Цветовое взаимодействие, ядерное взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в физике. Сильное взаимодействие действует в масштабах атомных ядер и меньше, отвечая за притяжение между нуклонами в ядрах и между кварками в адронах. В сильном взаимодействии участвуют кварки и глюоны, а также составленные из них элементарные частицы, называемые адронами. В 1934 г. Хидэки Юкава предложил гипотезу сильного взаимодействия. Если протоны в ядре атома, испытывая мощнейшее электрическое отталкивание, не разлетаются, то значит, их удерживают более мощные силы, чем электромагнитные. Юкава вводит новое поле, в котором силы действуют на очень коротком расстоянии. Он рассчитал, что чем массивней квант поля, тем короче расстояние, на которое оно распространяется. Так как кванты электромагнитного поля – фотоны – не имеют массы, электромагнитные воздействия распространяются на бесконечные расстояния. Короткодействующее "сильное" поле Юкавы тоже квантуется, и масса кванта должна быть меньше массы протона, но больше массы электрона. Гипотетическая частица Юкавы получила название мезон (мезо- греч. – средне- промежуточной).Частица, похожая на мезон Юкавы, была обнаружена при исследовании в космических лучей, в 1937 г., но позже оказалось, что это не квант сильного поля.

Это была первая частица, существование которой не было предсказано никакой теорией и даже не могло быть объяснено никакой теорией. "Правильный" мезон Юкавы (точнее один из трёх мезонов, квантов сильного поля с разными электрическими зарядами) был обнаружен в 1947 г. В дальнейшем он был назван π-мезоном, сокращённо – пионом, а "лжемезон" - μ-мезоном (мюоном). После него были открыты более сотни "ненужных" частиц. Сильн.взаим-я в высокоэнергетич. Реакциях: Имеется целый ряд высокоэнергетических процессов столкновения адронов, в которых отсутствует жёсткий масштаб, из-за чего вычисления по теории возмущений в рамках КХД перестают быть надёжными. Среди таких реакций — полные сечения столкновения адронов, упругое рассеяние адронов на небольшие углы, дифракционные процессы.

С точки зрения кинематики, в таких реакциях достаточно большой является только полная энергия сталкивающихся частиц в их системе покоя, но не переданный импульс. Начиная с 1960-х годов, основные свойства таких реакций успешно описываются феноменологическим подходом, основанным на теории Редже. В рамках этой теории, высокоэнергетическое рассеяние адронов происходит за счёт обмена некоторыми составными объектами — реджеонами. Наиболее важным реджеоном в этой теории является померен — единственный реджеон, вклад которого в сечение рассеяния не уменьшается с энергией. В 1970-х годах оказалось, что многие свойства реджеонов можно вывести и из квантовой хромодинамики.

Текущее состояние в теории сильных взаимодействий: КХД — общепринятая теория сильных взаимодействий.

Во-первых, в тех областях, где её численные предсказания надёжны, они хорошо согласуются с опытом.

Во-вторых, в ней на смену сотням «элементарных» кирпичиков материи (адронов) с запутанными «правилами игры» приходят 6 кварков с единственным дополнительным квантовым числом. Все свойства унитарной симметрии адронов, все правила «адронной химии» автоматически следуют из взаимодействия кварков.

В-третьих, КХД построена в согласии с общими требованиями квантовой теории поля, в частности, она перенормируема. Поскольку сильные взаимодействия в КХД описываются на основе калибровочного подхода, есть надежда на то, что удастся объединить сильное взаимодействие с электрослабым.

Классификация ЭЧ

К настоящему времени число зарегистрированных частиц и античастиц приближается к четырём сотням. Существует две относительно смежные классификации элементарных частиц. Во-первых, это деление частиц на фермионы (частицы вещества) и бозоны (кванты полей). Выше уже упоминалось, что фермионы подчиняются запрету Паули и имеют дробный спин, в то время как на бозоны запрет Паули не распространяется, и они имеют целочисленные спины.Другая система частиц – деление их на лёгкие (лептоны) и тяжёлые (адроны). Тяжёлые частицы способны к сильному взаимодействию (т.е. их притягивает сильное "ядерное" поле), а легкие частицы – нет. Впоследствии оказалось, что лептоны - истинные элементарные частицы, которые не имеют внутренней структуры, в то время как адроны состоят из более мелких частиц - кварков.Тяжёлые лептоны способны распадаться с образованием стабильных лептонов - электрона и нейтрино. Также стабильными являются протоны и нейтроны (последние являются "вечными частицами", пока они заточены в ядрах атомов; свободные нейтроны подвержены самопроизвольному распаду). Протоны и нейтроны имеют общее название нуклоны (от латинского нуклеус - ядро). Со времен Ньютона и Лейбница под понятием "элементарная частица" подразумевался бесструктурный точечный объект. По мере накопления знаний о природе материи на протяжении только последних ста лет элементарными частицами считали сначала атомы, потом ядра, адроны. К 60-м годам нашего века число элементарных частиц достигло сотни. Возникли сомнения в их "элементарности". Казалось, что природа не может быть столь расточительной. Все разнообразие этих частиц попытались объяснить наличием меньшего количества унифицированных элементарных объектов. На современном уровне знаний элементарными считают 12 частиц и 12 античастиц или, как говорят, ароматов, а также 12 переносчиков взаимодействий. Все элементарные частицы - фермионы (их спин s=1/2ħ), а все переносчики взаимодействия – бозоны (s=1ħ). В свободном состоянии наблюдается только 6 (из 12) элементарных частиц. Это - лептоны: электрон e- , мюон μ- , таон τ- , нейтрино электронное νe, нейтрино мюонное νμ, и нейтрино таонное ντ. Антинейтрино и положительно заряженные лептоны считаются античастицами. Лептоны - слабо взаимодействующие частицы. Остальные 6 элементарных частиц - кварки - существуют только в связанном состоянии. Это относится и к 6 антикваркам. Кварки и антикварки - частицы, обладающие сильным взаимодействием.

