КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Основные взаимодействия в природе
| Вид взаимодействия | Относительная интенсивность | Источник | Дальность действия | Частица-переносчик |
| Сильное ядерное | Нуклоны | d  10-15м
| Глюон | |
| Электромагнитное | 10 -2 | Электрические заряды | d = 
| Фотон |
| Слабое ядерное | 10 -14 | Элементарные частицы | d 10-18м
| Тяжелый векторный бозон |
| Гравитационное | 10 -40 | Материальные тела | d 
| Гравитон |
Различные процессы с элементарными частицами заметно отличаются по интенсивности протекания. Частицы-переносчики можно классифицировать на четыре типа в зависимости от величины переносимого ими взаимодействия и от того, с какими частицами они взаимодействовали.
В соответствии с различной интенсивностью протекания взаимодействия элементарных частиц феноменологически делят на несколько классов: сильное, электромагнитное и слабое. Кроме того, все элементарные частицы обладают гравитационным взаимодействием.
1.Первая разновидность взаимодействия – гравитационное. Это означает, что всякая частица находится под действием гравитационной силы, величина которой зависит от массы и энергии частицы. Это очень слабая сила, которую мы вообще не заметили бы, если бы не два ее специфических свойства: гравитационные силы действуют на больших расстояниях и всегда являются силами притяжения.
В квантово-механическом подходе к гравитационному полю считается, что гравитационная сила, действующая между двумя частицами материи, переносится частицей со спином 2, которая называется гравитоном.
2. Следующий этап взаимодействия создается электромагнитными силами, которые действуют между электрически заряженными частицами, но не отвечают за взаимодействие таких незаряженных частиц как гравитоны. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны.
Электромагнитное взаимодействие отличается от других участием электромагнитного поля. Электромагнитное поле либо излучается, либо поглощается при взаимодействии, либо переносит взаимодействие между телами. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь ядер и электронов в атомах и молекулах вещества, и тем самым определяет (на основе законов квантовой механики) возможность устойчивого состояния таких микросистем.
N.B! Электромагнитные взаимодействия гораздо сильнее гравитационных: электромагнитная cила, действующая между двумя электронами, примерно в 1040 раз больше гравитационной силы. В отличие от гравитационных сил, которые являются силами притяжения, поэтому электромагнитное взаимодействие является силой как притяжения, так и отталкивания (одинаковые по знаку заряды отталкиваются, разноименно заряженные – притягиваются).
3. Взаимодействие третьего типа называется слабым ядерным взаимодействием. Слабое взаимодействие элементарных частиц вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в том числе распады квазистабильных частиц. Оно отвечает за радиоактивность и существует между всеми частицами вещества со спином 1/2, но в нем не участвуют частицы со спином 0, 1, 2 - фотоны и гравитоны.
В 1967 г. английский физик-теоретик Абдус Салам и американский физик из Гарварда Стивен Вайнберг одновременно предложили теорию, которая объединяла слабое взаимодействие с электромагнитным. Вайнберг и Салам высказали предположение о том, что в дополнение к фотону существует еще три частицы со спином 1, которые вместе называются тяжелыми векторными бозонами и являются переносчиками слабого взаимодействия.
4. Сильное ядерное взаимодействие элементарных частиц представляет собой взаимодействие четвертого типа.Оно вызывает процессы, протекающие с наибольшей, по сравнению с другими процессам, интенсивностью и приводит к самой сильной связи элементарных частиц. Именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов (удерживая кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны – внутри атомного ядра). Переносчиком сильного взаимодействия считается частица со спином 1, которая называется глюоном. Глюоны взаимодействуют только с кварками и с другими глюонами.
В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействия все изученные элементарные частицы, за исключением фотона, разбиваются на две основные группы - адроны и лептоны. Адроны(от греч. - большой, сильный)-класс элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии (наряду с электромагнитным и слабым). Лептоны(от греч. - тонкий, легкий) -класс элементарных частиц, не обладающих сильным взаимодействием, участвующих только в электромагнитном и слабом взаимодействии.
Законченная теория адронов пока отсутствует, однако имеется теория, которая, не являясь ни законченной, ни общепризнанной, позволяет объяснить их основные свойства. Эта теория - квантовая хромодинамика, согласно которой адроны (протоны и электроны) состоят из кварков, а силы между кварками обусловлены обменом глюонами, т.е. сильным ядерным взаимодействием. Впервые исследовал эти частицы американский физик-теоретик Марри Гелл-Манн.
Все обнаруженные адроны состоят из кварков шести различных типов – ароматов. Известно несколько разновидностей кварков: предполагают, что существует по крайней мере шесть ароматов, которым отвечаютu - кварк, d- кварк, странный кварк, очарованный кварк, b - кварк и t - кварк. Кварк каждого аромата может иметь еще и один из трех цветов - красный, зеленый, синий. Кварк каждого аромата может находиться в трех цветовых состояниях, или обладать тремя различными цветовыми зарядами
N.B!Это просто обозначение, т.к. размер кварков значительно меньше длины волны видимого света и поэтому цвета в обычном смысле слова у них нет.
