античастица – у каждой частицы материи есть соответствующая античастица. При соударении частицы и античастицы происходит их аннигиляция, в результате которой выделяется энергия и рождаются другие частицы.

Апейрон – понятие древнегреческой науки для обозначения неопределенной в своей беспредельности материальной среды, находящейся в вечном и непрестанном движении. Все бесконечное многообразие вещей, все миры возникли путем выделения из апейрона противоположностей и их борьбы.

Атом – наименьшая частица каждого химического элемента. Атом состоит из ядра, занимающего крайне незначительную часть общего условного объема и состоящего из нуклонов – протонов и нейтронов, вокруг которых обращаются электроны.

Бета-распад – радиоактивное превращение атомных ядер с генерацией электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино.

Бозоны (Бозе-частицы) – микрочастицы с нулевым или целым спином, подчиняющиеся статистике Бозе – Эйнштейна.

Большой взрыв – гипотетический космический катаклизм взрывного характера, из которого, согласно современным представлениям, возникла наблюдаемая Вселенная. В основу сценария Большого взрыва положена космологическая модель Вселенной, развивающаяся из первичной космологической сингулярности, наличие которой проистекает из решений уравнений общей теорией относительности. Из состояния первичной космологической сингулярности Вселенная однородно и изотропно расширяется (сегодня ускоренным образом), по закону Хаббла. Парадигма Большого взрыва в настоящее время является общепризнанной в физической космологии, объясняя большой объем наблюдательной информации. Сегодня считается, что Вселенная возникла 13,7 ± 0,2 миллиардов лет назад, но процесс ее рождения неясен. Скорее всего, это было некое изначальное «сингулярного» состояния с гигантскими температурой и плотностью, перешедшее в однородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением.

Брана – теорфизическое представление М-теории. Сценарий мира на бране включает образ в рамках теории струн или мембран, где наши привычные три пространственных измерения являются абстрактным понятием 3-браной. Чаще всего встречаются D-браны или «клейкие» p-браны Дирихле, к которым прикреплены концы открытых струн, с несколькими пространственными измерениями.

Вакуум (вакуумное состояние) – в квантовой физике представляет собой «физический вакуум» как основное состояние с минимальной энергией, нулевым импульсом, угловым моментом, электрическим зарядом и другими квантовыми числами квантованных полей. В математической физике используется понятие «математического вакуума», определяемый как состояние, в котором отсутствуют какие-либо реальные частицы и действие на который операторов уничтожения дает нулевой результат. По современным представлениям вакуум перенаселен виртуальными частицами, участвующими в виртуальных процессах, проявляющихся в специфических эффектах взаимодействия с реальными частицами.

Векторное поле – физическое поле, состоящее из трех независимых компонент, преобразующихся при поворотах координатных осей или преобразованиях Лоренца как компоненты вектора или 4-вектора. Примером векторного поля может служить поле скоростей или электромагнитное поле (описываемое четырехмерным вектор-потенциалом. В квантовой теории поля квантами векторного поля являются векторные частицы с единичным спином. При этом действительному векторному полю соответствует электрически нейтральная частица, а комплексному – заряженная частица (и ее античастица с зарядом противоположного знака). По поведению относительно пространственной инверсии с заменой координат векторные поля делят на собственно векторные, меняющие знак при инверсии, и аксиальные, или аксиально-векторные, не меняющие знака.

Вселенная (мир, мироздание, Космос) – вся окружающая нас объективная физическая реальность, данная нам в ощущениях. В целом Вселенную изучают космологи и философы, а астрономы и физики обычно считают корректным исследовать лишь ту ее часть, которая в принципе доступна естественнонаучным методам. Видимая часть Вселенной называется Метагалактикой и непрерывно возрастает с введением в строй новых сверхмощных телескопов и астрофизических лабораторий земного и космического базирования. Будущее Вселенной неопределенно и в основном зависит от точного значения плотности вещества, при этом возможны разные космологические сценарии конца нашего мира, включая такие как: Большой хлопок, Большой разрыв и Большой мороз.

