Вещество в условиях высоких плотностей

Утверждаю

Начальник кафедры физики

профессор,д.х.н.

заслуженный работник

Высшей школы РФ

Ю.В.Спичкин

“___”______________2005 г

ФОНДОВАЯ ЛЕКЦИЯ

По дисциплине “Физика”

Тема № 41 Лекция№ 3 “ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОВРЕМЕННОЙ КОСМОЛОГИИ ”

Разработал: доцент кафедры физики

кадидат физико-математичеких наук

подполковник милиции Сычев И.В.

Воронеж 2004 г.

Содержание лекции

1. Модели развития Вселенной и эволюция звезд.

2. Состояние вещества при различных плотностях.

3. Формы вещества при различных температурх.

4. Свойства веществ в сильных электромагнитных полях.

5. Незавершенность современной физики.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОВРЕМЕННОЙ КОСМОЛОГИИ

Целью настоящей лекции является краткое изложение представлений о происхождении, эволюции и будущем Вселенной с точки зрения концепций современной физики.

«Модель большого взрыва». В настоящее время общепринятой моделью происхождения Вселенной является так называемая «модель большого взрыва». Эта модель вытекает из уравнений общей теории относительности и находит ряд серьезных подтверждений в наблюдательной астрономии и астрофизике. В соответствии с этой моделью, до взрыва вся материя Вселенной была сконцентрирована в одной исходной точке, в которой плотность материи и энергии и кривизна пространства—времени были бесконечны. Последнее означает, что пространство—время было свернуто в точку, т. е. до взрыва не существовало ни времени, ни пространства и потому лишен смысла вопрос о том, что было до большого взрыва. Такая точка называется космологической сингулярностью. В ней утрачивают силу все законы физики и разговоры о свойствах материи в этой точке оказываются за пределами рассматриваемой теории. Оценки, основанные на данных о движении галактик, приводят к выводу, что большой взрыв произошел от 10 до 20 миллиардов лет назад.

Распределение материи в наблюдаемой Вселенной в достаточно больших масштабах расстояний между скоплениями галактик близко к однородному. Наиболее просто и естественно такое распределение вписывается в рассматриваемую модель, если принять, что большой взрыв создал однородное первоначальное распределение материи. Следует отметить, что недавно предложена теория, позволяющая объяснить неоднородность Вселенной в «малых» масштабах. В этой теории принято, что на первых порах расширение Вселенной было чрезвычайно быстрым и не строго однородным. Эта теория, называемая теорией инфляции, удовлетворительно объясняет эволюцию Вселенной в период 10^-43—10^-36 с и обосновывает возможность того состояния Вселенной, которое принимается в теории большого взрыва в качестве начального.

Сразу после взрыва материя, представленная веществом и излучением, была в очень горячем состоянии с температурой порядка 10³² К. Затем началось расширение Вселенной с убывающей скоростью. Это расширение носит изотропный характер и проявляется в том, что галактики и галактические скопления удаляются друг от друга со скоростями, пропорциональными расстояниям между ними (закон Хаббла):

v=HR.

Постоянная Хаббла Н равна 75 км·с ^{- 1}-Мпк ^{- 1}. Если R измеряется в Мпк, то v выражается в км/с (1 Мпк» 3,1-10¹⁹ км). В астрофизике скорости галактик относительно Земли определяются по красному смещению спектральных линий в их изучении в соответствии с эффектом Доплера.

Расширение Вселенной сопровождается ее охлаждением за счет работы против сил взаимного гравитационного притяжения ее частей. Охлаждению сопутствует изменение образующих Вселенную материальных частиц. Это изменение происходило особенно быстро в начальной стадии, когда скорость расширения была весьма велика. В условиях очень высоких начальных температур столкновения частиц сопровождались множественным рождением пар частица—античастица. Часть этих пар затем аннигилировала, но скорость рождения превышала скорость аннигиляции. По мере охлаждения это соотношение постепенно изменялось, и аннигиляция стала преобладать над рождением.

