На переднем крае физики микромира

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАВСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  БРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭКОНОМИКИ И ФИНАНСОВ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа по курсу  «концепции современного естествознания».

На переднем крае физики микромира.

 

 

 

 

                   Выполнила студентка

                                                                      135 группы, 1 курса,  заочного факультета,                                                                                                     специальность «Менеджмент организации»

ПОПОВА Ю.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- Санкт - Петербург-

- 2011-

Содержание.

Введение…………………………………………………………………………..3

  1. Основные вехи на пути в субъядерный мир…………………………............5
  2. Фундаментальные взаимодействия в природе и их характеристика………8

     2.1. Гравитационное взаимодействие……………………………………………9

     2.2. Слабое взаимодействие…………………………………………..................13

     2.3. Электромагнитное взаимодействие………………………………………..15

     2.4. Сильное взаимодействие……………………………………………………16

  1. Современные представления об иерархии структурных элементов микромира 23

3.1. Лептоны………………………………………………………………………24 

    3.2. Адроны………………………………………………………………………..25

Список литературы…………………………………………………………………..28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Было время, когда физики знали всего две элементарные частицы - протон и электрон. Не так  уж давно: чуть более семидесяти лет - одну человеческую жизнь назад. Например, все ныне живущие ветераны Великой  Отечественной войны родились еще  в "двухчастичном" мире. В 1932 году были открыты нейтрон и позитрон. Число известных элементарных частиц удвоилось, а предполагаемых... утроилось. В этом нет никакой ошибки. Дело в том, что еще 1930 году для "спасения" закона сохранения энергии при β - распаде швейцарский теоретик В. Паули выдвинул гипотезу о существовании нейтрино-нейтральной слабовзаимодействующей частицы очень малой или вообще нулевой массы. Эта частица, вследствие своих экзотических свойств, не могла быть поймана при помощи современных Паули экспериментальных приборов. А в 1928 году английский теоретик П. Дирак показал, что у каждой частицы с полуцелым спином должна существовать античастица. Античастица для электрона - позитрон - была найдена первой. Осталось найти антипротон, антинейтрон и нейтрино. Но прежде, чем эти частицы были открыты (1955, 1956 и 1953 годы, соответственно), физики успели обнаружить целый "зоопарк" новых элементарных частиц. Всего же с конца 1940-х и до начала 1980-х найдено чуть менее пятисот элементарных частиц. Естественно, что не все из них истинно элементарны. Поэтому в настоящее время словосочетание "элементарная частица" используется для обозначения любой микрочастицы, которая элементарнее ядра гелия.

Обобщая многие сотни экспериментов  в физике элементарных частиц, на сегодняшний  день удалось выделить 24 различных  типа истинно элементарных или, иначе, фундаментальных частиц. Это шесть  кварков, шесть лептонов, фотон, восемь глюонов и три бозона - переносчика  слабого взаимодействия. Не все из элементарных частиц 1930-х годов сохранили  статус истинно элементарных. Если электрон и нейтрино входят в шестерку фундаментальных лептонов, то протон с нейтроном оказались состоящими из кварков и глюонов. До настоящего времени все обнаруженные составные  частицы можно было классифицировать, если предположить, что они состоят  либо из трех кварков (барионы), либо из кварка и антикварка (мезоны). Такие  кварки называют валентными кварками. Протон и нейтрон - типичные представители  барионов.

Примерно с начала 1980-х  годов стало окончательно ясно: помимо валентных кварков, которые определяют основные физические свойства составных  элементарных частиц, внутри мезонов  и барионов содержится примесь т.н. морских кварков и глюонов. Их можно идентифицировать в определенных экспериментах.

Помимо мезонов и барионов, кварковая теория не запрещает существование  таких экзотических частиц, как димезоны (два валентных кварка и два  антикварка), дибарионы (шесть валентных  кварков), мезобарионы (четыре валентных  кварка и один валентный антикварк), глюбол (связанное состояние глюонов) и другие аналогичные состояния. Однако подобные экзотические частицы  до настоящего времени не были достоверно зарегистрированы в эксперименте. Наиболее многообещающие результаты по поиску дибарионов до настоящего времени были получены на ускорителе в г.Троицк (Россия). Похоже, также, что в легких скалярных мезонах удалось выделить глюбольную компоненту. Однако оба результата нуждаются в дальнейших уточнениях.