Поскольку длины световых волн значительно больше размеров атома, у нас нет надежды «увидеть» составные части атома обычным способом. Для этой цели необходимы значительно меньшие длины волн.
Необычное свойство сильного взаимодействия в том, что оно обладает конфайнментом (от англ. confinement- ограничение, удержание). Конфайнментсостоит в том, что частицы всегда удерживаются в бесцветных комбинациях. Один кварк не может существовать сам по себе, потому что тогда он должен иметь цвет (красный, зеленый, синий).
Следствием конфайнмента является то, что мы не можем наблюдать отдельный кварк или глюон, потому что сильное взаимодействие характеризуется еще одним свойством, которое называется асимптотической свободой.Это свойство состоит в том, что при высоких энергиях сильное взаимодействие заметно ослабевает и кварки, и глюоны начинают вести себя почти также, как свободные частицы.
Лекция 8. Космологические концепции естествознания.
1. Космология. Зарождение четвертой глобальной естественнонаучной революции.
2. Космологические модели Вселенной.
3. Космогонические теории Вселенной: Теория расширяющейся Вселенной, теория Большого взрыва, инфляционная теория и теория горячей Вселенной.
4. Звездная космогония.
Зарождение четвертой глобальной естественнонаучной революции.Одной из основных концепций современного естествознания является учение о Вселенной как едином целом и о всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной (Метагалактике) как части целого - космология. Как устроена Вселенная? Как она «живет» и развивается? Конечна она или бесконечна? Возникла ли она какое-то время назад или существовала всегда? Будет ли она существовать вечно или когда-нибудь наступит ее конец? Вот те ключевые вопросы, которые придают необычайную привлекательность космологии. По существу это фундаментальные вопросы естествознания. Выводы космологии основываются и на законах физики, и на данных наблюдательной астрономии. Как любая наука, космология в своей структуре кроме эмпирического и теоретического уровней имеет также уровень философских предпосылок, философских оснований.
Так, в основании современной космологии лежит предположение о том, что законы природы, установленные на основе изучения весьма ограниченной части Вселенной, чаще всего на основе опытов на планете Земля, могут быть экстраполированы на значительно большие области, в конечном счете - на всю Вселенную. Это предположение об устойчивости законов природы в пространстве и времени относится к уровню философских оснований современной космологии.
Ньютон представлял Вселенную бесконечной. Его закон всемирного тяготения столкнулся с непреодолимой трудностью, когда речь зашла о Вселенной как о едином целом. Действительно, если бы звездная Вселенная обладала конечными размерами в гравитационное взаимодействие (т.е. притяжение) вовлеклась бы каждая частица вещества, Вселенная сколлапсировала бы в единую массу. Чтобы это преодолеть, Ньютон постулировал, что Вселенная бесконечна, так что силы тяготения в данной точке взаимно компенсируются, и нет общего центра, на который могло бы все падать
Эйнштейн пошел еще дальше: он предположил, что центра нет вообще, потому как любая система может быть таким центром или точкой отсчета. Обобщая сказанное, мы можем утверждать, что третья глобальная естественнонаучная революциярадикально преобразила научную картину мира, изменив астрономию, космологию и физику и означала полный отказ от всякого центризма.
Центральным вопросом современной физики является объединение квантовой механики с общей теорией относительности. Если такое объединение станет возможным, появится новая, доселе неизвестная возможность: пространство и время смогут вместе образовать конечное четырехмерное пространство, не имеющее сингулярности и границ, и напоминающее поверхность Земли, но с большим числом измерений. С помощью такого подхода удалось бы, наверное, объяснить многие из наблюдаемых свойств Вселенной, например, ееоднородность в больших масштабах и одновременноотклонения от однородности, наблюдаемые в меньших масштабах, такие, как галактики, звезды и даже человеческие существа.
Космологические модели Вселенной. Каждый из трех великих преобразователей естествознания, каковыми являлись корифеи астрономии и физики - Аристотель, Ньютон и Эйнштейн, не только завершил свою космологическую или глобальную естественнонаучную революцию, но и создал необходимые физические и космологические предпосылки для осуществления последующей глобальной естественнонаучной революции, которая связана с построением космической модели Вселенной.
Возникновение современной космологии связано с созданием релятивистской теории тяготения, исходящей изобщей теории относительности Эйнштейна. Уравнения Эйнштейна, связывающие геометрию пространства-времени с распределением и движением материи, справедливы для систем любого масштаба, вплоть до Вселенной.
Вопрос о происхождении мира волновал людей с незапамятных времен, но лишь в начале XX века появилась возможность его научной постановки. До того не хватало идеи, какие физические величины могут характеризовать состояние Вселенной в целом. После создания общей теории относительности стало ясно, что такой сущностью, поддающейся измерению и наверняка имеющейся в каждом самом отдаленном уголке Вселенной, является пространство–время.
