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


  • ...Несмотря на то, что идея коллапса кажется простой (при сжатии ядра выделяется энергия гравитационной связи, за счет которой выбрасываются внешние слои вещества), трудно понять процесс в деталях. В конце жизни у звезды с массой более 10 масс Солнца образуется слоеная структура, с глубиной появляются слои все более тяжелых элементов.
    Ядро состоит в основном из железа, а равновесие звезды поддерживается квантовым отталкиванием электронов.
    Но в конце концов масса звезды подавляет электроны, которые вжимаются в атомные ядра, где начинают реагировать с протонами и образовывать нейтроны и электронные нейтрино. В свою очередь, нейтроны и оставшиеся протоны прижимаются друг к другу все сильнее, пока их собственная сила отталкивания не начнет действовать и не остановит коллапс.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Объект, отснятый близ звезды, сходной с Солнцем, не вписывается в привычные теории формирования планет. Специалистам еще предстоит разобраться с особенностями рождения этого странного мира, а широкая публика просто любуется снимками. Еще бы — не каждый день можно увидеть планету другой звезды, пусть и открыты их сотни.
    Звезда 1RXS J160929.1-210524 расположена примерно в 500 световых лет от нас. Она очень похожа на Солнце. Ее «вес» равен 85% массы нашей родной звезды. Правда, это светило значительно моложе нашего — 210524 возникла порядка пяти миллионов лет назад.
    Новая планета, по расчетам астрономов, обладает массой примерно в восемь масс Юпитера. И она не была бы такой уж уникальной, если б не два обстоятельства. Первое — она «вживую» запечатлена на снимках. А о втором скажем позже.
    Впервые астрономы непосредственно увидели объект планетарной массы на орбите вокруг звезды, такой как Солнце, и если подтвердится, что этот объект действительно гравитационно привязан к звезде, это будет крупным шагом вперед.
    Интригу, впрочем, принесло не яркое достижение наблюдательной астрономии как таковое, а выявленные параметры системы.



  • Давайте вспомним испытание противоспутникового оружия, проведенное 11 января 2007 года Китаем. Почему оно вызвало беспокойство у специалистов космической отрасли? Ведь с 1968-го по 1986-й США и СССР провели свыше 20 таких же испытаний! И с того времени уже было проведено несколько подобных испытаний?! Дело вовсе не в международной безопасности. Или не только в ней.



  • Космологи в замешательстве. Обычно предметы, брошенные вверх, замедляются. Планеты притягивают объекты, звезды притягивают планеты. Это нормально. Но почему тогда Вселенная расширяется? Отдельные галактики, разбросанные после Большого взрыва в разные стороны, должны притягиваться друг ко другу — и расширение должно замедляться. Но того не происходит: они разлетаются друг от друга с ускорением. Принято считать, что виновата во всем темная энергия, хотя она темная именно оттого, что о ней никто ничего не знает. Но уже ясно точно, что на предельно больших расстояниях гравитация превратилась в отталкивающую силу, а не в притягивающую.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • ...И тут внимание исследователей привлекла давняя и очень любопытная гипотеза космических струн. Постичь ее трудно, представить наглядно просто невозможно: струны можно только описать сложными математическими формулами. Эти загадочные одномерные образования не излучают света и обладают огромной плотностью — один метр такой "ниточки" весит больше Солнца. А если их масса так велика, то и гравитационное поле, пусть даже растянутое в линию, должно значительно отклонять световые лучи. Однако линзы уже сфотографированы, а космические струны и "черные дыры" пока существуют лишь в уравнениях математиков. Из этих уравнений следует, что возникшая сразу после Большого взрыва космическая струна должна быть "замкнута" на границы Вселенной. Но границы эти так далеки, что середина струны их "не чувствует" и ведет себя, как кусок упругой проволоки в свободном полете или как леска в бурном потоке. Струны изгибаются, перехлестываются и рвутся. Оборванные концы струн тут же соединяются, образуя замкнутые куски. И сами струны, и отдельные их фрагменты летят сквозь Вселенную со скоростью, близкой к скорости света.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • ...Новая теория позволила сформулировать идеи, допускавшие экспериментальную проверку. В результате этих работ была предсказана новая разновидность света, состоящая не из обычных фотонов, а из загадочных Z–частиц. В окрестностях Женевы в 1983 году в серии экспериментов, исследующих столкновения частиц высоких энергий на ускорителе, были обнаружены Z–частицы, то есть единая теория поля получила подтверждение. Теоретики к этому времени сформулировали амбициозную теорию, объединяющую с электромагнитным и слабыми взаимодействиями еще один тип ядерных сил — сильное взаимодействие. Кроме того, были получены первые результаты исследований в области гравитации, показывавшие, каким образом гравитационное взаимодействие можно было бы объединить с другими типами взаимодействий...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • Был ли Большой взрыв началом времени или Вселенная существовала и до него? Лет десять назад такой вопрос казался нелепым. В размышлениях о том, что было до Большого взрыва, космологи видели не больше смысла, чем в поисках пути, идущего от Северного полюса на север. Но развитие теоретической физики и, в частности, появление теории струн заставило ученых снова задуматься о предначальной эпохе.
    Вопрос о начале начал занимать философов и богословов с давних времен. Он переплетается с множеством фундаментальных проблем, нашедших свое отражение в знаменитой картине Поля Гогена «D’ou venons-nous? Que sommes-nous? Ou allons-nous?» («Откуда мы пришли? Кто мы такие? Куда мы идем?»). Полотно изображает извечный цикл: рождение, жизнь и смерть — происхождение, идентификация и предназначение каждого индивидуума. Пытаясь разобраться в своем происхождении, мы возводим свою родословную к минувшим поколениям, ранним формам жизни и прото-жизни, химическим элементам, возникшим в молодой Вселенной, и, наконец, к аморфной энергии, некогда заполнявшей пространство. Уходит ли наше фамильное древо корнями в бесконечность или космос так же не вечен, как и мы?

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • 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».


  • ...Среди прочих лептонов в 1936 году, среди продуктов взаимодействий космических лучей, был открыт мюон. Он оказался одной из первых известных нестабильных субатомных частиц, которая во всех отношениях, кроме стабильности, напоминает электрон, то есть имеет тот же заряд и спин и участвует в тех же взаимодействиях, но имеет бóльшую массу. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. На долю мюона приходится значительная часть фонового космического излучения, которое регистрируется на поверхности Земли счетчиком Г. Гейгера...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • ...Теперь вы должны быть предельно внимательны. Следующие несколько секунд окажутся решающими, поэтому вы включаете высокоскоростную регистрирующую систему для детальной записи всех приходящих сведений. Через 61 с R3D3 сообщает, что все системы пока функционируют нормально, горизонт - на расстоянии 8000 км и приближается со скоростью 15 тыс. км/с. Проходит 61,6 с. Еще все в порядке, до горизонта осталось 2000 км, скорость - 30 тыс. км/с (или 0,1 скорости света, так что цвет излучения начинает меняться все заметнее). А затем, в течение следующей 0,1 с вы с изумлением замечаете, что излучение из зеленого становится красным, инфракрасным, микроволновым, затем приходят радиоволны и наконец все исчезает. Через 61,7 с все кончено - лазерный луч пропал. R3D3 достиг скорости света и исчез за горизонтом.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6