Fizika - V. F. Dmitriyeva

тики. Період обертання Сонячної систем навколо ядра Галактики становить приблизно 200 млн років при швидкості руху близько 220 км/с. Усього в складі нашої Галактики понад 100 млрд зір, однією з яких є Сонце. На рис. 27.1 подано схему нашої Галактики, місцезнаходження Сонячної системи показано стрілкою з хрестиком.

Одне з найближчих до нас зоряних скуп- Рис. 27.2 чень розміщене в сузір'ї Геркулеса (рис. 27.2).

Кульові скупчення утворюють у нашій Галактиці сферичну систему з яскраво вираженою концентрацією зір до центру Галактики. Діаметри кульових зоряних скупчень становлять десятки парсек, а кількість зір, що входять до них, - десятки і сотні тисяч.

§ 268. Інші галактики. Нескінченність Всесвіту

Галактики

Встановлено, що, крім нашої Галактики, є безліч подібних до неї зоряних систем, які називають галактиками.

Порівнюючи нашу Галактику з іншими галактиками, було визначено:

наша Галактика, як і галактики в Андромеді і в Трикутнику, мас

спіральну будову.

Крім спіральних є еліптичні (зокрема, кульові) галактики, сочевицеподібні, голкоподібні, неправильні. За розмірами наша Галактика менша, ніж галактики в Андромеді. Водночас є галактики, менші за розмірами від нашої, наприклад Великі і Малі Магелланові Хмари, які є супутниками нашої Галактики і розміщені на відстані близько 120 тис. світлових років від неї. Всі галактики обертаються навколо своїх осей, як і наша Галактика.

Радіогалактики

Особливо цікаві галактики, які є потужними дискретними джерелами радіовипромінювання, їх називають радіогалактиками. На думку В. А. Амбарцумяна, радіогалактика виникає внаслідок процесу поділу початкової маси на дві галактики, які віддаляються одна від одної. Стадія поділу - перехід матерії з густішого в менш густий стан - спричинюється вибуховими процесами і супроводиться інтенсивним радіовипромінюванням. Вважають, що

620

радіогалактика - стадій, через яку проходить кожна галактика в ранній період свого розвитку.

Найбільш відома радіогалактика Лебідь А.

Квазари

Це потужні позагалактичні джерела електромагнітного випромінювання. Випромінювання квазарів у 103 — 104 разів перевищує випромінювання всіх зір галактики. Одна з основних властивостей квазарів - змінність їх випромінювання в радіо-, ГЧ- і оптичному діапазонах. Фізична природа активності квазарів ще до кінця не розкрита. За гіпотезами, потужне випромінювання квазарів може бути зумовлене процесами зіткнення зір, спалахами наднових зір, перетворенням у випромінювання енергії магнітних полів обертового масивного магнітоплазмового тіла. Особливий інтерес квазари становлять як далекі об'єкти, що беруть участь у космологічному розширенні Метагалактики. Вивчення квазарів може кинути світло на ранні стадії еволюції Всесвіту.

Метагалактика

У сузір'ї Діви розміщене величезне скупчення галактик, діаметр цього скупчення близько 100 млн світлових років, а маса дорівнює приблизно квадрильйону сонячних мас. Таке скупчення галактик назвали Надгалактикою. Всі доступні області спостереження Всесвіту входять до складу більш грандіозної системи, ніж Надгалактика; її називають Метагалактикою, межі якої поки що неприступні для спостереження в найпотужніші сучасні телескопи. Але й Метагалактика - лише мізерна частина нескінченного Всесвіту.

Нескінченність Всесвіту

Всесвіт - це безмежний світ, нескінченний у просторі і в часі, який являє собою всю різноманітність форм існування матерії.

Всесвіт ніколи не мав початку і ніколи не матиме кінця, він завжди існував і буде існувати. Усе це стосується Всесвіту в цілому, точніше кажучи - матерії, з якої він складається. Окремі його частини, наприклад Земля, Сонячна система, зорі і навіть зоряні системи - галактики, постійно деінде виникають, зароджуються, здійснюють довгий шлях розвитку і, нарешті, припиняють своє існування в цьому вигляді для того, щоб мате-

621

рія, яка їх утворила, набула нової форми. Сама матерія, постійно змінюючи свою форму, не знищується ніколи: вона вічна, і вічний її рух. На зміну світам, які віджили, утворюються нові, на яких з часом також виникає життя, яке через поступове ускладнення відтворює своє найвище виявлення - розумних мислячих істот.

З розвитком науки і техніки розширюються межі дослідження Всесвіту, відкриваються більш далекі від нас світи і підтверджується вчення про нескінченність Всесвіту.

§ 269. Поняття про космологію

Розділ астрономії, який вивчає властивості Всесвіту як єдиного цілого, називають космологією. Сучасна космологія базується на працях А. Ейнштейна, О. О. Фрідмана і Е. Хаббла і спирається на два основних спостережуваних явища.

Перше полягає в тому, що галактики і їх скупчення рівномірно розподілені у Всесвіті. Друге явище -

лінії спектрів усіх галактик (крім деяких найближчих) зміщені в червоний бік.

