moglobi.ru Другие Правовые Компьютерные Экономические Астрономические Географические Про туризм Биологические Исторические Медицинские Математические Физические Философские Химические Литературные Бухгалтерские Спортивные Психологичексиедобавить свой файл
страница 1 страница 2
Глава 1. Вселенная и образование изотопов химических элементов

1.1 Вселенная



Со времен первобытного человека и до первой четверти XX века Вселенная осознавалась как пространство, в которое механически включены те или иные образования. За все время существования человека, предложено множество идей, гипотез, теорий происхождения и устройства Вселенной. Это время можно разделить на несколько периодов.

Первый созерцательный период имел продолжительность более 40 тысяч лет до начала новой эры (палеолит, неолит, бронзовый век…). Первые систематические астрономические наблюдения возникли, вероятно, одновременно в четырех регионах: междуречье Тигра и Евфрата, долина Нила, междуречье Инда и Ганга и долина Хуанхэ и привели к составлению первого известного в настоящее время реестра звезд, созданию календаря. В это же время была установлена продолжительность года, который равен 365 дням, 6 часам, 15 минутам, 41 секунде. Представления о Вселенной были наивными, основанными на умозрительных заключениях. В качестве примера можно привести следующие имена: Нума Помпилий (716-673 лет до новой эры); Фалес Милетский (~ 640/624-548/545 лет до новой эры) и Лао Цзы (VI в. до новой эры), которые пропагандировали – материалистическое представление о Вселенной, основанное на визуальных эффектах. Левкипп (около 500-400 лет до новой эры) рассматривал Вселенную как беспредельное множество, различающихся размером и формой атомов, движущихся в пустоте и составляющих видимые тела, основатель античного атомистического учения. Демокрит (470/457-370/357 лет до новой эры) развивал атомистическое учение Левкиппа. По его мнению, Вселенная состоит из движущихся элементов материи, подчиняющихся строгим механическим законам. Движение происходит в абсолютном однородном, изотропном пространстве. Демокрит допускал сосуществование вселенных с локально анизотропным пространством, которые различаются структурой и возрастом. Платон (429-347 лет до новой эры) предложил идею рождения времени с рождением Вселенной – единственной, конечной, невечной. Аристотель (384-322 лет до новой эры) построил первую целостную логически завершенную и опиравшуюся на наблюдения космофизическую картину мира: Вселенная материальна, конечна, замкнута, единственная (охватывает всю существующую материю), а потому вечна. Эпикур (341-270 лет до новой эры) развивал идеи Демокрита: материальная беспредельная Вселенная, подчиняющаяся механическим законам. Архимед (около 287-212 лет до новой эры) произвел первую известную умозрительную оценку колоссальных размеров звездной Вселенной. Он придерживался (наиболее ранней?) гелиоцентрической идеи Аристарха Самосского (около 310-230 лет до новой эры). Лю Ань (II век до новой эры) утверждал, Вселенная родилась из пустоты. Ван Чунь (I век до новой эры) наоборот настаивал, Вселенная родилась из вечной материальной субстанции… и т. п. и т. д. (Еремеева, А.И., 1984; Еремеева, А.И., Цицин, Ф.А., 1989; Бочкарева, Т.С., 2007; http://astronomer.nfrod.ru/Library/History/h_table.htm; http://naturalhistory.narod.ru/Page_5.htm).

Второй период продолжался около 2-х тысяч лет: от начала новой эры до начала XX века. В этот период начинают использовать более совершенный математический аппарат и простейшие оптические приборы. Сюда, прежде всего, следует отнести имена и гипотезы таких мыслителей как К. Птолемей (около 87-165 лет новой эры), который предложил первую математическую геоцентрическую модель движений Солнца, Луны, планет.

Выдающимся достижением Улугбека (Мухаммед Тарагай Улугбек, 1394-1449) и самаркандских астрономов стал новый каталог, содержавший положения на небе 1018 звезд. Это был следующий каталог, составленный после каталога Птолемея (через 13 веков). Положения для 700 звезд были определены заново. Каталог был закончен к 1437 году и получил название «Новые астрономические таблицы». Каталог представлял огромную ценность для последующих поколений астрономов, так как позволял сравнивать положение звезд через огромные промежутки времени и улавливать происходящие в мире звезд изменения (http://spacetravell.narod.ru/ulugbek.htm).



Николай Кузанский (Кребс) (1401-1464) считал Вселенную бесконечной, однородной, изотропной, вещественно единой. Леонардо да Винчи (1452-1519) верил, что Вселенная материально едина. Николай Коперник (1473-1543) разработал полную логически и физически обоснованную и математически рассчитанную гелиоцентрическую систему мира. Тихо Браге (1546-1601) предложил полную гелио геоцентрическую систему мира и идею рождения звезд из диффузной материи, якобы составляющей Млечный Путь. Датский астроном-наблюдатель до телескопной эры Тихо Браге посвятил жизнь выстраиванию точнейших карт звездного неба. В этом ему не было равных. Бессмертные законы движения планет, установленные его учеником Иоганном Кеплером (1571-1630), родились во многом благодаря научному наследству, оставленному Тихо Браге. Правда, поработать вместе Браге и Кеплеру удалось всего ничего: полный планов датчанин, только что нашедший себе замечательного помощника, неожиданно умер в возрасте 54 лет. Бог весть от чего... (15.11.2010, Прага 14:19:39 Международная группа ученых проводит эксгумацию останков средневекового датского астронома Тихо Браге в храме Девы Марии перед тыном в Праге, чтобы пролить свет на тайну смерти исследователя, сообщает агентство Associated Press, результаты экспертизы будут опубликованы в 2011 году). Дж. Бруно (1548-1600) развивал идеи гелиоцентризма, бесконечности, ацентричности Вселенной. Г. Галилей (1564-1642) впервые в мире произвел наблюдения звездного неба с использованием физических приборов, обосновал и пропагандировал идеи гелиоцентризма. Р. Декарт (1596-1650) возродил вихревую космогонию, бесконечность Вселенной, предсказал множественность солнечных систем, отрицал абсолютную пустоту. И. Ньютон (1643-1727) предложил завершенную физическую и астрономическую картину мира на основе созданной им же механики (сейчас классическая механика Ньютона) и закона всемирного тяготения. Он же предположил неизбежность бесконечности гравитирующей звездной Вселенной и абсолютные независимые пространство и время, не зависящие от наличия материи. Т. Райт (1711-1786) считал, что млечные туманности – это самостоятельные вселенные, а Млечный путь – это визуальный эффект наблюдения звездного слоя. И. Кант (1724-1804) представил первую универсальную эволюционную космологическую гипотезу холодного образования Солнечной системы из пылевой материи. И. Кант впервые предложил рассматривать Млечный Путь как реальную динамическую систему звезд, а Вселенную как иерархическую структуру с общим центром вращения. В. Томсон (лорд Кельвин) (1824-1907) является автором «контрактационной гипотезы» Вселенной и идеи ее тепловой смерти, ввиду действия второго начала термодинамики (роста энтропии). Л. Больцман (1844-1906) предложил флюктуационную космологическую гипотезу, в которой парадокс тепловой смерти Вселенной снимается (Еремеева, А.И., 1984; Еремеева, А.И., Цицин, Ф.А., 1989; Бочкарева, Т.С., 2007; http://astronomer.nfrod.ru/Library/History/h_table.htm; http://naturalhistory.narod.ru/Page_5.htm).

Третий период связан с научной революцией в физике, появлении новых методологических и технологических подходов, создании новых телескопов, коллайдеров…, базирующихся на современных достижениях науки и техники.

На развитие космологии оказали влияние – создание учения об электромагнитном токе (Фарадей, М., 1832), предсказание электромагнитных волн (Максвелл, Дж., 1865), которые в дальнейшем позволили единым образом подойти к описанию радиоволн, света, рентгеновских лучей, гамма-излучения и разработке шкалы электромагнитных колебаний (http://slovari.yandex.ru/~книги/БСЭ/Электромагнитные%20волны/). В этих работах участвовали практически все естествоиспытатели XIX и начала XX веков. В связи с этими открытиями созданы и создаются в настоящее время приборы и оборудование для исследования космоса.

Густав Роберт Кирхгоф (G.R. Kirchhoff: 12.3.1824, Кенигсберг, – 17.10.1887, Берлин), немецкий физик, член Берлинской АН (1874), член-корреспондент Петербургской АН (1862) в 1854 году и Р.В. Бунзен начали изучать спектры пламени, окрашенного парами металлических солей, и в результате ими были заложены (1859) основы спектрального анализа, который в 1859-1860 годах был внедрен в практику химических исследований. С помощью нового метода ими были открыты цезий (1860) и рубидий (1861). В 1859 году Г.Р. Кирхгоф сформулировал один из основных законов теплового излучения и ввел в физику понятие абсолютно черного тела. В 1860 году Г.Р. Кирхгоф открыл правило обращения спектров и впервые правильно объяснил темные полосы в спектре Солнца (фраунгоферовы линии), высказав предположение о химическом составе солнечной атмосферы. Г.Р. Кирхгоф и Р.В. Бунзен обнаружили на Солнце Na, Fe, Mg, Ca, Cr и некоторые другие металлы (Столетов, А.Г., 1941; Горнштейн, Т., 1960; Agassi, J., 1967).

Спектральный анализ, могучее средство, полученное астрофизиками во второй половине XIX века. Современная (гарвардская) спектральная классификация звезд, разработанная в Гарвардской обсерватории в 1890-1924 годах является температурной классификацией, основанной на относительной интенсивности линий поглощения и испускания спектров звезд. На основе созданной классификации Энной Кэннон (1863-1941, США) в 1918-1924 годах издан большой Henri Draper Catalogue каталог в 9 томах на 225330 звезд (HD-каталог). Дополнительным фактором, влияющим на вид спектра, является плотность внешних слоев звезды, зависящая, в свою очередь от ее массы и плотности, то есть, в конечном итоге, от светимости. Зависимость вида спектра от светимости отражена в более новой Йеркской классификации, разработанной в Йеркской обсерватории (Yerkes Observatory) У. Морганом, Ф. Кинаном и Э. Келман, называемой также МКК классификацией по инициалам ее авторов. В соответствии с Йерской классификацией (МКК) с учетом светимости звезде того или иного гарвардского спектрального класса (O, B, A, F, G, K и M) приписывают и класс светимости.