В первые микросекунды после большого взрыва, по-видимому, существовали свободные кварки в виде кварк-глюонной плазмы. Далее произошло объединение кварков в нуклоны. По прошествии 1 секунды температура Вселенной стала порядка 10 миллиардов К. Материя была представлена, в основном, фотонами, электронами, нейтрино и их античастицами. В относительно меньших количествах присутствовали протоны и нейтроны. Преобладающую роль играла аннигиляция с образованием новых фотонов, быстро уменьшавшая число частиц. Аннигиляция, однако, не распространялась в заметной мере на нейтрино и антинейтрино из-за слабости их взаимодействия между собой и с другими частицами. Поэтому во Вселенной и в настоящее время существуют в больших количествах «реликтовые» нейтрино, оставшиеся от времен большого взрыва. К сожалению, та же слабость взаимодействий сильно ограничивает возможность получения информации об этих частицах.

Через время около 100 секунд после взрыва температура Вселенной понизилась до 1 миллиарда К. При таких температурах сильные взаимодействия уже способны противостоять тепловому движению. Поэтому из протонов и нейтронов образуются дейтроны и ядра гелия.

Далее в течение длительного времени существенных изменений в расширяющейся Вселенной не происходило. Лишь через 10 миллионов лет, когда температура упала до нескольких тысяч К, электромагнитные взаимодействия между свободными электронами и легкими ядрами сделали возможным образование атомов водорода и гелия. Основным компонентом Вселенной становится нейтральный газ.

В ходе последующего расширения усилились первичные неоднородности в распределении материи и возникали местные отклонения плотности газа. В области с повышенной плотностью под действием гравитационного притяжения стекался газ из смежных областей. В результате, до этого сплошная, Вселенная распалась на обособленные, пространственно разделенные области — галактики. Некоторые из них под действием стекающихся газовых масс получили вращение и приняли дискообразную форму. Галактики без вращения обычно имеют овальную форму.

Эволюция звезд. Состоящий из водорода и гелия газ внутри галактик за счет случайных неоднородностей и гравитационных сил со временем распался на отдельные газовые облака, называемые протозвездами. Массы таких протозвезд весьма велики, поэтому гравитационное поле внутри них и, особенно на поверхности, очень сильное. Под действием гравитационных сил происходит сжатие протозвезды. Гравитационное поле протозвезды быстро нарастает, поскольку ее радиус уменьшается при неизменной массе. Работа сил гравитационного сжатия принимает форму кинетической энергии радиально сходящегося движения газа. За счет внутреннего трения, между слоями сжимаемого газа эта энергия диссипирует в энергию теплового движения атомов, что ведет к быстрому разогреву протозвезды. Когда температура достигает десятков миллионов градусов, в ее недрах возбуждаются термоядерные реакции слияния ядер водорода с образованием гелия. С этого момента протозвезду называют звездой. Выделение внутри звезды термоядерной энергии приводит к возникновению весьма высокого теплового давления, которое противостоит гравитационному сжатию и останавливает коллапс на время около 10 млрд. лет — до полного выгорания водорода. Заметим, что наше Солнце находится где-то в середине такой стадии — синтез водорода в гелий длится на Солнце около 5 млрд. лет.

После выгорания водорода давление внутри звезды падает. Вновь происходит сжатие, сопровождаемое ростом температуры. Когда температура достигает сотен миллионов градусов, в недрах звезды зажигается реакция синтеза гелия с образованием углерода. В меньших количествах образуются также кислород и кремний. Давление внутри звезды снова возрастает, и дальнейшее сжатие прекращается. Эта стадия длится около 5 млрд. лет. Затем вновь звезда сжимается, и температура повышается до таких значений, при которых возникают реакции выгорания углерода с синтезированием ядер тяжелых элементов. В этот период, длящийся несколько сотен миллионов лет, звезды неустойчивы — они раздуваются, сжимаются, выбрасывают в космос мощные потоки газа. Звезды с большой массой обычно завершают эту стадию грандиозным взрывом, сбрасывая значительную часть своей массы. Яркость звезды на короткое время превосходит общую яркость всей галактики, членом которой она является. Такое явление называется « взрывомсверхновой», его механизм пока неизвестен. Из выброшенного при взрывах вещества формируются звезды второго поколения и межзвездная среда иного состава. Предполагается, что именно взрывы сверхновых являются источником поступления тяжелых элементов в космос.

После завершения термоядерных реакций остатки звезды вновь испытывают сжатие, в ходе которого разрушаются электронные оболочки атомов и образуется весьма плотная смесь голых ядер и свободных электронов. Электронная компонента образует вырожденный электронный газ с большим внутренним давлением. Если масса остатков звезды М < 1,25 М_с, где М_с — масса Солнца, это давление предотвращает дальнейшее сжатие. Возникает устойчивое образование, называемое белымкарликом, с плотностью около 60 т/см³.