Кварковая теория

Решительно упростить систему элементарных частиц удалось М. Гелл-Ману. В середине 60-х годов он выдвинул гипотезу, согласно которой адроны являются комбинацией более лёгких частиц – кварков, причём мезоны образованы парой кварк-антикварк, а барионы – тремя кварками. Кварки обладают дробным электрическим зарядом: +2/3 или -1/3 заряда протона (соответственно, антикварки – -2/3 и +1/3) и спином 1/2. К 80 годам "просвечивание" барионов потоками электронов или нейтрино подтвердило структурную неоднородность протонов и нейтронов – они рассеивали падающие частицы так, как будто состояли из трёх отдельных мишеней. Хотя получить отдельные кварки не удалось и к настоящему времени, никто уже не сомневается в их существовании и справедливости Стандартной модели – так называется кварковая теория вещества. Наш мир состоит из двух кварков – "верхнего" и "нижнего" - и двух лептонов – электрона и электронного нейтрино. В столкновениях ускоренных частиц высоких энергий рождаются два новых кварка – "странный" и "очарованный" и два лептона – имеющий электрический заряд мюон и мюонное нейтрино. При самых высоких энергиях сталкивающихся частиц, которые можно получить на современных ускорителях, появляются "истинный" и "красивый" (другой вариант названия t- и b-кварков – "вершинный" - top и "придонный" - bottom) кварки, заряженный тау-лептон и таонное нейтрино. Шесть разных состояний кварков называют ароматами. Кварки участвуют в особом типе сильного взаимодействия, которое создаётся не двумя, а тремя разными зарядами, или, как обычно говорят, кварки могут иметь один из трёх цветов. Цвет кварка никак не связан с ароматом - любой из кварков может иметь любой цвет.

Три разных цвета порождают поле, которое связывает кварки так тесно, что отделить один кварк от двух других невозможно. Тройка кварков разных цветов и есть адрон. Теперь понятен метафорический смысл слова "цвет" - человеческий глаз имеет три типа колбочек, различающих три цвета. Три одинаковых по интенсивности цвета создают белый цвет. Часто говорят, что адроны существуют только в белых комбинациях. Но два цвета не могут создать белую комбинацию. Как же образуются мезоны? Антикварки обладают антицветом. Мезон сформирован парой кварк-антикварк, он бесцветен. Стабильных мезонов не бывает, их жизнь не превышает миллионных долей секунды. Перемешивая шесть кварков и антикварков в комбинациях по три и по два и учитывая лептоны, получаем почти весь набор известных элементарных частиц.

Почти – потому что в этой теории появляются глюоны - особые кванты сильного взаимодействия, определяемого тремя зарядами (цветами), связывающего кварки в адроны. Глюоны существуют в девяти модификациях. Возникает вопрос – а что же дальше? Если мы создадим более мощные ускорители, то получим следующую пару кварков и пару лептонов – и так далее, как в сказке Андерсена "Горшок каши"? Не исключён, хотя и маловероятен, ещё один энергетический уровень, "населённый" своими кварками и лептонами, но больше их быть не может.

Слабое взаимодействие и несохранение чётности при слабых взаимодействиях

Слабое взаимодействие Физика признаёт существование четырёх фундаментальных взаимодействий – тяготения (гравитации), электромагнитных сил, сильного и слабого взаимодействий. Что есть слабое взаимодействие? Это сила, которая ничего не притягивает и ничего не отталкивает. Она превращает одну частицу в другую. Если при этом выделяется энергия, то она должна выразиться в каком-то действии на другие частицы. В данном случае она тратится на порождение новых частиц, которые разлетаются с большой скоростью. История слабого взаимодействия начинается в 30-е годы, когда Э. Ферми разрабатывал теорию β-распада. Одиночный нейтрон, "вылущенный" из ядра, в среднем за 13,5 минут распадается на протон, электрон и антинейтрино. Нейтрон, заключённый в ядре, не распадается. Для того, чтобы объяснить это явление, приходится вводить особую силу – гравитация, электричество и сильное взаимодействие тут не при чём. Есть процессы распада частиц, определяемых сильным взаимодействием, но они протекают за 10-23 сек; распады, обусловленные электромагнитным действием, протекают в тысячу раз медленнее. Чудовищная длительность квантовых процессов - от миллионных долей секунды и более - подразумевает наличие очень слабых сил, отсюда и название. Слабое поле действует на расстояниях гораздо меньших, чем сильное. Характерной особенностью слабых процессов будем считать распад частицы на три компонента, а не на два. Сейчас мы знаем, что сначала частица распадается на две, одна из которых является квантом слабого поля, а потом этот квант распадается ещё на две. Некоторые частицы способны участвовать в сильном взаимодействии, некоторые – в электромагнитном; слабое взаимодействие, возможно, характерно для всех известных на сей момент фермионов. Оно может менять ароматы кварков, превращая, например, u-кварк в d-кварк и наоборот, или аналоги ароматов у лептонов, делая из электрона нейтрино и наоборот. Несохранение чётности в слабых взаимодействиях Интуитивно понятно, что физические законы справа от наблюдателя должны выполнятся в точности так же, как и слева. В физическом мире царит симметрия. Так же очевидно, что все физические процессы, связанные с положительными электрическими зарядами, должны быть аналогичны процессам, связанным с зарядами отрицательными, т. е., если всюду поменять плюс на минус и наоборот, наш мир не должен измениться. Для любой частицы известна античастица (для нейтральных, например, нейтрона и нейтрино – тоже). Самое загадочное и интригующее свойство слабых взаимодействий – то, что для частиц связанные с ним процессы протекают чуть-чуть иначе, чем для античастиц. Например, нейтральная частица К0L может распадаться с образованием либо электрона, либо позитрона по схемам К0L → е+ + π- + νе и К0L → е- + π+ + νе, однако первый процесс протекает почти в одну и семь тысячных раз чаще, чем второй. Симметрия нарушена совсем незначительно, но вполне достоверно. Следует подчеркнуть, что симметрия (назовём чётностью некоторые типы симетрий), нарушается только в процессах слабого взаимодействия – может быть, всех. Считается, что подобного лёгкого нарушения оказалось достаточно. В начале мира, в первые секунды после Большого взрыва, превращения, связанные со слабой силой привели к тому, что частиц стало на несколько миллионных больше, чем античастиц.