Все элементарные частицы, состоящие  из кварков и глюонов, носят общее  название адронов. Подробнее с современным статусом физики элементарных частиц  я ознакомлю в третьей главе.

Последней экспериментально открытой фундаментальной частицей оказалосьβ - лептонное нейтрино (2000 г.). Самой известной неоткрытой продолжает оставаться бозон Хиггса. Ниже в заключении будут представлены два кратких сообщения о последнем по времени (но, будем надеяться, не последнем вообще) экспериментальном открытии составной элементарной частицы. Это одно из возбужденных состояний Ds-мезона, которое имеет массу 2317 МэВ (или 2,317 ГэВ) и предполагаемый кварковый состав сŝ. Похоже, что ничего экстраординарного в данном открытии нет. Просто ученые еще на шажок приблизились к заветным пяти сотням элементарных частиц и, возможно, на четверть шажка к пониманию истинной динамики сильных взаимодействий.

Специально отметим, что  различия между теоретическими и  экспериментальными предсказаниями в  физике сильных взаимодействий, особенно в той ее области, которая не описывается  теорией возмущений ( непертурбативная область), являются не исключением, а правилом. Следует прямо признать, что физики не умеют делать достоверных и высокоточных вычислений вне рамок теории возмущений за исключением некоторых особых случаев. Различие в два раза является нормой, а точность теоретических предсказаний в десять процентов - уже двадцать лет как недостижимым идеалом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1.Основные вехи на пути в субъядерный мир.

 

 

История исследования элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий насчитывает более двух с половиной  тысяч лет и восходит к идеям  древнегреческих натурфилософов о  строении Мира. Однако серьезная научная  разработка данного вопроса началась только в конце XIX- го века. В 1897 году выдающийся английский физик-экспериментатор Дж. Дж. Томсон определил отношение заряда электрона к его массе. Тем самым, электрон окончательно обрел статус реального физического объекта и стал первой известной элементарной частицей в истории человечества.

В 1911 Э. Резер - Ф орд, пропуская альфа-частицы от естественного радиоактивного источника через тонкие фольги различных веществ, выяснил, что положительный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях - ядрах, а в 1919 обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, протоны - частицы с единичным положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона. Другая частица, входящая в состав ядра, - нейтрон - была открыта в 1932 Дж. Чедвиком при исследованиях взаимодействия a-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не обладает электрическим зарядом. Открытием нейтрона завершилось выявление частиц - структурных элементов атомов и их ядер.

Вывод о существовании  частицы электромагнитного поля - фотона - берёт своё начало с работы М. Планка (1900). Предположив, что энергия  электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела квантованна, Планк получил правильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн (1905) постулировал, что электромагнитное излучение (свет) в действительности является потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона были даны Р. Милликеном (1912- 1915) и А. Комптоном (1922).

         Открытие нейтрино — частицы, почти не взаимодействующей с веществом, ведёт своё начало от теоретической догадки В. Паули (1930), позволившей за счёт предположения о рождении такой частицы устранить трудности с законом сохранения энергии в процессах бета-распада радиоактивных ядер. Экспериментально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 (Ф. Райнес и К. Коуэн, США).

 С 30-х и до начала 50-х гг. изучение элементарных частиц было тесно связано с исследованием космических лучей. В 1932 в составе космических лучей К. Андерсоном был обнаружен позитрон (е+) - частица с массой электрона, но с положительным электрическим зарядом. Позитрон был первой открытой античастицей. Существование е+ непосредственно вытекало из релятивистской теории электрона, развитой П. Дираком (1928 - 31) незадолго до обнаружения позитрона. В 1936 американские физики К. Андерсон и С. Неддермейер обнаружили при исследовании космических лучей мюоны (обоих знаков электрического заряда) - частицы с массой примерно в 200 масс электрона, а в остальном удивительно близкие по свойствам к е -, е+.

       В 1947 также в космических лучах  группой С. Пауэлла были открыты  p+ и p-мезоны с массой в 274 электронные массы, играющие важную роль во взаимодействии протонов с нейтронами в ядрах. Существование подобных частиц было предположено Х. Юкавой в 1935.

        Конец  40-х - начало 50-х гг. ознаменовались открытием большой группы частиц с необычными свойствами, получивших название «странных». Первые частицы этой группы К+ - и К-   - мезоны, L-, S+ -, S- -, X- - гипероны были открыты в космических лучах, последующие открытия странных частиц были сделаны на ускорителях -  установках, создающих интенсивные потоки быстрых протонов и электронов. При столкновении с веществом ускоренные протоны и электроны рождают новые элементарных частиц, которые и становятся предметом изучения.

