Атом в вселенной, Вселенная в атоме

     Приведенная классификация взаимодействий имеет  относительный характер, так как  существенно зависит от энергии  частиц. Во всяком случае она относится  лишь к взаимодействию частиц, обладающих не слишком большой энергией.

     По  типу взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, все они, за исключением фотона, могут быть отнесены к двум группам.

• К первой относятся адроны, для которых характерно наличие сильного взаимодействия, но они могут участвовать также в электромагнитном и слабом взаимодействиях.
• Ко второй группе принадлежат лептаны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях.

     Помимо  общих групповых характеристик, элементарные частицы обладают также  специфическими, индивидуальными признаками, которые характеризуются их квантовыми числами. К ним относят массу частицы, время ее жизни, спин и электрический заряд. По массе частицы делятся на тяжелые, промежуточные и легкие. По времени жизни различают стабильные, квазистабильные и нестабильные частицы. К стабильным частицам относят электрон, протон, фотон и нейтрино. Квазистабильные частицы распадаются вследствие электромагнитного и слабого взаимодействия. Нестабильные частицы распадаются за счет сильного взаимодействия. Спин характеризует собственный момент количества движения частицы и измеряется целым или полуцелым значением, кратным постоянной» Планка. Так, у протона и электрона он равен 1/2, а у фотона 0. Электрические заряды элементарных частиц являются кратными наименьшего заряда, присущего электрону. 
 

      Глава II. Мегамир в его многообразии и единстве 

     2.1 Состав и строение  мегамира 

     Нет жесткой границы, однозначно разделяющей  микро-, макро- и мегамиры. При несомненном  качественном различии они связаны  конкретными процессами взаимопереходов. Наша Земля представляет макромир. Но и качестве одной из планет Солнечной системы она одновременно выступает и как элемент мегамира.

     В Солнечную систему входят 9 планет, их спутники, свыше 100 тыс. астероидов, множество комет и метеоритных  тел. Расстояние от Солнца до наиболее удаленной планеты Плутона 6 млрд км. Различают планеты земной группы и планеты-гиганты. Планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля, Марс — сравнительно невелики и состоят из плотного вещества. Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон относятся к гигантам, они гораздо массивнее, но в их состав входят легкие вещества и поэтому их плотность меньше. В отличие от атмосфер планет земной группы, четко отделенных от твердой поверхности, атмосферные газы планет-гигантов постепенно переходят в конденсированное состояние, в «тело» самих планет. У них нет привычной нам твердой или жидкой поверхности.

     Входящие  в Солнечную систему астероиды  представляют собой малые планеты. Хотя их много, но суммарная их масса  оказывается меньше 0,001 массы Земли. Самый крупный астероид — планета Церера — имеет поперечник около 1000 км. Сталкиваясь друг с другом, астероиды дробятся на метеориты.

     Своеобразными объектами Солнечной системы  являются кометы. Они состоят из головы, небольшого плотного ядра и  хвоста длиной в десятки миллионов километров. Ядра комет имеют размеры в несколько километров и состоят из каменных и металлических образований, заключенных в ледяную оболочку из замерзших газов. Кометы обычно — самые дальние объекты Солнечной системы. Некоторые из них удаляются от Солнца на 10 000 млрд км — на расстояние одного светового года, т.е. расстояние, которое свет со скоростью 300 000 км/с проходит за один год (1 световой год = 10 000 млрд км = 1013 км). Считается, что на этом удалении от Солнца и проходит граница Солнечной системы. Далее начинается сфера влияния других звезд. Для сравнения: свет от Солнца до Земли доходит за 8 мин, а от второй по близости к нам звезды (Проксима Центавра) свет идет к Земле более четырех лет. Эта звезда находится от нас в 100 000 раз дальше, чем Солнце.

     Массы звезд составляют от 0,1 до 50 солнечных  масс. Размеры диаметров звезд  различаются очень сильно — от 10—20 км (нейтронные звезды) до сотен  миллионов километров (красные сверхгиганты). Плотности вещества звезд колеблются от 1 г/см3 до 1014 г/см3 (нейтронные звезды). Светимости звезд колеблются от 0,001 до 1 млн солнечной светимости, т.е. различаются на 9 порядков (в миллиард раз). Атмосфера звезд на 98% состоит из водорода и гелия.

     Звезды  образуют галактики, включающие сотни  миллиардов звезд, туманности, межзвездную среду, космические лучи, электромагнитные волны. Наша галактика выглядит как двояко выпуклая линза (диск), толщина которого 1,5 тыс. световых лет, а диаметр — 100 тыс. световых лет. Полная масса галактики равна 150 млрд. солнечных масс. Ближайшие к нам галактики, видимые невооруженным взглядом, — Магеллановы облака и Туманность Андромеды.