Электрослабое поле и перспективы Великого Объединения

До середины XIX в. физики знали две самостоятельных силы - электричество и магнетизм. Позже оказалось, что это два проявления единой сущности – электромагнитного поля. Изменение электрической силы порождает силу магнитную, и наоборот.

Пока два заряда покоятся, между ними возникает электрическая сила притяжения-отталкивания, а когда они начинают двигаться, появляется магнитная сила. Абдус Салам в конце 50-х годов пришёл к мысли, что электромагнитное и слабое взаимодействия также есть проявление некоторой общей силы, которая получила название электрослабой. "Общая" электрослабая сила, точнее кванты электрослабого поля, существует при очень высоких энергиях и в нашем мире распадаются на кванты электромагнитного поля и слабого взаимодействия.

Теория объединения двух сил была создана в 60-е годы, а экспериментальные доказательства существования всего набора предсказанных квантов слабого поля – тяжёлых векторных бозонов – были получены на самых мощных ускорителях в 80-е годы. Кванты поля, разрушающего единство электрических и слабых сил – бозоны Хиггса – не обнаружены и по настоящее время, но мало кто сомневается в их существовании. Следующий шаг – объединение сильного и электрослабого взаимодействий. Соответствующая тория получила название Великого объединения. Она разрабатывается силами многих теоретиков начиная с 70-х годов.

Эта теория не может быть проверена экспериментально – человеческие руки не в силах создать ускорители той мощности, при которой возможно получить искомые частицы – участники объединённого взаимодействия. Однако возможна косвенная проверка Великого объединения.

Теория предсказывает наличие сил, способных превращать кварки в лептоны. В таком случае возможен самопроизвольный распад протона на позитрон и пион. За год должен распадаться в среднем один из 1032 протонов. Современная техника в принципе позволяет пронаблюдать такое явление. Очевидно, в скором времени физикам удастся таким образом подтвердить или опровергнуть теорию Великого объединения.

Открытие Ганом и Штрассманом распада урана с образованием лёгких осколков. Получение нептуния и плутония. Германский ядерный проект

