История науки

Георгий Антонович Гамов родился в Одессе. Учеба в школе пришлась на годы гражданской войны. Проучившись после окончания школы один год в Новороссийском университете, Гамов отправляется в Ленинград, посту­ пает в Ленинградский университет и через три года оканчивает его. Заме­ чательный советский ученый Дмитрий Сергеевич Рождественский, по ини­ циативе которого в Ленинграде в первые годы советской власти был создан Государственный оптический институт (ГОИ), приметил способного юно­ шу и дал ему работу в ГОИ в отделе спектроскопии. В начале двадцатых го­ дов Гамова заинтересовала теория относительности, лекции по которой он слушал в Ленинградском университете у А. А. Фридмана. Для прохождения научной стажировки Гамова в 1928 г. командируют в Германию. По пути Гамов заехал в Копенгаген к Н. Бору, который после бесед с молодым уче­ ным предложил ему остаться у него на 1 год. Предложение было принято. Через год Н. Бор написал рекомендательное письмо Э. Резерфорду в Кемб­ ридж. Бор предупредил Гамова, иногда увлекающегося формальной сторо­ ной физических теорий, о грозящей ему «опасности» рассердить «Крокоди­ ла». Такое прозвище дал Резерфорду П. Л. Капица, проходивший в то вре­ мя стажировку у знаменитого ученого. Барельеф крокодила в натуральную величину, действительно смахивающий на Резерфорда, висел в лаборатории Капицы в Кембридже. Резерфорд считал, что хорошая теория должна быть понятна даже кухарке. Об этом, собственно, й предупреждал Гамова Н. Бор.

Научные успехи и признание пришли к Гамову довольно быстро. Уже в 1932 г. он был избран членом — корреспондентом Академии Наук СССР. В 1934 г. Гамов уезжает в США и принимает решение об эмиграции. В 1938 г. Гамов был исключен из АН СССР (восстановлен посмертно в 1990 г.).

Гамов внес весомый вклад в современную ядерную физику, астрофизи­ ку и генетику. Успехи ядерной физики Гамов удачно использовал для ре­ шения проблем изучения источников внутризвездной энергии для развития теории эволюции звезд. Он построил первую ядерную теорию эволюции звезд, нейтринную теорию взрыва сверхновых, теорию эволюции красных гигантов. В научном творчестве Г.А. Гамова естественным образом соеди­ нялись проблемы микромира и мегамира.

Первый вариант теории «Большого взрыва» был опубликован Гамовым в 1948 г. в статье, написанной в соавторстве с Альфером и Бете. Космологичес­ кую модель Гамова, которую он сам называл «Космологией Большого Взры­ ва», называют моделью «горячей» Вселенной, имея в виду сверхвысокие тем­ пературы, при которых по этой теории происходят процессы на начальных эта­ пах развития Вселенной. Сценарий развития событий по теории горячей Все­ ленной явился следующим. Исходным состоянием Вселенной было состояние «сингулярности» — точечный объем с бесконечной плотностью материи. Фи­ зического толкования такое состояние сегодня не имеет. Пространство и вре­ мя в таком состоянии не существуют. Отметим, что это состояние нельзя пред­ ставить как просто точку в математическом смысле. Оно обладает свойствами, выходящими за рамки современных научных представлений. Нет ответа и на вопрос, что было до этого состояния. Предполагается, что такое состояние яв­ ляется неустойчивым, приводящим к началу расширения Вселенной. Проме­

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ

Вселенная начинает внезапно расширяться. Царит огромная температура - 1032 градусов. Плотность вещества составляет 1024 граммов на кубический сантиметр. Это так называемое планковское время.

ПРОСТРАНСТВО, ВРЕМЯ И МАТЕРИЯ

До сих пор пространство, время, излучение и вещество были неразделимы. С планковского времени они начинают играть различную роль.

ОТЩЕПЛЕНИЕ ГРАВИТАЦИИ

До этих пор существовало только одно универсальное взаимодействие. При планковских временах от него отделяется гравитация, оставляя едиными три других — электромагнитное, сильное и слабое (так называемое Великое объединение).