     И самый большой объект в мире, включающий все известные современной науке, — это Метагалактика. Размеры  ее 15-20 млрд световых лет, а возраст 15—20 млрд лет. Таков состав мегамира, а что известно о его истории, эволюции? 
 
 
 

     2.3 Эволюция Метагалактики,  галактик и отдельных  звезд 

     Теория  расширяющейся Вселенной основана на истолковании экспериментально зафиксированного красного смещения спектральных линий галактик как следствия эффекта Допплера, объясняющего красное смещение разбеганием галактик. Однако такое истолкование не единственное, за последние десятилетия все больше накапливается сомнений в реальности расширения Вселенной. Эволюция космических систем несомненна, но следует различать объективные законы эволюции и теоретические выражения их с помощью различных моделей. В частности, явление красного смещения линий спектра может быть объяснено как следствие уменьшения энергии и собственной частоты фотонов в результате взаимодействия с гравитационными полями при движении света в течение многих миллионов лет в межгалактическом пространстве.

     Эволюцию  претерпевают все космические объекты  — звезды, планеты, галактики. Сейчас известно, что обычные звезды в  ходе претерпеваемых изменений превращаются в так называемые «белые карлики», «нейтронные звезды» и «черные дыры».

     Что такое «белый карлик»? Это электронная  постзвезда, образующаяся в том случае, когда звезда на последней стадии своей эволюции имеет массу, меньшую 1,2 солнечной массы. Превращение  происходит путем медленного сжатия звезды, которая продолжает светить уже не за счет ядерных реакций, а в результате освобождающейся в процессе сжатия гравитационной энергии. Диаметр «белого карлика» равен диаметру нашей Земли, температура достигает около миллиарда градусов, а плотность - 10 т/см3 - в сотни тысяч раз больше земной плотности. Такую плотность можно получить, утрамбовав грузовой автомобиль в объем наперстка. В течение 1 млрд лет «белый карлик» медленно остывает, превращаясь в «черный карлик» — ничего не излучающий холодный «труп» звезды.

     Нейтронные  звезды возникают на заключительной стадии эволюции звезд, обладающих массой от 1,2 до 2 солнечных масс. В этом случае на предконечном этапе происходит очень  быстрое сжатие звезды, в ходе которого в наружных ее слоях начинается бурный процесс ядерных реакций, в которые вступают остатки ядерного вещества звезды. При этом выделяется так много энергии, что происходит взрыв с разбросом наружного слоя звезды. Внутренние же ее области стремительно сжимаются. Остаток звезды уменьшается до размеров в 20—30 км, а средняя ее плотность возрастает до 100 млн т/см3, что, используя прежнее сравнение, равнозначно утрамбовке в наперсток миллиона грузовых автомобилей. Образующийся объект и получил название «нейтронная звезда». Она состоит из протонов и нейтронов, силы гравитации разрушили в ней сложные ядра и вещество снова стало состоять из отдельных элементарных частиц. Открытые в 1967 г. пульсары (источники пульсирующего, периодически изменяющегося импульсного излучения) как раз и являются намагниченными вращающимися нейтронными звездами.

     В случае же, если масса постзвезды (звезды на заключительной стадии своего существования) превысит 2 солнечные массы, она должна превратиться в «черную дыру»  с радиусом 5т 10 км. Черные дыры имеют  и другие названия застывшая звезда», «гравитационная могила», «коллапсар», «флуктуар», «отон». Пространство черной дыры как бы «вырвано» из пространства Метагалактики. Если вырезать в листе бумаги дыру, то это даст наглядную двумерную аналогию черной дыры в трехмерном пространстве. Вещество и излучение проваливаются в нее и не могут выйти обратно.

     Раньше  «черные дыры» считались ненаблюдаемыми. Теперь же наука располагает фактами, которые достаточно убедительно  свидетельствуют об их существовании. Они отождествляются с источниками сильного рентгеновского излучения. Высказаны предположения о существовании первичных, реликтовых «мини-черных дыр», образовавшихся на раннем этапе развития Вселенной. Реликтовые черные дыры вызывают исключительный интерес, поскольку в них органически объединяются микро- и макромасштабы. Теоретические расчеты показывают, что обладая гигантской массой 1015 г, они должны иметь микроскопический размер до 10-13 см. 