Получение нептуния и плутония. В 30-х годах появились ускорители, увеличившие мощность бомбардировок ядра заряженными частицами в сотни раз. В 1940 - 1942 гг. Г. Сиборг, Э. М. Макмилан, Дж. Кеннеди и А. Валь получили новые, трансурановые элементы – нептуний и плутоний, которых в природе практически не существует. Разогнанные на ускорителе ядра дейтерия, направленные на мишень из урана, пробивали броню электростатического отталкивания и поглощались ядром, заряд которого увеличивался на единицу – так возникал нептуний, новый элемент с периодом полураспада чуть более двух суток. В процессе β-распада нейтрон нептуния превращался в протон, заряд ядра увеличивался ещё на единицу, и возникал сравнительно стабильный изотоп плутония с периодом полураспада 88 лет. Открытие Ганом и Штрассманом распада урана с образованием лёгких осколков. Во всех этих процессах ядро захватывало или теряло частицу и меняло заряд на одну-две единицы. И физики добаловались - вдруг, совершенно неожиданно, ядро урана развалилось на две половинки. Никто из теоретиков этого не ожидал. В опытах О. Гана и Ф. Штрасмана вместо соседей урана по таблице Менделеева был синтезирован барий – крупный черепок разбитого вдребезги ядра урана. Это привело к самому драматическому событию в двухтысячелетней истории физики – созданию атомной бомбы. Теоретические модели ядра (не знаю надо это или нет) В 30-годы Гамов, Бор, Уиллер (США) и Френкель (СССР) делают первые наброски теории строения ядра, получившие название «капельная теория». Мелкие капли круглые. Шар – геометрическая фигура, обладающая минимальной поверхностью при заданном объёме. Молекулы жидкости, находящейся на поверхности раздела двух сред, притягиваются внутрь. Это приводит к тому, что количество молекул на поверхности становится минимальным. Физики говорят о силе поверхностного натяжения, выравнивающей неровности на поверхности жидкости. Вода обладает большой силой поверхностного натяжения, спирт – меньшей, медицинский эфир (этиловый эфир) – ещё меньшей.Ядерные силы неизмеримо мощнее сил молекулярного притяжения и должны были бы образовать идеально шаровидное ядро, но количество частиц в нём слишком ограничено. Кроме того, нуклоны не одинаковы – между протонами действует отталкивающая сила. Всё это приводит к тому, что ядро может быть не сферическим, а вытянутым вроде дыни или сплющенным, как тыква. Почему ядро не может быть очень большим? Сильная сила действует на сверхмалых расстояниях, притягивает только ближайшие нуклоны (протоны и нейтроны). Вместе с силами притяжения на протоны ядра действует сила отталкивания одноименных зарядов, которая сравнительно мало убывает с расстоянием. Следовательно, при увеличении количества протонов в ядре силы отталкивания увеличиваются, а силы притяжения не растут. Ядро становится нестабильным, испускает α-частицу и, избавившись от избыточного положительного заряда, делается более устойчивым и компактным. Очевидно, что ядро, поверхность которого является более близкой к сферической, должно быть и более устойчивым. Почему ядро не может состоять из одних нейтронов и увеличиваться не разрушаясь? Капельная модель – классическая модель, не использующая квантово-волновые свойства ядерных частиц. Ей на смену приходит оболочечная модель, предложенная впервые Бартлетом и развитая М. Гёпперт-Майер и Х. Йенсеном. Согласно ей протоны и нейтроны образуют ансамбль стоячих волн, организованных подобно электронным оболочкам боровского атома. Пара нейтрон-нейтрон в силу запрета Паули может существовать только при противоположно ориентированных спинах, что уменьшает энергию связи. Поэтому один из нейтронов превратится в протон путём β-распада и образуется более прочная конструкция. Протоны и нейтроны заполняют оболочки, располагаясь на них в определённом количестве в разрешённых комбинациях. В 50-е годы Оге Бор (сын Нильса Бора) и Б. Моттельсон разрабатывают коллективную модель ядра, согласно которой на поверхности ядра (наружной оболочке) и образуются волны и квантовые переходы, сопровождающиеся излучением или поглощением гамма-излучения и радиоактивным распадом.Германский ядерный проект.Нацистская Германия обладала реальной возможностью создать бомбу – она обладала огромными людскими, материальными и интеллектуальными ресурсами. Над атомным проектом Германии (руководитель К. фон Вайцзеккер) работали Гейзенберг и Ган. Среди причин, по которым Германия не успела стать обладательницей ядерного оружия, можно назвать как политические (недооценка его значения Гитлером и, как следствие, недостаток финансирования), так и научно-технические. Немецкие физики пришли к ошибочному заключению, что использование графита в качестве замедлителя нейтронов бесперспективно и попытались использовать для этой цели тяжёлую воду. Единственный в мире завод по производству тяжелой воды (в Норвегии) был уничтожен налётами авиации союзников и диверсиями бойцов Сопротивления. Большой запас тяжёлой воды, находившийся в научно-исследовательских институтах Франции, уже во время оккупации Ф. Жолио-Кюри тайно переправил в Англию. В результате немецким физикам так и не удалось запустить ядерный реактор.

Термоядерная энергия и перспективы её мирного использования

Источником энергии, лишённым недостатков ТЭС, ГЭС и АЭС, является превращение тяжёлого водорода в гелий. Плюсы – неисчерпаемость сырья (в кружке воды столько же потенциальной энергии, сколько в бочке бензина) и отсутствие вредных отходов на любой стадии производственного цикла. Минусы, возможно, появятся, когда появится сам термоядерный реактор. По последним прогнозам, время появления экономически выгодного промышленного термоядерного реактора – 2030 – 2050 гг. В чём техническая сложность задачи? Чтобы сблизить ядра дейтерия и трития (таков состав горючего в современных экспериментальных установках) до расстояния, на котором сильное взаимодействие будет значимым, нужно придать им энергию для преодоления электрических сил отталкивания одноименных зарядов. Реально это означает нагрев горючего до 10-20 миллионов градусов, удержание его при такой температуре и отвод тепла. Первые работы по созданию термоядерного реактора были начаты в СССР под руководством Курчатова. Конструкция, которую предложили советские инженеры, предусматривала разогрев и удержание кольцевидного шнура горячей дейтериево-тритиевой плазмы в сверхмощном магнитном поле. Её назвали токамак – тороидальная камера с магнитной катушкой. Тор - это геометрическая фигура, напоминающая бублик. Внутри бублика мощное магнитное поле должно удерживать плазменный шнур, нагретый до нескольких миллионов градусов. Однако только к концу ХХ века были построены (уже не в нашей стране) токамаки с нулевым КПД, т.е, выделяющие столько энергии, сколько они потребляют. В настоящее разработка нового поколения токамаков ведётся в рамках инициированного Советским Союзом международного проекта ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) и в США. Несколько позже токамака было предложено иное решение проблемы – нагрев микроскопических доз термоядерного горючего с помощью сверхмощных лазеров, однако работы в этом направлении пока менее успешны, чем доводка токамаков.