Из уравнений Эйнштейна общей теории относительности следует кривизна пространства-времени и связь кривизны с плотностью массы (энергии). На ее базе можно говорить о построении современной космологической модели. Первым, кто это сообразил, был сам Эйнштейн. Он применил свои уравнения для анализа простейшей модели Вселенной, которая заполнена веществом с одинаковой повсюду плотностью. Эйнштейн ожидал получить решение, описывающее мир с некоторой не изменяющейся во времени кривизной, — стационарное решение. Неизменность Вселенной соответствовала классическим космологическим представлениям
Итак, первая релятивистская космологическая модель (модель Вселенной) предложенная Эйнштейном, представляла собой стационарную конечную сферическую замкнутую модель.Замкнутыми принято называть космологические модели, в которых Вселенная конечна.
Ошибку Эйнштейна (как выяснилось позже, даже ошибка великого физика оказалась гениальной) исправил наш соотечественник А. А. Фридман. В начале 20-х годов советский математик Александр Александрович Фридман впервые решил уравнения общей теории относительности применительно ко всей Вселенной, не накладывая условия стационарности. В работах 1922—1924 гг. он справедливо указал, что стационарность Вселенной не следует ни из каких наблюдательных данных и потому не может быть основанием для изменения исходных уравнений. Фридман сделал два очень простых предположения: во-первых, Вселенная выглядит одинаково, в каком бы направлении мы ее не наблюдали (изотропность Вселенной), и, во-вторых, это утверждение должно оставаться справедливым и в том случае, если бы мы производили наблюдения из какого-нибудь другого места (однородность Вселенной). Эти два предположения составляют так называемый космологический принцип.
Фридман показал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, должна расширяться или сжиматься. А.А.Фридман нашел ряд решений для расширяющихся Вселенных, заполненных веществом, построив три модели Вселенной, которые и поныне служат основой для самых современных космических построений и для которых выполним космологический принцип.
1 модель. Вселенная расширяется, затем расширение останавливается и сменяется сжатием. В этой модели Вселенная замкнута, ее средняя кривизна положительна (Риманово пространство-время).
2 модель. Вселенная расширяется, темп расширения вначале падает, а затем стабилизируется. В этой модели Вселенная бесконечна, незамкнута, пространство-время имеет отрицательную кривизну подобно поверхности седла (пространство-время Лобачевского).
3 модель. Вселенная расширяется, темп расширения падает, стремясь к нулю. В этой модели, промежуточной между моделями 1 и 2, Вселенная бесконечна, незамкнута, ее пространство-время является плоским (евклидовым).
В первой модели Вселенная расширяется медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и, в конце концов, прекращалось. После этого Вселенная начинает сжиматься. В остальных моделях сжатия не происходит.
Впервой моделиФридмана пространство искривляется, замыкаясь на себя, как поверхность Земли. Поэтому размеры его конечны. Во второй же модели, в которой Вселенная расширяется бесконечно, пространство искривлено иначе - как поверхность седла, т.е. в этом случае пространство бесконечно. В третьей моделиФридмана пространство плоское и значит тоже бесконечное.
Какая из моделей лучше описывает реальную Вселенную, зависит от средней плотности тяготеющей материи в ней.
Теория расширяющейся Вселенной. В 1929 году американский астроном Э.Хаббл опубликовал статью «Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей», в которой пришел к выводу: «Далекие галактики уходят от нас со скоростью, пропорциональной удаленности от нас. Чем дальше галактика, тем больше ее скорость» (этот коэффициент пропорциональности получил название постоянной Хаббла). Этот вывод Хаббл получил на основе эмпирического установления определенного физического эффекта - красного смещения, т.е. увеличения длин волн линий в спектре источника (смещения линий в сторону красной части спектра) по сравнению с линиями эталонных спектров, обусловленного эффектом Допплера, в спектрах галактик.
N.B! Сопоставляя наблюдаемое систематическое допплеровское “покраснение” далеких галактик по мере их удаления от нас, он установил, что эти галактики равномерно удаляются от нашей Галактики и друг от друга, т.е. вся наша Метагалактика систематически равномерно расширяется. И выяснилось, что нашу, в общем, достаточно однородную и изотропную Метагалактику, которая равномерно расширяется действительно можно описывать соответствующей релятивисткой космологической моделью Фридмана.
Итак, открытие Хабблом эффекта красного смещения, являющегося доказательством разбегания галактик, лежит в основе концепции расширяющейся Вселенной. Значение постоянной Хаббла (вернее, параметра Хаббла) определяет время, истекшее с начала расширения Вселенной, которое сейчас оценивается в 10-20 млрд. лет. Таким образом, он подтвердил правоту Фридмана относительно гипотезы расширяющейся Вселенной.
Несмотря на успех расширяющейся модели и на согласие ее предсказаний с наблюдениямиХаббла, работа Фридмана оставалась неизвестной на западе, и лишь в 1935 г. американцы Робертсон и Уолкер предложили сходные модели в связи с открытием Хаббла.
В соответствии с современными космологическими концепциями, Вселенная расширяется, но центр расширения отсутствует: из любой точки Вселенной картина расширения будет представляться той же самой, а именно, все галактики будут иметь красное смещение, пропорциональные расстоянию до них. Само пространство как бы раздувается.
