Элементарные частицы и структура Вселенной

     Примерно через 3 минуты после состояния сингулярности в результате известных превращений из нуклонов образуются ядра двух первых элементов – водорода (75% по массе) и гелия (25%): происходит первичный нуклеосинтез. Объединение протона с одним или двумя нейтронами создает ядра изотопов водорода – дейтерия и трития. Образование ядер гелия происходит в результате нерезонансного захвата нейтрона протоном. В процессе такого захвата нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино и к двум протонам присоединяются еще один или два свободных нейтрона, образуя ядра двух изотопов гелия. На этом, однако, процесс нуклеосинтеза замедляется. Дело в том, что любая комбинация нуклонов с образованием ядра с массовым числом А = 5 неизбежно распадается, не успев сформироваться. Поэтому на стадии первичного нуклеосинтеза невозможно получение ядер с А > 4. Это препятствие на пути дальнейшего нуклеосинтеза получило название «щель массы».

      Судя по всему, в барионном веществе Вселенной на этой стадии имело место заметное преобладание протонов над нейтронами. Когда все нейтроны оказались связанными с протонами, образовав ядра гелия, то таких ядер оказалось около 20%, остальную же часть составили протоны, т. е. ядра водорода. Поскольку температура в это время (~300 000 К) была всё еще высокой, время для образования атомов еще не наступило. Возникшая смесь

-26-

ядер гелия  и водорода получила название дозвездного вещества. Образование из него остальных химических элементов произойдет намного позднее, в процессе термоядерных реакций в недрах звезд. ( Горбачев В.В. Концепции современного естествознания М., МГУП, ч1, 2003)

        Пока же к моменту t ~ 10⁶ лет, когда температура снизилась до ~3000 К, в результате рекомбинации нуклонов и электронов образуются нейтральные атомы гелия и водорода. В этот момент нарушилось термодинамическое равновесие между веществом, находившимся в состоянии горячей плазмы и излучением, поскольку кванты излучения уже не обладали достаточной для ионизации вещества энергией. Это означает, что электрон-позитронные пары перестали образовываться и только незначительное число электронов, для которых «не нашлось» позитронов, остались в составе вещественной составляющей. Аналогичная ситуация сложилась и для протонов. Поэтому вещество стало прозрачным для фотонов, и они должны наблюдаться в настоящее время в виде реликтового излучения теряющих энергию фотонов.

      Действительно, в 1965 г. американские астрофизики Арно Аллан Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили реликтовое излучение, причем его свойства находились в хорошем согласии с предсказаниями теории. В частности, его температура в результате постепенного снижения с того времени, как и ожидалось, оказалась равной ~3 К. Изотропность реликтового излучения свидетельствует о том, что в период рекомбинации отсутствовали значительные неоднородности плотности, способные привести к образованию галактик.

       Интересно, что изотропность реликтового излучения и независимость его температуры от направления наблюдения позволили обнаружить движение Солнечной системы относительно него как фона. Оказалось, что Солнце

-27-

движется в  направлении созвездия Льва со скоростью  
390 ± 60 км/с. Это позволяет рассматривать реликтовое излучение как определенным образом выделенную систему координат во Вселенной, связанную с локальностью «Большого взрыва». (Новиков И.Д. Как взорвалась вселенная М. Наука 1988)

2.4 Черные дыры 

    Из всех гипотетических объектов Вселенной, предсказываемых научными теориями, черные дыры производят самое жуткое впечатление. И, хотя предположения об их существовании начали высказываться почти за полтора столетия до публикации Эйнштейном общей теории относительности, убедительные свидетельства реальности их существования получены совсем недавно.

      Давайте начнем с того, как общая теория относительности решает вопрос о природе гравитации. Закон всемирного тяготения Ньютона утверждает, что между двумя любыми массивными телами во Вселенной действует сила взаимного притяжения. По причине такого гравитационного притяжения Земля обращается вокруг Солнца. Общая теория относительности заставляет нас взглянуть на систему Солнце—Земля иначе. Согласно этой теории в присутствии столь массивного небесного тела, как Солнце, пространство-время как бы проминается под его тяжестью, и равномерность его ткани нарушается. Представьте себе эластичный батут, на котором лежит тяжелый шар (например, от боулинга). Натянутая ткань прогибается под его весом, создавая вокруг разрежение. Таким же образом Солнце продавливает пространство-время вокруг себя. ( Горбачев В.В. Концепции современного естествознания М., МГУП, ч1, 2003)

-28-

      Согласно этой картине Земля просто катается вокруг образовавшейся воронки (за исключением того, что маленький шарик, катающийся вокруг тяжелого на батуте неизбежно будет терять скорость и по спирали

приближаться  к большому). И то, что мы привычно воспринимаем как силу земного притяжения в нашей повседневной жизни, также есть ни что иное, как изменение геометрии пространства-времени, а не сила в ньютоновском понимании. На сегодня более удачного объяснения природы гравитации, чем дает нам общая теория относительности, не придумано.