КОСМИЧЕСКАЯ ИНФЛЯЦИЯ

Возникшие к этому времени «пузыри» пространства экспоненциально быстро рас­ ширяются. Происходит туннельный переход пузырей в состояние истинного ва­ куума.

ОТЩЕПЛЕНИЕ СИЛЬНОГО ЯДЕРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

В процессе инфляции нарушается симметрия великого объединения. Из него вы­ деляется сильное (ядерное) взаимодействие, которое переносят кварки и глюоны. Лептоны и электроны по-прежнему выступают «на равных» — симметрия электрослабого взаимодействия еще не нарушена.

ПРЕОБЛАДАНИЕ ОБЫЧНОЙ МАТЕРИИ

Кварки и антикварки рождаются и уничтожаются. Частиц при этом остается при­ мерно на одну миллиардную часть больше, чем античастиц. Позже это приведет к «вымиранию» антиматерии.

ОТЩЕПЛЕНИЕ ПОСЛЕДНЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

При температуре 1015 градусов нарушается симметрия между электромагнитны­ ми и слабыми взаимодействиями. Возникают четыре отдельных фундаменталь­ ных взаимодействия, которые управляют всеми дальнейшими событиями.

ПЕРВЫЕ НУКЛОНЫ.

Кварки, ранее бывшие свободными, объединяются в нуклоны — протоны и нейт­ роны.

ВЫСВОБОЖДАЮТСЯ НЕЙТРИНО

Прекращаются реакции, в которых поглощаются нейтрино. Эти частицы начина­ ют свободно распространяться во Вселенной.

ФИКСИРУЕТСЯ ЧИСЛО НУКЛОНОВ

Прекращаются превращения протонов в нейтроны и наоборот. Их количество фик­ сируется в соотношении 6:1.

ПАРНОЕ ВЗАИМОУНИЧТОЖЕНИЕ ЛЕПТОНОВ

Как это было уже с нуклонами и антинуклонами, электроны и их античастицы (по­ зитроны) взаимно уничтожаются. Остается небольшой излишек электронов.

СИНТЕЗ ПЕРВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Протоны и нейтроны сливаются в ядра тяжелого водорода (дейтерия) и гелия.

лучения, по оценке Гамова, через 73 млн. лет. В это время плотности веще­ ства и излучения составляли величины 9,4 • 1026 г/см3, при этом температу­ ра Вселенной была 320° К. Гамов рассчитал, что в настоящее время в кос­ мосе должно присутствовать фоновое излучение, оставшееся после отделе­ ния излучения от вещества. Это фоновое излучение, названное впоследствии реликтовым, должно (по оценке Гамова) соответствовать в настоящее время излучению черного тела с температурой не более 10К. Реликтовое излучение, существование которого предсказал Гамов, действительно было обнаружено в 1964 году американскими учеными Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном,

получившими за это открытие Нобелевскую премию за 1978 г. Реликтовое излучение было зарегистрировано с помощью радиотелескопа на длине вол­ ны 7,35 см. Обнаруженное излучение оказалось изотропным, то есть распре­ деленным равномерно в пространстве, и фоновым, то есть не было связано

лосы. Если сделать моментальный снимок, получится картина «ряби». Таким же образом, наблюдаемая ячеистая структура Вселенной — мгновенный сни­ мок гравитационный ряби, возникшей в пространстве при появлении грави­ тации. После Взрыва возмущения гравитационного поля могли носить, в ча­ стности, квантовый характер. Роль глубины водоема в картине Вселенной иг­ рает время. Чем дальше от «начала», тем отчетливее проявляется «рябь».