Общая теория относительности в корне изменила наши представления о пространстве, времени, о Вселенной. Она привела к отказу от какого бы то ни было центризма вообще. Метагалактика – или вся наша наблюдаемая астрономическая Вселенная как единое целое – стала описываться однородной и изотропной безграничной релятивистской космологической моделью.
В основе современной космологии лежат представления об однородности и изотропности Вселенной: во Вселенной нет каких-либо выделенных точек и направлений, т.е. все точки и направления равноправны. Это утверждение об однородности и изотропности Вселенной часто называют космологическим постулатом.
В теории однородной изотропной Вселенной оказываются возможными две модели Вселенной: открытая и замкнутая.
В открытой модели кривизна трехмерного пространства отрицательна или (в пределе) равна нулю, Вселенная бесконечна; в такой модели расстояния между скоплениями галактик со временем неограниченно возрастают. В замкнутой модели кривизна пространства положительна, Вселенная конечна (но так же безгранична, как и в открытой модели); в такой модели расширение со временем сменяется сжатием. На основании имеющихся наблюдательных данных нельзя сделать никакого выбора между открытой и замкнутой моделями. Эта неопределенность никак не сказывается на общем характере прошлого и современного расширения, но влияет на возраст Вселенной (длительность расширения) - величину не достаточно определенную по данным наблюдений.
Все варианты модели Фридмана имеют общее: в какой-то момент времени в прошлом (десять-двадцать миллиардов лет назад) расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю. В этот момент (называемый Большим взрывом) плотность Вселенной и кривизна пространства-времени должны были быть бесконечными. В моделях однородной изотропной Вселенной выделяется ее особое начальное состояние - сингулярность. Это состояние характеризуется огромной плотностью массы и кривизной пространства. С сингулярности начинается взрывное, замедляющееся со временем расширение.
Космогонические модели Вселенной. Итак, если верна общая теория относительности, то Вселенная могла иметь сингулярную точку, Большой взрыв. Но вот следует ли из общей теории относительности, что у Вселенной должно быть начало времени? Ответ на этот вопрос был получен в 1965 г. английским математиком и физиком Роджером Пенроузом,который показал, что когда звезда сжимается под действием собственных сил гравитации, она ограничивается областью, поверхность которой сжимается до нуля; то же самое происходит и с ее объемом. Возникает сингулярность в области пространства-времени, она называется черной дырой.
Стивен Хокинг заметил, что если в теореме Пенроуза изменить направление времени на обратное, то эта теорема тоже будет верна (СРТ-теорема). Теорема была сформулирована и доказана в работах немецкого физика Г. Людерса (1952— 1954) и швейцарского физика В. Паули (1955). Она вытекает из основных принципов квантовой теории поля. Если в природе происходит некоторый процесс, то в силу т. СРТ с той же вероятностью в ней может происходить и процесс, в котором частицы заменены соответствующими античастицами, проекции их спинов имеют противоположный знак, а начальные и конечные состояния процесса поменялись местами.
N.B! .Теорема СРТ (СРТ-теорема), теорема квантовой теории поля, согласно которой уравнения теории инвариантны относительно СРТ-преобразования: т.е. уравнения теории не меняют своего вида, если одновременно провести три преобразования: зарядовое сопряжение С (замена частиц античастицами), пространственную инверсию (зеркальное отражение) Р (замена координат r на — r) и обращение времени Т (замена времени t на — t).
В итоге Хокингу и Пенроузу в 1970г. удалось доказать, что сингулярная точка Большого взрыва должна существовать.
Рассматривая теорию Большого взрыва, исследователи сталкивались с проблемами, ранее воспринимавшимися как метафизические. Однако вопросы неизменно возникали и требовали ответов. Что было тогда, когда ничего не было? Если Вселенная родилась из сингулярности, значит, когда-то ее не существовало. В теоретической физике Ландау и Лившица сказано, что решение уравнений Эйнштейна нельзя продолжить в область отрицательного времени, и потому в рамках общей теории относительности вопрос «что было до рождения Вселенной?» не имеет смысла.
Инфляционная модель Вселенной. Одна из трудностей, с которой сталкивается традиционная теория Большого Взрыва, - необходимость объяснить, откуда взялось колоссальное количество энергии, требующееся для рождения частиц. На этот и ряд других вопросов попытались ответить авторы теорий раздувающейся Вселенной.
В последние десятилетия развитие космологии и физики элементарных частиц позволило теоретически рассмотреть самую начальную сверхплотную стадию расширения Вселенной, которая завершилась уже к моменту t около 10-36 с. Эту стадию расширения Вселенной назвали инфляционной.
Гипотеза инфляционной Вселенной Алана Гуса предлагает ответ на вопрос о причинах «большого взрыва». В ее основе лежит представление о наличии сил космического отталкивания гигантской величины, способных не только компенсировать гравитационное притяжение, но и разорвать начальное состояние материи и вызвать ее расширение, продолжающееся по настоящее время. В соответствии с этой моделью начальное состояние Вселенной было вакуумным.