Якщо це явище розглядати як ефект Доплера, то можна зробити висновок, що всі галактики віддаляються від нас із швидкістю

(27.1)

X

Хаббл установив, що відношення АХ і X, яке визначають за спектром Галактики, пропорційне відстані Я до Галактики, тобто галактики віддаляються зі швидкостями, пропорційними відстаням до них:

де Н - стала Хаббла, яка характеризує швидкість розбігання галактик. Тепер вважають, що Н = 50... 80 км • с"1 • Мпк""1.

Співвідношення (27.2) називають законом Хаббла. Його можна трактувати як підтвердження розширення спостережуваної області Всесвіту - Метагалактики. Оскільки галактики мають додатні швидкості, пропорційні їх відстаням, то з цього випливає, що в минулому всі галактики вилетіли одночасно, але з різними швидкостями з деякого порівняно малого об'єму. Очевидно, це відбулося внаслідок вибухового процесу.

Додатковим доведенням правильності гіпотези "початкового вибуху" було відкриття в 1965 р. так званого реліктового випромінювання, Мож-

622

ливість існування цього випромінювання була передбачена американсь - ким фізиком-теоретиком С. Гамовим ще в 1949 р. Дослідження показали, що інтенсивність цього випромінювання є майже точною сталою для всіх напрямів, а розподіл за довжинами хвиль відповідає випромінюванню абсолютно чорного тіла, яке має температуру З К. Це випромінювання не пов'язане, очевидно, з жодними об'єктами Всесвіту, які існують тепер, а відображає розподіл матерії у Всесвіті на початковій стадії її розвитку. Коли припустити, що "початковий вибух" стався 15-20 млрд років тому і внаслідок розширення простору Всесвіту його температура почала різко зменшуватись, то розрахунки ведуть саме до значення З К. Така гіпотеза

гарячого Всесвіту.

§ 270. Розвиток Всесвіту

Виходячи з гіпотези гарячого Всесвіту, мав би існувати особливий початковий сингулярний (невимовний) стан, коли густина речовини була формально нескінченно великою (ТО93 г/см3). Цей момент умовно вважають за нуль часу, В умовах великої густини і дуже високої температури {т > 1013 к) поблизу сингулярності не могли існувати не тільки

молекули або атоми, а й атомні ядра, існувала лише рівноважна суміш елементарних частинок, включаючи фотони і нейтрино.

Оскільки Всесвіт спочатку розширюється з великою швидкістю, то очевидно, що висока густина і температура могли існувати дуже короткий час. На момент часу приблизно 10"4с густина досягає приблизно 10і4 г/см3, а на момент часу приблизно 0,01 с густина зменшується до Ю10 г/см3. На цей час у Всесвіті мали б існувати фотони, електрони, позитрони, нейтрино і антинейтрино, а також невелика кількість протонів і нейтронів. Внаслідок наступних перетворень на момент часу приблизно З хв з нуклонів утворюється суміш легких ядер (2/3 водню і 1/3 гелію), всі інші хімічні елементи синтезуються з цієї дозоряної речовини набагато пізніше внаслідок термоядерних р е а к і ^ у надрах зір (див. § 266).

Нуклони й електрони рекомбінували в атомі протягом приблизно 106 років, після чого речовина Всесвіту стає прозорою для решти фотонів, які тепер спостерігаються у вигляді реліктового випромінювання.

Викладена вище космологічна картина ще дуже приблизна і недостатньо обґрунтована, але вона дає можливість з єдиного погляду зрозуміти множину абсолютно різних фактів і цілеспрямованіше планувати нові астрономічні дослідження.

623

Висновок

Сучасна наукова картина світу

Пізнання світу людиною - діалектично складний і суперечливий процес, творчий за своїм характером.

Як було зазначено у вступі, до 1873 р. панувала механічна картина світу, яку замінила релятивістська фізична картина.

Першим кроком на шляху побудови нової фізичної картини світу була гіпотеза М. Планка, сформульована в 1913 р.: атоми випромінюють світло дискретними порціями, квантами. Потім А. Ейнштейн висловив припущення, що світло не тільки випромінюється, а й поширюється, а також поглинається речовиною дискретними порціями, квантами.

Наступним кроком була модель атома водню, яку запропонував у 1913 р. Н. Бор. Цю модель побудовали на основі поєднання класичних уявлень з квантовими постулатами.

Нарешті в 1924 р. Л. де Бройль сформулював загальний принцип, важливий для побудови нової фізичної теорії, принцип корпускулярнохвильового дуалізму. Зв'язок корпускулярних і хвильових властивостей визначається формулою Х = її/р. По суті, це була спроба синтезувати дві фізичні картини світу: ньютонівську (корпускулярну) і максвеллівську (польову - хвильову). Остаточно нова фізична теорія, яку назвали квантовою, набрала закінченої форми завдяки працям Е. Шредінгера.