Э.П. Хаббл (1889-1953) открыл закон красного смещения в спектрах далеких галактик. Основные труды Э.П. Хаббла посвящены изучению галактик. В 1922 году Э.П. Хаббл предложил подразделять наблюдаемые туманности на внегалактические (галактики) и галактические (газопылевые). В 1924-1926 годах он обнаружил на фотографиях некоторых ближайших галактик звезды, чем доказал, что они представляют собой звездные системы, подобные нашей Галактике. В 1925 году Э.П. Хаббл начинает разрабатывать первую эволюционную морфологическую классификацию форм галактик и в том же году представил первую подробную морфологическую классификацию галактик. Все галактики (или внегалактические туманности, так их называли раньше) он разбил на три основных типа: спиральные (S), эллиптические (Е), неправильные (I) (Бронштейн, В.А., 1974).

Э.П. Хаббл доказал своими тщательными измерениями, что давно известные туманности, ранее считавшиеся всего лишь облаками газа (например, туманность Андромеды), являются галактиками, ничуть не меньшими нашей и удаленными порой на миллиарды световых лет, и что эти галактики движутся, «убегая» от нас со скоростями большими, чем дальше они отстоят от нашей планеты (http://www.peoples.ru/science/physics/gamow/history.html ). Э.П. Хаббл в 1929 году обнаружил зависимость между красным смещением галактик и расстоянием до них (http://ru.wikipedia.org/wiki/Эдвин_Хаббл).

Закон красного смещения Э.П. Хаббла в спектрах далеких галактик и доплеровская интерпретация его, подтверждает концепцию расширения Вселенной (Еремеева, А.И., 1984; Еремеева, А.И., Цицин, Ф.А., 1989; http://astronomer.narod.ru/Library/History/h_table.htm).

Ж. Леметр (1894-1966) создал теорию расширяющейся Вселенной в 1927 году, ознакомившись во время пребывания в США с исследованиями Э.П. Хаббла и Х. Шепли по красному смещению линий в спектрах галактик, истолковав наблюдаемые спектроскопические изменения как свидетельство разбегания, расширения Вселенной (http://bigbang.h10.ru/tablicalemetr.htm). Ж. Леметр в 1927 году выдвинул концепцию рождения и расширения всей Вселенной в качестве объяснения эффекта «красного смещения» (http://astronomer.narod.ru/Library/History/h_table.htm).

Несколько позже, Ж. Леметр на основе закона Э.П. Хаббла (1929) в этом же году предложил гипотезу возникновения Вселенной из сверхплотного состояния материи (Еремеева, А.И., 1984; Еремеева, А.И., Цицин, Ф.А., 1989; http://astronomer.nfrod.ru/Library/History/h_table.htm; http://naturalhistory.narod.ru/Page_5.htm; «Кабинет − История астрономии» - http://naturalhystory.narod.ru).

4 октября 2011 года, Нобелевский комитет присудил премию исследователям – американским ученым Солу Перлмуттеру, Адаму Райссу и австралийцу Брайану Шмидту. Они наиболее убедительно, чем другие, как считают члены Нобелевского комитета, доказали, на основе анализа сверхновых звезд, Вселенная расширяется с ускорением. Согласно последним научным данным, возраст Вселенной составляет 13,7±0,2 миллиарда лет. Термины «известная Вселенная», «наблюдаемая Вселенная» или «видимая Вселенная» часто используются для описания части Вселенной, которая доступна для наблюдений. Поскольку космическое расширение исключает значительные части Вселенной из наблюдаемого горизонта, большинство космологов считает, что наблюдение всего континуума невозможно и следует использовать термин «наша Вселенная» в отношении той части, которая известна человечеству. Существует также гипотеза о том, что Вселенная может быть частью мультивселенной – системы, содержащей множество других вселенных.




Тип радиоактивности ядер

Вид обнаруженного излучения

Год открытия

Авторы открытия

Радиоактивность атомных ядер

Излучение

1896

А. Беккерель

Альфа-распад

4Не

1898

Э. Резерфорд

Бета-распад

e-

1898

Э. Резерфорд

Гамма-распад

-Квант

1900

П. Виллард

Спонтанное деление ядер

Два осколка

1940

Г.Н. Флеров, К.А. Петржак

Протонный распад

p

1982

3. Хофман и др.

Кластерный распад

14C

1984

X. Роуз, Г. Джонс; Д.В. Александров и др.

Таблица 1.1.1 История открытия различных видов радиоактивности (Кадменский, С.Г., 1999, phys.web.ru)

Расстояния, доступные современным телескопам, составляют миллиарды световых лет. Вселенную на таких масштабах изучают астрономия и космология. Теоретической базой для космологии в этот отрезок времени была и теория относительности, в создании которой приняли участие в 1895-1904 годах Хенрик Лоренц и Анри Пуанкаре (Par Renard de la Taille, 1995). Хендрик Лоренц, лауреат Нобелевской премии по физике 1902 года (второй после Рентгена К.) писал об авторстве этого открытия: «Я не установил принципа относительности, как строго и универсально справедливого. Пуанкаре, напротив, получил полную инвариантность и сформулировал принцип относительности – понятие, которое он же первым и использовал». Теория относительности, открытая в 1904 году Анри Пуанкаре, была признана научным сообществом, начиная с 1915 года. Формула Е = mс2 принадлежит Анри Пуанкаре. Он первым в истории науки заметил в 1900 году, что энергия излучения обладает массой m, равной Е/с2 (Тяпкин, А.А.1934; 1935; http://bourabai.kz/tyapkin/noddack.htm; Тяпкин, А.А. УФН, 1972. т. 106, с. 617-659: Tyapkin, A.A. Lett. Nuovo Cimento, 1973, v.7, p. 760; Тяпкин, А.А., 2004; Par Renard de la Taille, 1995 и т.д,).

«Исследования законов микромира, которыми занимается ядерная физика, в последнее время помогли существенно расширить наши представления о явлениях, происходящих в макромире – нашей Вселенной, внесли огромный вклад в разработку астрофизических и космологических теорий. Прежде всего, это касается модели расширяющейся Вселенной, эволюции звезд и распространенности элементов, а также свойств различных звезд и космических объектов: «холодных», нейтронных, черных дыр, пульсаров и др.» (Пенионжкевич, Ю.Э., 1998; http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1197390).

Формирование современной атомно-ядерной астрофизики началось с открытия К.В. Рентгеном (1845-1923) в 1895 году икс-лучей (рентгеновских лучей). В 1896 году А. Беккерель (1852-1908) обнаружил, что сходные неизвестные ранее лучи испускает уран, которые, как оказалось позднее, частично состоят из электронов, открытых в 1897 году Дж. Томсоном. В 1897 году М. Кюри обнаружила подобное излучение у тория, а затем М. Кюри и П. Кюри открыли два новых химических элемента полоний и радий, также испускающих неизвестные ранее лучи. Позже это явление названо М. Кюри радиоактивностью (http://ru.wikipedia.org/wiki/Рентген,_Вильгельм_Конрад; http://www.alhimik.ru/teleclass/pril/ bekkerel.shtml).

Познание природы приобрело непрерывный каскадный характер (таблица 1.1.1). В 1898 году в Кембридже в Кавендишской лаборатории (руководимой Томсоном, Дж.Дж.) Э. Резерфорд обнаружил неоднородность излучения, испускаемого ураном. Э. Резерфорд доказал, неоднородность излучения связана с различными типами радиации: альфа- и бета-распадами (http://www.alhimik.ru/teleclass/pril/reserford.shtml).

С развитием знаний в физике и химии в космологии также происходят парадигмальные изменения. В 1908 году К. Шарье вернулся к модели иерархической структуры Вселенной. К. Шварцшильд в 1910 году начал разрабатывать теорию звездных атмосфер, Э. Герцшпрунг в 1910 году исследует зависимость «спектр-светимость» для звездных скоплений и обнаруживает различие звездных населений.

В начале XX столетия в 1905-1913 годах, выдающиеся астрономы датчанин Э. Герцшпрунг и американец Н. Ресселл эмпирически установили (независимо друг от друга), что существует зависимость между светимостью звезд и их спектральным классом. Так была открыта универсальная астрофизическая закономерность в мире звезд: диаграмма «спектр-светимость». Если нанести положения большого количества звезд на диаграмму, у которой по оси абсцисс отложены спектральные классы звезд, а по оси ординат – светимости, оказывается, что звезды отнюдь не располагаются беспорядочно, а образуют определенные группы. Положение звезды на диаграмме зависит от ее массы, возраста и химического состава. Со временем выявился глубокий физический смысл расположения звезд на диаграмме, и стали понятными передвижения звезд по диаграмме в зависимости от возраста (эволюционные треки). Диаграмма Герцшпрунга-Ресселла названа по имени Э. Герцшпрунга, впервые обнаружившего указанную зависимость, и Г. Ресселла, детально её изучившего. Диаграмма Герцшпрунга-Ресселла представляет собой своеобразную диаграмму состояния звезд. Диаграмма Герцшпрунга-Ресселла для звезд является важным инструментом сравнения теоретических моделей звезд с наблюдениями.

Диаграмма Герцшпрунга-Ресселла обычно приводится в следующих координатах:

1. Светимость – эффективная температура.

2. Абсолютная звездная величина – показатель цвета.

3. Абсолютная звездная величина – спектральный класс.

На приведенной диаграмме (рисунок 1.1.1) можно выделить следующие классы звезд: звезды главной последовательности; красные гиганты; звезды горизонтальной ветви; асимптотическую ветвь сверхгигантов; последовательность белых карликов. Наиболее населенной является главная последовательность, следующие группы – белые карлики и гиганты.

Эволюция звезд удовлетворительно объясняется соотношением зависимости – спектр – светимость. На диаграмме Герцшпрунга-Ресселла представлен жизненный цикл звезд (рисунок 1.1.1).