Физический вакуум – это самое низкое энергетическое состояние всех полей, форма материи, лишенная вещества и излучения. Вместе с тем вакуум отличается активностью, возникновением и уничтожением виртуальных частиц и способностью находиться в одном из многих состояний с сильно различающимися энергиями и давлениями, причем эти давления отрицательные. Возбужденное состояние такого вакуума называют «ложным вакуумом», который может создавать огромную силу космического отталкивания. Именно эта сила вызвала стремительное раздувание «пузырей пространства» (зародышей одной или нескольких Вселенных), в которых сконцентрировались огромные запасы энергии. Этот тип раздувания Вселенной назвали инфляцией (от латинского inflacio – вздутие, раздувание). Быстрое расширение означает, что все части вселенной разлетаются как при взрыве. По существо это и есть «большой взрыв».
Фаза инфляции ограничена во времени. Отрицательный (ложный) вакуум не устойчив и всегда стремится к распаду. При завершении распада отталкивание исчезает, прекращается инфляция и Вселенная попадает во власть обычного гравитационного притяжения. Это происходит в 10-34 сек. Но под воздействием первоначального импульса, полученного в процессе инфляции, расширение Вселенной продолжается, хотя и постепенно замедляется.
В начале фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной, но в конце фазы огромные запасы энергии в исходном физическом вакууме высвободились в виде излучения, которое моментально нагрело Вселенную до температуры 1027 К и энергии 1014 ГэВ. Отсюда начинается эволюция «горячей» Вселенной.
Модель горячей Вселенной.Американский физик Георгий Антонович Гамов в 1946 году заложил основы одной из фундаментальных концепций современной космологии – модели горячей Вселенной.
Современная космология рисует картину Вселенной вблизи сингулярности. Согласно модели горячей Вселенной, плазма и электромагнитное излучение на ранних стадиях расширения Вселенной обладали высокой плотностью и температурой. В условиях очень высокой температуры вблизи сингулярности не могли существовать не только молекулы и атомы, но даже и атомные ядра; существовала лишь равновесная смесь разных элементарных частиц.
В ходе космологического расширения Вселенной эта температура падала. Понижение температуры привело к нарушению симметрии — единое взаимодействие, существовавшее в первые мгновения, разделилось на четыре взаимодействия, знакомых нам сегодня. Одновременно высокоэнергетическое состояние физического вакуума стало неустойчивым, и он перешел в современное, привычное для нас низкоэнергетическое состояние. Избыток энергии выделился в виде энергии покоя и кинетической энергии возникших элементарных частиц. Вселенная стала вновь горячей и заполненной частицами.
Кинетическая энергия частиц при такой температуре была достаточной, чтобы при их столкновениях рождались самые разнообразные новые частицы. В результате весьма быстро установился равновесный состав только что родившейся Вселенной: количество частиц каждого сорта определялось исключительно их массой (то есть энергией покоя).
По мере дальнейшего расширения Вселенной и понижения температуры энергия теплового движения перестает быть достаточной для рождения тяжелых частиц. Все они нестабильны, и потому до наших дней не дожили. Мы знакомы с ними лишь по их мимолетным появлениям в мощных ускорителях и в потоках космических лучей. Вымирание (физики говорят: «вымораживание») тяжелых частиц означает цепочку нарушений больцмановской симметрии.
В ту же эпоху произошло нарушение еще одной важнейшей симметрии — между частицами и античастицами, — в результате которого частиц оказалось немного, на одну миллиардную долю больше, чем античастиц. Именно из этой доли состоят сегодняшние звезды, планеты и люди: все остальные частицы и античастицы взаимно аннигилировали, превратившись в электромагнитное излучение.
Спустя несколько секунд после начала расширения Вселенной началась эпоха, когда образовались ядра дейтерия, гелия, лития и бериллия - эпоха первичногонуклеосинтеза. Продолжалась эта эпоха приблизительно 3 минуты. Ее результатом в основном стало образование ядер гелия. Остальные элементы, более тяжелые, чем гелий, составили ничтожно малую часть вещества.
Когда возраст Вселенной достиг 50 микросекунд, температура упала до 5 триллионов градусов, а состав вещества свелся к бурлящей смеси протонов и нейтронов, составляющих современные атомные ядра, а также легких элементарных частиц — электронов, фотонов и нейтрино. Высокая температура еще некоторое время поддерживала взаимопревращения нейтронов и протонов, однако когда возраст Вселенной достиг 1 секунды, а температура опустилась до 10 миллиардов градусов, нарушилась и эта симметрия.
. Через 3–5 минут после рождения Вселенная имела температуру около миллиарда градусов, плотность 100 000 кг/м3 (в 15 раз больше плотности стали) и была заполнена протонами (ядрами водорода), альфа-частицами (ядрами гелия), а также электронами, нейтрино и электромагнитным излучением (фотонами).
После эпохи нуклеосинтеза (около 3 мин.) и до эпохи рекомбинации (около 106 лет) происходило спокойное расширение и остывание Вселенной.