        С  начала 50-х гг. ускорители превратились  в основной инструмент для  исследования элементарных частиц.  В 70-х гг. энергии частиц, разогнанных на ускорителях, составили десятки и сотни млрд. электронвольт (Гэв). Стремление к увеличению энергий частиц обусловлено тем, что высокие энергии открывают возможность изучения строения материи на тем меньших расстояниях, чем выше энергия сталкивающихся частиц. Ускорители существенно увеличили темп получения новых данных и в короткий срок расширили и обогатили наше знание свойств микромира. Применение ускорителей для изучения странных частиц позволило более детально изучить их свойства, в частности особенности их распада, и вскоре привело к важному открытию: выяснению возможности изменения характеристик некоторых микропроцессов при операции зеркального отражения-т.н. нарушению пространств четности (1956). Ввод в строй протонных ускорителей с энергиями в миллиарды Эв. позволил открыть тяжёлые античастицы: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-гипероны (1960). В 1964 был открыт самый тяжёлый гиперон W- (с массой около двух масс протона). В 1960-х гг. на ускорителях было открыто большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабильными частицами) частиц, получивших название «резонансов». Массы большинства резонансов превышают массу протона. Первый из них D1 (1232) был известен с 1953. Оказалось, что резонансы составляют основную часть элементарных частиц.

  В 1962 было выяснено, что существуют два разных нейтрино: электронное и мюонное. В 1964 в распадах нейтральных К- мезонов было обнаружено не сохранение т, н. комбинированной чётности (введённой Ли - Цзун Дао и Ян Чжэнь - Нином и независимо Л. Д. Ландау в 1956), означающее необходимость пересмотра привычных взглядов на поведение физических процессов при операции отражения времени.

 В 1974 были обнаружены массивные (в 3- 4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые y-частицы, с временем жизни, не обычно большим для резонансов. Они оказались тесно связанными с новым семейством элементарных частиц - «очарованных», первые представители которого (D0, D+, Lс) были открыты в 1976. В 1975 были получены первые сведения о существовании тяжёлого аналога электрона и мюона (тяжёлого лептона t). В 1977 были открыты ¡ - частицы с массой порядка десятка протонных масс.

 Таким образом, за годы, прошедшие после открытия электрона, было выявлено огромное число разнообразных микрочастиц материи. Мир элементарных частиц оказался достаточно сложно устроенным. Неожиданными во многих отношениях оказались свойства обнаруженных частиц. Для их описания, помимо характеристик, заимствованных из классической физики, таких, как электрический заряд, масса, момент количества движения, потребовалось ввести много новых специальных характеристик, в частности для описания странных частиц- странность (К. Нишиджима, М. Гелл-Ман, 1953), «очарованных» частиц- «очарование» (американские физики Дж. Бьёркен, Ш. Глэшоу, 1964); уже названия приведённых характеристик отражают необычность описываемых ими свойств частиц.

За сто с небольшим  лет физики провели тысячи сложнейших и точнейших экспериментов, призванных отыскать другие элементарные частицы  и выявить фундаментальные взаимодействия между ними. Результаты экспериментов  объяснялись серией последовательно  сменявших друг друга теорий. Последняя  в их ряду - Стандартная модель взаимодействия элементарных частиц (СМ), включающая в  себя минимальную модель электрослабого взаимодействия Глэшоу-Вайнберга-Салама и Квантовую хромодинамику (КХД). Можно сказать, что на сегодняшний  день именно СМ является реальным итогом многолетней работы сотен тысяч  людей от "высоколобых" теоретиков до простых инженеров и лаборантов. Схему СМ можно уложить в несколько  абзацев.

И на сегодняшний день, после  относительного затишья, начиная с 2000-ого года, физику элементарных частиц буквально взорвал ряд новых  экспериментальных результатов. Самый  сильный из них - открытие нейтринных осцилляций Нейтринной обсерваторией  Садбери в 2001-ом году. Несколько менее  научную общественность взбудоражили эксперименты по обнаружению СР-нарушения  в системах нейтральных B-мезонов, эксперименты по прецизионному измерению параметров СР-нарушения в системах нейтральных  каонов и окончательное экспериментальное  доказательство существования механизма  прямого СР-нарушения. В последние  годы были выполнены эксперименты по доказательству отличия тау-лептонного нейтрино от мюонного и электронно. В CERNe "чуть было" не открыли бозон  Хиггса. Появился целый ряд многообещающих экспериментальных работ по поиску дибарионов и глюболов.