Определенные экспериментальные подтверждения получила гипотеза о том, что во Вселенной существует так называемая «темная материя» и что именно она составляет большую часть массы космоса (более 95%). Скопле­ ния галактик, звезды, планеты в этом случае — лишь декорация на монумен­ тальном основании — «темной материи» , цементирующей Вселенную. Су­ ществованием «темной материи» объясняется тот факт, что звезды, находя­ щиеся на периферии Млечного пути, не разлетаются под действием цент­ робежных сил, возникающих из-за вращения с огромной скоростью вокруг центра нашей Галактики. «Темная материя», выступая как основной источ­ ник сил притяжения, позволяет сохранить Млечному пути свою форму, то есть удерживает звезды в неизменном взаимном расположении.

До сих пор в сфере теоретических построений находятся проблемы не­ линейной гравитации, черных дыр, гравитонов, гравитационных волн. Вы­ вести эти проблемы на уровень экспериментальных исследований , экспе­ риментально подтвердить, что пульсации кривизны пространства—време­ ни (гравитационные волны) реально существуют, предполагается с помо­ щью гравитационного детектора , построенного на основе интерферометра Майкельсона с длиной плеч около 4 км (проект США LIGO — Laser Interfe­ rometer Gravitationalwave Observatory).

3.8. Эволюция и строение Галактики

На небе в ясную безлунную ночь видна яркая белесоватая полоса — Млеч­ ный путь. Он опоясывает все небо как гигантский обруч. В телескоп видно, что Млечный путь состоит из громадного скопления слабых звезд. Такое представление восходит еще к Демокриту. Эту догадку подтвердил Галилей, наблюдая Млечный путь в телескоп. Из простых наблюдений можно сде­ лать вывод, что вся наша звездная система вытянута в плоскости Млечного пути. Действительно, звезд больше в том направлении, где они более сла­ бые, и значит более далекие, то есть в плоскости Млечного пути. Ярких звезд, более близких к нам, тоже оказывается тем больше, чем ближе к по­

лосе Млечного пути.

Вся совокупность звезд, входящих в созвездия, и все звезды Млечного пути образуют единую гигантскую звездную систему, называемую Галакти­ кой. Наша Галактика состоит почти из 200 миллиардов звезд, образующих в пространстве достаточно сложную фигуру — двойную скрученную спираль (рис. 3.13), которая, на виде сбоку представляется диском с утолщением в центре. Такое заключение о структуре нашей Галактики получено из сопо­ ставления похожих по свойствам галактик с нашей.

ся при коллапсе энергия гравитации Рис. 3.13. Схема строения Галактики

переходила в кинетическую энергию движения газа. Образовалось гало. Центробежные силы прекратили сжатие

поперек, в то время как сжатие вдоль оси вращения продолжалось. Таким об­ разом сформировался диск. После формирования гало процесс образования звезд остановился на 5—10 млрд. лет. Есть звезды в нашей Галактике, кото­ рые образуются как бы на наших глазах.

Звезды в Галактике находятся в состоянии движения: молодые звезды движутся по круговым траекториям вокруг почти неподвижных старых звезд. Солнце делает вместе со всей Галактикой один оборот за 230 млн. лет, двигаясь с линейной скоростью 240 км/с.

3.9. Эволюция и типы звезд

Звезды весьма различны по их видимому блику. Этот признак — видимый блеск стал с древних времен основополагающим при разделении звезд на величины. Самые яркие звезды стали называть звездами первой величины. Самые слабые, видимые невооруженным глазом только в безлунную ночь, —

ее температурой, принадлежит американскому астрофизику Г.Н. Ресселу (1877—1957) и голландскому астроному Э. Герцшпрунгу (1873—1967). Они провели колоссальную по объему работу по сравнению спектров и светимо­ стей различных звезд. Результаты анализа позволили построить диаграмму «спектр — светимость», носящую имя обоих ученых. Светимость определя­ ется звездной величиной, а параметром, определяющим спектральный со­ став излучения, является температура. На этой диаграмме, схема которой показана на рис. 3.14, можно выделить две полосы: «главную последователь­ ность» и «ветвь гигантов». На главной последовательности располагаются 99% всех наблюдаемых звезд. Верхняя часть главной последовательности включает яркие голубые звезды, нижняя часть — красные и холодные. Ветвь гигантов составляют близкие по светимости, но различные по спектру звез­ ды — от голубых до красных.