До момента рекомбинации, который наступил примерно через миллион лет после начала расширения, Вселенная была непрозрачной для квантов света. Поэтому с помощью электромагнитного излучения нельзя заглянуть в эпоху, предшествующую рекомбинации. На сегодняшний день это можно сделать с помощью теоретических моделей.
Модель горячей Вселенной получила эмпирическое подтверждение в 1965 году в открытии реликтового излучения американскими учеными Пензиасом и Уилсоном. Реликтовое излучение - одна из составляющих общего фона космического электромагнитного излучения. Температура обособившегося излучения продолжала снижаться и к нашей эпохе составила около 3К. Таким образом, это излучение сохранилось до наших дней как реликт от эпохи рекомбинации и образования нейтральных атомов водорода и гелия. Оно осталось как эхо бурного рождения Вселенной, которое часто называют Большим взрывом. Реликтовое излучение равномерно распределено по небесной сфере и по интенсивности соответствует тепловому излучению абсолютно черного тела при температуре около 3К.
Наблюдения реликтового фона показали, что первоначальный избыток частиц по сравнению с античастицами составлял ничтожную долю (одну миллиардную) от их общего числа. Именно из этих «избыточных» протонов и нейтронов в основном состоит вещество современной наблюдаемой Вселенной.
Происхождение химических элементов.Для образования атома необходимо, чтобы атомное ядро связалось с достаточным количеством электронов. Долгое время это было невозможно из-за слишком высокой температуры — любой атом, возникнув, тут же был бы разбит на ядро и электроны в столкновениях с другими частицами. Лишь когда возраст Вселенной достиг примерно миллиона лет, а температура опустилась до нескольких тысяч градусов, атомы стали устойчивыми. Вселенная оказалась заполненной разреженной (10–23 кг/м3) газовой смесью из 30% гелия и 70% водорода (по массе; по количеству атомов пропорция была примерно 10:90). Астрономические наблюдения подтверждают этот вывод.
Откуда же взялись все остальные элементы? Наиболее распространенные из них образовались в термоядерных реакциях внутри звезд.
Формирование космических тел. Космогония. Космогония - раздел астрономии, изучающий происхождение и развитие планет и Солнечной системы в целом, звезд, галактик и т.д. Наиболее развиты планетная и звездная космогония.
Звездная космогония. От рекомбинации до появления первых галактик и звезд прошли сотни миллионов лет. Сразу после рекомбинации еще не было никаких массивных тел, космических объектов: вещество было рассеяно во Вселенной почти равномерно. Все межзвездное пространство, которое было открыто сразу после изобретения телескопа, заполнено веществом. По современным представлениям, основным компонентом межзвездной среды является газ, состоящий из атомов и молекул. Он перемешан с пылью, на долю которой приходится около 1% массы межзвездного вещества. Это вещество пронизывается быстрыми потоками элементарных частиц - космическими лучами - и электромагнитным излучением. Межзвездная среда оказалась немного намагниченной.
Причина, по которой из однородной среды образовались массивные тела (звезды, планеты, галактики и т.д.) кроется в силе гравитации. Процесс формирования космических тел из разряженной газовой и газово-пылевой среды под действием гравитационных сил называется гравитационной конденсацией. Она лежит в основе процесса формирования галактик, звезд.
Нарастание возмущений (малых отклонений от среднего значения) плотности и скорости вещества в первоначально однородной среде под действием гравитационных сил называется гравитационной неустойчивостью. Она рассматривается обычно как причина образования галактик и их скоплений. Там, где плотность была чуть выше средней, сильнее было и притяжение, значит, более плотные образования становились еще плотнее. Изначально однородная масса со временем разделилась на отдельные «облака», из которых сформировались галактики.
Рождение звезды. Около половины межзвездного газа содержится в молекулярных облаках. Молекулярные облака - это «фабрики по производству звезд». Когда плотность молекулярного облака (или отдельной его части) становится настолько большой, что гравитация преодолевает газовое давление, облако начинает неудержимо коллапсировать. Коллапс плотной части облака в звезду, а чаще в группу звезд, продолжается несколько миллионов лет (это сравнительно быстро по космическим масштабам). В среднем в Галактике ежегодно рождается примерно десяток звезд с общей массой около 5 масс Солнца.
Плотный фрагмент молекулярного облака, в котором еще не достигнуты температуры, необходимые для начала термоядерных реакций, т.е. превращения облака в звезду, называется в звездной космогонии протозвездой. Протозвезда (от греч. «протос» - первый) - это космический объект, который уже не облако, но еще и не звезда. Когда температура в центре протозвезды достигает нескольких миллионов градусов, начинаются термоядерные реакции, сжатие прекращается, и протозвезда становится звездой.
Звездная эволюция. Астрономы не могут наблюдать жизнь одной звезды от начала до конца, потому что даже самые короткоживущие звезды существуют миллионы лет - дольше жизни всего человечества. Рождение звезды длится миллионы лет и скрыто от нас в недрах темных облаков, поэтому данных процесс практически недоступен прямому наблюдению.