      Глава III. Современная картина происхождения Вселенной 

     Технический прогресс не стоит на месте. Научно-техническая революция XX века значительно расширила горизонты человеческих знаний. Человек создал ракету, побывал в космосе, созданы сверхмощные оптические и радиотелескопы, компьютеры, позволяющие рассчитывать и модулировать глобальные процессы, происходящие в масштабах Солнечной системы и Вселенной. На сегодняшний день современное естествознание объясняет возникновение Вселенной с помощью теории Большого взрыва. 

     3.1 Рождение Вселенной 

     Примерно 15 млрд. лет отделяет нашу эпоху от начала процесса расширения Вселенной, когда вся наблюдаемая нами Вселенная была сжата в комочек, в миллиарды раз меньший булавочной головки. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плотность равна бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью - точечный объем с бесконечной плотностью. Известные законы физики в сингулярности не работают. Более того, нет уверенности, что наука когда-либо познает и объяснит такие состояния. Так что если сингулярность и является начальным простейшим состоянием нашей расширяющейся Вселенной, то наука не располагает о нем информацией.

     В состоянии сингулярности кривизна пространства и времени становится бесконечной, сами эти понятия теряют смысл. Идет не просто замыкание пространственно-временного континуума, как это следует из общей теории относительности, а его полное разрушение. Правда, понятия и выводы общей теории относительности применимы лишь до определенных пределов - масштаба порядка 10-33 см. Дальше идет область, в которой действуют совсем иные законы. Но если считать, что начальная стадия расширения Вселенной является областью, в которой господствуют квантовые процессы, то они должны подчиняться принципу неопределенности Гейзенберга, согласно которому вещество невозможно стянуть в одну точку. Тогда получается, что никакой сингулярности в прошлом не было и вещество в начальном состоянии имело определенную плотность и размеры. По некоторым подсчетам, если все вещество наблюдаемой Вселенной, которое оценивается примерно в 1061 г, сжать до плотности 1094 г/см3, оно заняло бы объем около 10-33 см3, что примерно в 1000 раз больше объема ядра атома урана. Его нельзя было бы разглядеть и в электронный микроскоп.

     Причины возникновения такого начального состояния (или сингулярности - эту гипотезу и сегодня поддерживают многие ученые), а также характер пребывания материи в этом состоянии считаются неясными и выходящими за рамки компетенции любой современной физической теории. Неизвестно также, что было до момента взрыва. Долгое время ничего нельзя было сказать и о причинах Большого взрыва, и о переходе к расширению Вселенной, но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы.

     Итак, очевидно, что исходное состояние  перед «началом» не является точкой в математическом смысле, оно обладает свойствами, выходящими за рамки научных представлений сегодняшнего дня. Не вызывает сомнения, что исходное состояние было неустойчивым, породившим взрыв, скачкообразный переход к расширяющейся Вселенной. Это, очевидно, было самое простое состояние из всех, реализовавшихся позднее вплоть до наших дней. В нем было нарушено все, что нам привычно: формы материи, законы, управляющие их поведением, пространственно-временной континуум. Такое состояние можно назвать хаосом, из которого в последующем развитии системы шаг за шагом формировался порядок.

     Хаос  оказался неустойчивым, это послужило  исходным толчком для последующего развития Вселенной.

     Как уже отмечалось выше, еще Демокрит утверждал, что мир состоит из атомов и пустоты - абсолютно однородного пространства, разделяющего атомы и тела, в которые они соединяются. Современная наука на новом уровне интерпретирует атомизм, и вносит совершенно иной смысл в понятие среды, разделяющей частицы. Эта среда отнюдь не является абсолютной пустотой, она вполне материальна и обладает весьма своеобразными свойствами, пока еще мало изученными. По традиции, эта среда, неотделимая от вещества, продолжает называться пустотой, вакуумом.

     Вакуум - это пространство, в котором  отсутствуют реальные частицы и выполняется условие минимума плотности энергии в данном объеме. Казалось бы, раз нет реальных частиц, то пространство пусто, в нем не может содержаться энергия, даже минимальная. Но это представление пришло к нам из классической физики. Квантовая же теория, опираясь на принцип неопределенности Гейзенберга, опровергает его. Мы помним, что применительно к теории поля принцип неопределенности утверждает невозможность одновременного точного определения напряженности поля и числа частиц. Раз число частиц равно нулю, то напряженность поля не может равняться нулю, иначе оба параметра будут известны, и принцип неопределенности будет нарушен. Напряженность поля в вакууме может существовать лишь в форме флуктуационных колебаний около нулевого значения. Соответствующая этим колебаниям энергия будет минимально возможной.