Современные космологические модели Вселенной и Галактики

Современные концепции мегамира

Понятие и типы взаимодействий элементарных частиц

Согласно современным представлениям в природе осуществляется четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное, или ядерное, взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает исключительную прочность этих образований.

Электромагнитное взаимодействие характеризуется как взаимодействие, в основе которого лежит связь с электромагнитным полем.

Слабое взаимодействие – наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. Оно ответственно за взаимодействие частиц, происходящих с участием нейтрино или антинейтрино (например, b-распад, m-распад), а также за безнейтринные процессы распада, характеризующиеся довольно большим временем жизни распадающейся частицы (t ³ 10^-10с).

Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц оно пренебрежимо мало и, по-видимому, в процессах микромира несущественно.

Гравитационное взаимодействие заключается во взаимном притяжении тел и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения.

Элементарные частицы принято делить на три группы: фотоны, лептоны и адроны. Общее количество известных частиц и античастиц составляет несколько сотен. Для всех типов взаимодействий элементарных частиц выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и электрического заряда.

Элементарными называются такие частицы, которые способны к взаимным превращениям, но по своему внутреннему строению не являются простым объединением других известных нам частиц.

В настоящее время теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что в основе всего Мироздания лежат только двенадцать частиц.

Стандартная модель частиц состоит из 6 кварков (верхний- U, очарованный – С, истинный – Т, нижний – d, странный – S, красивый – Б) и 6 лептонов (электрон – е, мюон – m, таон – t, электронное нейтрино – n_е, мюонное нейтрино – n_м и тао-нейтрино n_t), а соединяют их переносчики взаимодействий: электромагнитного g-фотоны, сильного-g глюоны, слабое взаимодействие между частицами осуществляют так называемые W и Z бозоны. Гравитационное взаимодействие в процессах микромира практически не участвует ввиду малой величины.

Провести строгую границу между макромиром и мегамиром не представляется возможным. Окружающий нас мегамир изучает космология – наука о Вселенной. Модели Вселенной в разные времена были различными, но главная их особенность состояла в неизменности Мира в целом (стационарные модели). Основным доказательством этого была видимая неизменность звездного неба.

Наиболее общепринятой в настоящее время в космологии является модель однородной, изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории А. Эйнштейна. В основе этой модели лежат два предположения: 1) свойства вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность); 2) наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна.

В 1922 г. молодой российский физик-теоретик А. А. Фридман, анализируя космологические уравнения А. Эйнштейна, пришел к выводу, что они допускают нестационарность. Существует два типа моделей Фридмана: расширяющаяся и сжимающаяся Вселенная. Выбор их определяется величиной средней плотности материи во Вселенной относительно ее критического состояния. По современным представлениям кг/м³. Если средняя плотность материи во Вселенной < , то это соответствует расширяющейся (открытой) Вселенной. При > галактики будут сбегаться, что соответствует сжимающейся (закрытой) Вселенной. В настоящее время для средней плотности получено значение кг/м, что соответствует открытой модели.

Весь мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по тем формам, которые принимает материя в процессе своего развития, воспринимаемый нами в настоящее время называется Вселенной, которая существует объективно, независимо от сознания человека, ее познающего.

Вселенная содержит гигантское множество небесных тел, многие из которых по размерам превосходят Землю иногда во многие миллионов раз. Объекты Вселенной объединяются в звездные системы, галактики, скопления галактик (метагалактики), квазары и др. образования.

Бескрайние просторы Вселенной всегда волновали воображение людей, возбуждали мысль ученых.

Экспериментаторы нашли для каждой элементарной частицы вещества свою античастицу, одинаковую по массе, но имеющую противоположный заряд: например, для протона – антипротон, для нейтрона – антинейтрон, для электрона – позитрон, для нейтрино – антинейтрино. Обнаружено и явление аннигиляции, взаимного уничтожения частиц и античастиц, происходящее с выделением огромного количества энергии: взаимодействие всего одного грамма вещества и антивещества равносильно взрыву атомной бомбы средних размеров.

Физики всегда исходят из вполне логичного представления о симметрии нашего мира. Симметрия чего-либо – предмета, комнаты или Вселенной – это инвариантность, неизменность этого чего-то относительной некоторых преобразований. Например, сфера, на которой ничего не написно, инвариантна относительно любых вращений вокруг ее центра. Точное же знание о том, относительно чего симметрична наша Вселенная, пока остается великой мечтой. Число античастиц должно быть вследствие этого равно числу частиц, количество вещества – количеству антивещества. Но экспериментально наблюдаются, в основном, только частицы. Вокруг нас есть вещество и нет (вероятно, к счастью!) антивещества. Отдельные античастицы и антиэлементы, такие как антигелий, получены лишь в опытах на ускорителях. Пока не удалось обнаружить антивещество и в обозримых для телескопов просторах Вселенной. В этом заключается странное противоречие.

