Тайны Вселенной. Ископаемые космоса

Втр, 07/30/2013 - 19:01

Итак, протоны и нейтроны — эти “кирпичики мироздания” — существовали не всегда, а “выморозились” из “кваркового бульона” спустя примерно 10-3 сек. после Большого взрыва, поэтому эти ядерные частицы (нуклоны) можно считать реликтами первой миллисекунды существования Вселенной. Реликтами первой пикосекунды можно считать лептоны и кварки, лежащие в основе всего вещества Вселенной, когда они обрели свою индивидуальность спустя лишь 10-12 сек. (триллионная доля секунды).

Однако остается главная задача, которая возвращает наблюдателя к значительно более ранней эпохе — эпохе Великого объединения.
Ни один из физических процессов не мог объяснить возникновение вещества, поэтому космологам ничего не оставалось, как предположить, что все вещество, из которого построена Вселенная, существовало с самого начала.

О возможности возникновения вещества в результате концентрации энергии стало известно в течение нескольких последних десятков лет. При Большом взрыве не было недостатка в энергии, необходимой для образования вещества видимой части Вселенной, общая масса которого оценивается в 1050 тонн. Загадка заключается в том, что все это вещество не могло возникнуть без равного количества антивещества. Возникает логичный вопрос: куда же девалось все антивещество?

Вначале рассуждений целесообразно убедиться в том, что Вселенная действительно построена только из вещества. Предположим, что, например, камень из антивещества во всех отношениях был бы сходен с камнем из вещества. Посмотрев на них, наблюдатель не заметил бы никаких различий. Тем не менее, существует безошибочный способ установить, что есть что. Если привести каждый из камней в соприкосновение с куском вещества, то камень из антивещества исчезнет, произведя взрыв, по мощности сравнимый с ядерным. Поэтому можно быть уверенным, что Земля состоит на 100% из вещества.

Но присуща ли такая асимметрия Вселенной в целом? Насколько можно судить, что если бы наша Галактика содержала антивещество в сколько-нибудь значительном количестве, то при неизбежных столкновениях между газом, пылью, звездами, планетами и другими объектами вещество, встречаясь с антивеществом, аннигилировало бы, в результате чего возникали бы мощные потоки гамма-излучения, которые до сих пор не зафиксированы. По имеющимся данным, содержание антивещества в нашей Галактике не превышает тысячной доли, поэтому можно считать, что она в целом состоит из вещества, если не учитывать единичные антипротоны, обнаруженные в космических лучах. Но все же, если рассматривать Вселенную как целое, то трудно понять, каким образом первоначальная смесь вещества и антивещества могла как-то разделиться и попасть в удаленные области пространства и не воздействовать друг на друга.

В конце 70-х годов прошлого столетия физики нашли механизм нарушения симметрии в виде теорий Великого объединения (ТВО), которые предсказали распад протона с образованием позитрона. Связь между распадом протона и асимметрией вещества и антивещества можно усмотреть в возможной судьбе атома водорода, состоящего из протона и электрона, в отдаленном будущем. При распаде протона образуется пион и позитрон. Пион распадается на два фотона, а позитрон аннигилирует с электроном, создавая еще два фотона. Таким образом, атом вещества прекращает свое существование, превращаясь целиком в излучение. В результате этого процесса вещество, не взаимодействуя с антивеществом, полностью переходит в энергию излучения. Если взять во внимание, что каждый физический процесс обратим, то в данном случае это означает прямое превращение энергии излучения в вещество, не сопровождающееся образованием антивещества. Именно такой процесс, значительно ускоренный, мог бы объяснить возникновение вещества.

Чтобы детально смоделировать процесс рождения Вселенной, необходимо вернуться к так называемой эре ТВО — это означает предпринять попытку описать Вселенную в возрасте всего лишь 10-32 секунды! В этот момент космос был бы заполнен “супом” из странных, неведомых ученым частиц, в том числе чрезвычайно массивных. По оценкам плотность “супа” составляла около 1073 кг/м3, а температура — около 1028 К. Вселенная в тот момент была еще столь юной, что свет не успел пройти путь, равный миллиардной доле поперечника протона. Важнейшими составляющими экзотического супа были, вероятно, сверхмассивные Х-частицы — переносчики взаимодействия в ТВО, которые и привели к асимметрии в соотношении вещества и антивещества. При распаде Х-частицы образуется много дочерних частиц, которые, например, на 2/3 представляют собой вещество, и лишь на 1/3 — антивещество.