Совершенно непонятно, для  чего столько частиц. Являются ли эти  элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия  показало, что в существовании  такой структуры нет никаких  сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.

         Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.

 

Глава 2.Фундаментальные  взаимодействия в природе и их характеристика.

 

 

В свой повседневной жизни  человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела. Здесь и  сила ветра или набегающего потока воды, давление воздуха, мощный выброс взрывающихся химических веществ, мускульная сила человека, вес тяжелых объектов, давление квантов света, притяжение и отталкивание электрических зарядов, сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения, и вулканические  извержения, приводившие к гибели цивилизации.

Одни силы действуют непосредственно  при контакте с телом, другие, например, - гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития теоретического естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести всего лишь к четырем фундаментальным взаимодействиям: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Каждое из этих взаимодействий характеризуется соответствующим параметром, называемым константой связи, численное значение которого определяет интенсивность взаимодействия.

 Именно эти взаимодействия, в конечном счете, отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех преобразований тел и процессов.

Каким образом физические объекты осуществляют фундаментальные  взаимодействия между собой? На качественном уровне ответ на этот вопрос выглядит следующим образом. Фундаментальные  взаимодействия переносятся квантами. При этом в квантовой области  фундаментальным взаимодействиям  отвечают соответствующие элементарные частицы, называемые элементарными  частицами - переносчиками взаимодействий. В процессе взаимодействия физический объект испускает частицы - переносчики  взаимодействия, которые поглощаются  другим физическим объектом. Это ведет  к тому, что объекты как бы чувствуют  друг друга, их энергия, характер движения, состояние изменяются, то есть они  испытывают взаимное влияние.

В современной физике высоких  энергий все большее значение приобретает идея объединения фундаментальных  взаимодействий. Согласно идеям объединения, в Природе существует только одно единое фундаментальное взаимодействие, проявляющее себя в конкретных ситуациях  как гравитационное, или как слабое, или как электромагнитное, или  как сильное, или как их некоторая  комбинация. Успешной реализацией идей объединения послужило создание ставшей уже стандартной объединенной теории электромагнитных и слабых взаимодействий. Идет работа по развитию единой теории электромагнитных, слабых и сильных  взаимодействий, получившей название теории великого объединения. Предпринимаются  попытки найти принцип объединения  всех четырех фундаментальных взаимодействий. В данной главе я последовательно  рассмотрю основные проявления фундаментальных  взаимодействий.

 

 

2.1.Гравитационное взаимодействие.

 

В истории физики гравитация (тяготение) стала первым из четырех  фундаментальных взаимодействий предметом  научного исследования. После появления  в ХVII в. Ньютоновской теории гравитации - закона всемирного тяготения - удалось впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы. Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий.

Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Величина гравитационного взаимодействия между компонентами атома водорода составляет 10-39 от силы взаимодействия электрических зарядов. (Если бы размеры  атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая  к ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной!) (Если бы размеры  атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая  к ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной!). Может показаться удивительным, что мы вообще ощущаем  гравитацию, коль скоро она так  слаба. Как она может оказаться  господствующей силой во Вселенной?

Все дело во второй удивительной черте гравитации - ее универсальности.

В нем участвуют все  виды материи, все объекты природы, все элементарные частицы. Общепринятой классической (не квантовой) теорией гравитационного взаимодействия является эйнштейновская общая теория относительности. Гравитация определяет движение планет в звездных системах, играет важную роль в процессах, протекающих в звездах, управляет эволюцией Вселенной, в земных условиях проявляет себя как сила взаимного притяжения. Конечно, мы перечислили только небольшое число примеров из огромного списка эффектов гравитации.

Согласно общей теории относительности, гравитация связана  с кривизной пространства-времени  и описывается в терминах так  называемой римановой геометрии. В  настоящее время все экспериментальные  и наблюдательные данные о гравитации укладываются в рамки общей теории относительности. Однако данные о сильных  гравитационных полях по существу отсутствуют, поэтому экспериментальные аспекты  этой теории содержат много вопросов. Такая ситуация порождает появление  различных альтернативных теорий гравитации, предсказания которых практически  неотличимы от предсказаний общей теории относительности для физических эффектов в Солнечной системе, но ведут к другим следствиям в сильных  гравитационных полях.