Если же масса звезды М > 1,25 М_с, то давление вырожденного электронного газа не в состоянии уравновесить силы гравитационного сжатия, и коллапс продолжается Достигается столь высокая плотность вещества, при которой свободные электроны вдавливаются в ядра и, объединяясь с протонами, превращают их в нейтроны. Совокупность таких нейтронов образует вырожденный нейтронный газ, обладающий чрезвычайно большим давлением. Это давление останавливает коллапс; возникает устойчивое образование с плотностью около 2 млрд. т /см⁸, называемое нейтронной звездой. Нейтронные звезды имеют малые размеры — 15-20 км в поперечнике и обычно совершают быстрое вращение (со скоростью примерно около 1 оборота в секунду). Некоторые из них обладают сильными магнитными полями, взаимодействие которых с окружающим веществом сопровождается излучением радиоволн, регистрируемых на Земле в виде регулярных импульсов. Такие объекты получили название пульсаров.

Если М > ЗМ_С, то давление вырожденного нейтронного газа неспособно остановить дальнейшее сжатие. В таких условиях вообще не существует известных нам сил в природе, способных' противостоять гравитационному сжатию. Наступает гравитационный коллапс. Звезда стягивается в точку с бесконечной плотностью вещества и бесконечной кривизной пространства-времени. То есть образуется так называемая сингулярность со свернутым пространством-временем. Вокруг сингулярности возникает гравитационно замкнутая область, ограниченная сферической поверхностью радиусом от нескольких километров до десятков километров, называемая горизонтом событий. Все материальные объекты, включая свет, попавшие внутрь этой поверхности, действием очень сильного гравитационного поля затягиваются в сингулярность и, как таковые, исчезают из Вселенной. Такие космические образования получили название черных дыр. Не следует рассматривать поглощение объектов в черной дыре как уничтожение материи. Такое поглощение сопровождается усилением гравитационного поля, создаваемого сингулярностью, т. е. поглощенные объекты не исчезают бесследно. По-видимому, в сингулярности материя существует в какой-то другой, неизвестной нам форме. Свернутость пространства-времени говорит о неприменимости известных нам законов физики к таким материальным формам.

Существует ряд фактов в наблюдательной астрономии, которые наиболее простым и естественным образом. могут быть объяснены, если признать реальное существование черных дыр во Вселенной. В основе этих фактов лежит действие сильного гравитационного поля, создаваемого сингулярностью на движение окружающих космических тел. Кроме того, поле притягивает и ускоряет до очень больших скоростей потоки газа и космической пыли. Столкновения между частицами в таких потоках сопровождаются мощным рентгеновским излучением, регистрируемым с помощью искусственных спутников Земли.

Наряду с возникновением черных дыр во Вселенной имеет место и их исчезновение. Вблизи сингулярности, как и в любой области физического вакуума, имеют место квантовые флуктуации в виде виртуальных пар частица-античастица. В условиях очень сильного гравитационного поля эти частицы за счет поглощенной от поля энергии совершают переход из виртуального состояния в реальное. В соответствии с релятивистской взаимосвязью массы и энергии поглощению энергии от поля сопутствует получение определенной массы от источника этого поля — сингулярности. Таким образом, часть связанной с сингулярностью массы принимает форму массы элементарных частиц, перешедших в реальное состояние. Если бы эти частицы были классическими, то гравитационное поле внутри горизонта событий представляло бы для них заведомо непроходимый потенциальный барьер. Поскольку, однако, они квантовые, для них имеет место туннельный эффект. Частицы постепенно просачиваются через барьер и уходят в окружающий космос, что, в конце концов, приводит к полному испарению черной дыры.

Коллапсу могут подвергаться не только отдельные звезды, но и центральные области галактик. При этом образуются черные дыры с массами от сотен тысяч до сотен миллионов солнечных масс. По-видимому, такая черная дыра имеется и в центре нашей Галактики.