Проведенные в 1956 году американскими учеными китайского происхождения Т.Д. Ли, Ч.Н. Янгом и Ч.С. Ву эксперименты доказали, что слабые взаимодействия нарушают считавшееся “неприкосновенным” свойство природы, известное как зеркальная симметрия. Считалось, что античастицы нарушают зеркальную симметрию в противоположном смысле по сравнению с частицами. Как правило, античастицы проявляют свойства, противоположные свойствам частиц. Если бы это было так, то в процессе Большого взрыва во Вселенной не могло бы возникнуть преобладание вещества над антивеществом. Действительно, для любого процесса рождения частицы существовал бы зеркальный процесс, в котором рождалась античастица.

В 1964 году решающий эксперимент провели В.Л. Фитч и Дж.У. Кронин в Брукхейвенской национальной лаборатории (США), в котором установили, что частицы и античастицы нарушают зеркальную симметрию не противоположно друг другу и не в равной степени.

В конце 70-х годов прошлого века, на основе предположения, что указанная выше асимметрия действительно присуща силе, господствующей в ТВО, асимметрия между веществом и антивеществом характеризуется отношением (109+1):109. Это означает, что на каждый миллиард античастиц рождается миллиард плюс одна частица. Несмотря на малость этого эффекта, оказалось, что он играет решающую роль. По мере остывания Вселенной антивещество аннигилировало с веществом и при этом почти все вещество исчезло. “Почти”, а не целиком, — поскольку имеется избыток вещества над антивеществом в одну частицу на миллиард. Именно этот, крошечный, на первый взгляд, остаток — своего рода оплошность природы — и послужил материалом, из которого построено все, включая галактики, звезды, планеты и, в конечном счете, нас самих. Очевидно, что все вещество Вселенной является реликтом эры ТВО, длившейся всего 10-32 секунды с момента рождения Вселенной.

Уровень тепловой энергии был, казалось, еще одним произвольным параметром, характеризующим Вселенную “от рождения”. Оставалось непонятным, почему температура этого излучения должна составлять именно 3К? ТВО позволили объяснить это значение температуры из физических соображений. Современная температура фонового излучения, равная 3К, соответствует примерно 109 фотонам на каждый электрон или протон во Вселенной, что хорошо согласуется с превышением числа частиц над числом античастиц (1 на 109), предсказываемым ТВО. В 1967 году А.Д. Сахаров высказал идею о том, что это отношение определяется избытком нуклонов над антинуклонами, который обусловлен распадом протона и нарушением симметрии.

Откуда же взялась эта энергия, вдохнувшая жизнь в нашу Вселенную? Согласно теории инфляции, это — энергия пустого пространства, иначе — квантового вакуума. Тут же напрашивается вопрос, а каким же образом приобрел энергию вакуум? Одним из фундаментальных законов физики является закон сохранения энергии, согласно которому различные формы энергии могут изменяться и переходить одна в другую, однако полное количество энергии остается неизменным. Кроме этого, ученые пришли к выводу, что, как бы энергия не передавалась или как бы не изменялась ее форма, ее, очевидно, нельзя ни создать, ни уничтожить. Но если энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, то как же все-таки возникает первичная энергия?

В доступной наблюдению Вселенной заключено около 1068 Дж (джоулей) энергии. Теория инфляции предлагает одно из возможных научных объяснений этой загадки. Согласно этой теории, Вселенная вначале имела энергию, фактически равную нулю, и за первые 10-32 сек. ей удалось вызвать к жизни все гигантское количество энергии. Зерно понимания этого чуда заложено в том замечательном факте, что закон сохранения энергии в обычном смысле не применим к расширяющейся Вселенной. Космологическое расширение приводит к понижению температуры Вселенной: соответственно энергия теплового излучения, столь большая в первичной фазе, истощается, и температура опускается до значений, близких к абсолютному нулю. Куда же делась вся эта тепловая энергия? В некотором смысле она израсходована Вселенной на расширение и обеспечила давление, дополняющее силу Большого взрыва.

Космическое отталкивание сходно с поведением среды с отрицательным давлением, то есть при расширении такой среды ее энергия не уменьшается, а растет. Именно это и происходило во время инфляции, когда космическое отталкивание заставило Вселенную ускоренно расширяться. В течение всего этого периода полная энергия вакуума продолжала возрастать, пока к концу периода инфляции не достигла критического уровня. Как только период инфляции завершился, вся накопленная энергия высвободилась в одном гигантском всплеске, порождая теплоту и вещество в полном масштабе Большого взрыва. С этого момента началось обычное расширение с положительным давлением, так что энергия вновь стала уменьшаться. Вакуум с таинственным отрицательным давлением наделен, по-видимому, совершенно невероятными возможностями. С одной стороны, он создает чудовищную силу отталкивания, обеспечивающую его все ускоряющееся расширение, а с другой — само расширение форсирует возрастание энергии вакуума. Вакуум по существу сам питает себя энергией в огромных количествах. В нем заложена внутренняя неустойчивость, обеспечивающая непрерывное расширение и неограниченное производство энергии. И только квантовый распад ложного вакуума кладет предел этому “космическому мотовству”. Вакуум служит у природы волшебным, бездонным кувшином энергии, и в принципе не существует предела величины энергии, которая могла бы выделяться в ходе инфляционного расширения.

