Lektsii_Fizika_chast_III

чение (либо самих звёзд, либо нагреваемых ими объектов). Ночи как таковой не должно было бы быть, да и днём, поскольку многие звёзды обладают большей яркостью, чем Солнце, на фоне яркого светящегося неба наше светило должно было бы казаться тусклым фонариком. Ничего подобного, однако, не наблюдается, и это заставляет задуматься: действительно ли число звёзд во Вселенной бесконечно велико?

Гравитационный парадокс

Если число объектов во Вселенной бесконечно, и они распределены по ней равномерно, то общая сила их гравитационного воздействия на любое тело вокруг нас (и на нас самих) должна быть несравненно больше притяжения со стороны Земли. Поскольку ничего подобного ни на Земле, ни в видимой части Вселенной не наблюдается, приходится также сделать вывод о том, что общее количество небесных тел ограничено.

Термодинамический парадокс

Из второго закона термодинамики следует, что энтропия в изолированной системе со временем возрастает, а сама система стремится перейти в термодинамически наиболее вероятное состояние, которым является хаос. Во Вселенной, которая существует бесконечно долго, такой хаос (соответствующий равномерному распределению по пространству вещества и энергии) должен был бы наступить давным-давно. Данное утверждение носит название утверждения о неизбежности тепловой смерти Вселенной: нетрудно видеть, однако, что окружающий нас мир от хаоса далёк, и говорить о тепловой смерти не приходится.

Фотометрический, гравитационный и термодинамический парадоксы заставили ученых усомниться в справедливости утверждения о бесконечности и вечности Вселенной. Для преодоления возникшего противоречия в 1917 г. А. Эйнштейн выдвинул гипотезу, согласно которой наша Вселенная хотя и не имеет границ, но, тем не менее, конечна. Согласно этой гипоте-

зе, наше пространство характеризуется не тремя, а четырьмя измерениями и замкнуто в этом четвёртом измерении. Подобно тому, как двумерную поверхность можно изогнуть в третьем

180

измерении, изготовив из неё, например, сферу, которая не имеет границ, но характеризуется конечной площадью, наша Вселенная представляет собой четырёхмерную сферу, объем которой может быть выражен хотя и очень большим, но всё же конечным числом кубических метров. Такая Вселенная, естественно, содержит конечное число объектов, и поэтому фотометрический и гравитационный парадоксы к ней просто неприменимы.

Что же касается термодинамического парадокса, то он сохраняет свою силу и в модели Эйнштейна: за бесконечно долгое время в такой Вселенной должна давно наступить тепловая смерть.

Выход из создавшейся ситуации был найден в 1922 г. советским физиком А. Фридманом, который, анализируя уравнения Эйнштейна, показал, что они допускают наличие решения, зависящего от времени. Возможны три варианта: Вселенная непрерывно расширяется (при этом расширяется само пространство), непрерывно сжимается или испытывает чередующиеся циклы сжатия и расширения. Экспериментальное доказательство того, что Вселенная именно расширяется, было получено в 1929 г. американским астрономом Хабблом, который открыл красное смещение линий в спектрах свечения галактик. Данный эффект истолковывается как следствие эффекта Доплера (изменения длины световых волн из-за движения источника излучения и наблюдателя по отношению друг к другу). Было обнаружено, что скорость удаления галактик друг от друга линейно увеличивается с ростом межгалактического расстояния L:

где коэффициент Н (50 100) км/(с Мпк*) получил название постоянной Хаббла. С учётом, что самые далёкие галактики уносятся от нас со скоростью, приближающейся к скорости света, легко найти время t, которое должно было бы пройти с начала разлёта: t L/ ct/c 1/H, оно составляет около 10 20

* Здесь использована единица длины парсек – расстояние до звезды, годичный параллакс которой составляет одну угловую секунду; 1 пк 3,3 световых года или около 3 1016м.

181

миллиардов лет и, по существу, даёт представление о возрасте Вселенной.

В рамках модели расширяющейся Вселенной можно поставить два вопроса: как начался процесс этого расширения и что ожидает нашу Вселенную в будущем?

Что касается второго вопроса, то будущее Вселенной оказалось зависящим от её массы. Дело в том, что происходящее расширение тормозится силами гравитационного притяжения, которые действуют даже на очень больших расстояниях. При этом если масса Вселенной (правильнее говорить о средней плотности вещества в ней ) превышает некоторое критическое

временем должно прекратиться и затем смениться сжатием. Если же КР, то расширение будет продолжаться бесконечно долго, случаю КР соответствует ситуация, при которой расширение со временем практически прекратится и скорость разбегания галактик становится равной нулю. Итак, судьба расширяющейся Вселенной определяется значением её средней плотности: современные оценки показывают, что и и КР имеют один порядок величины, но какой из этих параметров больше пока определённо сказать нельзя.