Виртуальные частицы – сверхкороткоживущие микрочастицы, возникающие и исчезающие в флуктуациях соответствующих квантовых полей. Чаще всего в физическом вакууме рождаются и исчезают гамма-кванты и электрон-позитронные пары.

Гравитация (всемирное тяготение, притяжение) – одно из главных фундаментальных природных взаимодействий сверхуниверсального типа, которому подвержены абсолютно все материальные тела, называемые гравитирующей материей. По современным данным тяготение не только абсолютно универсально, но и всем телам, состоящим из гравитирующей материи, вне всякой зависимости от их массы, сообщает совершенно одинаковое ускорение. Гравитационное взаимодействие входит в четыре фундаментальных силовых поля: электромагнитное, сильное и слабое. В классической механике гравитация описывается законом всемирного тяготения, установленным Ньютоном и гласящим, что сила притяжения между двумя телами прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. При этом сила всемирного притяжения всегда приводит только к притяжению любых тел. Современная концепция тяготения описывается теорией гравитации Эйнштейна, или общей теорией относительности (ОТО). Согласно ОТО любое массивное тело искажает метрику пространства – времени, что и определяет видимое действие гравитационного поля. Гигантские космические объекты, такие как звезды и их компактные скопления – галактики, – составляют колоссальные массы, создавая очень значительные даже по космическим масштабам гравитационные поля. Гравитация, будучи слабейшим из известных полей, в то же время является важнейшей силой во Вселенной, поскольку в отличие от других взаимодействий универсальна при действии на любую материю и энергию. До сих пор в природе не обнаружены негравитирующие и антигравитирующие объекты.

Камера Вильсона – измерительное устройство, сконструированное в 1912 году шотландским физиком Чарльзом Вильсономдля исследования заряженных частиц. Действие камеры основано на использовании явления конденсации пересыщенного пара в виде мельчайших капель жидкости на различных цент рах конденсации, которыми могут служить ионы, образующиеся вдоль следов-треков заряженных частиц. Подобные следы хорошо видны и могут быть легко сфотографированы. Исследования в камере могут проводиться с искусственным и естественным радиационным фоном с использованием внутрикамерных источников и естественных потоков радиации, таких как ливни космических частиц, попадающие в камеру через прозрачную мембрану. Природа и свойства исследуемых частиц устанавливаются по их пробегу в скрещенных магнитных полях. Для исследования малоэнергетичных частиц камеру вакуумируют, а для высокоэнергетичных, наоборот, заполняют газом при повышенном давлении. Камера Вильсона сыграла важную роль в изучении радиации, будучи на протяжении десятилетий практически единственным методом регистрации потоков и ливней самых различных излучений. Однако впоследствии камера Вильсона уступила свое место искровым и пузырьковым камерам.

Квантовая гравитация – направление работ в теоретической и математической физике с целью описания гравитационного взаимодействия и последующего объединения общей теории относительности с остальными фундаментальными силовыми полями – электромагнитным, сильным и слабым для создания Теории Всего. Основные направления развития квантовой гравитации – струнная М-теория и петлевая квантовая гравитация. В них трансчастичными элементами предстают одномерные струны и их многомерные аналоги – браны. Перспективы развития квантовой гравитации обычно связывают с объединенным развитием так называемой мембранной теории, сводящейся в пределе к общей теории относительности и квантовой теории поля.

Квантовая механика – область физики, изучающая свойства и поведение атомов и субатомных частиц. Квантовая (волновая) механика основывается на корпускулярно-волновом дуализме и принципе неопределенности, объясняя корпускулярные и волновые свойства микромира. Любая квантовомеханическая система описывается комплексной волновой функцией, фаза и амплитуда которой полностью определяют ее состояние. При этом аппарат квантовой теории позволяет естественным образом рассматривать волновые явления интерференции и дифракции элементарных частиц. Вероятность найти любую микрочастицу в определенном состоянии измеряется квадратом модуля волновой функции. Отличие квантовой механики от классической физики состоит в том, что вероятность локализации микрочастицы не полностью определяет ее состояние. Для полного описания состояния квантового микрообъекта необходимо вычислить комплексную вероятность как волновую функцию.