Вблизи поверхности черных дыр гравитация столь сильна, что вакуум кишмя кишит непрерывно рождающимися частицами (рис. 6).
Это и есть знаменитое излучение черных дыр, открытое Стивеном Хокингом.

В конечном счете, именно гравитация ответственна за рождение этого излучения, однако нельзя сказать, что это происходит “в старом ньютоновском” смысле: нельзя утверждать, что какая-то конкретная частица должна появиться в определенном месте в тот или иной момент времени в результате действия гравитационных сил. В любом случае, поскольку гравитация — лишь искривленное пространство-время, можно с большой вероятностью сказать, что пространство-время вызывает рождение вещества.

Идея о возможности “сотворения” из ничего до недавнего времени целиком находилась в компетенции религии, на нынешний момент эту концепцию приемлют все ведущие физики мира.

Другие материалы рубрики


  • Галактика, в которой мы живем, — Млечный Путь — настоящий исполин по галактическим меркам. Среди галактик местной группы лишь Туманность Андромеды может тягаться с нашим домом по количеству звезд, размерам и массе. Однако сферы влияния гигантов давно поделены, и нашу галактику окружают десятки, а может, и сотни галактик-спутников.
    Сейчас известны по крайней мере 23 спутника нашей галактики. Некоторые из них светятся, как миллиарды солнц, и жителям Южного полушария нашей планеты отлично знакомы Магеллановы облака — крупнейшие спутники нашей Галактики, не заметить которые на ночном небе невозможно даже невооруженным глазом.



  • Варварские наклонности некоторых звезд иногда возмущают. Пока одни отнимают вещество у ближайших тел, другие поступают еще более нагло и жестоко. Они скидывают со звезд газопылевые диски, которые могли бы дать начало новой планетной системе, а то и новым формам жизни. Но не со всех, а лишь с тех, кто решается переступить опасную черту.



  • В нашей Галактике за пределами Солнечной системы обнаружено несколько сотен планет. Исследовать их проще и дешевле при помощи автоматических зондов сверхмалого размера. Запускать эти аппараты можно с Земли из электромагнитной пушки, а ускорять и корректировать орбиты будут гравитационные поля встречных звезд.
    Полеты к звездам — любимая тема фантастов и авторов компьютерных игр. Лихо носятся их звездолеты на просторах Галактики! Вот только неясно — как и зачем? Но эти вопросы не очень волнуют любознательных читателей: «как» — это придумают инженеры, а уж «зачем» — вообще неприлично спрашивать. Вы только представьте: новые неизведанные миры, братья по разуму... Разве это неинтересно?!
    Но не все фантазии удается воплотить в жизнь. Романтическая эпоха поиска внеземных цивилизаций, рожденная в начале 1960-х успехами космонавтики и радиоастрономии, к концу столетия почти сошла на нет.



  • Немного найдется произведений, передающих красоту космических объектов, называемых планетарными туманностями. Освещенные изнутри родительской звездой, расцвеченные флуоресцирующими атомами и ионами на фоне космической черноты, газовые структуры кажутся живыми. Ученые дали им прозвища — Муравей, Морская Звезда, Кошачий Глаз...
    Термин «планетарные туманности» — представляющие собой размытые, похожие на облака объекты, видимые только в телескоп — придумал два столетия назад английский астроном Вильям Гершель (William Herschel), исследователь туманностей. Многие из них имеют округлую форму, которая напомнила ученому зеленоватый диск планеты Уран, им же и открытой. К тому же он полагал, что округлые туманности могут быть планетными системами, формирующимися вокруг молодых звезд. Термин прижился, несмотря на то, что действительность оказалась иной: туманности такого типа состоят из газа, сброшенного умирающими звездами. Примерно через 5 млрд. лет Солнце закончит свой космический век изящным выбросом планетарной туманности, что не вполне соответствует теории эволюции звезд — основе, на которой базируется наше понимание космоса. Если звезды рождаются, живут и умирают круглыми, то как же они создают вокруг себя структуры, которые мы видим на фотографиях «Хаббла», подобные Муравью, Морской Звезде или Кошачьему Глазу?