Не менее интересен вопрос о том, с чего началось расширение, и как менялась сама Вселенная в ходе этого процесса. Современные физика и космология объясняют возникновение Вселенной с помощью теории Большого взрыва, в основе которой лежат работы Ж. Леметра, Г.А. Гамова и других учёных.

18.2. Возникновение и эволюция Вселенной

Согласно современным представлениям примерно 15 млрд. лет назад вся наблюдаемая нами Вселенная была сжата в комочек бесконечно малого диаметра и, соответственно бесконечно большой плотности. Такое начальное состояние получило название сингулярности, в теории оно получается как некото-

182

рый предельный переход в математических расчётах, и поэтому известные законы физики к описанию данного состояния неприменимы. По этой же причине пока нельзя сказать, что послужило причиной пребывания материи в данном стоянии, что происходило до момента взрыва, и почему он случился. Ответы на эти вопросы получить крайне сложно, поскольку невозможно поставить соответствующий эксперимент или хотя бы пронаблюдать естественное возникновение новой Вселенной для того, чтобы сверить наши теоретические построения с тем, что имеет место на самом деле. С другой стороны, чем дальше мы уходим по шкале времени от момента взрыва, тем большую определённость приобретают наши предположения, тем обширнее становиться фактический материал, используемый для построения теории. Экспериментальные данные поставляют астрономические наблюдения, эксперименты на ускорителях элементарных частиц, исследования, связанные с регистрацией высокоэнергетического космического излучения и т.д. Описание процесса эволюции Вселенной становится всё более и более обоснованным.

Но вернёмся к «началу». Итак, по какой-то причине (предлагаются разные варианты её формулировки) произошёл взрыв сингулярности. В течение примерно 10 33 с (соответствующий промежуток времени называют инфляционным периодом) возникают пространство и время, выделяется энергия, которая разогревает Вселенную по меньшей мере до 1027 К При такой температуре нет различий между кварками и лептонами, вместо электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий есть лишь одно, переносчиком которого является частица лишь одного типа (так называемый X-бозон). Начиная с этого момента, собственно и начинается сопровождающееся постепенным остыванием расширение Вселенной, процесс, который продолжается и в наше время. Кратко опишем основные этапы этого расширения.

Первый этап

Начало остывания сопровождается отделением кварков от лептонов и распадом единого Х-бозона на глюоны и безмассо-

183

вый бозон-переносчик электрослабого взаимодействия. При этом оказалось, что число кварков и лептонов несколько превышает число антикварков и антилептонов (примерно на одну штуку на каждый миллиард частиц). Существовавшую в эти мгновения систему взаимодействующих друг с другом кварков и глюонов можно рассматривать, как ещё одно агрегатное состояние вещества*: кварк-глюонную плазму. Справедливость данного предположения уже подтверждена экспериментально в Центре европейских ядерных исследований (ЦЕРН). Идея опыта заключалась в достижении огромного давления и высокой (более 1012 К) температуры путём лобового столкновения пучков ядер свинца, разогнанных навстречу друг другу до скорости, близкой к скорости света: в этих экспериментах и было зафиксировано возникновение кварк-глюонной плазмы.

Через 10 10 с температура снизилась настолько, что безмассо-

вый бозон-переносчик электрослабого взаимодействия разделился на безмассовый фотон и три тяжелых векторных бозона.

Таким образом, электрослабое взаимодействие разделилось на слабое и электромагнитное, то есть во Вселенной утвердились все четыре известные ныне науке фундаментальные взаимодействия. Примерно через 20 30 мкс после Большого взрыва пре-

кращается свободное существование кварков и глюонов, они сливаются в адроны (в наше время, возможно, кварк-глюонная плазма существует лишь в недрах нейтронных звёзд).

В течение первых 15 с после «начала» температура Вселенной понижается до 3 109 К. За это время происходит аннигиляция частиц и античастиц: в результате аннигиляции рождаются фотоны, выделяется энергия. С поглощением энергии происходят реакции превращения протонов в нейтроны. Поскольку общее число возникших в результате Большого взрыва частиц больше, чем античастиц, в дальнейшем построение Вселенной идёт из вещества, а не из антивещества.

