7. Микро-, макро- и мегамир

Вселенную и ее составные части обозначают обычно словом «ме­гамир». Молекулы, атомы и элементарные частицы составляют мик­ромир. Тела, соизмеримые с размером человека, - это макромир.

Согласно современным представлениям материя имеет две формы существования: вещество (одна частица или их совокупность) и поле.

Обе формы характеризуются пространственно-временной протяжен­ностью, инерцией, движением, энергией. Однако в отличие от вещест­ва полем нельзя пользоваться как объектом, с которым связана опреде­ленная система отсчета. Каждая частица создает силовое поле. Это по­ле действует и на ту частицу, которая это поле создает, и на поля дру­гих частиц. Это гравитационное, электромагнитное поля, а также поля слабого и сильного взаимодействий.

Поля взаимосвязаны и взаимно превращаемы. Непосредственными наблюдениями подтвержден факт отклонения света гравитационным полем Солнца. В сильных гравитационных полях, существующих вблизи далеких массивных звезд, кванты энергии гравитационного по­ля могут образовывать пары противоположно заряженных частиц, и наоборот, пары заряженных частиц могут образовывать гравитоны.

Взаимодействие частиц возможно представить и иначе - как про­цесс обмена частицами, которые существуют очень короткое время. Это время столь мало, что зафиксировать частицы невозможно, поэто­му их называют виртуальными. Если виртуальной частице передать достаточную энергию, она приобретает способность существовать са­мостоятельно, быть обнаруженной в эксперименте. Такими переносчи­ками взаимодействий являются гравитоны, фотоны, промежуточные бозоны, пионы и глюоны.

Микромир. В настоящее время известны частицы, которые не де­лятся на более мелкие. Такие частицы называются элементарными. Их более 300 типов. Есть предположение, что истинно элементарными являются лишь некоторые из них: это лептоны, кварки, глюоны, фото­ны, промежуточные бозоны и, возможно, гравитоны. Кварки в свобод­ном состоянии не обнаружены, из кварков состоят тяжелые частицы (адроны).

Элементарные частицы можно разделить на пары, в каждой паре частица и античастица. Многие свойства членов пары одинаковы. На­пример, электрон и его античастица (позитрон) отличаются лишь зна­ками электрического заряда.

Самым характерным свойством пары является способность анни­гилировать - при встрече превращаться в частицы другого рода. В ча­стности, при встрече электрона и позитрона возникает два фотона. Предполагается, что рождаются элементарные частицы тоже парами -частица-античастица. Однако наш мир состоит из частиц, а до сих пор макрообласти, состоящие из античастиц, не обнаружены.

В современных учебниках приводится большой перечень свойств элементарных частиц. Обратите внимание на такие характеристики, как время жизни, масса и электрический заряд. Неограниченно долго живут в свободном состоянии протон, электрон, фотон и нейтрино. Масса равна нулю у фотонов, глюонов, а также, возможно, у всех ти­пов нейтрино и гравитонов. Масса электрона т_e = 0,91 * 10^-31 кг, масса протона т_р =183 т_e примерно такова же масса нейтрона. Заряд эле­ментарной частицы (фотона, гравитона, нейтрона, нейтрино и т. д.) ноль либо равен по абсолютной величине заряду электрона

е = 1,6 10^-19 Кл. В свободном состоянии частицы с дробным электри­ческим зарядом не наблюдались. У кварков заряд кратен 1/Зе.

Атомное ядро - это система, состоящая из нуклонов (нейтронов и протонов). Известны ядра с числом нуклонов от 1 до 260. Заряды этих ядер изменяются от +1е до +107е. Электрический заряд ядра строго равен сумме зарядов всех протонов, входящих в ядро. Масса ядра все­гда несколько меньше суммы масс свободных нуклонов, составляю­щих ядро. Плотность вещества в ядре порядка 10¹⁷ кг/м³. Размер ядра примерно 10^-15 м. Ядра могут быть устойчивыми (стабильными) и не­устойчивыми (нестабильными). Периоды полураспадов известных ядер изменяются в пределах от 10¹⁸ лет до 10^-10 с.

Атом - это нейтральное образование, которое состоит из ядра и роя электронов. Атом - наименьшая структурная единица химического элемента. Электроны, наиболее удаленные от ядра, определяют хими­ческие свойства атома. Размер атома примерно 10^-10 м.

Молекула. Многие виды атомов способны объединяться в молеку­лы. Молекула - наименьшая структурная единица химического соеди­нения.

Макромир. Молекулы и отдельные атомы могут объединяться в макроскопическое тело (макротело). При достаточно низких темпера­турах макротела являются кристаллами (за исключением гелия, кото­рый вплоть до 0 К остается жидким при давлениях, меньших 25 атм). При повышении температуры кристалл плавится, превращается в жид­кость. У каждого кристалла своя температура плавления.