Квантовая запутанность – особое состояние составной микроскопической системы, которую нельзя разделить на отдельные, полностью самостоятельные и независимые части. Запутанность и несепарабельность представляют собой тождественные понятия.

Кварки – субэлементарные частицы, т. е. частицы, которые по современным представлениям не имеют своей внутренней структуры (по крайней мере так считается). К настоящему времени открыто 6 кварков. Из кварков, в частности, состоят протоны (2u + d) и нейтроны (2d + u). Каждый из шести кварков имеет свое собственное имя и за каждым из них стоят годы попыток его обнаружить.

Корпускулярно-волновой дуализм – один из основополагающих квантовых принципов, согласно которому любой микрообъект одновременно обладает волновыми и корпускулярными свойствами. При измерениях, в зависимости от их характера, проявляются либо та, либо иная сторона объекта.

Коллапс (гравитационный) – явление быстрого катастрофического сжатия массивного тела под действием собственного гравитационного поля. Если масса звезды превышает две солнечные, то в конце жизненного пути светило может коллапсировать при исчерпании своего ядерного горючего. При этом звезда стремительно теряет свою механическую устойчивость и с увеличивающейся скоростью «падает» к центру. После того как радиус светила уменьшится до некоторого граничного значения – «гравитационного радиуса», никакие силы уже не могут воспрепятствовать дальнейшему сжатию, и коллапсар превращается в черную дыру застывшей (или «замерзшей») звезды.

Коллапсар (застывшая, замерзшая звезда, черная дыра) – очень сильно искривленное пространство – время, включающее сингулярность, окруженную горизонтом событий. Гравитационное притяжение коллапсаров настолько велико, что покинуть их не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света. Граница этой области называется горизонтом событий, а ее радиус – гравитационным радиусом, или радиусом Шварцшильда. Существование коллапсаров следует из точных решений общей теории относительности, полученных Карлом Шварцшильдом.

Компактификаци я – сокращение пространственных измерений в таких теоретических построениях, как М-теория, при переходе от планковских масштабов к квантовым. Согласно наиболее развитым представлениям компактификации подлежат 6 из 10 измерений в суперструнных моделях.

Многомировая интерпретаци я – интерпретация квантовой механики, в которой все возможности, содержащиеся в вероятностной волне, реализуются в отдельных вселенных.

М-теория – незавершенная теория объединения всех пяти версий теории струн, полностью квантовомеханическая теория всех сил и всей материи.

Общая теория относительности (ОТО) – теория гравитации, выражающая тяготение через геометрию пространства – времени, созданная в 1915-1916 годах Альбертом Эйнштейном. ОТО по своей сути является развитием специальной теории относительности, что и отражает ее название. Главная идея ОТО в том, что гравитация обусловлена не силовым взаимодействием гравитирующей материи, а искривлением самого пространства-времени под воздействием массы и энергии. Так, в ОТО тяготение – не силовое взаимодействие, а кривизна пространства-времени, возникающая под распределением космических масс и энергетических потоков. ОТО получила признание после объяснения аномальной прецессии перигелия Меркурия и отклонения световых лучей вблизи солнечной поверхности при полном затмении. С тех пор опытные наблюдения подтвердили такие предсказания ОТО, как гравитационное красное смещение, гравитационное замедление времени и запаздывание электромагнитных сигналов в сильных гравитационных полях. Кроме всего, эти астрономические наблюдения отчасти подтверждают такое необычное предсказание ОТО, как гравитационный коллапс, заканчивающийся возникновением черных дыр застывших звезд.

Принцип эквивалентности – представление о том, что в малых областях пространства – времени тяготение невозможно отличить от ускорения. Формулируется так же как утверждение о равенстве инертной и гравитационной масс, являясь одним из главнейших постулатов общей теории относительности.

Планковская длина (масштаб) – расстояние порядка 10^–33 см, на котором нулевые квантовые колебания гравитационного поля полностью искажают геометрию пространства – времени.