Основные наблюдаемые характеристики звезд – это светимость Ls и температура поверхности Ts. Если светимости звезд с известными расстояниями нанести на график (рисунок 1.1.1) в зависимости от их температур, то они распределятся, как показано на этом рисунке. Более 90 % всех звезд относится к звездам главной последовательности. Вторым по численности классом звезд – являются белые карлики, третьим – гиганты и сверхгиганты, которые встречаются гораздо реже. В зависимости от стадии развития, эволюции звезды, звезда может принадлежать к главной последовательности на одной стадии своей жизни и быть белым карликом, гигантом, нейтронной звездой – на другой. Так как фаза главной последовательности является самой продолжительной, большинство звезд принадлежат главной последовательности (рисунок 1.1.1).



Рисунок 1.1.1 Диаграмма Герцшпрунга-Ресселла. The Hertzsrung-Russell Diagram (HR Diagram). Схематическое представление наиболее населенных областей на диаграмме Г-Р. (http://crydee.sai.msu.ru/~mir/Star_Life.site/Evolution/HR_diagram/HR_static.htm)

Диаграмма Герцшпрунга-Ресселла, диаграмма «спектр-светимость», диаграмма зависимости между спектральным классом (или температурой поверхности) и абсолютной звездной величиной (или логарифмом светимости) звезд, позволяют делать выводы о природе и развитии звезд. Звезды со сходными физическими характеристиками образуют на ней более или менее изолированные группы, характеризующие начальные условия и дальнейшие стадии своей эволюции. Большинство известных звезд располагается на главной последовательности, простирающейся по диагонали диаграммы Герцшпрунга-Ресселла от горячих голубых звезд (например, Спика; спектральный класс В) со светимостью в 1000 раз больше солнечной через белые звезды (Сириус; А), желтовато-белые (Процион; F), желтые (Солнце; G), оранжевые (t Кита; К) к красным карликам (звезда Крюгер 60; М), которые слабее Солнца в 1000 раз. Звезды-гиганты – желтые, оранжевые и красные звезды больших размеров (Капелла, Арктур, Альдебаран) – находятся справа от главной последовательности. Сверхгиганты – сравнительно немногочисленная группа звезд всех спектральных классов очень большой светимости (в 104-105 раз больше солнечной) – заполняют самую верхнюю область диаграммы Герцшпрунга-Ресселла.

Субгигантами называют красноватые звезды, размеры которых больше звезд главной последовательности той же светимости (компоненты затменно-двойных звезд). Субкарлики – это звезды-карлики главной последовательности, отличающиеся пониженным содержанием металлов, характерным для звезд сферической составляющей Галактики, и располагающиеся вследствие этого на диаграмме Герцшпрунга-Ресселла в пределах главной последовательности. Группа белых карликов – очень плотных маленьких звезд, находится на 10 звездных величин ниже главной последовательности. Для каждой группы звезд свойственны определенные зависимости между массой, светимостью и радиусом и свои особенности строения. Количество звезд в разных областях диаграммы Герцшпрунга-Ресселла различно; звезд большой светимости значительно меньше, чем слабых. Вне описанных групп звезд практически нет. На рисунке 1.1.1 представлена диаграмма Герцшпрунга-Ресселла для звезд окрестности Солнца и звезд рассеянных скоплений, принадлежащих плоской составляющей Галактики. Звезды сферической составляющей в основном более старые и содержат меньше металлов (Масевич, А.Г., 1969-1978; ©2001 Большая Российская энциклопедия, http://slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00017/96500.htm).

В бесчисленное множество звезд внесен порядок – значительное число звезд разместилось на диаграмме на одной линии («главная последовательность»). Упорядочилось представление о развитии звезд: с увеличением возраста меняется спектр звезды. Звезда перемещается на диаграмме вдоль линии «главной последовательности» (Альтшуллер, Г.С.,1973; Бронштейн, В.А., 1974; Шкловский, И.С., 1975; Тейлер, Р.Дж., 1975 и т.д.).

Диаграмма Герцшпрунга-Ресселла оказала огромное влияние на астрономическое мышление, как и таблица Д.И. Менделеева на мышление химиков. Диаграмма Герцшпрунга-Ресселла уточнялась, развивалась. Были найдены и построены новые двухмерные и трехмерные диаграммы и т.д. В 1938 году Ф. Цвикки (автор модели Вселенной – «мыльная пена» и идеи неиерархической крупномасштабной структуры Вселенной, по аналогии с «мыльной пеной», где скопления галактик играют роль «пузырей»), анализируя белые пятна на диаграмме «масса-светимость», сделал открытие – теоретически доказал существование нейтронных звезд. Три года спустя, когда Ф. Цвикки привлекли к ракетным разработкам, он привнес метод построения многомерных диаграмм в технику, назвав его морфологическим методом (Альтшуллер, Г.С., 1973).

Судьба звезд, проходящих по диаграмме Герцшпрунга-Ресселла, различна и определяется ее массой. Одна из конечных стадий звезды – стадия белого карлика. Белые карлики – наименьшие из известных нам звезд, если судить по размерам. Их диаметры измеряются от 50 000 км (спутник Сириуса) до 1 400 км (звезда Вольф 457). Средние плотности этих звезд заключены в пределах 4·104 – 7·108 г/см3. Центральные плотности у белых карликов гораздо больше и могут достигать 1010 г/см3. Атомные ядра в них полностью лишены электронных оболочек и «упакованы» довольно плотно. Электроны расположены так близко друг от друга, что на состояние электронного газа заметно оказывается влияние тождественности электронов. Существует некоторая предельная критическая масса. Но если масса больше критической, давление электронного газа не может противостоять силам тяготения и звезда испытывает катастрофическое сжатие – коллапс.

Согласно расчетам С. Чандрасекара критическая масса равна 1,44 M– массы Солнца. Учет нейтронизации, то есть «вдавливания» электронов в атомные ядра с превращением части содержащихся в них протонов в нейтроны снижает предел С. Чандрасекара до 1,2 M. Итак, звезды с массой от 0,2 до 1,2 M после исчерпания всех ресурсов термоядерных реакций становится холодной (с температурой ~ 109 ˚C, при плотности ~ 106 г/см3) и сжимается, превращаясь в белый карлик. При сжатии температура в недрах звезды снова повышается, но термоядерные реакции возобновиться не могут: нет горючего. Звезда медленно остывает, расходуя энергию теплового движения атомных ядер и электронов. Недра звезды состоят преимущественно из гелия и тяжелых элементов. Срок жизни белого карлика примерно равен 107-1010 лет (Бронштейн, В.А., 1974, с. 89).

Самые маленькие звёзды с массами от 0,2 до 0,08 M– это красные карлики. Массы этих звезд слишком малы, чтобы после исчерпания источников энергии они могли испытывать катастрофическое сжатие – коллапс. Белыми карликами, звезды с массой 0,2-0,08 Mстать не могут. Остается тривиальный путь – последняя стадия гравитационного сжатия до тех пор, пока в их недрах не наступит состояние вырождения, после чего температура будет падать, несмотря на рост плотности. Звезда будет оставаться красным карликом, все более охлаждаясь, теряя энергию, пока не превратится, по выражению Ш. Кумара, в «черный карлик», то есть станет невидимой (Бронштейн, В.А., 1974, с. 89).

Что же будет со звездой, израсходовавшей запасы своего термоядерного топлива, если ее масса превосходит предел С. Чандрасекара, то есть больше 1,2 M?

При плотности 1011 г/см3 начинают сказываться ядерные силы притяжения. Звезды с массой 1,2-2,0 M после исчерпания своих ядерных источников энергии должны сжаться до размеров 10 км и превратиться в нейтронные звезды с плотностью 4·1015 г/см3.

В центральных частях нейтронной звезды образуется ядро, состоящее из гиперонов, тяжелых элементарных частиц с массами от 2182 до 2583 масс электрона (протон и нейтрон тяжелее электрона в 1836 и 1839 раз соответственно). Эти сверхтяжелые частицы нестабильны и в обычных условиях быстро распадаются на стабильные частицы: протоны (или нейтроны и пи-мезоны). Время жизни гиперонов ~ 10-10 сек.

Если звезда имеет массу больше 2,0 M, то достигнув размеров нейтронной звезды, массивная звезда продолжает сжиматься, пока не сожмется до своего гравитационного радиуса.

Еще в 1916 году Карл Шварцшильд доказал, что для любой звезды или вообще сферического небесного тела, существует сфера, обладающая тем свойством, что, если массу звезды сжать до размеров этой сферы, электромагнитные колебания не смогут покинуть ее, будут как бы замкнуты под действием сил гравитации внутри ее. Эта сфера получила название сферы Шварцшильда, а ее радиус – гравитационного радиуса.

Он равен: rg = 2∙f∙M/c2, где f = 6,67·10-8 см3/г·сек2 – постоянная тяготения, c = 3·1010 см/сек – скорость света, M – масса звезды. Так, например, для Солнца (M = 2·1033 грамма), rg = 3 км, а для Земли (M = 6·1027 грамма) rg = 1 см.

Как только звезда сожмется до своего гравитационного радиуса, ее связь с внешним миром прекратится: электромагнитные волны не смогут преодолеть гравитационный барьер, они будут настолько сильно искривляться в поле тяготения звезды, что будут описывать запутанные кривые, лежащие целиком внутри сферы К. Шварцшильда. Единственным признаком существования таких звезд будет их притяжение (Бронштейн, В.А., 1974; Шкловский, И.С., 1975; Тейлер, Р.Дж., 1975). В 1968 году были открыты пульсары, это быстровращающиеся нейтронные звезды, которые являются источником короткопериодических радиосигналов. После выгорания термоядерного топлива звезда теоретически начнет остывать и сжиматься под действием сил гравитации. А может перейти в стремительный гравитационный коллапс. В зависимости от начальной массы образуется или белый карлик, или нейтронная звезда, или черная дыра….

Я.Б. Зельдович, И.Д. Новиков назвали эти звезды застывшими звездами. За рубежом им дали название black holes – «черные дыры». «Черная дыра» – это конец жизненного пути любой достаточно массивной звезды. Перейдя в состояние «черной дыры», звезда не перестает сжиматься. До какой плотности она может при этом дойти?