Твердое тело и жидкость испаряются. Появляется газ. Повышение температуры среды до 10⁴...10⁵ К ведет к ионизации атомов, образованию плазмы. Плазма состоит из ионов и свободных электронов.

Мегамир. По современным данным доступная наблюдению Все­ленная имеет размер (10...20) миллиардов световых лет. Она состоит из скоплений галактик. Скопление галактик, в свою очередь, состоит из отдельных галактик и межгалактического газа. Галактика - это звездная система. Число звезд в галактике около 100 миллиардов. Известная нам часть Вселенной содержит около 100 миллиардов га­лактик.

До начала XX в. мир, окружающий Землю, считался неизменным. В XX в. было обнаружено, что Вселенная расширяется. В связи с этим возникают вопросы:

• Какой была Вселенная в прошлом?

• Каково будущее Вселенной?

Имеющиеся данные наблюдений позволяют предположить, что около 20 миллиардов лет назад размер Вселенной не превышал разме­ра атомного ядра. Затем произошел взрыв, началось расширение Все­ленной. На вопросы о том, какой была Вселенная до взрыва и какова ее будущность (будет ли она расширяться вечно или расширение сменит­ся сжатием), однозначного ответа нет. Но и те сведения, которыми мы располагаем сегодня, поражают воображение: ученые имеют возмож­ность описать развитие Вселенной на протяжении 20 миллиардов лет.

В первые мгновения после взрыва температура Вселенной бы­ла более 10" К, плотность более 10²² кг/м (в настоящее время 3*10^-28 кг/м³), состояла Вселенная в основном из фотонов и нейтрино. В дальнейшем появились лептоны и кварки. При остывании Вселенной образовались последовательно адроны, затем через 10⁶ лет - ядра ато­мов водорода и гелия, из которых впоследствии сформировались хо­лодные звезды. Под действием гравитационных сил размер звезды уменьшается, при этом температура газа увеличивается. При темпера­туре 10⁷ К в водородной среде могут начаться ядерные реакции взаи­модействия протонов, в ходе которых появляются фотоны, нейтрино и протоны с большой кинетической энергией, а также ядра гелия ₂Не⁴). Температура газа повышается до 10⁸ К. В центре звезды водород со временем выгорает, там образуется ядро из быстрых электронов и ядер гелия.

Оболочка звезды сильно расширяется и со временем рассеивается, а ядро изменяется так или иначе в зависимости от его массы и разме­ров. Если масса звезды примерно равна массе Солнца, возникает «бе­лый карлик», который остывает до 0 К приблизительно за 10⁸ лет.

Если масса белого карлика очень велика (более 1,4 массы Солнца), то давление электронного газа не может противостоять силам тяготе­ния, звезда сжимается. При плотностях 10¹²...10¹³ кг/м³ электроны «вдавливаются» в ядра, при этом протоны превращаются в нейтроны. Ядра становятся нестабильными и разваливаются, образуя нейтронный газ. Плотность нейтронной звезды 5*10¹⁷ кг/м³. Нейтронная звезда соз­дает магнитное поле и вращается, поэтому имеет место излучение электромагнитной энергии. Так как наблюдатель на Земле фиксирует лишь отдельные импульсы излучения от такой звезды, ее называют пульсаром. Примерно за 10⁶ лет вся энергия вращения пульсара пере­ходит в энергию излучения.

Эволюция красного гиганта может пойти и по иному пути. В его ядре температура настолько велика (Т> 10⁸ К), что начинаются ядер­ные реакции превращения гелия в ядра других элементов вплоть до

₈₂²⁰⁶ РЬ. При этом ядро звезды сильно уплотняется, под действием гра­витационного поля звезда сжимается, давление газа в звезде резко воз­растает, происходит взрыв. Кинетические энергии частиц увеличива­ются, начинаются ядерные реакции с выделением большого количест­ва быстрых нейтронов. Они вступают в реакции с ядрами, возникают ядра самых тяжелых элементов. Большое количество различных ядер и электромагнитное излучение распространяются по Вселенной. Это взрыв сверхновой звезды.

Продукты взрыва служат исходным материалом для формирования звезд следующих поколений, а также планет и межзвездного газа и пыли.

19. Укажите названия силовых полей, которые создают микрочастицы.

20. При взаимодействии частиц поле одной частицы действует на поле другой частицы. Какова иная модель взаимодействия микрочастиц?

21. Укажите особенности кварков, отличающие их от других микрочас­тиц.

22. Укажите основное свойство пары микрочастиц «частица и ее античас­тица».

23. Сопоставьте атом и многоатомную молекулу. Укажите сходные и раз­личные признаки.

24. Сопоставьте свойства газа и жидкости.

25. Сопоставьте свойства газа и твердого тела.

26. Предполагается, что 20 миллиардов лет назад Вселенная имела большую плотность, высокую температуру, очень малый размер, состояла в ос­новном из фотонов и нейтрино. Откуда же появились водород, а затем гелий?

5