Зависимость ядерной энергии от количества нуклонов в ядре

В стабильных ядрах количество протонов и нейтронов у лёгких элементов приблизительно одинаково; с увеличением заряда ядра относительное количество нейтронов возрастает до полутора у трансуранов. Итак, в ядерные оболочки формируются определённым количеством протонов и нейтронов. Опыты Ферми показали, что если подбрасывать в ядро лишние нейтроны, то в результате β-распада их излишки превращаются в протоны. Избыточное количество протонов может порождать обратный процесс – превращаться в нейтроны с испусканием позитрона (этот тип радиоактивного распада был открыт супругами Жолио-Кюри в 1934 г.). Теория ядра очень далека от завершения, однако имеющиеся в настоящий момент данные чрезвычайно важны. Для понимания технических и астрофизических процессов главное – знать энергетический выход реакций распада и синтеза ядер. Если к протону добавить нейтрон, то частицы прилипнут друг к другу подобно кусочкам магнита и при этом выделится энергия - например, в виде гамма-кванта, и получится дейтон - ядро тяжёлого стабильного изотопа водорода дейтерия. Добавим ещё один нейтрон и снова получим выход полезной энергии, однако новый изотоп водорода – тритий – нестабилен и в процессе β-распада превращается в легкий изотоп гелия – 3Не. Добавляя таким образом нуклоны в ядро, получаем где больший, где меньший, но обычно положительный выход энергии – и так до того момента, когда силы отталкивания не станут превышать силы притяжения. Самое тяжёлое ядро, синтез которого идёт с выделением энергии – это ядро железа, более тяжелые элементы энергетически выгоднее разрушить. Легко определить, что синтез лёгких элементов – и прежде всего гелия – из ещё более лёгких даст больше энергии, чем расщепление тяжёлых элементов, включая даже уран. Однако технически расщепление урана оказывается более простой задачей.

Образование звёзд, водородная стадия горения

Основа межзвёздного вещества – водород и гелий. По причинам, которые пока не ясны, разбросанное во Вселенной космическое вещество образовало местные скопления и неоднородности. Под влиянием сил тяготения локальные скопления газа уплотнялись, уплотняясь – нагревались. Тепловое излучение и свет не могли выходить из горячего ионизированного газового облака, нагрев увеличивался, и когда температура сжатого газа достигла десятка миллионов градусов, начались первые термоядерные реакции – превращение водорода в гелий. Ядро гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов, ядро водорода – из одного протона. Однако при очень высоких температурах возможны реакции слабого взаимодействия – при столкновении двух протонов один из них превращается в нейтрон и образуется дейтерий (D) по схеме: p + p = D + e+ + ν Перед нами – реакция слабого взаимодействия, процесса медленного. Осуществляется она исключительно редко, в одном случае на 1028 столкновений. Слабые силы действуют на очень коротких расстояниях, а чтобы сблизить протоны, преодолеть силы электростатического отталкивания, необходимо получить очень большие начальные скорости сталкивающихся частиц. Следовательно, протонный газ должен иметь очень высокую температуру. Но вот дейтерий получен. Столкновение ядер дейтерия (при звёздных температурах) приводит к их слиянию без превращения частиц друг в друга, под действием только “быстрого”сильного взаимодействия, поэтому дейтерий тут же превращается либо в тритий, либо в лёгкий изотоп гелия-3. Каждый из них так же шустро реагирует с дейтерием с образованием гелия-4. Исключительно медленная реакция слабого взаимодействия – причина того, что на водородной стадии горения звезда стабильно существует миллиарды лет. Правда, очень массивные, следовательно, очень горячие звёзды сгорают быстрее, за десятки или сотни миллионов лет – чем выше температура и давление, тем чаще происходят столкновения протонов, но большинство звёзд во Вселенной относятся к долгожителям. Наше Солнце горит 5 млрд. лет и это процесс продлится ещё около 8 – 10 млрд. лет.

Красные гиганты и белые карлики

Рано или поздно, но ресурсы водорода будут исчерпаны, а в недрах звезды накопится много гелия. Остатки водорода всплывут на поверхность, термоядерные реакции станут происходить не в ядре, а на периферии, и, вследствие высоких температур, давления частиц и света, диаметр звезды сильно увеличится. Самые же наружные слои звёздной атмосферы будут очень удалены от ядра и станут сравнительно холодными. Такие звёзды называются красными гигантами. На этой стадии наше Солнце раздуется до размеров, превышающих диаметр земной орбиты, его наружные слои остынут приблизительно до 3 тыс. градусов. После того, как выгорит и этот водород, огромная масса остывающей гелиевой плазмы начинает сжиматься и красный гигант превращается в белый карлик. Если раньше сжатию препятствовали силы, возникающие в ходе ядерного синтеза, то теперь гравитация беспрепятственно ломает электронные оболочки атомов, создавая новую физическую форму вещества – плотно упакованную смесь ядер и обобщённых электронов, вырожденный газ, один кубический сантиметр которого весит от нескольких сотен килограммов до нескольких тонн. Ближайший к нам белый карлик – Сириус В – имеет массу 0,95 солнечной при диаметре 10 800 км (диаметр Земли – 12 700 км). В результате сжатия белый карлик имеет высокую поверхностную температуру, (Сириус В, например – 32 000°, приблизительно в шесть раз горячее Солнца), но, из-за малой удельной поверхности, терять тепло он может очень медленно и поэтому Солнце, превратившееся в белый карлик, будет остывать десятки миллиардов лет, пока не превратится в холодный чёрный карлик. Однако в нашей молодой Вселенной чёрные карлики уже есть – ближайшая к нам звезда такого типа находится в созвездии Гидры и светит уже в основном в области невидимого для глаза теплового излучения. Белым карликам с массой, превышающей 1,4 солнечной, не суждено превратиться в чёрные карлики. Сжатие разогревает их недра, и когда температура превысит 200 млн. градусов, там начинает гореть гелий, превращаясь в углерод. После исчерпания запасов гелия углерод начнёт превращаться в кислород и неон, при достижении 600 млн. градусов кислород и неон превращаются в кремний, и так далее. Цикл ядерный синтез – завершение синтеза – сжатие – повышение температуры – новый ядерный синтез будет продолжаться, пока внутренняя температура не достигнет триллиона градусов и вещество звезды не догорит до железа. Это – последний этап термоядерного синтеза, последнее усилие, противостоящее гравитационному сжатию.