Таким образом, судьбы звезд, а значит и судьбы химических элементов, в значительной степени определяются изначальной массой звезды (космического объекта):



  1. Звезды с массой меньше 0,2 M спокойно остывают, мирно доживая свой век;

  2. Звезды с массами от 0,2 до 1,2 M, исчерпав запасы ядерного топлива, резко сжимаются, превращаясь в белые карлики, и в этом состоянии существуют сотни миллионов лет;

  3. Более массивные звезды, от 1,2 до 2 M, испытывают еще более резкое сжатие, достигая стадии нейтронной звезды;

  4. Самые массивные звезды с массой более 2,0 M проваливаются в результате коллапса под сферу Шварцшильда и переходят в стадию «черной дыры».

В 1912 году В. Гесс, В. Кольхерстер открыли космические лучи. А. Эддингтон в 1916-1918 годах создает теорию внутреннего строения звезд, а в 1924-1926 годах разрабатывает первую аналитическую теорию внутреннего строения звезд. В 1926 году А. Эддингтон выдвинул предположение о том, что звезды светят из-за того, что в их недрах происходит выделение энергии при ядерных реакциях (http://www.erudition.ru/referat/printref/id.24148_1.html). В начале 30-х годов появились данные о существовании во Вселенной скрытой массы (Цвикки, Ф.). В 1937 году Г. Бете, К. Вейцзеккер создали теорию термоядерных реакций синтеза как источника внутризвездной энергии. В 1938-1939 годах открыты два типа ядерных реакций синтеза: протон-протонного цикла (Критчфилд, К., Вейцзеккер, К.) и углеродно-азотного (Бете, Г.).

В 1928 году Дж.А. Гамов, применив квантовую механику, первым в мире создает теорию альфа-распада, одного из типов радиоактивности. Своей теорией α-распада он дал первое успешное объяснение поведения радиоактивных элементов, показав, что даже частицы с не очень большой энергией могут с определенной вероятностью проникать через потенциальный барьер («туннельный эффект»). В 1936 году Дж.А. Гамов, вместе с Э. Теллером обобщает теорию β-распада, вводит в физику понятие «взаимодействие Гамова-Теллера». В 1937 году Дж.А. Гамов создает теорию звездной эволюции на основе ядерных источников энергии.

В 1939 году появилась нейтринная теория взрыва сверхновых Дж.А. Гамова. Работы Дж.А. Гамова посвящены квантовой механике, атомной и ядерной физике, астрофизике, космологии, биологии. Заинтересовавшись связью между ядерными процессами и космологией Дж.А. Гамов в 1938-1940 годах построил первую последовательную теорию эволюции звезд с термоядерным источником энергии. В 1942 году Дж.А. Гамов совместно с Э. Теллером предложил теорию строения красных гигантов (http://www.rudata.ru/wiki/Г.Гамов). В 1946-48 годах Дж.А. Гамов разрабатывает теорию образования химических элементов путем последовательного нейтронного захвата (http://www.vselennaja.ru/nauka/lich6.html).

В 1946 году Дж.А. Гамов предложил теорию горячей Вселенной, а в 1948 году Дж.А. Гамов, Р. Альфер, Р. Герман предсказали и рассчитали остаточное, реликтовое (от первичного взрыва) излучение во Вселенной с Т 5К. Идея Дж.А. Гамова состояла в том, что в горячем и плотном веществе ранней Вселенной происходили ядерные реакции, и в этом ядерном котле за несколько минут были синтезированы все химические элементы, из которых и состоит теперь все на свете.

Расчеты ядерных превращений в условиях расширяющейся космической среды требовали немалых усилий, и Дж. Гамов привлек к ним своих аспирантов Ральфа Альфера и Роберта Хермана. Первая публикация, подготовленная Гамовым и Альфером, появилась в печати в 1948 году под тремя именами: Альфер, Бете, Гамов. Это, пожалуй, самая знаменитая шутка в истории физики. В уже готовый текст Гамов вписал имя Бете с пометкой «in absencia» (которая при дальнейшей обработке в редакции почему-то пропала). Так возникла работа, ставшая сразу же знаменитой под названием αβγ-теория.

Самым эффектным результатом этой теории стало предсказание космического фона излучения. Электромагнитное излучение должно было, по законам термодинамики, существовать вместе с горячим веществом в «горячую» эпоху ранней Вселенной. Оно не исчезает при общем расширении мира и сохраняется – только сильно охлажденном состоянии – и до сих пор. Дж.А. Гамов и его сотрудники смогли ориентировочно оценить, какова должна быть сегодняшняя температура этого остаточного излучения. У них получалось, что это очень низкая температура, близкая к абсолютному нулю (http://astronomer.narod.ru/Library/ History/h_table.htm http://naturalhistory.narod.ru/Page_5.htm http://www.rudata.ru/wiki/Г.Гамов http://physics.kgsu.ru/astronomia/NV/Gamov.htm http://www.vselennaja.ru/nauka/lich6.html http://www.erudition.ru/referat/printref/id.24148_1.html http://www.nature.ru/ http://www.gpntb.ru/ win/mentsin2.cfm?KEY=109).

«Когда Гамов впервые предложил теорию горячей Вселенной, включающую и αβγ-теорию образования элементов…, он сделал вывод, что на ранних стадиях своего развития Вселенная была заполнена излучением» (Тейлер, Р.Дж., 1975, с. 147). Позже, в 1950 году, в одной из статей (Physics Today, 1950, № 8, Р. 76) Дж.А. Гамов объявил, что, скорее всего температура космического излучения составляет примерно 3 Кельвина (http://www.erudition.ru/referat/ printref/id.24148_1.html).

В пятидесятых годах XX века Фред Хойл начинает заниматься проблемами образования и строения галактик. В них Фред Хойл исходит из представления об образовании скоплений галактик, галактик, звездных скоплений и отдельных звезд как о последовательных стадиях гравитационной неустойчивости. Фред Хойл является сторонником теории внегалактического происхождения космических лучей и локальной теории квазаров, а начиная с 1944 года, работает над проблемами космогонии Солнечной системы. Фред Хойл рассмотрел несколько возможных путей происхождения планет, в 1960 выдвинул гипотезу об образовании Солнца и планет в едином процессе, из холодного межзвездного вещества (http://slovari.yandex.ru/dict/ astronomy/article/ast/ast-0497.htm).

В 1948 году вместе Германом Бонди и Томасом Голдом Фред Хойл разработал теорию стационарной Вселенной, которая постулирует независимость процессов появления материи и расширения Вселенной. В этой теории Ф. Хойл сделал попытку разрешить проблему образования химических элементов. Хотя эта теория опровергается современными данными наблюдений, в течение десятилетия она имела много сторонников и стимулировала развитие наблюдательных работ по космологии и исследований по нуклеосинтезу и конкурировала с теорией горячей Вселенной Дж.А. Гамова. В 1946 Фред Хойл сформулировал проблему образования тяжелых элементов из водорода, указал на процессы, ведущие к образованию элементов тяжелее углерода. Совместно с У. Фаулером и Дж. и Э.М. Бербиджами Фред Хойл рассмотрел нуклеогенезис на ранних этапах развития Солнечной системы, при вспышках сверхновых, в массивных объектах. Считается, что именно Фред Хойл впервые употребил термин «Большой Взрыв» (Big Bang – большой хлопок), обозначив им модель (теория горячей Вселенной Гамова, Дж.А.), альтернативную его собственной. Он также являлся убежденным сторонником теории «панспермии» (распространения жизни во Вселенной через органические «споры», переносимые через межзвездное пространство) (http://ru.wikipedia.org/wiki/Хойл_Ф).

«Здесь опять-таки невозможно не обратить внимания на иронию судьбы и явную историческую параллель с «Big Bang». Знаменитая история-метафора с «Боингом» тоже родилась довольно спонтанно в одной из лекций Хойла, читавшейся на радио в 1982 году. Посвящена она абсурдному, по убеждению и расчетам ученого, допущению биологии о «случайном» зарождении жизни среди неживой материи. Ныне же, благодаря своей яркости, история вошла в арсенал практически всех креационистов, которые постоянно ее цитируют, зачастую даже не зная, что это их оппонент Хойл:

На огромной свалке в беспорядке разбросаны все части от авиалайнера «Боинг-747», разобранного, что называется, до болта и гайки. Тут случается пройтись по свалке страшной силы смерчу-урагану. Каковы шансы того, что после подобного смерча на свалке будет стоять полностью собранный «Боинг», готовый отправиться в полет? (Уровень сложности простейшей живой клетки примерно сопоставим с количеством деталей авиалайнера). В печатном виде эта ставшая уже легендарной «притча», кочующая из одного труда в другой, появилась в книге Хойла «Разумная Вселенная»» (The Intelligent Universe, 1983)» (Киви, Б., http://www.gumer.info/ bibliotek_Buks/Science/Kivi/24.php).

Несмотря на все достоинства теория Большого Взрыва – αβγ-теория не могла объяснить наблюдаемое соотношение различных химических элементов во Вселенной, а также образование ядер с малым числом нейтронов.… Вот почему эта теория была оставлена и уступила место теории образования химических элементов в недрах звезд, разработанной в 1954-1957 годах в основном трудами того же Ф. Хойла, а также У. Фаулера, А. Камерона, и супругами Дж. и Э.М. Бербиджей (Бронштейн, В.А., 1974, с. 365). Интерес к теории Большого Взрыва угас.

В 1964 году А.Г. Дорошкевич, И.Д. Новиков теоретически обосновывают возможность обнаружения имевшейся аппаратурой «остаточного излучения», предсказанного Дж.А. Гамовым.

Прошло около 15 лет после предсказанного Дж. Гамовым «остаточного излучения», и американские радиоастрономы Анро Пензиас и Роберт Вилсон открыли космический фон излучения и измерили его температуру: она оказалась равной 3 Кельвина, как и предполагал Дж.А. Гамов.

А. Пензиас и Р. Вилсон получили за открытие реликтового излучения Нобелевскую премию, а Дж.А. Гамов нет. С открытием реликтового излучения вновь появился интерес к теории Большого Взрыва, а в космологии начался настоящий расцвет, который (с некоторыми перебоями) продолжается уже почти четыре десятилетия. Интенсивная работа, в которой участвовали фактически чуть ли не все ведущие физики и астрономы, а также и молодые, активно работающие теоретики и наблюдатели во всем мире, быстро привела к созданию на основе идей Дж.А. Гамова и новых наблюдательных данных весьма полной и надежной космологической теории, которая называется сейчас теорией горячей Вселенной; на Западе предпочитают другое название – теория Большого Взрыва (Бронштейн, В.А., 1974). Прежде всего, было выяснено, что в космическом котле могли быть созданы не все элементы таблицы Менделеева как мечтал Дж.А. Гамов, а только самые легкие из них, и больше всего – до 25 % по массе – гелия-4. Тяжелые же элементы синтезируются позднее при эволюции звезд и взрывах сверхновых.