* Напомним, что обычно выделяют четыре агрегатных состояния вещества: твёрдое тело, жидкость, газ и электрон-ионная плазма.

184

После снижения температуры до 109 К (примерно через 3 мин после «начала») нейтроны и протоны получают возможность объединяться в устойчивые образования – ядра атома гелия и его изотопов, ядра дейтерия, трития. Затем почти 500 тысяч лет идёт медленное остывание примерно до 3000 К, температуры, при которой ядра водорода и гелия могут захватить и удержать около себя электроны. Появляются первые атомы: водорода и гелия. В результате Вселенная оказывается однородной разрежённой смесью трёх почти не взаимодействующих друг с другом субстанций: лептонов, барионного вещества (атомов водорода, гелия и их изотопов), а также квантов электромагнитного излучения – фотонов. Данное излучение получило название реликтового. Экспериментально это излучение (а оно не связано с каким-либо конкретным источником и фиксируется на Землю поступающим равномерно из всех точек пространства) было обнаружено в 1964 году. По мере остывания Вселенной его энергия падала, и в настоящее время она соответствует температуре 3 К (или длинам электромагнитных волн сантиметрового диапазона). Обнаружение реликтового излучения явилось серьёзным аргументов в пользу концепции Большого взрыва.

Казалось бы, возникшую Вселенную – смесь лептонов, простейших атомов и фотонного газа – ждёт постепенное остывание и ничего более. Однако здесь начинается второй этап формирования Вселенной – переход от однородной смеси к системе, обладающей определённой внутренней структурой. Такой переход занял от 1 до 3 млрд. лет.

Второй этап

В расширяющейся Вселенной случайным образом возникают уплотнения вещества, силы тяготения внутри которых (из-за большей массы уплотнений) проявляют себя сильнее. Это означает, что уплотнения начинают активнее притягивать к себе окружающее вещество: возникают водородно-гелиевые облака, которые под действием гравитационных сил начинают сжиматься. Сжатие газа сопровождается повышением его температуры, и если масса скопления достаточно велика (больше 0,08 массы Солнца), температура оказывается настолько большой, что

185

начинаются термоядерные реакции синтеза. Температура объекта резко подскакивает, возникают звёзда первого поколения, внутри которой идут реакции протонного цикла:

Пока температура звезды высока, кинетической энергии частиц, из которых она состоит, достаточно велика, чтобы не дать силам тяготения сжать вещество ещё больше. Но по мере «выгорания» топлива температура начинает снижаться, а, значит, звезда начинает сжиматься. Но сжатие означает новое повышение температуры, которое оказывается достаточным для того, чтобы начались термоядерные реакции вида

Так в результате термоядерных реакций и постепенного уплотнения ядра звезды образуются ядра атомов элементов первой половины таблицы Менделеева (до железа) и излучается энергия. Образование более тяжёлых ядер требует поглощения энергии, поэтому термоядерные реакции в глубине звезды прекращаются, и она начинает остывать.

Дальнейшая судьба звезды зависит от её массы. Если масса невелика, сжавшаяся звезда – карлик постепенно погаснет. Если масса достаточно велика, гравитационные силы сожмут звезду, причём сжатие может быть как постепенным, так и достаточно быстрым. В последнем случае температура опять может резко возрасти, и процесс приобретёт характер взрыва. Вещество звезды разлетается в пространстве, взрыв сопровождается вспышкой

186

(на небосклоне на короткое время загорается сверхновая звезда), а часть выделившейся энергии расходуется на синтез ядер элементов второй половины таблицы Менделеева. Таким образом, массивные звёзды первого поколения являются «фабриками» по производству ядер элементов всей таблицы Менделеева. Эти ядра, разлетевшись в разные стороны, со временем вновь образуют уплотнения: возникают звёзды второго поколения и пла-

неты.

Судьба звёзд второго поколения во многом сходна с судьбой их предшественниц (постепенное выгорание топлива, превращение в карлик, или сильное сжатие – постепенное или со взрывом). Наше Солнце является звездой второго (а может быть, даже третьего) поколения.

Сильное сжатие (которое может происходить при взрыве) приводит к образованию любопытных космических объектов – нейтронных звёзд и чёрных дыр. При массе более 1,4 масс Солнца силы тяготения оказываются достаточно большими для того, чтобы объединить электроны с протонами: возникают нейтроны. Вещество нейтронной звезды – не атомы, а нейтроны, находящиеся друг от друга на расстояниях, характерных для нуклонов в ядре. Плотность такого вещества оказывается колоссальной (примерно 2,4 1017 кг/м3), причём для описания его свойств требуется использовать квантовую механику в совокупности со статистикой Ферми-Дирака, поскольку нейтроны являются фермионами. В частности, именно квантовомеханические силы отталкивания между нейтронами (частицами – «индивидуалистами») компенсируют силы гравитационного сжатия внутри звезды. Нейтронные звёзды – объекты, существование которых во Вселенной уже подтверждено астрономическими наблюдениями (это так называемые «пульсары»).