Нейтронные звёзды и вспышки Сверхновых

Далее уплотнение звезды происходит мгновенно, со скоростью звука - а скорость звука тем больше, чем больше плотность среды. Сжатие приводит колоссальному выделению энергии – вспышке Сверхновой звезды, на какое-то время излучение звезды сравнимо с излучением галактики. Если при превращении водорода в гелий в энергию переходит около 1% релятивистской массы водорода, то в процессе обрушивания звезды внутрь самой себя - до 10%.Ударная волна этого взрыва, действуя на межзвёздный газ, порождает ускоренные протоны космических лучей. Размётанные взрывом периферические слои звезды разлетаются с огромной скоростью – порядка тысячи километров в секунду. Так рождается космическая пыль, содержащая тяжёлые элементы – вплоть до трансуранов. В дальнейшем она входит в состав звёзд и планетных систем. Звёзды первого поколения, образующие "толстый диск" нашей Галактики, очень бедны элементами тяжелее гелия. Более молодые звёзды, в том числе и наше Солнце, захватили значительное количество космической пыли в момент своего образования. В исходном газопылевом облаке, породившем Солнечную систему, было около 5% вещества, изверженного когда-то Сверхновой. Земля и её обитатели – это шлак сгоревшей звезды второго поколения, вещество, возникшее в недрах массивного светила в ходе ядерного синтеза после сгорания водорода и гелия. То, что осталось от звезды после взрыва – это сверхплотное вещество, состоящее большей частью из нейтронов. Диаметр нейтронной звезды порядка 10 км. Инерция сравнительно медленного (если оценивать угловую скорость) вращения исходной звезды должна сохранится. Вспомните, как быстро начинает вращаться фигурист, когда он сгруппируется. «Сгруппировавшаяся» нейтронная звезда крутится с невероятной скоростью – время полного оборота порядка от секунд до сотых долей секунды. Вследствие такого вращения она приобретает магнитное поле в триллионы раз более мощное, чем магнитное поле Земли.

Черные дыры и квазары

Нейтронная звезда с массой более трёх масс Солнца не вечна. Она довольно быстро остынет и превратится в чёрную дыру. Как известно, масса искривляет окружающее пространство-время. Огромные компактные массы способны искривить его настолько, что оно замкнётся само на себя, образовав пространственно-временной пузырь, собственную замкнутую Вселенную внутри нашей Вселенной. Чёрная дыра поглощает вещество извне, но ничего не выпускает изнутри. Менее всего обоснована гипотеза перехода массивной нейтронной звезды в чёрную дыру. Как отличить невидимую чёрную дыру от невидимой же нейтронной звезды? Если масса объекта составляет 2-3 солнечных массы, то это почти наверняка не чёрная дыра. Наиболее вероятный кандидат в чёрные дыры – звезда Лебедь-Х имеет массу, более чем в 5 раз превышающую солнечную. В 60-е годы был совершенно неожиданно открыт новый класс космических объектов – рентгеновские пульсары – рентгеновские источники, которые «мигают» с очень постоянной частотой от секунд до сотых долей секунды. Оказалось, что излучение в рентгеновском диапазоне это особенность компактных объектов – нейтронных звёзд и чёрных дыр. Правда, не все компактные объекты дают рентгеновское излучение, а только те, которые входят в состав двойных звёзд или находятся в плотных облаках межзвёздного газа и пыли – рентгеновские кванты испускает вещество, падающее на поверхность нейтронной звезды или в чёрную дыру (у которой нет поверхности). Ещё более неожиданным было открытие квазаров. Когда в 30-е годы – время бурного развития коротковолновой радиосвязи, встала проблема защиты передачи от помех, инженерам удалось грубо определить стабильные источники помех. В частности, ими оказались определённые участки звёздного неба. Астрофизики не могли принять это всерьёз, и вот по какой причине: получалось, что радиоизлучение от неведомых космических объектов было в тысячи раз сильнее, чем радиоизлучение Солнца. Самые крупные космические тела – звёзды. Самая близкая к Земле звезда находится в четырёх световых годах от нас, а Солнце – на расстоянии 8 световых минут. Энергия электромагнитных колебаний убывает пропорционально квадрату расстояния. Таким образом, будь радиоисточник даже ближайшей звездой, он должен излучать приблизительно в сто триллионов раз интенсивнее, чем Солнце. Когда в начале 50-х годов появились первые радиотелескопы, источники радиоизлучения удалось картировать точнее. Несколько удалённых радиотелескопов можно соединить в единую сеть и получить разрешение не менее (или более) детальное, чем у лучшего светового телескопа. С развитием техники наблюдений космические радиооблака стягивались в точки, и, наконец, их стало возможно привязать к светящимся объектам. Спектр этих объектов оказался совершенно необычным: привычные линии водорода были смещены в красную область почти на треть. Это означало, что радиоисточники находились не просто далеко, а исключительно далеко, на расстоянии миллиардов световых лет от Земли. Оптические снимки ближайших из них показали вытянутые структуры, которые первоначально были названы радиогалактиками. Теперь мы знаем, что это воронки газа и космической пыли, падающие на сравнительно малый объект – не больше нашей солнечной системы. Длина этих газопылевых рукавов порядка сотни тысяч световых лет. Газовые вихри, разогреваясь, излучают в радиодиапазоне. Центральное массивное тело получило название квазар. Квазар – это не звезда, не галактика. Наиболее распространённая гипотеза – квазар это огромная чёрная дыра, возникшая на месте ядра галактики, звёзды ядра провалились в эту дыру. Не все квазары являются активными радиоисточниками, некоторые почти молчат в радиодиапазоне. Однако в любом случае квазары являются самыми мощными источниками энергии во Вселенной. Притягивая и разгоняя звёзды и газ, они заставляют их генерировать электромагнитные волны в самых разных диапазонах. Чёрные дыры, не обязательно такие массивные, как квазары, находятся в центре многих, если не всех, галактик. Предположительно, чёрная дыра массой порядка миллиона солнечных, есть и в центре нашей галактики - Млечного пути. Центральные части галактического диска закрыты таким количеством космической пыли, что надёжно проверить эту гипотезу пока не удаётся.