     А теперь представьте, что произойдет, если мы будем — в рамках предложенной картины — увеличивать и увеличивать массу тяжелого шара, не увеличивая при этом его физических размеров? Будучи абсолютно эластичной, воронка будет углубляться до тех пор, пока ее верхние края не сойдутся где-то высоко над совсем потяжелевшим шаром, и тогда он просто перестанет существовать при взгляде с поверхности. В реальной Вселенной, накопив достаточную массу и плотность материи, объект захлопывает вокруг себя пространственно-временную ловушку, ткань пространства-времени смыкается, и он теряет связь с остальной Вселенной, становясь невидимым для нее. Так возникает черная дыра.

     Важнейшее свойство черной дыры — что бы в нее ни попало, обратно оно не вернется. Это касается даже света, вот почему черные дыры и получили свое название: тело, поглощающее весь свет, падающий на него, и не испускающее собственного кажется абсолютно черным. Согласно общей теории относительности, если объект приближается к центру черной дыры на критическое расстояние — это расстояние называется радиусом Шварцшильда, — он уже никогда не сможет вернуться назад. (Немецкий астроном Карл Шварцшильд) в последние годы своей жизни, используя уравнения общей теории относительности Эйнштейна, рассчитал гравитационное поле вокруг

-29-

массы нулевого объема.) Для массы Солнца радиус Шварцшильда составляет 3 км, то есть, чтобы превратить наше Солнце в черную дыру, нужно уплотнить всю его  массу до размера небольшого городка!( (Новиков И.Д. Как взорвалась вселенная М. Наука 1988)

      Внутри радиуса Шварцшильда теория предсказывает явления еще более странные: всё вещество черной дыры собирается в бесконечно малую точку бесконечной плотности в самом ее центре — математики называют такой объект сингулярным возмущением. При бесконечной плотности любая конечная масса материи, математически говоря, занимает нулевой пространственный объем. Происходит ли это явление реально внутри черной дыры, мы, естественно, экспериментально проверить не можем, поскольку всё попавшее внутрь радиуса Шварцшильда обратно не возвращается.

       Не имея, таким образом, возможности «рассмотреть» черную дыру в традиционном смысле слова «смотреть», мы, тем не менее, можем обнаружить ее присутствие по косвенным признакам влияния ее сверхмощного и совершенно необычного гравитационного поля на материю вокруг нее. ( Горбачев В.В. Концепции современного естествознания М., МГУП, ч1, 2003)

2.5 Структура вселенной

      После завершения рекомбинации возникла так называемая водородно-гелиевая Вселенная. Она содержала смесь трех почти не взаимодействовавших структур: барионного вещества (атомы водорода и гелия), лептонов (нейтрино и антинейтрино) и фотонов (реликтовое излучение). Дальнейшее нарастание сложности вещества в этих условиях уже не могло обеспечить ни одно из фундаментальных взаимодействий. Казалось бы, наступил кризис развития и остался один путь – назад, к состоянию термодинамического равновесия.  

-30-

       Однако этого не произошло, Вселенная скачкообразно перешла в качественно новое состояние. Вследствие флуктуаций плотности и проявления гравитационной неустойчивости произошло образование локальных сгустков вещества, находящегося в неравновесном состоянии по отношению к окружающей среде. С точки зрения теории самоорганизации Вселенная на рубеже рекомбинации обладала необходимыми признаками неравновесности, способными в определенных условиях привести к ее неустойчивости. Нарушение симметрии между веществом и антивеществом, веществом и излучением подготовило условия для начала нового этапа эволюции. Важную роль на этой стадии сыграло также нарушение симметрии между различными физическими взаимодействиями. Считается, что нарушение существовавшей симметрии между гравитационным и сильным взаимодействиями, приведшее к освобождению гравитационных сил, обеспечило образование крупномасштабных космических структур – галактик и их скоплений. Нарушение же симметрии между электромагнитным и слабым взаимодействиями стало условием так называемой микроэволюции Вселенной, т. е. дальнейшего нуклеосинтеза, химической, а затем и биологической эволюции.  (Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск, 1988.)