Пространство – время – непрерывное четырехмерное многообразие (континуум), в котором три измерения пространственные, а четвертое – временное. Как физическая модель, дополняет пространство классической физики временным измерением, создавая новую теоретико-физическую конструкцию пространственно-временного континуального многообразия. В нерелятивистском пределе концепция пространства – времени переходит в классическую механику со взаимно независимыми пространством и временем. В теории относительности время неотделимо от пространственных измерений и также зависит от скорости наблюдателя. Один из первых вариантов модели объединения пространства и времени в единый континуум предложил в 1908 году Герман Минковский (Пространство или многообразие Минковского) на основе специальной теории относительности.

Симметри я – преобразование физической системы, которое оставляет проявление системы неизменным; преобразование физической системы, которое не влияет на законы, описывающие систему.

Сингул ярность – место, где кривизна пространства – времени обращается в бесконечность (например, в центре черной дыры или в изначальный момент Большого взрыва).

Сильное взаимодействие – самое сильное из известных фундаментальных взаимодействий элементарных частиц. Является обменным и проявляется внутри атомных ядер.

Слабое взаимодействие – одно из фундаментальных обменных взаимодействий с участием всех элементарных частиц, проявляющееся в явлении радиоактивности. В слабом взаимодействии нарушается пространственная четность и зеркальная симметрия.

Специальная, или частная теория относительности (СТО) – дальнейшее развитие принципов классической механики и электродинамики, обобщающее их для тел, движущихся с субсветовыми скоростями. СТО вводит понятие нового континуального многообразия – четырехмерное пространство-время, где и описываются все события релятивистской физики.

Спин – собственный момент количества движения микрочастицы, не связанный с ее перемещением как целого, может быть целым или полуцелым в единицах постоянной Планка.

Стационарное состояние – устойчивое состояние квантово-механической системы, когда все характеризующие ее параметры не зависят от времени.

Струнная теория – теорфизические построения, основывающиеся на одномерных колеблющихся нитях энергии на планковских масштабах. Возбуждения струн описывают бесконечный набор полей – векторных, тензорных, скалярных. В них фундаментальными составляющими являются одномерные петли (замкнутые струны) или обрывки (открытые струны) колеблющейся энергии. Теория суперструн объединяет общую теорию относительности (теорию гравитации Эйнштейна) и квантовую механику на основе суперсимметрии как симметрии, в которой законы не изменяются, когда частицы с целочисленным спином (частицы сил) взаимозаменяются на частицы с полуцелым (частицы материи).

Супергравитация – суперсимметричное обобщение теории гравитации Эйнштейна (общей теории относительности).

Темная материя – невидимая вещественная составляющая космического пространства, проявляющая себе исключительно в гравитационных взаимодействиях. Согласно современным оценкам составляет около четверти всей массы Метагалактики. Природа темной материи не установлена, предполагается, что она может концентрироваться в сгущения галактических размеров, участвует в гравитационных взаимодействиях с группами галактик и их отдельными членами как обычная гравитирующая материя. Теоретически темная материя может состоять из не открытых еще микрочастиц. Поиск следов темной материи проводится и в экспериментальной физике элементарных частиц на сверхмощных ускорителях – коллайдерах. Считается, что если частицы темной материи тяжелее в сотни или даже тысячи раз протона, то они должны рождаться при столкновении на встречных пучках такого ускорителя, как Большой адронный коллайдер (ЦЕРН, Женева, Швейцария). Согласно некоторым гипотезам квантовой космологии, частицы темной материи входят в новое семейство элементарных частиц, которые как-то должны проявлять себя при сверхвысоких энергиях взаимодействия известных микрочастиц.

Темная энергия – субстанция неизвестной природы, составляющая около 70 % и равномерно распределенная по всей Вселенной. Чаще всего темную энергию связывают с «отрицательным давлением» физического вакуума, плотность энергии которого не изменяется на протяжении всей истории расширения Вселенной. Кроме того, существует «полевая» гипотеза о наличии нового сверхслабого физического поля, наполняющего всю Вселенную, под названием «квинтэссенция». Еще одна альтернативная гипотеза объясняет ускоренное расширение тем, что сам закон всемирного тяготения меняет свой вид на метагалактических дистанциях за космологические времена. Из этого может проистекать наличие дополнительных размерностей у нашего пространственно-временного континуума, которые не проявляют себя в нашей «мезоскопической» реальности, будучи «компактифицированными».