Галактики, скопления галактик и крупномасштабная структура Вселенной

Не так давно словом "галактика" обозначалась крупная звёздная система. Помимо звёзд в ней существует межзвёздный газ и космическая пыль. Галактики различались по форме – делились на спиральные, шаровые, эллиптические и прочие. В настоящее время представления о галактиках решительно меняются. Звёзды, газ и пыль – то, что далее будем называть «видимое вещество» – составляют незначительную долю от общей массы галактики. Основным в ней является «тёмное вещество». «Тёмное вещество» существует, но мы не знаем, что это такое. Ограничимся обзором наиболее изученных галактик вроде той, в которой обитаем мы, а именно - спиральных. Спиральные галактики обычно имеют два рукава – изогнутые зоны наибольшего скопления звёзд. Если смотреть на спираль в профиль, то она предстанет в виде полоски с шаровидным утолщением в центре – балджем. Понятия «балдж» и «ядро галактики» во многом совпадают. В центре балджа находится чёрная дыра порядка сотни тысяч солнечных масс и более. Масса чёрной дыры связана с размерами балджа. И, наконец, галактику окружает сферическое гало из звёздных скоплениий более низкого порядка.По самой оси балджа расположены молодые горячие звёзды. Газ и пыль здесь неоднородны, образуют значительные скопления, особенно плотные в рукавах. В этих скоплениях приблизительно одновременно возникает множество звёзд. Процессы образования новых звёзд продолжаются здесь до сих пор. Межзвёздный газ охлаждается за счёт излучения и смещается к центру галактики, где излучение чёрной дыры балджа (точнее, вещества, падающего на чёрную дыру) вновь его нагревает. Галактический газ образует холодные струи, направленные к «нагревателю» - центру галактики и горячие струи, уходящие к периферии. Эллиптические галактики, в отличие от спиральных, представляют из себя один огромный балдж. Соответственно этому, чёрная дыра в его центре в тысячи раз массивней тех, что находятся в центрах спиральных галактик. Вещество – газ и пыль, падая на чёрную дыру, порождают излучение в самых разных диапазонах. Считается, что квазары - это светящиеся диски газа, засасыва-емого массивной чёрной дырой ядра галактики. Жизнь ядра галактики может быть очень активной, иногда оно взрывается с выделением энергии, в миллионы раз превышающей энергию вспышек сверхновых. В пересечённых спиральных галактиках падающее на центральную чёрную дыру вещество образует эллиптическую воронку – «бар»; рукава галактики выходят не из балджа, а из бара. В спиралях формируются отдельные плотные скопления звёзд, хорошо заметные на фотографиях ближних галактик, а также скопления газа и пыли. В целом приходится признавать, что видимое вещество в галактиках распределено крайне неодно-родно. Галактика значительно шире узкого диска ярких звёзд. Старые красные звёзды образуют слабо светящуюся «шубу» кнаружи от яркого диска, образованного более молодыми звёздами. Она получила название "толстый диск". Крупные галактики часто имеют мелкие галактики-спутники. Таковыми для нашей Галактики являются Большое и Малое Магеллановы облака. Галактики образуют скопления. В Местном скоплении галактик нашим ближайшим соседом является Туманность Андромеды. В целом скопления галактик образуют ячеистую структуру. Внутри ячеек пространство практически пусто. Галактики, как и звёзды, имеют свою историю, изучение которой только начинается. Считается, что первичные галактики, сформировавшиеся в первые сотни миллионов лет после Большого Взрыва, были карликовыми. В настоящее время, когда телескопы и другие астрофизические приборы стало возможным вывести в космос, астрономы впервые смогли увидеть очень далёкие галактики, свет от которых пришёл к нам более чем за 10 млрд. лет, то есть звёздное население очень ранней Вселенной. В 2004 г. благодаря новому оборудованию на телескопе «Хаббл» были получены снимки объектов в момент, соответствующий приблизительно 0,5 млрд. лет после Большого Взрыва. Первая из «древних» галактик, которую удалось сфотографировать таким образом, в 200 раз меньше нашей нынешней.