Экспериментальные наблюдения астрономов с большой убедительностью показали, что во Вселенной наблюдается красное смещение. Красное смещение – это понижение частот электромагнитного излучения (в видимой области спектра линии смещаются к его красному концу) в соответствии с эффектом Доплера. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника и зафиксировано для всех далеких источников света, что и подтвердило гипотезу об удалении их, то есть о расширении Метагалактики (видимой части Вселенной).

Итак, теоретические расчеты и экспериментальные наблюдения астрономов показали, что наша Вселенная настоящее время расширяется.

Но если галактики разбегаются, то возникает очень простой и в то же время сложный вопрос: «А что было в начале?». Ответ на этот вопрос наука получила только во второй половине XX века, и сводится он к теории «Большого взрыва».

Галактики образовались путем сгущения в отдельных частях пространства межзвездного газа, и естественно предположить, что когда-то давно, около 15-20 миллиардов лет назад, вся Вселенная состояла из очень плотного и необычайно горячего газа – плазмы. Плотность этой первичной плазмы частиц и античастиц (в то время их число было одинаково) была столь велика, что представление о таком состоянии вещества можно получить, если мысленно сжать всю видимую часть Вселенной до кубика со стороной около 10 см. К этому приводит современная теория, опирающаяся на астрономические наблюдения.

Что же было после большого взрыва? Физика элементарных частиц расписала этот процесс буквально по микродолям секунды. Были найдены приближенные простые формулы, связывающие время, плотность и температуру. При τ = 10^-43 с фундаментальные взаимодействия не различались, при τ = 10^-23 с наступила эпоха тяжелых частиц и кварков. Через τ = 10^-2 с после взрыва наступила эпоха лептонов и фотонов. Спустя ≈ 100 с протоны и нейтроны начали объединяться в ядра легких элементов, в основном тяжелого водорода и гелия и в меньшем числе лития и бериллия (Т = 10⁹ К). Через несколько часов после большого взрыва закончилась образование ядер элементов. Когда температура Вселенной упала до 3000-3500 К, началось образование атомов водорода и гелия (τ в пределах млн. лет). Именно при этой температуре водород перестает быть ионизированным и излучение, заполняющее Вселенную, уже больше связано с веществом. Далее образовались молекулы, химические элементы, планеты и т. д., а оставшееся излучение продолжало остывать. Фотоны излучения, образованные при взрыве горячей и плотной плазмы частиц и античастиц, должны были, разлетаясь и постепенно охлаждаясь, равномерно заполнить всю вселенную. Эти фотоны, получившие название реликтовых, сохранившиеся с древних времен, удалось экспериментально обнаружить. По расчетам, температура реликтового излучения к настоящему времени должна быть 3-3,5 К. Открытое американскими астрономами А. Пензиасом и Р. Вильсоном при изучении радиопомех новое радиоизлучение с температурой 2,7 К явилось основополагающим доказательством справедливости гипотезы «горячей Вселенной» и ее открытой модели.

Эти выводы необыкновенно интересны и захватывают воображение. Но осталось все же совершенно непонятным, как смогло образоваться вещество при «большом взрыве» – взрыве сверхплотного и горячего первичного газа – плазмы частиц и античастиц, почему исчезло практически все антивещество? Ответ был получен лишь несколько лет назад после опыта на ускорителях, показавших, что распад тяжелых элементарных частиц с превращением в более легкие частицы происходит с вероятностью на 0,3% большей, чем при возникновении из них таких же античастиц. Это, казалось бы, совершенно ничтожное отличие двух равноценных, на первый взгляд, путей преобразования частиц, замеченное физиками, позволило сделать важный вывод: при взрыве и расширении плотного начального «кубика» Вселенной, происшедшем, по расчетам теоретиков, за доли секунды, частицы взаимно уничтожались, взаимодействуя с античастицами, рождалось излучение, разлетевшееся в виде фотонов, и все же некоторое число частиц при этих реакциях сохранилось. Их ведь было чуть-чуть больше, чем античастиц. Например, на каждый миллиард антипротонов приходился миллиард и еще один протон. Этих лишних протонов, уцелевших в реакции аннигиляции с антипротонами, хватило чтобы создать все вещество галактик, звезд, солнечных систем.

