Концепции современного естествознания

5.4.3 Строение атомного ядра. Элементарные частицы. Понятие о кварках и ускорителях элементарных частиц

Ядро атома имеет размер 10-15 м. и состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов., которые называют нуклонами. Протон и нейтрон – тяжёлые частицы, масса каждой из них почти в 2000 раз превышает массу электрона. Отсюда понятно, почему основная масса атома сосредоточена в его ядре. Основными характеристиками ядра являются массовое число А ( определяет суммарное количество нуклонов в ядре) и зарядовое число Z (равно числу протонов в ядре и соответственно числу электронов в атоме). Нуклоны в ядре связаны между собой ядерными силами. Напомним, что это самые сильные из всех фундаментальных взаимодействий, они являются короткодействующими и обладают зарядовой независимостью.

В конце 20-го века возникла идея кварковой природы материи. Кварки - это фундаментальные частицы, из которых состоят все так называемые элементарные частицы. В свободном состоянии кварки не существуют, они имеют дробный электрический заряд по отношению к заряду электрона. Физики пришли к заключению о том, что существует

52

шесть типов кварков: u (2/3) , d (-1/3) , s (-1/3), c(2/3) , t (2/3) , b (-1/3) . Рядом с обозначением кварка в скобках указана величина заряда по отношению к заряду электрона. Например, нейтрон состоит из одного u- кварка и двух d- кварков (обозначается (udd), протон из одного d - кварка и двух u- кварков(duu)/. Свойства кварков изучает квантовая хромодинамика.

Элементарные частицы в настоящее время разделяют на следующие классы.

1.Фотоны – кванты электромагнитного поля, частицы с нулевой массой покоя (т.е. существовать могут только в движении со скоростью света) и участвуют в электромагнитном взаимодействии.

2.Лептоны – лёгкие элементарные частицы, к числу которых принадлежат электроны, нейтрино и др. Участвуют в слабом взаимодействии, а заряженные частицы – ещё и в электромагнитном взаимодействии.

3.Мезоны – нестабильные элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии.

4.Барионы – тяжёлые элементарные частицы, к которым относятся протоны, нейтроны, гипероны и другие, участвующие в фундаментальных взаимодействиях всех четырёх видов

Барионы и мезоны являются сильновзаимодействующими частицами и по этому признаку объединены в класс адронов.

Выше обращалось внимание на то, что объекты микромира не доступны нашему непосредственному восприятию, поэтому нужны специальные технические средства для изучения свойств микрочастиц,

называемые ускорителями элементарных частиц. В этих сооружениях с помощью электрических и магнитных полей заряженные частицы разгоняют до огромных энергий (порядка тысяч гигаэлектронвольт).

Сформированный ускорителем пучок заряженных частиц (например, протонов или электронов) направляют на специально подобранную, исходя из задач эксперимента, мишень, при соударении с которой рождается множество разнообразных вторичных частиц. Регистрируются эти новые частицы с помощью специальных детекторов, при этом определяется их масса, заряд, скорость и другие характеристики.

53

Адронный коллайдер

Если бы ускорители создавались по принципу телевизионной трубки, т.е. были бы линейными, то вакуумные камеры, в которых движутся частицы, должны были бы иметь длину в сотни километров. Чтобы этого избежать, рабочую камеру ускорителя делают кольцевой в форме огромного тора, при многократном прохождении которого электрическое поле многократно ускоряет движущиеся заряженные частицы до огромных энергий. Если мишень заменить встречным пучком частиц, то такой ускоритель называют коллайдером. Самый большой ускоритель – адронный коллайдер построен в Швейцарии на глубине 100м под землёй с длиной рабочей камеры 27 км. Энергия сталкивающихся частиц соответствует 10 Тэв(тераэлектронвольт). Для достижения такой энергии протоны должны лететь почти со световой скоростью. При этом каждый протон за одну секунду пролетит по 27-километроавому кольцу 11000 раз ! Физики надеются , что при немыслимых энергиях сталкивающихся частиц удастся получить важные сведения о процессах не только микромира, но и процессах, происходящих во Вселенной. Может, в результате такого эксперимента (который планируется провести в 2009 году) удастся «расколоть» протон и выбить из него отдельные кварки; может, удастся обнаружить особые частицы, отвечающие за массу элементарных частиц – бозон Хиггса; может, удастся воспроизвести условия возникновения нашей Вселенной. Разработкой такого коллайдера занималось в течение 20 лет более 1500 учёных из США. России, Японии, Франции и др., которые объединены в Европейский центр ядерных исследований – ЦЕРН.