Рисунок 1.1.2 Шумы фона в радиодиапазоне. По горизонтальной оси отложена частота электромагнитных волн (нижняя шкала) или длина волны (верхняя шкала); по вертикальной оси – шумовая температура фона в Кельвинах, характеризующая интенсивность шума. Основные составляющие: галактический радиошум, излучение земной атмосферы и реликтовый фон. В коротковолновой области начинают сказываться шумы, связанные с квантовыми флуктуациями. Отмечена линия водорода Η и линия позитрония в области около 1,5 мм (рисунок 7.2.1. из книги Гиндилис, Л.М., 2004)


Что же касается космического излучения, то у нас его называют реликтовым (по предложению Шкловского, И.С.), а на Западе – микроволновым. Оно стало сейчас, в начале 21-го века, предметом самого пристального изучения с помощью наземных радиотелескопов и аппаратуры, выносимой в космос. Реликтовое излучение – это удивительное и вместе с тем совершенно естественное космическое явление – несет в себе сведения о физическом состоянии Вселенной в далеком прошлом, миллиарды и миллиарды лет назад. Его температура измерена сейчас с фантастической для космологии точностью – 2,732 Кельвинов. Для изучения его пространственной (угловой) структуры (установившейся после полумиллиона лет от начала космологического расширения) используются сейчас приборы, которые имеют точность в десятитысячные доли процента (http://www.erudition.ru/referat/printref/id.24148_1.html).

Большой взрыв продолжался сравнительно недолго, всего лишь одну тридцатитысячную нынешнего возраста Вселенной. Несмотря на краткость срока, это, все же была самая славная эра Вселенной. Никогда после этого эволюция Вселенной не была столь стремительна, как в самом ее начале, во время Большого взрыва. Все события во Вселенной в тот период касались свободных элементарных частиц, их превращений, рождения, распада, аннигиляции. Не следует забывать, что в столь короткое время (всего лишь несколько секунд) из богатого разнообразия видов элементарных частиц исчезли почти все: одни путем аннигиляции (превращение в γ-кванты), иные путем распада на самые легкие барионы (протоны) и на самые легкие заряженные лептоны (электроны).

После Большого взрыва наступила продолжительная эра вещества, эпоха преобладания частиц. Ее называют звездной эрой. Она продолжается со времени завершения Большого взрыва (приблизительно 300000 лет) до наших дней. По сравнению с периодом Большого взрыва ее развитие представляется как будто слишком медленным. Это происходит по причине низкой плотности и температуры. Таким образом, эволюцию Вселенной можно сравнить с фейерверком, который окончился. Остались горящие искры, пепел и дым. С атомов водорода начинается звездная эра – эра частиц, точнее, эра протонов и электронов.

Вселенная вступает в звездную эру в форме водородного газа с огромным количеством световых и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в различных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была также и его плотность. Он образовывал огромные сгустки, во много миллионов световых лет. Масса таких космических водородных сгустков была в сотни тысяч, а то и в миллионы раз больше, чем масса нашей Галактики. Расширение газа внутри сгустков шло медленнее, чем расширение разреженного водорода между самими сгущениями. Позднее из отдельных участков с помощью собственного притяжения образовались сверхгалактики и скопления галактик. Итак, крупнейшие структурные единицы Вселенной – сверхгалактики – являются результатом неравномерного распределения водорода, которое происходило на ранних этапах истории Вселенной.

В космологии к более или менее проверенным фактам можно, вероятно, отнести знаменитое красное смещение в спектрах далеких галактик, звезд, зависимость между скоростью движения галактик и ее расстоянием от наблюдателя – постоянная (закон, параметр) Эдвина Хаббла (1929), (скорость разлета галактик равна ~ 50 км/с); изотропность распределения галактик; однородность распределения ближайших галактик; распределение далеких галактик и источников радиоизлучения; фоновое микроволновое излучение; фоновое рентгеновское излучение и т.д.

«Наблюдения распределения галактик, источников радиоизлучения, рентгеновского и микроволнового фоновых излучений показывают, что Вселенная в значительной степени однородна. Красное смещение в спектрах далеких галактик говорит о том, что Вселенная расширяется. Было предложено и исследовано несколько простых моделей Вселенной. Если подтвердятся три решающих наблюдательных факта, то теория Горячей Вселенной будет, по-видимому, хорошим первым приближением к описанию Вселенной. Это следующие факты:

а) источники радиоизлучения в прошлом либо были расположены теснее, либо излучали больше, чем теперь;

б) Вселенная заполнена изотропным микроволновым радиоизлучением, которое можно считать излучением абсолютно черного тела с температурой 3 К;

в) все объекты Вселенной содержат 25 % или больше гелия по массе.

Сейчас ни один из этих фактов нельзя считать твердо установленным». … «Различные наблюдения и теоретические исследования, касающиеся образования галактик, свидетельствуют о том, что во Вселенной всегда могли быть существенные неоднородности. Это привело к разработке космологических теорий неоднородного большого взрыва» … «нерегулярного образования вещества»… (Тейлер, Р.Дж., 1975, с. 152-153).

В настоящее время измерена анизотропия реликтового излучения с точностью единиц – десятков микрокельвинов. 14 мая 2009 года произведен запуск спутников Европейского космического агентства (ESA) «Гершель» и «Планк», предназначенных для изучения Вселенной в инфракрасном диапазоне волн и реликтового космического излучения. Обсерватория «Планк» – уже третья космическая миссия по изучению микроволнового фона (предыдущие миссии – COBE и WMAP). Она будет измерять крошечные колебания в реликтовом излучении с беспрецедентной точностью, создавая, таким образом, самую точную картину молодой Вселенной в возрасте 380000 лет. Точность измерений температуры WMAP составляет нескольких микрокельвинов. Обсерватория «Планк» будет проводить измерения с существенно большей точностью, до 5-миллионной доли градуса, то есть лучше в 15 раз. Имея такую точность, можно будет вычислить такие параметры как кривизна пространства-времени, вклад темной энергии и нормального вещества в распределение массы и энергии (http://www.astronet.ru/db/msg/1234807).

Теорию Большого Взрыва подтверждают:

первое – расширение Вселенной;

второе – реликтовое излучение;

третье – космическое обилие гелия;

четвертое – соотношение количества квантов и количества барионов.

Комбинируя эти факты, вводя ряд условий, допущений ученые получают более или менее стройные схемы развития материи от Большого Взрыва до наших дней (Зельдович, Я.Б., Окунь, Л.Б., Дорошкевич, А.Г., и другие; Бронштейн, В.А., 1975). Р.А. Сюняев получил в 2008 году международную премию за исследования нейтронных звезд, черных дыр, химического состава Солнца. Существуют различные схемы образования космических объектов. В эти схемы хорошо вписывается представление об образовании звезд из первичной газово-пылевой туманности, возникшее со времен Канта и Лапласа.

Эволюция нашей Галактики согласно этим представлениям идет так: газ → звезды → звезды + межзвездная пыль, то есть происходит постепенное усложнение структуры вещества и структуры нашей Галактики в целом, материя развивается от простого к сложному.

В 1947-1955 годах В.А. Амбарцумян выдвинул следующую схему образования звезд: протозвезды – звезды + газ, причем эти процессы идут во Вселенной и сейчас.

Вселенная – это «мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по тем формам, которые принимает материя в процессе своего развития» (Амбарцумян, В.А., 1971). Определение Вселенной очень неопределенно, противоречиво. Количество звезд во вселенной примерно (больше) 1019 (Амбарцумян, В.А., 1971), то есть общее количество материи во Вселенной небезгранично и его можно выразить определенной количественной мерой. Быть может, не без влияния входивших тогда в сознание идей расширяющейся Вселенной и вытекающих отсюда следствий – о начале такого расширения из сверхплотного состояния (идеи Леметра, Эддингтона, развитые в конце 40-х годов Гамовым и др.), В.А. Амбарцумян выдвинул в 1947 г. оригинальную гипотезу, которая как бы повторяла в миниатюре картину эволюции всей наблюдаемой Вселенной: в любой части современной Вселенной могут сохраняться остатки сверхплотного первичного вещества, которые, распадаясь, дают начало звездам, точнее, группам их, что и наблюдается, как считал автор гипотезы, в виде расширяющихся недолговечных и, следовательно, молодых скоплений горячих звезд (О- и В-ассоциаций).

Предположив, что такие области звездообразования находятся в центральных частях галактик, Амбарцумян предсказал открытие особой активности ядер галактик – в виде разного рода быстропеременных процессов, сопутствующих дезинтеграции вещества (взрывы, интенсивное истечение и выбросы вещества, быстрые изменения светимости, т. е. переменность блеска).

В целом гипотеза Амбарцумяна не вошла пока в современную астрономическую картину мира как общепринятая или хотя бы равноправно сосуществующая с классической концепцией конденсации, − в первую очередь, видимо, уже по той причине, что эта гипотеза никогда не была детально развита ни ее автором, ни его учениками. Но ее удивительное соответствие открытиям последних десятилетий (активность ядер у так называемых «галактик Маркаряна», дополнивших аналогичный сейфертовский тип галактик, выделенный в 1940-1942 годах К. Сейфертом, чудовищная активность радиогалактик и квазаров), − позволяет утверждать, что в концепции дезинтеграции есть «зерно истины» (Амбарцумян, В.А., 1960-1988).

Далее, когда-то распределение материи во Вселенной было более компактным. В настоящее время наблюдается разрежение материи в связи с разлетом галактик (постоянная, параметр, закон Хаббла), то есть увеличивается бесконечный объем Вселенной. Вселенная расширяется.