Срок жизни звезды и то, во что она превращается в конце жизненного пути, полностью определяется ее массой. Звезды с массой больше солнечной живут гораздо меньше Солнца, а время жизни самых массивных звезд - всего миллионы лет. Для подавляющего большинства звезд время жизни - около 15 млрд. лет. После того как звезда исчерпает свои источники энергии она начинает остывать и сжиматься, превращаясь в красного гиганта.
Звезда представляет собой саморегулирующуюся, тонко сбалансированную систему. Источник энергии – водородные термоядерные реакции в центральной зоне. Запасы водорода в звездах обеспечивают ядерные реакции на миллиарды лет. После того, как выгорит водород в центральной зоне звезды, образуется гелиевое ядро. Ядерные реакции перемещаются на периферию звезды. Выгоревшее ядро сжимается, а внешняя оболочка расширяется, разбухая до огромных размеров. Когда внешняя температура снижается, звезда переходит в стадию красного гиганта, и существование звезды приближается к концу.
Конечным продуктом эволюции звезд являются компактные массивные объекты, плотность которых во много раз больше, чем у обычных звезд. Звезды разной массы приходят в итоге к одному из трех состояний: белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры.
Белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры. Если масса звезды невелика, меньше 1,4 массы Солнца (так называемый предел Чандрасекара), то силы гравитации сравнительно слабы и сжатие звезды (гравитационный коллапс) прекращается. Она переходит в устойчивое состояние белого карлика. Белые карлики - конечная стадия звездной эволюции после исчерпания термоядерных источников энергии звезд средней и малой массы. Они представляют собой очень плотные горячие звезды малых размеров из вырожденного газа. Ядерные реакции внутри белого карлика не идут, а свечение происходит за счет медленного остывания. Масса белых карликов не может превышать некоторого значения Солнце в будущем - это белый карлик. Белый карлик, когда его энергия исчерпывается, изменяет свой цвет: от белого к желтому, затем к красному – и наконец превращается в черного карлика, несветящегося, с огромной плотностью. Так завершается существование большинства звезд.
Если масса превышает критическое значение (больше 1,4 массы Солнца), сжатие продолжается. Давление в звезде не может уравнять силу тяготения, и эволюция таких звезд может завершиться гравитационным коллапсом, т.е. неограниченным падением вещества к центру. Когда масса белого карлика становится в 2-3 раза больше массы Солнца, гравитационное сжатие приводит к образованию черной дыры.
Если же силы отталкивания частиц и другие причины останавливают коллапс, то происходит грандиозное, но чрезвычайно редкое небесное явление, которое запечатлено во многих исторических летописях разных народов - вспышка сверхновой звезды, - мощный взрыв с выбросом вещества и с образованием газовых туманностей.
Когда звезда исчерпывает запас термоядерного горючего, распирающее ее давление горячего газа не может больше противостоять гравитационным силам. Внешние слои звезды начинают падать к ее центру, сильно сжимаясь и нагреваясь. Создаются условия для очень быстрого термоядерного горения остатков легких элементов — термоядерного взрыва. Мы наблюдаем такое как вспышку Сверхновой, когда звезда внезапно начинает сиять как сотни миллиардов обычных звезд.
Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может превратиться в сверхплотную нейтронную звезду, как впервые предположили в 30-е годы XX века Вальтер Бааде и Фриц Цвикки.
При очень высокой плотности электроны, соединяясь с протонами, образуют нейтроны. Вскоре уже почти вся звезда состоит из одних нейтронов и имеет такую громадную плотность, что огромная звездная масса сосредоточивается в очень небольшом шаре радиусом несколько километров и сжатие останавливается - образуется нейтронная звезда. Если же масса звезды будет настолько велика, что даже образование нейтронной звезды не остановит гравитационного коллапса, то конечным этапом эволюции звезды будет черная дыра.
Нейтронная звезда - это конечное состояние эволюции звезд массой более десяти солнечных. Она представляет собой очень экзотический космический объект. Ее радиус - всего 10-20 км, а масса в 1,5-2 раза больше солнечной. Нейтронные звезды называют пульсарами, т.к. для них характерно радиоизлучение в виде повторяющихся импульсов.
Если масса нейтронной звезды превосходит предельное значение, никакое давление вещества не может противодействовать силам гравитации. Звезда становится неустойчивой и быстро коллапсирует. Так образуется черная дыра. Черная дыра - космический объект, который образуется при неограниченном гравитационном сжатии (гравитационном коллапсе) массивных космических тел. Черные дыры образуются в результате коллапса гигантских нейтронных звезд массой более 3 масс Солнца. При сжатии их гравитационное поле уплотняется все сильнее и сильнее. Наконец звезда сжимается до такой степени, что свет уже не может преодолеть ее притяжения. Границу пространства, за которую не может вырваться свет, называют горизонтом черной дыры. Радиус, до которого должна сжаться звезда, чтобы превратиться в черную дыру, называется гравитационным радиусом. Для массивных звезд он составляет несколько десятков километров. Черная дыра имеет возможность гравитационного захвата других космических тел.