54

5.5 КОНЦЕПЦИИ МЕГАМИРА

Мегамир так же, как и микромир, недоступен нашему непосредственному восприятиюэто мир звёзд, планет, галактик. Это мир, где расстояния измеряются не километрами и метрами, а световыми годами, парсеками, мегапарсеками.

Космология - это наука о космосе, о самой крупномасштабной системе материальных объектов, наука о Вселенной. Космология основывается на астрономических наблюдениях, на общей теории относительности, на физике высоких энергий и других теориях.

Своё начало космология берёт в античном мире. Итогом развития античной космологии явилась геоцентрическая концепция Птолемея ( в центре Вселенной находится Земля), которая просуществовала до Средневековья ( до 15 века). Основателем научной космологии является Николай Коперник – создатель гелиоцентрической системы - в центре находится Солнце, а вокруг него движется пять планет, за которыми располагалась твёрдая сфера с закреплёнными на ней звёздами. В начале 17 века Галилей с помощью 30-кратного телескопа сделал ряд открытий: увидел горы на Луне, спутники Сатурна и Юпитера; обнаружил, что Млечный Путь представляет скопление огромного множества звёзд и т.д. Происходило становление научной космологии, сопровождающееся отказом от представлений о том, что Земля или Солнце являются центром Вселенной. Кеплер установил законы движения планет, а Ньютон установил закон, который управляет этим движением – закон всемирного тяготения. Все эти открытия сочетались с представлениями о вечности и бесконечности Вселенной. Это была классическая модель Вселенной, которая просуществовала до начала 20 века. Однако уже в 19 веке в науке появились так называемые парадоксы, которые нарушили стройность классической модели Вселенной, поставив под сомнение её вечность и бесконечность. Эти парадоксы оставались неразрешимыми до 20-х годов 20 века – до создания общей теории относительности.

5.5.1 Современные представления о Вселенной

Изучение Вселенной основано на нескольких предпосылках: 1) открытые физикой универсальные законы природы (например, законы сохранения) справедливы и во Вселенной; 2) результаты астрономических наблюдений распространяются на всю Вселенную; 3) истинными признаются только те космологические выводы, которые не противоречат возможности существования человека (антропный принцип). Вселенная уникальна, поэтому все заключения о её возникновении и эволюции называются моделями. Наиболее общепринятой является модель однородной

изотропной нестационарной расширяющейся горячей Вселенной.

55

С точки зрения Эйнштейна, обитаемый нами мир есть четырёхмерная пространственно-временная непрерывность. В пространственном отношении

Вселенная является конечной, замкнутой. Но конечная по объёму Вселенная в то же время безгранична подобно тому, как не имеет границ поверхность любой сферы. Вселенная конечна и во времени, вечность ей не присуща. Эйнштейн исходил из стационарности Вселенной. Однако русский физик и космолог А.А.Фридман (1888-1925), опираясь на выводы общей теории относительности Эйнштейна об искривлённом пространстве, в 1922 году заметил, что искривлённое пространство не может быть стационарным: оно должно расширяться или сжиматься. ( Эйнштейн признал свои заблуждения, согласившись с мнением А.Фридмана.). В 1926 году американский астроном Эдвин Хаббл экспериментально обнаружил факт разбегания галактик друг от друга, что подтвердило модель расширяющейся Вселенной. Во второй половине 20 века идея расширяющейся Вселенной получила своё дальнейшее развитие в работах другого русского физика-

космолога Я.Б.Зельдовича.