Если пренебречь всеми  релятивистскими эффектами и  ограничиться слабыми стационарными  гравитационными полями, то общая  теория относительности сводится к  ньютоновской теории всемирного тяготения.

 Сила гравитации, действующая  между частицами, всегда представляет  собой силу притяжения: она стремится  сблизить частицы. Гравитационное  отталкивание никогда еще не наблюдалось (Хотя в традициях квазинаучной мифологии есть целая область, которая называется левитация - поиск "фактов" антигравитации). Поскольку энергия, запасенная в любой частице, всегда положительна и наделяет ее положительной массой, частицы под действием гравитации всегда стремятся сблизиться.

Чем является гравитация, неким  полем или проявлением искривления  пространства-времени, - на этот вопрос пока еще однозначного ответа нет. Из многих физических предсказаний общей  теории относительности отметим  три. Теоретически установлено, что  гравитационные возмущения могут распространяться в пространстве в виде волн, называемых гравитационными. Распространяющиеся слабые гравитационные возмущения во многом аналогичны электромагнитным волнам. Их скорость равна скорости света, они  имеют два состояния поляризации, для них характерны явления интерференции  и дифракции. Однако в силу чрезвычайно  слабого взаимодействия гравитационных волн с веществом их прямое экспериментальное  наблюдение до сих пор не было возможно. Тем не менее, данные некоторых астрономических наблюдений по потере энергии в системах двойных звезд свидетельствуют о возможном существовании гравитационных волн в природе.

Теоретическое исследование условий равновесия звезд в рамках общей теории относительности показывает, что при определенных условиях достаточно массивные звезды могут начать катастрофически  сжиматься. Это оказывается возможным  на достаточно поздних стадиях эволюции звезды, когда внутреннее давление, обусловленное процессами, ответственными за светимость звезды, не в состоянии  уравновесить давление сил тяготения, стремящихся сжать звезду. В результате процесс сжатия уже ничем не может  быть остановлен. Описанное физическое явление, предсказанное теоретически в рамках общей теории относительности, получило название гравитационного  коллапса. Исследования показали, что  если радиус звезды становится меньше так называемого гравитационного  радиуса Rg = 2GM / c2, где M - масса звезды, а c - скорость света, то для внешнего наблюдателя звезда гаснет. Никакая  информация о процессах, идущих в  этой звезде, не может достичь внешнего наблюдателя. При этом тела, падающие на звезду, свободно пересекают гравитационный радиус. Если в качестве такого тела подразумевается наблюдатель, то ничего, кроме усиления гравитации, он не заметит. Таким образом, возникает область  пространства, в которую можно  попасть, но из которой ничего не может  выйти, включая световой луч. Подобная область пространства называется черной дырой. Существование черных дыр  является одним из теоретических  предсказаний общей теории относительности, некоторые альтернативные теории гравитации построены именно так, что они  запрещают такого типа явления. В  связи с этим вопрос о реальности черных дыр имеет исключительно  важное значение. В настоящее время  имеются наблюдательные данные, свидетельствующие  о наличии черных дыр во Вселенной.

В рамках общей теории относительности  впервые удалось сформулировать проблему эволюции Вселенной. Тем самым  Вселенная в целом становится не предметом спекулятивных рассуждений, а объектом физической науки. Раздел физики, предметом которого является Вселенная в целом, называется космологией. В настоящее время считается твердо установленным, что мы живем в расширяющейся Вселенной.

Современная картина эволюции Вселенной основывается на представлении  о том, что Вселенная, включая  такие ее атрибуты, как пространство и время, возникла в результате особого  физического явления, называемого  Большой Взрыв, и с тех пор  расширяется. Согласно теории эволюции Вселенной, расстояния между далекими галактиками должны увеличиваться  со временем, и вся Вселенная должна быть заполнена тепловым излучением с температурой порядка 3 K. Эти предсказания теории находятся в прекрасном соответствии с данными астрономических наблюдений. При этом оценки показывают, что  возраст Вселенной, то есть время, прошедшее  с момента Большого Взрыва, составляет порядка 10 млрд лет. Что касается деталей  Большого Взрыва, то это явление  слабо изучено и можно говорить о загадке Большого Взрыва как  о вызове физической науке в целом. Не исключено, что объяснение механизма  Большого Взрыва связано с новыми, пока еще неизвестными законами Природы. Общепринятый современный взгляд на возможное решение проблемы Большого Взрыва основывается на идее объединения  теории гравитации и квантовой механики.