Теоретическая физика – теорет и ческий способ описания окружающей объективной реальности, при котором тем или иным природным явлениям сопоставляется определенная математическая модель. В своей основе теоретическая физика содержит абстрагированные образы, вытекающие из экспериментальных данных, являясь при этом совершенно самостоятельным методом изучения материальной природы. Область ее интересов охватывает всю физику и смежные науки с учетом последних достижений прикладной математики и математической физики. В своих методах теорфизика исходит из высочайшей эффективности математического описания природных и искусственных явлений, изучая не столько свойства неких реальных процессов, сколько свойства их математических моделей. Наиболее ценным продуктом теорфизики являются новые физические теории. Два основных направления приложения теорфизических исследований – объяснение известных физических процессов и предсказание новых, еще не открытых наукой природных явлений, реальность которых затем проверяется опытным путем. Одной из высших целей теорфизики является создание Теории Всего в виде единой системы уравнений, объединяющей все известные частицы и силы.

Тепловое излучение – электромагнитное излучение непрерывного спектрального состава, испускаемое нагретыми телами. Основной математической моделью теплового излучения служит абсолютно черное тело, описываемое классическими законами Стефана – Больцмана, Кирхгофа и Вина, а также квантовым законом Планка. Тепловое излучение вместе с конвекцией и теплопроводностью составляет один из основных видов переноса тепла. Важную роль в физике играет понятие равновесного теплового излучения, как находящегося в термодинамическом равновесии с веществом.

Ультрафиолетовая катастрофа – гипотетическое явление в виде парадокса классической физики, состоящее в том, что полная мощность излучения абсолютно черного тела должна стремиться к бесконечности. Свое название данный мысленный парадокс получил из-за предсказания классических законов излучения о практически неограниченном росте спектральной плотности мощности излучения в его коротковолновой – ультрафиолетовой части. Так как это противоречит опытным данным, в конце позапрошлого века возник кризис теории излучения, решенный в 1900 году введением новых принципов квантовой теории излучения, созданной Максом Планком.

Фермионы (ферми-частицы) – микрочастицы с полуцелым спином, подчиняющиеся статистике Ферми – Дирака.

Флуктуация – случайное отклонение некоторой физической величины от заданного (в экспериментах) или среднего (в природе) значения. Среди флуктуаций встречаются: квантовые – в силу фундаментальных свойств материи, термодинамические – неустойчивости потоков тепла, брауновское движения – молекулярные тепловые перемещения.

Электромагнитное излучение – электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве неоднородности и возмущения электромагнитного поля в виде взаимосвязанных друг с другом магнитных и электрических полей. В состав электромагнитного излучения входят жесткое (гамма-) излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое, инфракрасное, видимый свет и радиоволны. Электромагнитное излучение абсолютно свободно распространяется в пространстве, свободном от вещества, – вакууме и в некоторых конденсированных средах. Оно экранируется проводящими поверхностями, генерируется и принимается на специальные системы проводников – антенны.

Эфир, мировой, светоносный – исторический аналог физического вакуума. Первые модели некоей всепроникающей универсальной среды возникли еще в рассуждениях античных метафизиков. Идея эфира получила развитие в трудах энциклопедистов эпохи Возрождения, считавших, что мировое пространство заполнено сверхтонкой субстанцией, невидимой и неосязаемой для человеческих чувств. В физику эфир вошел как среда для распространения электромагнитных волн, описываемого уравнениями Максвелла, который полагал, что электромагнитные волны распространяются в эфире точно так же, как акустические в газовой среде, а гидродинамические – в водной. Концепция эфира неоднократно подвергалась критике за внутреннюю противоречивость и эклектичность, окончательно была развенчана как научное заблуждение после создания теории относительности.