Составной частью модели расширяющейся Вселенной являются представления о Большом Взрыве (БВ), который произошёл примерно 13-15 млрд. лет назад. Вселенная образовалась из возбуждённого физического вакуума. В начальном состоянии, которое называется космологической сингулярностью (состояние с бесконечно большой плотностью при бесконечно малом объёме), Вселенная представляла собой огромную ядерную каплю, которая оказалась в неустойчивом состоянии и взорвалась. В первые мгновения жизни Вселенной в ней было так горячо, что ни атомы, ни молекулы существовать не могли. В первые 10мкс после БВ материя Вселенной представляла кварк-глюонную плазму с чрезвычайно высокой температурой. Число образующихся частиц равнялось числу античастиц, но при остывании симметрия нарушилась и частиц стало чуть больше, чем античастиц. К концу первых трёх минут температура упала до 1млрд градусов, и в результате объединения протонов и нейтронов стали образовываться ядра водорода и гелия. Через несколько сотен тысяч лет начали образовываться атомы лёгких элементов, из которых в результате самопроизвольного синтеза впоследствии возникли другие элементы таблицы Менделеева, и далее вещество звёзд и планет. По мере расширения Вселенная остывала; охлаждалось и излучение горячей материи. То, что начальное состояние Вселенной характеризовалось очень высокой температурой, подтверждено открытым в 1965 году микроволновым фоновым излучением, которое получило название реликтового излучения.

5.5.2 Структура Вселенной

Та часть Вселенной, которая доступна современным астрофизическим методам исследования, называется Метагалактикой. Метагалактика имеет ячеистую структуру, содержит несколько миллиардов галактик, которые

56

распределены не равномерно и представляют собой звёздные системы из десятков и сотен миллиардов звёзд, космической пыли и разреженного газа. Галактики могут иметь неправильную форму или форму эллипса, или спирали. Галактика, к которой принадлежит наша Солнечная система, называется Млечный Путь. Он имеет спиральную форму и напоминает сплюснутый шар, заполненный 150 миллиардами звёзд, из ядра которого отходит несколько спиральных звёздных ветвей. В ядре галактики сосредоточены самые старые звёзды. Чтобы представить размеры нашей галактики, достаточно сказать, что свет идёт от одного её края до другого около 100 тысяч земных лет. Так как скорость света конечна, то объекты неба мы видим в прошлом; например, Полярную звезду такой, какой она была примерно 6 веков назад ( столько времени свет от неё идёт до Земли), а галактику в созвездии Андромеды такой, какой она была 2 млн. лет назад.

Виды галактик

Примерно 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звёздах- гигантских плазменных образованиях различной величины, температуры, с различными характеристиками движения. Ближайшая к нам звезда – Солнце. Оно расположено на расстоянии около 30 000 световых лет от центра галактики, существует не менее 5 млрд. лет и является звездой второго или более позднего поколений. Это раскалённый плазменный шар,

Солнце

57

радиусом примерно 700 000 км. В недрах Солнца протекают термоядерные реакции, которые создают там температуру порядка 15 млн. К, поверхность Солнца ( фотосфера) имеет температуру примерно 6000 К. Мощность

излучения Солнца 3,86кВт. Солнце – источник не только света и тепла, оно излучает также ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и элементарные частицы. Интенсивность этих излучений зависит от уровня солнечной активности, которая не является постоянной. Цикл солнечной активности составляет чуть больше 11 лет.

