Номер 8.24, страница 44 - гдз по физике 9 класс задачник Артеменков, Ломаченков

VIII. Строение и эволюция Вселенной - номер 8.24, страница 44.

Условие.

8.24 Объясните, каким образом результаты физических экспериментов, получаемые на современных ускорителях в России, Европе, США, могут быть использованы для объяснения процессов, возможно, происходивших на ранних этапах эволюции Вселенной.

Решение.

8.24 Результаты физических экспериментов на современных ускорителях элементарных частиц напрямую связаны с изучением ранних этапов эволюции Вселенной, поскольку эти установки позволяют воссоздать условия, существовавшие в первые мгновения после Большого взрыва. Связь между физикой высоких энергий и космологией ранней Вселенной основана на нескольких ключевых принципах.

Во-первых, это воссоздание экстремальных условий. Согласно теории Большого взрыва, в самом начале своего существования Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной, и по мере расширения она остывала. В ускорителях, таких как Большой адронный коллайдер (БАК) в Европе или релятивистский коллайдер тяжелых ионов RHIC в США, частицы (протоны или тяжелые ионы) разгоняются до околосветовых скоростей и сталкиваются. В точке столкновения на очень короткое время концентрируется огромная энергия. Эта энергия, согласно формуле Эйнштейна $E=mc^2$, превращается в массу, порождая новые частицы и создавая температуру и плотность энергии, сопоставимые с теми, что были во Вселенной через доли секунды после её рождения.

Во-вторых, это изучение первичного состояния вещества. Считается, что в первые микросекунды Вселенная представляла собой так называемую кварк-глюонную плазму — «первичный суп», в котором фундаментальные частицы, кварки и глюоны, ещё не были связаны внутри протонов и нейтронов. Эксперименты по столкновению тяжёлых ионов в ускорителях позволяют на мгновение создавать эту кварк-глюонную плазму в лабораторных условиях и изучать её свойства, что дает прямое представление о состоянии материи на заре существования Вселенной.

В-третьих, это проверка космологических теорий и поиск новой физики. Эксперименты на ускорителях позволяют проверять предсказания Стандартной модели физики элементарных частиц, которая лежит в основе нашего понимания ранней Вселенной. Открытие бозона Хиггса на БАК подтвердило механизм, благодаря которому частицы приобрели массу. Кроме того, ускорители ищут ответы на величайшие загадки космологии, которые выходят за рамки Стандартной модели. Например, одной из таких загадок является тёмная материя. Ускорители используются для поиска гипотетических частиц (например, суперсимметричных), которые могли бы быть её составляющими. Другая важная проблема — асимметрия материи и антиматерии. В экспериментах изучаются тонкие различия в свойствах частиц и античастиц, что может помочь понять, почему после Большого взрыва материя возобладала над антиматерией, сформировав наблюдаемую нами Вселенную.

Таким образом, ускорители частиц являются уникальным инструментом, своего рода «машиной времени», которая позволяет физикам заглянуть в самые первые моменты существования Вселенной и экспериментально изучать законы природы, действовавшие в тех экстремальных условиях.

Ответ: Эксперименты на современных ускорителях позволяют в миниатюре воссоздавать условия (экстремально высокие температуры и плотности энергии), которые существовали в первые мгновения после Большого взрыва. Изучая рождающиеся в таких условиях частицы и состояния вещества (например, кварк-глюонную плазму, бозон Хиггса), физики могут проверять и уточнять космологические модели, описывающие ранние этапы эволюции Вселенной, а также искать ответы на нерешённые вопросы, такие как природа тёмной материи и причина преобладания материи над антиматерией.