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


  • Судя по многочисленным публикациям, посвященным современной астрофизике, она находится на подъеме. Положение дел даже сравнивают с революционной ситуацией, сложившейся в физике в начале прошлого века. Но если тогда истина рождалась в спорах, сейчас новые понятия проникают в астрофизику практически без сопротивления. При этом ключевые положения старой теории, вместо того, чтобы обрести окончательную ясность, заменяются наборами гипотез. Современный астрофизик подробно объяснит, что такое космологический вакуум или антигравитация, но на вопрос о происхождении галактик даст расплывчатый ответ, включающий несколько возможных сценариев.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Итак, знакомимся с действующими лицами драмы. Коричневый карлик 2M1207 спектрального класса M8 (его можно увидеть хорошо вооруженным глазом в созвездии Центавр) и его небольшой компаньон — планета 2M1207b. Последняя уже несколько лет как мучает ученых своими загадками. И вот теперь новейшее исследование позволило предположить: странные особенности данного объекта объясняются тем, что он рожден в результате совсем недавнего столкновения двух планет.



  • Никто пока не определил, всякая ли звезда в Галактике окружена другими планетами, либо Солнце является исключением из данного правила. За последние 9 лет астрономы при наблюдении за колебательными движениями звезд, которые вызваны воздействием, оказываемым на них планетами, обнаружили сотни таких планет. Но этот метод помогает фиксировать лишь самые массивные планеты, находящиеся неподалеку от звезд. Так можно обнаружить Юпитер, Сатурн в Солнечной системе, но мелкие тела (кометы, астероиды, планеты земного типа), делающие Солнечную систему такой разнообразной, астрономы бы не смогли найти, используя эти методы наблюдения.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • ...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


  • ...Пока ваш звездолет выбирается из гравитационной ловушки Гаргантюа, вы строите планы возвращения домой. К тому моменту, когда вы достигнете Млечного Пути, Земля станет на 2,4 млрд. лет старше, чем во время вашего старта. Изменения в человеческом обществе будут настолько велики, что вы не испытываете особого желания возвращаться на Землю. Вместо этого вы и команда звездолета решаете освоить пространство вокруг какой-нибудь подходящей вращающейся черной дыры. Ведь именно энергия вращения дыры в квазаре 8C 2975 позволяет квазару «проявить себя» во Вселенной, поэтому энергия вращения дыры меньших размеров может стать источником энергии для человеческой цивилизации.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Космические фонтаны из водяного льда, пара и смеси других веществ, поднимающиеся над равнинами луны Сатурна, давно интригуют специалистов. Не хотят сходиться уравнения, описывающие энергетику этого мира, столь удаленного от Солнца. Однако все встает на свои места, если учесть новое открытие: волнующая активность Энцелада по геологическим меркам — мимолетный эпизод.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • ...Тесное сходство протона и нейтрона наводит на мысль, что здесь существует симметрия. И действительно, на ядерный процесс никак не отразится, если можно было бы заменить все протоны на нейтроны, или наоборот. Это свойство получило название — симметрия изотопического спина, или изотопическая симметрия. Название связано с тем, что ядра, отличающиеся только числом нейтронов, называются изотопами. Нынешнему состоянию Вселенной соответствует равное количество протонов и нейтронов, которые находятся в постоянном движении. Но какая причина вызывает эти движения и вообще изменения в природе?..

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • 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


  • О спонтанном возникновении вещества из пустого пространства говорят как о рождении “из ничего”, которое близко по духу рождению ex nihilo в христианской доктрине. Для физики пустое пространство совсем не “ничего”, а весьма существенная часть Вселенной, а мысль о рождении самого пространства может показаться вообще странной. Однако в каком-то смысле это все время происходит вокруг нас. Расширение Вселенной есть не что иное, как непрерывное “разбухание” пространства. С каждым днем доступная современным телескопам область Вселенной возрастает на 1018 кубических световых лет. Здесь полезна аналогия с резиной. Если упругий резиновый жгут вытянуть, его “становится больше”. Пространство напоминает суперэластик тем, что оно, насколько известно физикам, может неограниченно долго растягиваться не разрываясь. Растяжение и искривление пространства напоминает деформацию упругого тела тем, что “движение” пространства происходит по законам механики точно так же, как и движение обычного вещества. В данном случае это законы гравитации. Квантовая теория в равной мере применима как к веществу, так и к пространству и к времени.
    Действительно, благодаря собственной физической природе Вселенная возбуждает в себе всю энергию, необходимую для “создания” материи — это есть космический бутстрэп (bootstrap — в переводе “зашнуровка”, в переносном смысле — отсутствие иерархии в системе элементарных частиц).



  • Прошло без малого сто лет с того момента, как были открыты космические лучи-потоки заряженных частиц, приходящих из глубин Вселенной. С тех пор сделано много открытий, связанных с космическими излучениями, но и загадок остается еще немало. Одна из них, возможно, наиболее интригующая: откуда берутся частицы с энергией более
    1020 эВ, то есть почти миллиард триллионов электрон-вольт, в миллион раз большей, чем будет получена в мощнейшем ускорителе — Большом адронном коллайдере (LHC)? Какие силы и поля разгоняют частицы до таких чудовищных
    энергий?

    • Страницы
    • 1
    • 2