Солнце – далеко не самая большая звезда; например, в созвездии Цефея есть звезда, которая больше Солнца в 14 млрд. раз. Подобные звёзды называют гигантами или сверхгигантами. Есть, наоборот, звёзды с малыми размерами, но огромной плотностью (плотностью ядерного вещества). Такие звёзды называют нейтронными, т.к. состоят они в основном из нейтронов. Они являются импульсными источниками радиоволн различного диапазона, поэтому называются пульсарами. При сближении нейтронных звёзд их вещества под действием собственного тяготения подвергаются катастрофическому сжатию, происходит, как говорят, гравитационный коллапс и возникают чёрные дыры, существование которых было предсказано общей теорией относительности. Так, для того, чтобы звезда, масса которой равна массе Земли, превратилась в чёрную дыру, её необходимо сжать до радиуса 1 см , а Солнце – до 3 км. Это так называемый гравитационный радиус. Всё, что будет пролетать вблизи чёрной дыры, включая и свет, будет втягиваться внутрь сферы гравитационного радиуса и там исчезать. Чёрная дыра – это физическое тело, создающее столь сильное тяготение, что его свет остаётся внутри. Обнаружить их прямыми астрономическими наблюдениями невозможно, т.к. они не светятся. Обнаружить чёрную дыру можно по косвенным признакам, например, в системе двойной звезды, где партнёром чёрной дыры является обычная светящаяся звезда.

Квазары – весьма удалённые объекты, которые имеют сравнительно небольшие размеры, но выделяют колоссальную энергию Периодически во Вселенной происходят вспышки новых и сверхновых звёзд. Такие звёзды неожиданно (в результате бурных физических процессов) увеличиваются в

58

объёме, сбрасывают свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяют чудовищное количество энергии; затем, исчерпав свои ресурсы, они постепенно тускнеют и превращаются в газовую туманность.

5.5.3 СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

Солнечная система находится в одном из «рукавов» нашей спиральной галактики и состоит из Солнца и восьми планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Кроме того, сюда входят десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет, бесчисленное множество метеоритов. Подавляющая часть массы Солнечной системы сосредоточена в Солнце.

59

Солнце вместе со своими планетами движется в мировом пространстве со скоростью около 250 км/с вокруг центра галактики. В строении Солнечной системы есть свои закономерности: 1) почти все планеты, за исключением Венеры, вращаются против часовой стрелки и почти в одной плоскости; 2) каждая следующая планета удалена от Солнца в два раза дальше, чем предыдущая. Все планеты Солнечной системы подразделяют на планеты земной группы - это Меркурий, Венера, Земля и Марс, и планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. До недавнего времени к числу планет Солнечной системы относили и Плутон, (хотя по своим характеристикам он

60

не совсем вписывался в общие закономерности Солнечной системы). Международное астрономическое сообщество приняло решение о переводе его в категорию малых планет; таких планет в составе Солнечной системы тысячи. Вещество планет земной группы имеет плотность примерно в 5,5 раза большую плотности воды. Плотность планет-гигантов примерно равна плотности воды. Различаются они и по химическому составу. В твёрдых оболочках планет земной группы преобладают железо, кислород, кремний, магний; у Юпитера и Сатурна – это водород, гелий, аммиак.

Меркурий и спутник Земли Луна - безатмосферные миры. Днём они раскаляются до сотен градусов, а ночью остывают почти до абсолютного нуля. У Венеры, наиболее близкой к Земле и по размерам и по массе, температура у поверхности равна 460 градусам Цельсия, углекислотное атмосферное давление достигает 95 атмосфер. Марс вдвое меньше Земли по диаметру, тяготение там в несколько раз меньше земного. Под сухим и безжизненным верхним слоем, видимо, располагается мощный пласт водяного льда, который в летние дни на склонах, обращённых к Солнцу, тает, образуя ручьи и грязевые потоки.

Достоверной теории, объясняющей происхождение Солнечной системы, пока не существует. Один из предполагаемых путей её возникновения – это катастрофический путь, связанный с предположением о том, что вблизи будущей Солнечной системы примерно 5-6 млрд. лет назад произошёл взрыв сверхновой звезды, результатом которого стало появление Солнца и протопланетного диска, который впоследствии распался на отдельные планеты. Предполагается, что образованию планет из протопланетного диска предшествовало возникновение твёрдых структур достаточно больших размеров (до сотен км в диаметре). С середины 19 века появилась небулярная гипотеза Канта-Лапласа, согласно которой планеты и Солнце появились путём сжатия газовой или пылевой туманности.

61