Диаграмма Герцшпрунга — Рессела отражает феноменологическую зако­ номерность. Вся дальнейшая история звездной астрофизики связана с по­ пытками раскрыть эволюционный смысл этой закономерности. Только пос­ ле открытия источников энергии излучения звезд стало возможным пост­ роение непротиворечивой теории эволюции звезд, связывающей этапы этой эволюции с положением звезды на диаграмме Герцшпрунга — Рессела.

Проблема происхождения энергии излучения Солнца и звезд была реше­ на в 30-е годы нашего столетия. Предпосылкой к ее решению стала теория относительности Эйнштейна, в рамках которой была установлена связь мас-

сы и энергии. Английский астрофизик А. С. Эддингтон (1882—1944) показал, что масса ядра гелия не точно в четыре раза превышает массу ядра во­ дорода, а несколько меньше. В соответствии с теорией Эйнштейна дефект массы порождает огромную энергию, которая высвобождается при синтезе ядер гелия из водорода. Условия синтеза реализуются в недрах звезд при тем­ пературе, превышающей (10-5-13) -106 К.

Американский физик Г.А. Бете в 1939 г. разработал так называемый про­ тон — протонный цикл ядерных реакций, последним этапом которого яв­ ляется слияние ядер изотопов легкого гелия с образованием двух свободных протонов. Бете и независимо от него К.Ф. Вейцзеккер открыли и еще один цикл (азотно-углеродный), состоящий из шести реакций, проходящих при температуре порядка 20 • 106К. Разработанные циклы реакций происходят в недрах звезд с выделением энергии АЕ, соответствующей дефекту масс Ат: АЕ = Ат е2. Основываясь на знании физических характеристик звезд, таких как энергия излучения, температура, размеры, масса и в соответствии с раз­ работанными циклами реакций синтеза, Эддингтон построил модели внут­ реннего строения звезд. По Эддингтону, звезды представляют собой шары из газа, находящегося в состоянии плазмы. Плазменное тело звезды долж­ но находиться в состоянии равновесия, при котором гравитационное сжа­ тие уравновешивается силой расширения газа, находящегося при высокой температуре. Светимость звезды Эддингтон связал с ее массой, а соответ­ ственно массу — с положением на главной последовательности (термин «главная последовательность» введен Эддингтоном). Время нахождения звезды на главной последовательности определяется массой звезды. Чем больше масса и больше светимость, тем короче «жизнь» звезды, тем быст­ рее закончится ее «топливо».

По современным представлениям схема эволюции звезд выглядит следу­ ющим образом. Газопылевая среда под действием сил гравитации сжимается и нагревается. Неоднородность среды приводит к ее разрыву на сжимающи­ еся фрагменты. Первоначальное сжатие происходит ускоренно, затем, когда объект становится непрозрачным для инфракрасного излучения, сжатие за­ медляется под воздействием увеличения внутренней температуры и давления, поскольку отвод тела от внутренних областей объекта уменьшается из-за по­ тери его прозрачности для тепловых лучей. Объект в таком состоянии назы­ вают протозвездой. Продолжающийся разогрев внутренних областей прото­ звезды приводит к возникновению термоядерных реакций. Протозвезда ста­ новится звездой и в соответствии со своей массой занимает определенное ме­ сто на главной последовательности. Малые звезды — красные карлики, эко­ номно расходуют свою энергию и остаются на главной последовательности более 50 млрд, лет, затем угасают и превращаются в черные карлики. Устой­ чивое состояние звезд с массой от величины массы Солнца до 1,2 массы Солн­ ца продолжается около 9-10 млрд. лет. По мере выгорания водорода в центре звезды образуется ядро из гелия, в которое переносятся термоядерные реак­ ции. Эти реакции происходят с большим энергетическим выходом. Внешняя оболочка звезды под воздействием растущего давления расширяется, звезда преобразуется в красного гиганта и покидает главную последовательность.