Поэтому мы можем утверждать, что наша метагалактика (видимая часть Вселенной) появилась в результате так называемого «Большого взрыва», некоего особого точечного состояния материи в пространстве-времени, называемого сингулярностью, около 15 миллиардов лет тому назад. О физических свойствах сингулярности можно только догадываться. Даже при температуре порядка 10¹⁴ К, которая возникла через 0,1 секунды после взрыва, известные нам законы не действуют. А в самой сингулярности энергия и температура были неизмеримо выше! Поэтому в ней не существовало ни пространства, ни времени в привычных нам представлениях, и обсуждать вопрос – какие причины привели к взрыву сингулярности – сегодня нельзя, ввиду отсутствия каких-либо достоверных оснований.

Факт расширения метагалактики установлен достаточно надежно. Но из этого нельзя сделать вывод, что расширяется вся Вселенная. Могут существовать и, наверное, существуют другие метагалактики, которые мы не можем увидеть в принципе. Из них одни могут расширяться, другие сжиматься, стремясь к своей сингулярности. Более того: возможно очень далеко убежавшие метагалактические объекты могут «не успеть» вернуться в сингулярность и переживут очередной «Большой взрыв». Но это – не более чем предположение. Современная космология и теория «Большого взрыва», справедливы только для однородной Вселенной, а для совокупности метагалактик, обладающей неоднородностью в гигантском масштабе, требуются новые походы и другая теория.

Вышеизложенный материал дает основание полагать, что возраст в миллиардах лет для ряда объектов Вселенной характеризуется следующим образом: наша метагалактика – 15, галактик – 10, Солнца – 5, Земли – 4,5.

Понятие «галактика» в современном языке означает огромные звездные системы. Происходит оно от греческого слова «молоко, молочный» и было введено в обход для обозначения нашей звездной системы, представляющей, тянущуюся через все небо светлую полосу с молочным оттенком и поэтому названную «Млечный путь». Число звезд в ней несколько сот миллиардов, т. е. порядка триллиона (10¹²). Она имеет форму диска с утолщением в центре (рис. 7.37).

плоскость ядро спиральные

симметрии рукава

10000 св. л.

солнце диск

шаровые скопления

100000 св. л.

Схематическое представление нашей галактики

Диаметр диска галактики равен 100000 световых лет. Рукава Галактики имеют спиральную форму, т. е. расходятся по спиралям от ядра. В одном из рукавов на расстоянии около 30000 световых лет от ядра находится Солнце, расположенное вблизи плоскости симметрии. Толщина галактического диска 10000 св. л. Именно в диске сосредоточенно большинство звездных скоплений есть и вокруг диска – в так называемом ГАЛО. А далеко за пределами диска и ГАЛО простирается еще во многом загадочная корона Галактики. Солнце мчится по своей галактической орбите со скоростью 250 км/с (совершая один оборот вокруг центра Галактики за 200 миллионов лет). Такова продолжительность одного галактического года. Масса нашей Галактики оценивается в m_г = 2,2 ^. 10⁴¹ кг. Самые многочисленные звезды нашей Галактики – это карлики (их масса примерно в 10 раз меньше массы Солнца). Шаровые скопления содержат красные и желтые звезды – гиганты и сверхгиганты. Одним из объектов Галактики являются туманности, состоящие в основном из газа и пыли. Межзвездное пространство заполнено полями и разреженным межзвездным газом.

В настоящее время доказано, что кроме нашей Галактики, существует большое множество других. Мир галактик поражает своим разнообразием. Галактики резко отличаются размерами, числом входящих в них звезд, светимостями, внешним видом. Их обозначают номерами, под которыми вносят в каталоги.

По внешнему виду галактики условно подразделяются на три типа: эллиптические, спиральные, неправильные. Спиральные галактики – самый многочисленный вид. К нему относится наша Галактика и туманность Андромеды (одна из ближайших к нам галактик), удаленная от нас на 2,5 млн. световых лет.

Во второй половине XX века во Вселенной были открыты звездоподобные источники сильного радиоизлучения. Их назвали квазарами. Предполагают, что квазары представляют собой ядра новых галактик и стало быть процесс образования галактик продолжается и сейчас.

Открытия конца XX века также убеждают, что галактики в сверхскоплениях распределены неравномерно: они сосредоточены вблизи границ ячеек, т.е. Вселенная имеет ячеистую (сетчатую, пористую) структуру. На фотографиях она напоминает «паутинную сетку», а ее пространственной моделью может служить кусок пемзы. В небольших масштабах вещество во Вселенной распределено неравномерно. В больших же масштабах она однородна и изотропна. Метагалактика не стационарна.

Отметим некоторые особенности расширения метагалактики:

1. Расширение проявляется только на уровне скоплений и сверхскоплений галактик. Сами галактики не расширяются.

2. Не существует центра, от которого происходит расширение.

Дата добавления: 2014-01-07