Квазары(квазизвездный источник радиоизлучения) – космические объекты чрезвычайно малых угловых размеров, имеющие значительное красное смещение линий в спектре, что указывает на их огромную удаленность от Солнечной системы, достигающую несколько тысяч Мпк. Квазары излучают в десятки раз больше энергии, чем самая мощная галактика. Источник их энергии точно не известен.
Наша галактика.Основная часть излучающего свет вещества находится в звездах, которые вместе с космической пылью, газом и другими объектами образуют огромные скопления – галактики. Наша Галактика, в которую погружена Солнечная система, называется Млечный Путь. Это грандиозное скопление звезд, видимое на небе как светлая туманная полоса.
N.B! На древнегреческом языке слово «галактикос» означает «молочный», «млечный», поэтому Млечный Путь и похожие на него звездные системы называют галактиками. В нашей Галактике - Млечном Пути - более 200 млрд. звезд самой разной светимости и цвета.
Окрестности Солнца - это объем Галактики, в котором доступными современной астрономии средствами можно наблюдать и изучать звезды разных типов. Как показывает практика, это "шар", который содержит около 1,5 тысяч звезд. Радиус этого шара - 20 парсек. В настоящее время в окрестностях Солнца исследованы все или почти все звезды, за исключением совсем карликовых, излучающих очень мало света.
Наши предки объединили все звезды в группы - созвездия. Созвездия не являются физическими группировками звезд, связанных между собой общими свойствами. Созвездия - это участки звездного неба.
Скопления звезд - это их группы с общими физическими свойствами. Этим скопления отличаются от созвездий, которые являются результатом случайного совпадения положений звезд на небе Часть из звездных группировок принадлежит нашей Галактике.. Наблюдения в XIX веке позволили установить, что звездные скопления разделяются на шаровые скопления и рассеянные. Во второй половине XX века к этим классам звездных группировок добавился еще один - ассоциации звезд.
Шаровые скопления звезд - старейшие объекты нашей Галактики: они образовались одновременно с ней. Расстояния до этих скоплений очень велики - тысячи парсек. Сейчас известно свыше 150 шаровых скоплений, всего же их в Галактике может быть несколько сот.
Рассеянное скопление состоит из нескольких сот или тысяч звезд. Масса рассеянных скоплений невелика и их гравитационное поле не в состоянии долго противостоять разрушению скоплений. Просуществовав около миллиарда лет, они растворяются в океане Галактики.
Ассоциация - это группировка молодых звезд, объединенных общим образованием. Они более разреженные, чем скопления.
Одной из самых интересных областей Галактики считается ее центр, или ядро, расположенное в направлении созвездия Стрельца. Видимое излучение центральных областей Галактики полностью скрыто от нас мощными слоями поглощающей материи. В самом центре Галактики предполагается существование массивного компактного объекта - черной дыры массой около миллиона масс Солнца.
Одним из наиболее заметных образований в дисках галактик, подобных нашей, являются спиральные ветви (или рукава).
Многообразие галактик. Метагалактика - часть Вселенной, доступная современным астрономическим методам исследований - содержит несколько миллиардов галактик - звездных систем, в которых звезды связаны друг с другом силами гравитации. Существуют галактики, включающие триллионы звезд.
Наша Галактика также достаточно велика (в ней более 200 млрд. звезд). Самые маленькие галактики содержат звезд в миллион раз меньше. Помимо обычных звезд галактики включают в себя межзвездный газ, пыль, а также различные экзотические объекты: белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры.
Галактики редко бывают одиночными. Более 90% ярких галактик входят либо в небольшие группы, содержащие лишь несколько крупных членов, либо в скопления галактик, в которых их насчитывается многие тысячи.
Скопления галактик - это самые крупные устойчивые системы во Вселенной. Существуют и более протяженные образования: цепочки из скоплений или гигантские плоские поля, усеянные галактиками и скоплениями («стенки»), но гравитация не удерживает эти системы, и они вместе со всей Вселенной расширяются.
Внешний вид и структура звездных систем весьма различны и в соответствии с этим галактики делятся на морфологические типы: эллиптические, спиральные, неправильные. Наша Галактика принадлежит к типу спиральных. Спиральная структура в нашей Галактике очень хорошо развита.
Скрытая масса. Для современной астрономической картины мира принципиально важным оказалось то, что существуют космические объекты, от которых невозможно принять излучение. Их наличие удается установить только по их гравитационному воздействию на соседей. Невидимое вещество, проявляющее себя по взаимодействию с видимым посредством сил тяготения, в современной астрономии называютскрытой массой.
О существовании темной материи стало известным по характеру движения звезд в галактиках, которое оказалось слишком быстрым, чтобы объяснить его только взаимным притяжением звезд.
Однако, как выяснилось буквально в последние годы, не они дают основной вклад в общую массу Вселенной. Большая ее часть приходится надолю темной энергии, о существовании которой стало известно лишь в 90-е годы ХХ в. Это явление связано с объяснением увеличения скорости расширения Вселенной.
Дата добавления: 2015-04-05; просмотров: 134; Мы поможем в написании вашей работы!; Нарушение авторских прав |