Спочатку квантова механіка створювалась як теорія електронних оболонок атомів. Дальшого прогресу було досягнуто поєднанням принципу квантування з принципами теорії відносності. Завдяки цьому поєднанню і вдалося вивести рівняння, яке найправдивіше відображає властивості електрона, зокрема специфічну квантову характеристику, спін. Тільки з урахуванням спіну і принципу Паулі, який забороняє двом електронам перебувати в атомі в тому самому стані, були розкриті закономірності будови електронних оболонок атомів і пояснено періодичний закон Менделєєва.

Протягом ряду десятиріч фізики вважали своїм головним завданням проникнення в структуру матерії. Дослідження електронної оболонки атома, а на цій основі і властивостей твердого тіла стало епохальним для фізики XX ст. Проникнення в структуру атомного ядра, а потім і в структуру ряду типів частинок стало продовженням наукового штурму загальних принципів структурної організації матерії. Отже, нам треба узагальнити наявні відомості з погляду сучасної фізики на структурні форми матерії, закономірності їх взаємодії, грунтуючись на невичерпаності матерії і можливості її пізнання, тобто простежити за діалектичним розвитком

625

матеріального світу. З точки зору сучасної фізики узагальнювати ці відомості розпочнемо з елементарних частинок, оскільки на ранній стадії розвитку Всесвіту саме вони утворились першими. На сьогодні відомо кілька сотень (порядку 400) елементарних частинок, причому стабільними є лише фотони, нейтрино, електрони та їх античастинки і деякою мірою протони. Решта частинок не є стабільною. Численними дослідженнями було встановлено, що елементарними частинками, які не проявляють внутрішньої структури, на сьогодні можна вважати лише фотони і лептони.

Наявність багатьох елементарних частинок наводить на думку, що не всі вони найпростіші. У 1964 р. незалежно один від одного М. Гелл-Ман і Дж, Цвейг висунули гіпотезу, за якою більшість відомих елементарних частинок побудовані з так званих фундаментальних - "первинних" -- частинок - кварків. Досліди на розсіяння нейтрино і електронів надвисоких енергій на нуклонах підтвердили кваркову структуру протонів і нейтронів. Але "розщепити" нуклони на кварки не вдалося. На жаль, кварків у вільному стані не виявлено.

Міркування про елементарні частинки нарешті ведуть нас до будови атомів і молекул, оскільки саме з них побудований весь навколишній світ і ми самі. Атом зумовлює індивідуальність будь-якого хімічного елемента. До ядра атома входять протони і нейтрони. Електронні оболонки атомів зв'язують їх у молекулу. Ядра атомів важких елементів можуть спонтанно перетворюватись в ядра легших атомів. Цей процес може відбуватися і в зворотному напрямі. З ядер атомів легких елементів можуть утворюватися ядра атомів важких елементів. Це відбувається під час термоядерних реакцій, які тривають, наприклад, у надрах зір,

Початкове завдання фізики елементарних частинок полягало в тому, щоб знайти елементарні структурні одиниці матерії.

Розвиток уявлень про еволюцію Всесвіту з надгустого стану підказував іншу постановку питання: що, коли фундаментальні структурні одиниці матерії виникли в процесі розширення Всесвіту, в складній динаміці так званого великого вибуху? Багата різноманітність елементарних частинок, що виникають під час взаємодій ори високих енергіях, практично не існує

вприродних взаємодіях при малих енергіях. Проте така різноманітність могла існувати на початку великого вибуху і, можливо, при тому стані Всесвіту, який було названо сингулярністю, тобто стані надгустого стиску і величезних температур. І, очевидно, від нього ведуть свій початок сьогоднішні стабільні елементарні частинки, які є будівельним матеріалом Всесвіту

втеперішньому його стані.

Особливістю елементарних частинок є їх взаємоперетворюваність, якій, за сучасними даними, відповідають чотири типи фізичних взаємодій: слабка, сильна (ядерна), електромагнітна, гравітаційна. Кожному типу взаємодій відповідає своє поле, і кванти цього поля, тобто взаємодії, є

626

Довідковий матеріал

1.Основні фізичні сталі (округлені значення)

628

маса Місяця - 7,3 • 1022 кг; середня віддаль між центрами Землі і Місяця - 3,84 • 108 м;

середня віддаль між центрами Сонця і Землі - 1,5 • 10і 1 м; період обертання Місяця навколо Землі - 27 діб 7 год 43 хв,

3. Густина рідин,; 103 кг/м*\

вода (при 4 °С) - 1; гліцерин - 1,26; гас - 0,8; масло - 0,9; ртуть - 13,6; спирт - 0,8.

4. Густина газів за нормальних умов, кг/м*:

азот - 1,25; аргон - 1,78; водень - 0,09; повітря - 1,29; гелій - 0,18; кисень - 1,43.

5. Поверхневий натяг рідин (при 20 °С), Н/ж.

вода - 0,072; гліцерин - 0,066; спирт - 0,022.

7. Питома теплота плавлення, 10 4 Дж/кг:

лід-33,5; свинець-2,3; мідь-21,3.

8. Питома теплота пароутворення, 10 5 Дж/кг:

вода - 22,5; ефір - 6,68.

629