      Таким образом, за стадией рекомбинации последовал период структурной организации Вселенной. Согласно «горячей» модели, галактики образовались из гигантских газовых облаков, в которых происходило интенсивное движение потоков вещества, в том числе со сверхзвуковыми скоростями. Сталкиваясь, эти потоки создавали ударные волны (скачки уплотнения). Кроме того, ударные волны возникали в результате мощных электрических разрядов. При взаимодействии с ударными волнами газовые потоки приобретали вихревой  

-31-

характер, что  в конечном итоге определило спиралевидную  структуру большинства образовавшихся галактик. Такой газодинамический механизм вихреобразования позволяет объяснить феномен формирования спиралевидных структур, а проведенные на его основе расчеты скорости вращения захваченного вихрем вещества хорошо согласуются с наблюдаемыми скоростями вращения спиральных галактик вокруг своих центров масс, которые имеют порядок 100 км/с.

     Наряду с гравитационными силами и газодинамическими процессами в формировании крупномасштабных структур участвовали также электромагнитные и магнитогидродинамические процессы. Поэтому речь следует вести о комбинированном воздействии всех этих факторов. Образовавшиеся локальные области протогалактик (огромное газовое облако)с повышенной плотностью вещества под действием своего гравитационного поля продолжали сжиматься, теряя при этом энергию. В центре области формировалось уплотненное ядро, состоящее из водорода и гелия. Продолжающееся возрастание плотности и температуры в нем приводило к ионизации атомов и возникновению условий для протекания термоядерных реакций.

       Этот процесс, начавшийся примерно через 500 миллионов лет после «Большого взрыва», продолжался около 100 миллионов лет. Затем последовал этап образования звезд следующего поколения, длившийся около миллиарда лет. ( Горбачев В.В. Концепции современного естествознания М., МГУП, ч1, 2003) 
 
 

-32-

ВЫВЫД

        На протяжении многих веков истории человечества люди стремились постичь тайну происхождения Вселенной. Возможно, это единственный вопрос, для которого не существует ни культурных, ни временных границ, вдохновляющий фантазии наших первобытных предков и побуждающий современных ученых заниматься космологией. В его основе — жажда всех людей понять, почему существует Вселенная, как она приняла свой современный облик, какие принципы движут ее эволюцией. Поразительно, что сегодня человечество вступило в ту стадию развития, на которой начинает вырисовываться схема, в рамках которой на некоторые вопросы можно будет дать научный ответ.

      Изучение Вселенной показывает, что природа находится в вечном развитии. В мире нет ничего неизменного. Живут и развиваются все небесные тела – Земля, Солнце, звезды. Об этом говорят многие факты, наблюдаемые учеными. Конечно, любое наблюдение, будь то наблюдение ребенка за кошкой, физика-ядерщика - за тем, как раскалывается протон, или астронома, ведущего наблюдения за далекой-далекой галактикой - всё это наблюдение за Вселенной, а если быть точным - за отдельными ее частями. Почти вся информация о Вселенной, как о едином объекте, косвенна. Как правило, сначала мы делаем некие предположение о ее свойствах, а потом их проверяем.

    Изучая Вселенную с помощью мощнейших телескопов, астрономы могут видеть свет, испущенный галактиками через несколько миллиардов лет после Большого взрыва. Это позволяет им проверить предсказания теории Большого взрыва о расширении Вселенной вплоть до столь ранних этапов ее эволюции, и результаты всех проверок оказываются положительными.

      А нам, как обычным обитателям Вселенной остается наблюдать за успехами ученых на их поприще и удивляться необыкновенным явлениям и величию всего существующего.

-33-

      Элементарные частицы -  мельчайшие известные частицы физической материи. Представления об элементарных частицах отражают ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Характерная особенность элементарных частиц - способность к взаимным превращениям; это не позволяет рассматривать элементарные частицы как простейшие, неизменные "кирпичики мироздания", подобные атомам Демокрита. Число частиц, называемых в современной теории элементарными частицами, очень велико. Каждая элементарная частица (за исключением абсолютно нейтральных частиц) имеет свою античастицу. Всего вместе с античастицами открыто более 350 элементарных частиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы; остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от 103 с для свободного нейтрона до 10-22 - 10-24 с для резонансов. Однако нельзя считать, что нестабильные элементарные частицы "состоят" из стабильных хотя бы потому, что одна и та же частица может распадаться несколькими способами на различные элементарные частицы. Элементарные частицы, участвующие во всех фундаментальных взаимодействиях, включая сильное, называются адронами. Характерным для адронов сильным взаимодействиям свойственно максимальное число сохраняющихся величин (законов сохранения), в т. ч. специфического для них - барионного заряда, странности, изотопического спина, "очарования". Адроны делятся на барионы и мезоны. По современным представлениям, адроны имеют сложную внутреннюю структуру: барионы состоят из 3 кварков, мезоны - из кварка и антикварка. При столкновениях элементарных частиц происходят всевозможные превращения их друг в друга (включая рождение многих дополнительных частиц), не запрещаемые законами сохранения. Последовательная теория элементарных частиц, которая предсказывала бы возможные значения масс элементарных частиц и другие их внутренние характеристики, еще не создана.