Высоких температур и в сильных электромагнитных полях

Состояние вещества при различных плотностях. Рассмотрим свойства вещества в разных интервалах его плотности. При r<50•10³ кг/м³ электронные оболочки атомов еще не перекрываются, поэтому физико-химические свойства веществ находятся в соответствии с периодическим законом Менделеева. В интервале 50•10³ кг/м³ < r < 500 • 10³ кг/м³ происходит взаимное внедрение электронных оболочек атомов, что существенно изменяет структуры этих оболочек и вещества утрачивают присущие им физико-химические свойства. В интервале 500 • 10³ кг/м³ < r < 10¹⁵ кг/м³ происходит разрушение электронных оболочек, электроны становятся свободными и коллективизированными и в совокупности образуют вырожденный электронный газ, описываемый квантовой статистикой Ферми-Дирака. При плотностях r > 2 • 10⁹ кг/м³ энергии большей части электронов превышают их энергии покоя, поэтому эта область плотностей называется областью релятивистского вырождения. При плотностях, превышающих в зависимости от состава ядер значения (10¹⁰-10¹³) кг/м³, электроны высоких энергий становятся способными воздействовать на ядерные протоны, превращая их в нейтроны. Такие превращения сопровождаются распадом ядер и образованием свободных нейтронов, которые вблизи плотности 10¹⁵ кг/м³ образуют вырожденный нейтронный газ.

В интервале 10¹⁵ кг/м³ < r < 10¹⁷ кг/м³ вещество состоит преимущественно из нейтронов, находящихся на близких расстояниях друг от друга и поэтому эффективно взаимодействующих между собой. В результате свойства вещества теперь определяются не свойствами нейтронов, взятых в отдельности, а коллективными свойствами их совокупности, образовавшей подобие гигантского ядра.

В интервале 10¹⁷ кг/м³ < r < 10¹⁹ кг/м³ наряду с нейтронами и малым количеством электронов и протонов появляются многие другие виды элементарных частиц. Они возникают при столкновениях и распадах исходных частиц высоких энергий.

Особую чисто теоретическую роль играет значение плотности р_ч = 5 • 10^9в кг/м³. Это значение получается путем комбинации трех мировых постоянных: постоянной Планка h, скорости света с и гравитационной постоянной G. Их комбинация, имеющая размерность плотности, дает:

Была высказана идея, что при такой плотности гравитационные взаимодействия между частицами весьма сильны и потому выражен квантовый характер гравитации, представленный тем, что гравитационные взаимодействия осуществляются путем обмена гравитонами — квантами гравитационного поля. Но, как уже указывалось, в общей теории относительности гравитация выражена искривлением четырехмерного пространства-времени. Поэтому квантовый характер гравитации означает квантованность пространства-времени, то есть дискретность его структуры. Однако завершенной теории квантованности пространства-времени на сегодняшний день в физике пока не существует.

Напомним, что экстремальные плотности вещества имеют место в звездах типа белых карликов (r» 10¹⁰ кг/м³) и в нейтронных звездах (r» 10¹⁸ кг/м⁸).

Формы вещества при различных температурх. Теперь рассмотрим свойства вещества в разных интервалах температуры. При температурах около одной тысячи кельвин возбуждаются и получают развитие колебательные степени свободы молекул. Увеличение интенсивности внутримолекулярных колебаний атомов при температурах в несколько тысяч Кельвинов приводит к диссоциации молекул. При температурах около десяти тысяч кельвин активизируется ионизация атомов. В области температур в несколько десятков тысяч кельвин все атомы однократно ионизированы. При более высоких температурах начинается вторая и третья ионизации. При температурах в несколько сотен тысяч кельвин имеет место полная ионизация атомов — вещество состоит из голых ядер и электронов.

Наиболее высокотемпературные формы вещества представлены, в основном, в звездах. В недрах большей части звезд температуры 10⁷-10⁸ К при плотностях 10²— 10⁴ кг/м³. Равновесие таких звезд обеспечивается тепловым давлением, уравновешивающим давление гравитации.

В области сверхвысоких температур 10⁷ < Т < 10¹⁰ К наиболее характерными являются процессы рождения частиц. Прежде всего рождаются фотоны. При Т > > 6•10⁹ К становится эффективным рождение электрон-позитронных пар. При более высоких температурах рождаются более тяжелые частицы вплоть до нуклон-антинуклонных пар. Помимо этого, при высоких температурах имеет место эффективное рождение пар нейтрино-антинейтрино. Поскольку эффективные сечения взаимодействия этих частиц со всеми другими частицами чрезвычайно малы, нейтрино и антинейтрино покидают высокотемпературную область своего рождения. Этим и обусловлены мощные нейтринные потоки из звездных недр.

На основе квантовой хромодинамики (то есть теории кварков) и теории физического вакуума сделан вывод о том, что если замкнутую область вакуума заполнить равновесным тепловым излучением с температурой свыше 2 • 10¹² К, то вакуум перейдет в новое состояние, в котором область будет заполнена рожденной из вакуума кварк-глюонной плазмой. Из теории происхождения и эволюции Вселенной следует, что в таком состоянии вакуума Вселенная находится в первые несколько микросекунд после большого взрыва. При последующем расширении Вселенной, сопровождавшимся охлаждением, кварк-глюонная плазма преобразовывалась в совокупность адронов.

Свойства веществ в сильных электромагнитных полях. Далее рассмотрим свойства вещества в сильных электромагнитных полях. Сильными принято считать поля с электрическими напряженностями, сопоставимыми с напряженностями внутриатомных полей, создаваемых атомными ядрами. Напряженность таких полей имеет порядок (10⁸-10⁹) В/см.

При внесении вещества в сильное поле существенным образом изменяются величина и конфигурация внутриатомных полей. В результате у атомарных электронов возникает возможность путем туннельного эффекта уходить из атомов и становиться свободными. Это явление называется автоионизацией. Например, в атоме водорода автоионизация из основного квантового состояния возникает при напряженности Е» 10⁸ В/см, а из возбужденных состояний при Е» 10⁶ В/см. Отметим, что автоионизация существенно препятствует созданию очень сильных электромагнитных полей, ибо она стимулирует электрические разряды. Даже если в межэлектродном промежутке создан вакуум, автоионизация атомов в приграничных слоях электродов приводит к электрическому пробою промежутка.

Кстати сказать, в так называемых гигантских импульсах лазерного излучения напряженность электрических полей имеет порядок 10⁷ В/см. В таких полях связь между поляризованностью Р_е и напряженностью Е становится нелинейной:

Р_е=e ₀ (c₁ E + c₂ E²+…+c_m E^m + …)

Распространение электромагнитной волны в веществе в условиях нелинейной поляризации сопровождается генерацией гармоник. Если же в таких условиях в вещество вводятся две волны с разными частотами, то наряду с гармониками генерируются волны с суммарной и разностной частотами. Распространение гигантских лазерных импульсов в вещество сопровождается и рядом других явлений. Например, происходит самофокусировка излучения, обычно сопровождаемая электрическим пробоем и образованием плазмы в области фокусирования.