Возможно и другое представление. Вселенная одна, достаточно однородна, бесконечна, расширяется не вся Вселенная, а какая-то ее часть. Ведь не может же бесконечность расширяться или иметь ограниченную форму? Возможно, Вселенная – это совокупность различных типов материи, взаимодействующих (с барионной материей) и невзаимодействующих (в том числе и гравитационно) между собой и заполняющих один и тот же объем…

Таким образом, существует две противоположные точки зрения. Согласно первой – небесные тела возникли в результате конденсации разреженного газа, образовавшегося после Большого Взрыва и расширения вещества и вторая точка зрения, «бюроканская», – космические тела возникли и ныне возникают в результате взрывов сверх плотного вещества. Большой Взрыв не уникальное явление во Вселенной. Ответа на вопрос – как образовалось первичное вещество? – современная наука не дает.

В основе любой идеи лежат какие-то допущения или постулаты – аксиомы. Определенным образом составленная аксиоматематическая формализованная система (взглядов), может являться как гипотезой (научным, но не доказанным предположением), так и теорией, субъективно сопоставленных и связанных фактов, нуждающихся в проверке. Все гипотезы, теории содержат, как отмечалось выше, «дополнительные условия». Допущения помогают нам познать какую-то часть окружающего нас мира, а затем, по мере накопления фактов, обнаруживаются противоречия, которые заставляют нас пересмотреть наши представления о нем. Большинство раскрученных и разрекламированных космологических теорий (скорее тщеславных гипотез) первой половины XX века не выдерживают современного анализа, с использованием современных фактов. Очень жаль, что современные космологи последовательно пытаются их реанимировать. Давление раскрученных научных авторитетов, авторитетов по гипотезам, теориям, часто мистическим, метафизическим и не обоснованным, просто сворованным, привлекают внимание многомиллионной аудитории, захватывают внимание научной общественности и перекочевывают из одной монографии в другую (Par Renard de la Taille, 1995; http://eqworld.ipmnet.ru/ru/education/scientists/poincare_einstein.htm; Тяпкин, А.А., 2004; Хокинг, С., 2008). Эти лжетеории тормозят развитие науки, так как не основаны на научных фактах, не содержат новых свойств материи, новых, неизвестных ранее явлений, закономерностей, законов. «Малограмотные, продажные» СМИ смещают акценты с истинных научных открытий, на наукообразные головоломки. Ажиотажный, подогреваемый определенными структурами, интерес к сказочно-подобным гипотезам, теориям, балансирующим на грани реального и нереального, маниакального психоза и собственной исключительности блокирует прогресс и уводит денежные потоки, предназначенные для научно-технического прогресса, в грязные руки. Ажиотаж – это всегда элемент бизнеса. Элементы «шоу» присутствуют не только в искусстве и спорте, но и в науке. Ангажированный этнический фетишизм шизофрено-фантастических космологических моделей Вселенной, основанных на геометрических (пространственно-временных) представлениях древних цивилизаций, уводит ученых от реальных фактов, тормозит развитие науки. Не способствует развитию естественных наук этнический контроль (по Тяпкину, А.А., 2004, «департамент успеха») над научными публикациями, общественными и государственными научными организациями (учеными и диссертационными советами, академиями…), научным производством (НИИ, научным производством академий…)… (Par Renard de la Taille, 1995; Тяпкин, А.А., 2004).

Поражают многочисленные часто диаметрально противоположные данные об авторстве, интеллектуальной принадлежности тех или иных идей, гипотез, теорий, открытий. Часто уже заранее, преднамеренно искаженный «факт» кочует из статьи в статью, из монографии, в монографию. Например, роль Дж.А. Гамова – автора теории горячей Вселенной /Big Bang/ (Гамов, Георгий Антонович – автор трех работ «нобелевского» ранга: туннельный эффект, реликтовое излучение, трехплетный код живого, избран член-корр. АН СССР в 1932 году по рекомендации Вернадского, В.И., Хлопина, В.Г., Мысловского, Л.В.) игнорируется, искусственно не замечается. Горячая теория образования Вселенной Дж.А. Гамова называлась фантастической, самого Дж.А. Гамова в 60-х годах, в статье, опубликованной в журнале «Успехи физических наук» Я.Б. Зельдович, автор холодной модели Вселенной, господствовавшей тогда в СССР, назвал «человеком жалкой судьбы» (http://www.peoples.ru/science/physics/gamow/history.html).

Дж.А. Гамов не просто создавал теории, генерировал идеи, гипотезы, собирал и анализировал зависимости, открывал закономерности… Если игнорирование заслуг в науке Дж.А. Гамова в России объяснимо (он сбежал из России, кроме этого, в стране почти 100 лет полным ходом идет геноцид автохтонов, а «правящая богом избранная нация» считает русских, и других коренных народов, людьми второго сорта), то на Западе не заметить его открытия было просто невозможно. Может быть причина в том, что он русский? А ведь Дж.А. Гамов сделал три парадигмальных открытия (http://www.erudition.ru/referat/printref/id.24148_1.html). Несомненно, открытия Дж.А. Гамова были известны широкой научной общественности и в США, и в Европе, и в Швеции членам Нобелевского комитета. Теория Дж.А. Гамова позволила распределить по времени и по температуре стадии образования Вселенной: сейчас общепринятыми стали выражения (и, конечно, теории): «стадия образования кварков», «стадия нуклеосинтеза», «отделение излучений», «формирование групп галактик» и т.д. (http://www.peoples.ru/science/physics/gamow/history.html).

«Хотя мы все время говорим о теории «большого взрыва», это не четко очерченная теория. Она имеет варианты. Все они предполагают, что Вселенная возникла в какой-то определенный момент времени в прошлом или, по крайней мере, приобрела в этот момент свою современную форму. Непосредственно вслед за моментом возникновения Вселенная была очень плотной. В наиболее популярном варианте теории Вселенная была также очень горячей (теория горячей Вселенной)»… (Тейлер, Р.Дж., 1975, с.145). Как видите, речь идет о теории горячей Вселенной Дж.А. Гамова. Трудно заподозрить английского астрофизика Р. Тейлера в особом отношении к русским.

Теория Дж.А. Гамова, как и любая, существующая в настоящее время космологическая модель имеет недостатки. Согласно теории, после Большого взрыва, давшего начало нашей Вселенной, она за немыслимо короткий промежуток времени – 10-12 секунды превратилась из микроскопического объекта в нечто колоссальное, многократно превышающее наблюдаемую часть космоса, со скоростью m∙10n превышающей скорость света, где m и n целые числа. В конце 1970-х годов оставались нерешенными несколько фундаментальных проблем, связанных с ранней Вселенной после произошедшего Большого взрыва. Проблема антивещества. Согласно законам физики, вещество и антивещество имеют равное право на существование во Вселенной. Наблюдаемая часть Вселенной практически полностью состоит из вещества. Почему? Проблема горизонта – проблема крупномасштабной однородности и изотропности Вселенной. По фоновому космическому излучению (образовавшегося после Большого взрыва) температура во Вселенной везде примерно одинакова. Почему? А проблема расхождения пространства? Почему Вселенная обладает именно такой массой и энергией и почему из всех возможных масс Вселенная имеет именно такую массу? Все это послужило причинами появления различных вариантов теории Большого Взрыва Дж.А. Гамова.

Первую инфляционную теорию предложил в 1979 году член-корреспондент РАН А.А. Старобинский. С помощью этой теории нельзя было объяснить, почему Вселенная большая, плоская, однородная, изотропная. Тем не менее, она имела многие черты инфляционной космологии. В 1980 году сотрудник Массачусетского технологического института Алан Гус (Alan Guth) в статье «Раздувающаяся Вселенная: возможное решение проблемы горизонта и плоскостности» изложил сценарий раздувающейся Вселенной. Основным отличием его от традиционной теории Большого взрыва стало описание рождения мироздания в период с 10-35 до10-32 с.

В 1981 году американский физик Алан Гус осознал, что выделение сильных взаимодействий из единого поля, примерно за 10-35 секунды – это фазовый переход вещества из одного «агрегатного» состояния в другое в масштабах Вселенной. Алан Гус показал, при разделении сильных и слабых взаимодействий во Вселенной произошло скачкообразное расширение. Это расширение, которое называется инфляционным, во много раз быстрее скорости света, и тем более хаббловского расширения. Примерно за 10-32 секунды Вселенная расширилась на 50 порядков – была меньше протона, а стала размером с грейпфрут. Стремительное расширение Вселенной снимает две из трех проблем, непосредственно объясняя их. Проблемы пространства и массы, энергии (http://elementy.ru/trefil/21082).

Инфляционная гипотеза не снимает проблемы антивещества. Считается, при бурном образовании элементарных частиц в ранней вселенной примерно на 100000001 обычных частиц приходилось 100000000 античастиц. В следующую долю секунды частицы и античастицы объединялись в пары, аннигилировали друг друга с гигантским выбросом энергии – масса превращалась в излучение (Бронштейн, В.А., 1974, с. 374; http://elementy.ru/trefil/21082). Модель А. Гуса не могла объяснить всех тонкостей эволюции Вселенной и стимулировала разработку новых сценариев раздувающейся Вселенной (Линде, А.Д., Лекция, 2007, http://elementy.ru/events/426960).

Рисунок 1.1.3 Анизотропия микроволнового излучения и WMAP; точки – экспериментальные данные, линии – предсказания инфляционной теории (Линде А.Д., 2007)


В середине 1981 года А.Д. Линде предложил новый вариант сценария раздувающейся Вселенной. В основе этого варианта инфляционной теории была разработана и внедрена теория хаотической инфляции. Для этого им было введено понятие скалярного поля. А.Д. Линде считает, что помимо существующих направленных полей: электромагнитное, электрическое, магнитное, гравитационное существует и еще одно – скалярное, которое никуда не направлено, а представляет собой просто функцию координат. По мнению А.Д. Линде первоначально Вселенная расширялась, будучи в нестабильном вакуумоподобном состоянии, и стала горячей, только когда вакуум распался. А далее за формирование галактик несут ответственность квантовые колебания, которые могут создавать новые быстро расширяющиеся части Вселенной.

Этот процесс превращает Вселенную в вечно существующую самовоспроизводящуюся мультивселенную – огромный растущий фрактал, состоящий из многих экспоненциально больших частей с различными законами низкоэнергетической физики, действующими в каждой из этих частей.