Можно ли вообще говорить о  квантовых проявлениях гравитационного  взаимодействия? Как принято считать, принципы квантовой механики носят  универсальный характер и применимы  к любому физическому объекту. В  этом смысле гравитационное поле не представляет исключения. Теоретические исследования показывают, что на квантовом уровне гравитационное взаимодействие переносится  элементарной частицей, называемой гравитон. Можно отметить, что гравитон является безмассовым бозоном со спином 2.

Частица испускает гравитон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает  гравитон и также изменяет состояние  своего движения. В результате возникает  воздействие частиц друг на друга.

Как мы уже отмечали, константой связи, характеризующей гравитационное взаимодействие, является ньютоновская константа G. Хорошо известно, что G - размерная  величина. Очевидно, что для оценки интенсивности взаимодействия удобно иметь безразмерную константу связи. Чтобы получить такую константу, можно использовать фундаментальные  постоянные: ħ (постоянная Планка) и c (скорость света) - и ввести какую-нибудь эталонную массу, например массу протона mp. Тогда безразмерная константа связи гравитационного взаимодействия будет Gmp2/ (ħc )~6  *10-39 , что, конечно, является очень малой величиной. Интересно отметить, что из фундаментальных постоянных G, ħ , c можно построить величины, имеющие размерность длины, времени, плотности, массы, энергии. Эти величины называются планковскими. В частности, планковская длина lPl и планковское время tPl выглядят следующим образом:

 

, см      , с.

 

 Каждая фундаментальная  физическая константа характеризует  определенный круг физических  явлений: G - гравитационные явления,  ħ - квантовые, c - релятивистские. Поэтому  если в какое-то соотношение  входят одновременно G, ħ , c, то  это значит, что данное соотношение  описывает явление, которое одновременно  является гравитационным, квантовым  и релятивистским. Таким образом,  существование планковских величин  указывает на возможное существование  соответствующих явлений в Природе. 

Конечно, численные значения lPl и tPl очень малы по сравнению с характерными значениями величин в макромире. Но это означает только то, что        квантовогравитационные эффекты слабо проявляют себя. Они могли быть существенны лишь тогда, когда характерные параметры стали бы сравнимыми с планковскими величинами.

Отличительной чертой явлений  микромира является то обстоятельство, что физические величины оказываются  подверженными так называемым квантовым  флуктуациям. Это означает, что при  многократных измерениях физической величины в определенном состоянии принципиально  должны получаться различные численные  значения, обусловленные неконтролируемым взаимодействием прибора с наблюдаемым  объектом. Вспомним, что гравитация связана с проявлением кривизны пространства-времени, то есть с геометрией пространства-времени. Поэтому следует  ожидать, что на временах порядка tPl и расстояниях порядка lPl геометрия пространства-времени должна стать квантовым объектом, геометрические характеристики должны испытывать квантовые флуктуации. Другими словами, на планковских масштабах нет никакой фиксированной пространственно - временной геометрии, образно говоря, пространство-время представляет собой бурлящую пену.

Последовательная квантовая  теория гравитации не построена. В силу чрезвычайно малых значений lPl , tPl следует ожидать, что в любом обозримом будущем не удастся поставить эксперименты, в которых проявили бы себя квантовогравитационные эффекты. Поэтому теоретическое исследование вопросов квантовой гравитации остается единственной возможностью продвижения вперед. Есть ли, однако, явления, где квантовая гравитация могла бы оказаться существенной? Да, есть, и мы о них уже говорили. Это гравитационный коллапс и Большой Взрыв. Согласно классической теории гравитации, объект, подверженный гравитационному коллапсу, должен сжиматься до сколь угодно малых размеров. Это означает, что его размеры могут стать сравнимыми с lPl , где классическая теория уже неприменима. Точно так же в процессе Большого Взрыва возраст Вселенной был сравним с tPl и она имела размеры порядка lPl. Это означает, что понимание физики Большого Взрыва невозможно в рамках классической теории. Таким образом, описание конечной стадии гравитационного коллапса и начальной стадии эволюции Вселенной может быть осуществлено только с привлечением квантовой теории гравитации.