Если масса космического объекта превышает 2 3 массы Солнца, то образуется черная дыра. Сила тяготения её столь велика, что энергии фотонов не хватает для того, чтобы свет, испущенный чёрной дырой, мог покинуть сферу её притяжения. Это означает, что увидеть такой объект в принципе невозможно, и поэтому до сих пор нет полной уверенности, что те небесные объекты, которые относятся астрономами к чёрным дырам, дей-

187

ствительно являются таковыми. Идентификация проводится по косвенным признакам: массивные объекты, будучи даже невидимыми, должны искажать траектории движения близлежащих звёзд, и такие искажения в ряде случаев действительно наблюдаются. Есть ещё один признак: обладая сильным гравитационным полем, чёрная дыра захватывает оказавшиеся поблизости объекты, например, – протоны. Попадая в её поле, протоны начинают двигаться с ускорением, а заряженные частицы, движущиеся с ускорением, как известно, испускают электромагнитные волны, которые уже можно зафиксировать. Таким образом, о существовании чёрной дыры можно сделать вывод по поведению её окружения.

18.3. Проблемы современной космологии

Существенным прорывом в методике экспериментальных исследований в области космологии стало использование для этих целей автоматических космических обсерваторий. Изучение полученных за последние два десятилетия данных показало, что физика находится на пороге новых открытий, способных перевернуть наше представление об устройстве Вселенной. Попытки описать движение удалённых галактик с помощью закона Всемирного тяготения привели к пониманию того, что всё видимое вещество, которое мы описали с помощью набора шести десятков элементарных частиц, должно составлять не более 5 % от всей материи Вселенной. По расчётам 25 % Вселенной должно приходиться на материю, которую мы почему-то не наблюдаем. Природа этой темной материи пока неизвестна. Более того, ещё 70 % материи Вселенной в форме энергии должно приходиться на так называемую тёмную энергию, существование которой проявляется в том, что между галактиками, судя по всему, существуют не только силы гравитационного притяжения, но некие силы отталкивания, которые дают свой вклад в ускорение разбегания галактик. Возможно, ответы на вопросы о природе темной материи и тёмной энергии требуют боле глубокого понимания, что такое гравитация вообще, какова реальная структура про-

188

странства-времени, существуют ли другие Вселенные и возможны ли переходы между ними. Если ответы на эти вопросы будут получены, то это станет величайшим открытием и решит вопрос о будущем нашей Вселенной, в том числе – человечества.

Есть ещё один не менее любопытный вопрос, волнующий учёных: почему наша Вселенная именно такова, какая она есть? В более строгой постановке этот вопрос звучит так: почему фундаментальные физические постоянные (такие, как скорость света c, гравитационная постоянная G, заряд e и масса электрона me и протона mp, постоянная Планка h) имеют именно те значения, которые нам известны, а не другие, и как выглядела бы Вселенная, если бы эти значения оказались иными? Ведь численные значения перечисленных физических постоянных теоретически никак не обоснованы, они получены в результате экспериментов!

Естественный шаг в направлении решения данной проблемы

– попытка анализа того, какими могли бы оказаться для Вселенной последствия изменения численных значений этих постоянных (по отдельности, или в неких комбинациях). Результаты соответствующих расчётов приводят к любопытному выводу: совсем небольших, в пределах 10 % 30 % отклонений значений c, G, e me, mp и h в ту или другую сторону достаточно для того, чтобы наша Вселенная оказалась настолько упрощенной системой, что ни о каком её направленном развитии не смогло бы идти и речи.

Так, например, увеличение постоянной Планка более чем на 15 % лишает протон возможности объединяться с нейтроном, то есть делает невозможным возникновение атомных ядер. Аналогичный результат получается, если увеличить массу протона на 30 %. Изменение значений этих же физических постоянных в меньшую сторону открыло бы возможность образования настолько устойчивого ядра атома гелия, что на ранних стадиях расширения Вселенной исчезли бы практически все свободные протоны…

Следствием подобных вычислений явилась констатация удивительного факта наличия очень узких «ворот» для подходящих значений физических постоянных, допускающих возможность

189