Это «многоликая Вселенная», где во Вселенных разного типа будут функционировать разные типы физики (и химии), вследствие разного типа и набора элементарных частиц, полей.… Теория самовосстанавливающейся Вселенной во время инфляции разбивается на бесконечно много частей с невероятно большим количеством разных свойств. Эту модель космологи называют инфляционной мультивселенной (multiverse), специалисты по теории струн называют это струнным ландшафтом. По мнению автора этой теории А.Д. Линде – это инфляционная космология, имеет черты новой научной парадигмы (Линде, А.Д., 2007; http://elementy.ru/events/426960). Следует отметить, идеи А.Д. Линде – это личные, ничем не подкрепленные мысли этого исследователя.

Не все согласны с инфляционными моделями Вселенной. Джон Барроу, Андреас Альбрехт (Вартбург, М., 2000) и другие заявляли, что для объяснения эволюции Вселенной вовсе не нужна инфляция, достаточно допустить, что скорость света в ранние времена была неимоверно больше нынешней, и это сразу снимает все парадоксы Стандартной теории Большого взрыва. Тепловое равновесие сумеет быстро установиться даже между самыми отдаленными участками Вселенной.

«Предмет космологии – это вся Вселенная в целом, в отличие от астрономии, которая изучает отдельные ее составляющие. Цель космологической теории – изучить эволюцию крупномасштабной структуры Вселенной и вычислить значения таких величин, как средняя плотность и температура вещества. Хорошая космологическая теория должна также объяснять, как образовались более мелкие объекты, например галактика» (Тейлер, Р.Дж., 1975, с. 133-134).

Большинство естествоиспытателей в начале XX века, не имея на то научных фактов, предлагали различные варианты (гипотезы) происхождения и устройства Вселенной. Честолюбие (и тщеславие) человека безгранично, как и сама Вселенная. Ведь если отгадаешь, войдешь в историю! Это как выигрыш в лотерею, отгадаешь номер выигрышного билета – получишь приз. Это что-то типа гадания на кофейной гуще. К сожалению, в истории науки, в том числе и первой половины ХХ века превалировала эта тенденция. Пространство (Вселенной) то ли постоянно, стационарно, то ли пульсирует, то ли расширяется и т.п. (Бронштейн, В.А., 1974, с. 276). «То ли дождик, то ли снег, то ли будет, то ли нет…». В конце концов, что-то и отгадаешь. И автор раздувающейся гипотезы (сейчас теории) согласно анализу доступной литературы не Э. Хаббл – Ж. Леметр (в разработке этой теории в той или иной степени принимали участие Слайфер, В., Лундмарк, К., Эддингтон, А., Мили, Э., Толман, Р. …)… (Бронштейн, В.А., 1974, с. 275-277), а автор теории горячей Вселенной /теории Большого взрыва/ уже не Дж.А. Гамов, а человек – «советский математик» к этому никакого отношения не имеющий, только предлагавший различные варианты решения общих уравнений релятивисткой космологии без какой-либо оценки и выделения одного из решений как основного, главного (Бронштейн, В.А., 1974, с. 275-277; Карлышев, В.М., Крылов, В.М., 2005, с. 14; Хокинг, С., 2008; http://ru.wikipedia.org/wiki/Большой_взрыв). Это уже не захват чужой земли, чужих территорий, это воровство интеллектуальной собственности. Это не наука. Это иконопись этнических кланов, которая только тормозила и тормозит развитие науки (Par Renard de la Taille, 1995). Так «департамент успеха» использует демагогический метод «изощренного анализа», целью которого является смещение у общественности сознания и завладение авторством того или иного научного открытия, теории или дискредитация (уничтожение) ученого – конкурента, его открытия, теории (Тяпкин, А.А., 2004). Это своеобразный вид научного рейдерства.

История науки беспощадна. Иногда авторство великих открытий приписывается личностям, не имеющим к этим открытиям никакого отношения. Часто авторами открытий становятся ученые, позже получившие эти же результаты. К авторству великого закона природы – сохранения и превращения энергии, прямое в хронологическом порядке имеют отношение М.В. Ломоносов, Ю.Р. Майер, Дж. Джоуль, Л. Кольдинг, У. Гров, Г. Гельмгольц. Честь открытия приписывается теперь только Ю.Р. Майеру, Г. Гельмгольцу, Дж. Джоулю. Откуда берется энергия Солнца? Ю.Р. Майер, Г. Гельмгольц каждый по-своему пытались решить эту проблему (Бронштейн, В.А., 1974, с. 8-10).

С подобной практикой автор этой рукописи столкнулся при работе в НИИ биофизики МЗ СССР. Предложив и обосновав официально с записью формулы на доске препарат для использования его в ситуациях хронического поступления Sr90 на заседании лаборатории под запись в «журнале 1-го отдела», после синтеза этого препарата, не нашел себя в списке, поданным на Закрытую Ленинскую премию. А за научное открытие был просто уволен с работы и лишь через несколько десятков лет получил от МААНО диплом № 191 на это открытие.

В течение второго и третьего периода создано несколько поколений космологических теорий. Первое поколение – это теории Де-Ситтера, Хаббла-Леметра, Эдвара Казнера…; второе поколение – поиск опосредований, вторичных, третичных – космоархеология М.Ю. Хлопова, Эдуарда Милна, Поля А. М. Дирака, А. Эддингтона,…; третье поколение: концепции Йордана-Бранса-Дикке, Ф. Хойла, В.А. Амбарцумяна, Германа Бонди, Гуннара Нордстёма, …. и т.д. и т.п. В настоящее время появляются космологические теории четвертого поколения (третьего периода).

Рисунок 1.1.4 «Был ли Большой взрыв? Наверное, да. Может быть, да» (Линде, А.Д., 2007)


В начале 3го тысячелетия, имеется несколько десятков (за всю историю цивилизации – многие сотни, м.б. тысячи?) космологических моделей Вселенной (замкнутая пульсирующая модель, замкнутая статическая модель, нестатическая модель, стационарная модель, модель расширяющейся Вселенной, модель неустойчивой Вселенной, модель юной самообновляющейся Вселенной, модель Вселенной Больцмановского типа, теория мыльная пена, теория Большого взрыва /теория горячей Вселенной/, Стандартная модель, Стандартная теория с расширением (Standart Model Extension), теория Большого разрыва, нейтринная Вселенная, модель Лямда-СDM, голографическая Вселенная и т.д.

Начиная с 1984 года на основе принципа суперсимметрии, разрабатывается теория струн и суперструн…, зонная теория строения эволюции Вселенной, теория многомерных мембран, фрактальная Вселенная, теория лунного ландшафта /инфляционная мультивселенная/, Вселенная Кандинского и т. п., и т. д. (Нарликар, Дж., 1985; Гвоздев, Ю., 2007; Талбот, М., 2004; Моисеев, А., 2003; Цицин, Ф.А., 1996; http://www.phylosophy/ru/iphras/libraru/zizin.html; Климишин, И.А. 1984, http://ru.wikipedia.org/wiki/Большой_взрыв; http://ru.wikipedia.org/wiki/ Большой_разрыв; http://elementy.ru/trefil/21082; http://ru.wikipedia.org/ wiki/Инфляционная _модель_Вселенной; http://www.dvastronom.ru/universe-neitrinomodel.php; http://elementy.ru/ trefil/21211; http://revolution.allbest.ru/air/00012697_0.html; http://ru.wikipedia. org/wiki/ Космическая_инфляция; http://elementy.ru/trefil/theories_of_everything; http://www.dv astronom. ru/universe-postulates.php и т. п.).

В природе, как уже отмечено выше, действуют четыре фундаментальные силы, и все физические явления происходят в результате взаимодействий между физическими объектами, которые обусловлены одной или несколькими из этих сил. Четыре вида взаимодействий в порядке убывания их силы это:


  1. сильное взаимодействие, удерживающее кварки в составе адронов и нуклоны в составе атомного ядра;

  2. электромагнитное взаимодействие между электрическими зарядами и магнитами;

  3. слабое взаимодействие, которым обусловлены некоторые типы реакций радиоактивного распада;

  4. гравитационное взаимодействие.

В последние десятилетия появились попытки создать единую теорию: «универсальная теория», «теория всего сущего», «теория великого объединения», «окончательная теория»… Авторы этих идей пытаются объединить все четыре взаимодействия, рассматривая их в качестве некоей единой и великой силы. Теория струн (теория струн в объединении с концепцией суперсимметрии называется теорией суперструн) претендует на звание универсальной теории Великого объединения всех силовых взаимодействий. Универсальные теории, описывающие взаимодействие четырех сил называют теориями большого объединения (ТБО). Теория суперобъединения всеобщих теорий (ТСО) позволила бы объединить гравитацию с единым сильно-слабым взаимодействием, и строение Вселенной получило бы простейшее из всех возможных объяснений. Такой теории не существует и будет ли она создана, покажет будущее (http://elementy.ru/trefil/21211).

Несмотря на абсолютно точные количественные наблюдательные и экспериментальные данные последних десятилетий, космология как наука носит метафизический, полуфантастический, демагогический, описательный характер. Все вышеперечисленные космологические теории, не теории, а, скорее, гипотезы, идеи, где реальные факты алгоритмизируются под тем или иным углом, рассматриваются и связываются, часто необоснованно с той или иной точки зрения. Что-то принимается как аксиомы, затем все это записывается тем или иным математическим аппаратом. Все существующие гипотезы, теории происхождения и эволюции Вселенной имеют «дополнительные условия». Полученная таким образом та или иная относительно стройная, непротиворечивая математическая картина выдается за истину. «Математические законы – не что иное, как соглашения, позволяющие удобно резюмировать результаты возможных экспериментов» (Пригожин, И., Стенгерс, И., 2008, с. 93). Это демагогия с использованием реальных разнообразных фактов и математических построений «отдает тестостероном». Некоторые исследователи считают, что космология за последние 10-15 лет стала точной наукой. Не космология стала точнее, а наблюдаемые и экспериментальные данные в ядерной физике, космофизике, космохимии. Нет ни одной сколько-нибудь достоверной непротиворечивой теории происхождения и эволюции Вселенной. Перечисленные выше гипотезы, теории часто противоречат друг другу. Это слово- и цифро-, числоблудие.