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • ...В начале 70-х годов появилось предложение объединить бозоны и фермионы в единую теорию, что, мягко говоря, среди ученых вызвало недоумение, ведь столь различны по своим свойствам эти две группы частиц. Тем не менее, оно возможно, если обратиться к симметрии, более широкой, нежели симметрия Лоренца — Пуанкаре, лежащая в основе теории относительности. Математическая суперсимметрия соответствует извлечению квадратного корня из симметрии Лоренца — Пуанкаре, физически же она соответствует превращению фермиона в бозон и наоборот. Разумеется, в реальном мире невозможно проделать такую операцию, тем не менее, операцию суперсимметрии можно сформулировать математически и можно построить теории, включающие суперсимметрии...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Существует небольшой шанс, что через 3,34 миллиарда лет Марс столкнется с Землей. Также есть вероятность столкновения Земли и Венеры или Меркурия и Венеры. Меркурий вообще может упасть на Солнце или улететь в межзвездное пространство. Таковы причуды нашей системы, новые тайны которой раскрыли ученые.
    Подробнейшее численное моделирование эволюции орбит в Солнечной системе выполнили профессор Жак Ласкар (Jacques Laskar) и Микаэль Гастино (Mickael Gastineau) из Парижской обсерватории (Observatoire de Paris).
    Долгое время астрономы полагали, что орбиты планет в Солнечной системе стабильны и неизменны. Потом стали появляться сведения, что на заре зарождения системы орбиты ряда планет сильно отличались от нынешних и претерпевали большие изменения, прежде чем все «устоялось».



  • Юпитер называют планетой загадок. В статье высказывается гипотеза о причинах феномена «горячих теней» — наиболее таинственного и малоисследованного процесса, наблюдаемого в атмосфере гигантской планеты.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • В августе 1989 года с космодрома Куру ракетой-носителем Ариана 4 был запущен на орбиту вокруг Земли искусственный спутник HIPPARCOS. Название этого аппарата напоминает имя известного древнегреческого астронома Гиппарха (II в. до н.э.), открывшего явление прецессионного движения оси вращения Земли и предложившего первую фотометрическую шкалу измерения блеска звезд. Отдавая дань уважения Гиппарху, специалисты из Европейского Космического Агентства дали своему спутнику имя, которое они составили из первых букв полного названия научного проекта: HIgh Precision PARarallax COllecting Satellite — «Спутник для получения высокоточных параллаксов». Космический аппарат просуществовал на орбите 37 месяцев, и за это время он провел миллионы измерений звезд. В результате их обработки появились на свет два звездных каталога. Первый из них — HIPPARCOS.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Однако сторонники потоков воды провели всестороннее исследование гипотезы о жидкой углекислоте и других средах. Были детально рассмотрены практически все ее аспекты и сделаны убедительные выводы. Например, в аккуратной работе Стьюарта и Ниммо, вышедшей в 2002 году, результаты сформулированы следующим образом: «Мы нашли, что ни конденсированный CO2, ни клатраты CO2 не могут быть накоплены в коре Марса в достаточных количествах... Таким образом, мы заключаем, что овраги не могут быть образованы жидким CO2. В свете этих результатов потоки жидкой воды остаются предпочтительным механизмом формирования свежих протоков на поверхности».


  • Впервые астрономы обнаружили планету вне нашей Солнечной системы, которая является потенциально пригодной для жизни, с температурами подобными земным, сопоставимыми с Землей массой и размером и, вероятно, жидкой водой на поверхности. Что приятно, потенциально обитаемый мир находится всего в двух десятках световых лет от нас. Когда-нибудь люди туда смогут добраться.
    О сенсационной находке рассказала 25 апреля 2007 года международная группа из 11 астрономов (из Швейцарии, Португалии и Франции), которая работала в Чили, на одном из телескопов Европейской южной обсерватории (ESO). Ученые нашли сходную с Землей планету у звезды Gliese 581 — красного карлика, расположенного в созвездии Весы.
    Планета, получившая имя Gliese 581c, обладает массой примерно в 5 масс Земли. Ее диаметр оценивается в 1,5 диаметра нашей планеты, так что сила тяжести на ее поверхности составляет приблизительно 1,6 g. Из-за этих параметров астрономы окрестили ее также «Суперземлей» (super-Earth).
    Ученые предполагают, что эта планета — скалистый мир, сходный с Землей по облику. Как возможный вариант — это может быть ледяная планета. Но в обоих случаях на ее поверхности должна быть жидкая вода. Причем, в случае с ледяным миром — она может быть покрыта океаном полностью.