Строение земной коры. Астеносфера, мантия, ядро

Во-первых, земная кора принципиально неоднородной. Тонкая океаническая кора двуслойна, состоит из поверхностного чехла осадочных пород, накрывающих базальты, тогда как толстая материковая кора трёхслойна – под осадочными породами находится мощный слой гранитов, подстилаемый базальтами. Базальты несколько тяжелее гранитов, поэтому их "естественное место" - под гранитами. Вещество, из которого образовалась Земля, по-видимому, первоначально было относительно однородным. В дальнейшем более тяжёлые элементы мигрировали вниз, более лёгкие – наверх. Этот процесс продолжается сейчас и будет протекать ещё не менее миллиарда лет. Под корой находится слой глубинного вещества, нагретого до температуры свыше 1 000°С и находящегося в состоянии, близком к плавлению – астеносфера. Своей механической и фазовой неустойчивостью астеносфера отличается от более прочной, но пронизанной разломами мантии, лежащей под астеносферой. Зона перехода астеносферы в литосферу называется зоной Мохоровичича («зона Мохо», ударение на второе "о"). Она прослеживается на глубине 15 – 20 км под океанами и 40-80 км – под материками. Но есть места, где океаническая кора исключительно тонка и гоячая астеносфера выходит к самой её поверхности, формируя серединно-океанические хребты. Оказалось, что Землю опоясывает непрерывная цепь горных хребтов, протянувшаяся на 80 тыс. км, что вдвое превышает длину экватора. У края континентов, могут формироваться глубоководные желоба, где, наоборот, океаническая кора может уходить глубоко вниз. ???Основная идея «раннего мобилизма» была следующей – горячая астеносфера в зоне серединно-океанических хребтов изливается наружу, выплавляя новую океаническую кору. Океанические базальты медленно движутся от места своего образования к материкам, где ломаются и косо погружаются на глубины порядка сотен километров, где вновь расплавляются и смешиваются с веществом мантии. Будем считать, что базальты – исходные породы, которые возникают из вещества астеносферы. В тех местах, где океаническая плита коробится и частично плавится, более лёгкие компоненты базальтов превращаются в гранит и формируют новые участки материковой коры. Что касается дрейфа океанической коры, то здесь все доказательства налицо. Во-первых, в зонах разломов океанического дна, сопровождающих серединно-океанические хребты, происходит излияние расплавленного вещества сопровождаемое выбросом в воду большого количества сероводорода, и, как следствие, окрашивающего воду в чёрный цвет. Эти места получили название «чёрных курильщиков». Во-вторых, осадочный слой у серединно-океанических хребтов очень тонок и молод. Чем дальше к материкам, тем он, как правило, толще и старше и почти никогда не бывает древнее 200 млн. лет. В-третьих, намагниченность пород базальтового слоя показывает полное сходство с теорией. Дело в том, что металлические руды намагничены так, как были сориентированы магнитные силовые линии Земли в момент их кристаллизации. Но магнитные полюса медленно перемещаются, а также с периодом порядка миллиона лет меняют своё направление на противоположное. Если образование новых базальтов происходило постоянно, то самые молодые должны быть намагничены «на полюс», те, что дальше от оси хребта – противоположным образом, те, что еще дальше – по современным им направлениям полюсов. В-четвёртых, в местах предполагаемого подползания океанической плиты под материковую с нёё должен соскребаться верхний слой, происходить нагрев и расплавление базальтов. Если посмотреть на карту Тихого океана, легко заметить цепочки вулканических островов, формирующих Огненный пояс. В-пятых, в настоящее время методами спутниковой навигации доказано движение континентальных плит со скоростями несколько сантиметров в год. Движется не только океаническая кора. Материки тоже могут раскалываться. Зона разлома и в море, и на суше называется рифтом, а засыпаемый осадками провал - грабеном (хотя не все делают различие между этими терминами. Рифт - это огромная, обычно прямолинейная трещина, простирающаяся на сотни километров. Собственно зона расширения, не ров, а начальная точка расхождения плит, носит название зоны спрединга (spread - англ. растяжение, расширение). Классический пример рифтогенеза – наблюдающийся в настоящее время раскол африканского материка. Долгое время одним из самых употребимых слов в общей геологии были термины "платформа" и "геосинклиналь". Платформа - это тектонические косная часть коры, нечто лишённое или почти лишённое изменчивости. Геосинклинальные зоны по краям платформ, наоборот, коробятся, вздымаются, опускаются, трескаются - находятся в непрерывном движении. Откуда берётся чудовищная сила, разрывающая на части Африку или дно Атлантического океана? Ясно, что недра Земли горячие, но что их нагревает? Современная геофизика рассматривает вопрос о дифференциации вещества как основном источнике энергии. Земля образовалась около 4,6 млрд. лет назад из относительно однородного вещества, вобрав в себя огромное количество метеоритных тел. Далее тяжёлые элементы медленно опускались вниз, к центру планеты, а лёгкие всплывали наверх. Эти процессы протекали и протекают поныне с выделением тепловой энергии, которая приводит к разогреву недр. Будем считать, что через 2 миллиарда лет после образования Земли внутри неё оформилось тяжёлое ядро, предположительно состоящее из железа. Приблизительно к этому времени на поверхности Земли появились лёгкие блоки, содержащие больше кремния и алюминия, но меньше магния, чем подстилающая их мантия. Они послужили ядрами формирования будущих континентов. Период ускоренного роста материковых плит заканчивается около полутора миллиардов лет назад. К настоящему времени сравнительно надёжно установлено, что внутри Земли имеется тяжёлое твёрдое ядро. Его окружает слой жидкого вещества нижней мантии. Средняя и верхняя мантия в целом являются твёрдыми, хотя в них могут двигаться струи более горячего вещества. Предполагается, что мантия приблизительно однородна по своему химическому составу, хотя наверняка разные её слои различаются по структуре.

Страницы: 1, 2, 3, 4