Эволюция Вселенной. Далее перейдем от эволюции звезд к эволюции Вселенной как целого. Современные модели такой эволюции следуют из решения уравнений общей теории относительности, полученного советским математиком А. А. Фридманом. В условиях, когда распределение материи однородно и ее движение изотропно, оказываются возможными две различных модели эволюции, выбор между которыми определяется соотношением средней плотности материи во Вселенной и так называемой критической плотности.

Если средняя плотность больше критического значения, то начавшееся после большого взрыва расширение Вселенной сменится ее сжатием и последующим схлопыванием — так называемый большой хлопок. В этой модели Вселенная конечна, замкнута, пространство имеет положительную кривизну и описывается геометрией Римана. Будучи замкнутой, Вселенная не имеет границ и имеет конечный объем, за пределами которого пространство не существует. Двухмерным аналогом такого пространства может служить сфера. Подобная модель Вселенной называется закрытой.

Если средняя плотность материи меньше критической, то расширение Вселенной будет продолжаться вечно. Скорость расширения, убывая после большого взрыва, стремится к некоторому конечному пределу. В этой модели Вселенная бесконечна, пространство имеет отрицательную кривизну и описывается геометрией Лобачевского. Двухмерным аналогом такого пространства является гиперболический параболоид, имеющий форму седла. Эта модель Вселенной называется открытой.

Если средняя плотность равна критическому значению, то, как и в предыдущей модели, расширение Вселенной будет продолжаться вечно. Однако скорость расширения теперь будет асимптотически стремиться к нулю. Вселенная в этой модели бесконечна, пространство неискривлено, т. е. является плоским и описывается геометрией Евклида.

Естественно, что один из главных вопросов космологии состоит в том, какая из этих моделей реализуется во Вселенной. Как средняя, так и критическая плотности материи убывают в ходе расширения. Оценка критической плотности не представляет большого труда; в настоящее время ее значение около 8•10^-30 г/см³. Наоборот, оценка средней плотности сопряжена с большими трудностями и не дает надежных результатов. Наблюдения за движением звезд в галактиках показывают, что действительная масса галактик значительно больше, чем суммарная масса наблюдаемых светящихся объектов в этих галактиках. То есть часть галактических масс, иногда до 90%, представлена в темном, непосредственно ненаблюдаемом состоянии. Большие трудности возникают также при оценке массы межгалактического газа, диффузно рассеянного по Вселенной. Наконец, остается неясным вопрос о массе покоя нейтрино. До недавнего времени считалось, что нейтрино — безмассовая частица. В экспериментах 1980 года советскими физиками была обнаружена малая, но отличная от нуля, масса нейтрино. Однако до сих пор этот результат не получил подтверждения. Напомним, что остаточных нейтрино во Вселенной весьма много, и наличие у них даже весьма малой массы покоя может существенно повлиять на среднюю плотность материи во Вселенной.

Выполненные на сегодняшний день оценки средней плотности приводят к значениям, лежащим в пределах от 2•10 ^-31 до 5•10 ^-31 г/см³, что более чем на порядок меньше критического значения. Это соответствует модели бесконечной Вселенной с вечным расширением и отрицательной кривизной пространства. Следует, однако, иметь в виду недостаточную надежность этого результата.

Возникновение солнечной системы. Далее коротко остановимся на происхождении солнечной системы, Земли и жизни на ней. Как уже отмечалось, при взрывах сверхновых в космос выбрасываются большие массы вещества, из которого формируются звезды последующих поколений. Помимо водорода и гелия, в этом веществе представлены и тяжелые элементы. Наше Солнце, являясь звездой второго или третьего поколения, образовалось около пяти миллиардов лет назад из облака вращающегося газа, выброшенного при таких взрывах. По одной из существующих гипотез планетообразования, из небольшой части этого газа, состоящей, в основном из тяжелых элементов и обособившейся от остальной массы облака, сформировались планеты и в их числе — наша Земля. Сначала Земля была горячей и не имела атмосферы. При последующем остывании из образующих ее горных пород выделялись газы, образовав первичную атмосферу, лишенную кислорода. По-видимому, в этот период в водных акваториях возникли начальные примитивные формы жизни в виде макромолекул, обладавших способностью извлекать из окружающей среды необходимые атомы и создавать из них структуры, подобные самим себе. То есть такие макромолекулы были способны к самовоспроизведению и размножению. В ходе эволюции и естественного отбора на основе макромолекул создавались все более сложные структуры вплоть до простейших живых организмов.