Некоторые ученые признают рискованность переноса наших весьма ограниченных знаний на мироздание в целом.

В 1980 году К. Болдинг в своем обращении к Американской ассоциации развития науки сказал: «Космология... представляется нам наукой, не имеющей под собой прочного основания, хотя бы потому, что она изучает огромную Вселенную на примере небольшой ее части, исследования которой не могут дать объективной картины реальности. Мы наблюдали ее на протяжении очень короткого отрезка времени и имеем относительно полное представление лишь о ничтожно малой части ее объема». Однако не только выводы космологов не имеют под собой прочного основания – похоже, что сама попытка создать простую математическую модель Вселенной не вполне корректна, и сопряжена с трудностями принципиального характера. К. Болдинг подводит итог анализу многочисленных теорий, использующих пространственно-временные структуры следующими словами: «Теория относительности превращает серии событий в единые пространственно-временные структуры, но мы ощущаем их как последовательность определенных этапов во времени. Следовательно, любая модель происхождения Вселенной, построенная на основе теории относительности, не способна объяснить наше восприятие времени, и потому все эти модели в их современном виде несовершенны и неприемлемы» (Болдинг, К., 1980, http://www.ojasvi.kiev.ua/text/dif2/ babah.htm).

Анализ литературного материала по космологии, космологическим идеям, гипотезам, теориям образования и эволюции Вселенной указывает на смещение акцентов анализа от пространственно-временных к морфофункциональным, структурным показателям. Вселенная (или Вселенные, можно и так ставить проблему) – это сложная, многоуровневая, пространственно структурированная система информационных единиц материи, имеющая определенную, эволюционирующую конфигурацию и конформацию, в конце концов, и хиральность. Пространство и время является вторичным, изменяющимся элементом в сложной системе информационных единиц материи. Ни в одной из существующих ныне теорий Вселенных научно не учитывается, новые, неизвестные ранее темная материя и темная энергия. А ведь возможно открытие и новых типов энергии и материи.…

Рисунок 1.1.5. Трехмерная таблица Менделеева, где показаны ядра анти- и

странной материи (Ядерная карта)

Brookhaven National Laboratory


Международная группа физиков, входящих в коллаборацию STAR, впервые получила в экспериментах на коллайдере RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) в США странную антиматерию – ядра из античастиц, содержащих так называемые «странные кварки».

Результаты эксперимента были обнародованы в журнале Science (2010).

Ядра «обычных» атомов состоят из протонов и нейтронов, в то время как антиматерия построена из античастиц, например, антипротонов. Ранее физикам, в частности, российским ученым в экспериментах на ускорителе в Серпухове, удавалось получить ядра антиматерии, вплоть до получения ядер антилития.

В экспериментах на коллайдере RHIC, где проводились столкновения ионов золота, ученым удалось получить так называемые гиперядра – ядра гипертритонов и антигипертритонов. Эти ядра содержат помимо протонов и нейтронов необычный компонент – лямбда-гипероны. Эта частица состоит из верхнего и нижнего кварков (из них построены протоны и нейтроны), а также содержит странный кварк.

Антигиперядра, полученные в эксперименте, состоят из античастиц – антипротонов, антинейтронов и антилямбда-гиперонов.

«Это открытие может иметь беспрецедентные последствия для нашего представления о мире. Этот вид антиматерии открывает дверь в новые измерения на ядерной карте», – отмечает немецкий физик Хорст Штокер (Horst Stoecker), вице-президент Гельмгольцевской ассоциации научных лабораторий (http://www.rian.ru/science/20100305/212351258.html; © Brookhaven National Laboratory).

В начале XX века трудно было предложить гипотезу, сконструировать теорию, соответствующую наблюдениям, а в конце XX, начале XXI века трудно среди множества гипотез, теорий, основанных на соответствующих новейших наблюдениях, новейших открытиях последних десятилетий, выбрать наиболее подходящую, непротиворечивую.

«Современная астрономия переживает новую эпоху великих открытий…. Они приводят к радикальным изменениям в научной картине мира. Теория раздувающейся Вселенной, квантовая космология расширили границы мегамира; наша Метагалактика выступает сейчас лишь одной из множества вселенных.… Бурные мировоззренческие дискуссии вызывает антропный принцип, выявляющий неразрывную связь между глобальными свойствами Метагалактики и появлением в ней человека. Сохраняет значение и проблема внеземных цивилизаций. Моделирование возможных сценариев их развития позволяет по-новому, с космической точки зрения, оценить перспективы нашей собственной цивилизации, пути разрешения глобальных проблем современности» (Цицин, Ф.А., 1996; Павленко, А.Н., 1996; Дубровский, В.Н., 1996; Казютинский, В.В., 1996). С этим можно полностью согласиться.

Мозговой штурм (англ. brainstorming) проблемы происхождения и эволюции Вселенной не устраняет беспорядочных поисков, наоборот, делает их даже более беспорядочными. Пробы (в виде гипотез, теорий происхождения Вселенной), генерируемые более трех-четырех тысяч лет, вероятно, не просто беспорядочны, скорее всего, они направлены не в ту сторону. Единого представления о происхождении и эволюции Вселенной нет. Это и плохо и хорошо. Однако на фоне многочисленных открытий конца XX и начала XXI века следует ожидать, в ближайшем будущем, появление непротиворечивой гипотезы (теории) происхождения и эволюции Вселенной, доступной нашему наблюдению и проверке. Маловероятно, но может быть. Процесс познания не остановить, честолюбие и любопытство – безгранично.…

1.2 Темная материя, темная энергия

По современным данным сегодня мы можем наблюдать менее 4-5 % вещества нашей Вселенной. Эти 4-5 % составляют только видимую материю, способную быть зафиксированными приборами. Большая часть (до 96 %) составляет невидимая материя, названная скрытой массой. В чем состоит суть проблемы скрытой массы?

Измерение масс галактик – задача в астрономии очень трудная. Ее впервые удалось решить для знаменитой Туманности Андромеды, гигантской спиральной галактики, ближайшей соседке Млечного Пути. «Взвесил» Андромеду в 1918 году Эрнст Карлович Эпик, 25-летний выпускник Московского университета, родом из Эстонии, работавший тогда в Москве (позднее он вернулся в Эстонию, в Тарту, где лучшим его учеником был Кузмин, а затем уехал сначала в Германию, а потом в Северную Ирландию). Э.К. Эпик воспользовался только что полученными на обсерватории Маунт Вилсон (Калифорния) спектрами Туманности Андромеды. Остается только удивляться, как быстро журнал с этими данными достиг Москвы в столь смутное время, и как быстро Э.К. Эпик сумел сделать свою пионерскую работу, да еще и представить ее на одном из семинаров в Москве – все это в течение одного 1918-го года. По наклону линий в спектре Андромеды он определил скорость вращения галактики, а затем предположил, что галактика как целое находится в равновесии под действием центробежных сил, порождаемых ее вращением, и сил тяготения, создаваемых массой самой галактики. При этом звезды движутся по круговым орбитам вокруг центра галактики – как планеты вокруг Солнца. Это позволило дать оценку массы галактики: оказалось, что она составляет приблизительно сто миллиардов масс Солнца.

Но это еще не вся масса галактики, а только масса той ее яркой центральной области, свет от которой улавливается телескопом и анализируется спектрометром. Так что, строго говоря, Э.К. Эпик нашел светящуюся звездную массу Андромеды в пределах радиуса порядка 10 килопарсек (кпк) от центра звездной системы. С этого началась история взвешивания галактик. Затем были работы Фрица Цвикки, заметившего в 1933 году невидимый избыток тяготеющей массы в скоплении галактик Кома, и модель Канна-Волтье 1959 года, указывавшая на дополнительную массу в Местной группе галактик, включающей в себя Млечный Путь и Туманность Андромеды. А кульминация этой истории приходится на 1974 год, когда Я. Эйнасто и его сотрудники опубликовали в журнале Nature статью под названием «Динамическое указание на существование массивных корон галактик».

Авторы привлекли наблюдательные данные о малых галактиках-спутниках, обращающихся вокруг самых крупных галактик. Движением карликовых спутников управляет полная масса, заключенная внутри их орбит, а эти орбиты выходят далеко за пределы видимого звездного тела крупной галактики, их радиусы 5-10 раз больше радиуса звездной системы. Если считать, следуя Э.К. Эпику, что на круговой орбите спутника действующая на него сила притяжения к центру уравновешивается центробежной силой, можно получить представление о полной массе галактики – как видимой, так и невидимой. Оказалась, что эта полная масса раз в 5-10 больше массы всех звезд типичной крупной галактики. Причем дополнительная невидимая масса галактики образует протяженное гало вокруг звездной системы, которое в 5-10 раз больше по размеру, чем сама звездная система.

Вскоре это открытие нашло прямое и убедительное подтверждение в работах американских астрономов Джима Пиблса, Джеремайи Острайкера, Амоса Яхила, Веры Рубин и других. К середине 1980-х годов представление о темных гало галактик стало общепринятым. Теперь мы знаем, что звездная система нашей Галактики Млечный Путь имеет радиус около 10 кпк, и она погружена в темное гало, которое простирается до расстояний 100-150 кпк от центра системы. Темная масса Галактики раз в 10 больше массы всех звезд Млечного Пути. Примерно так же устроена Туманность Андромеды и все другие крупные галактики. Темные короны галактик – универсальный феномен природы.

Невидимую массу, заполняющую гало галактик, называют теперь темной материей. Постепенно было осознано, что ее носителями не могут быть протоны, нейтроны и электроны, то есть обычное вещество, из которого состоят Солнце и звезды, планеты и Земля и все, что на ней. Скорее всего, это массивные (в сотни раз тяжелее протона) неведомые ранее элементарные частицы, которые испытывают только гравитационное и электрослабое взаимодействие. Их поиски ведутся сейчас в ряде больших физических лабораторий. Есть надежда, что темные частицы обнаружат себя также на Большом адроном коллайдере, когда эта гигантская экспериментальная установка заработает на полную мощь. Яану Эльмаровичу Эйнасто и сотрудникам из Тартуской обсерватории принадлежит два крупнейших открытия в астрономической науке. Это открытие темной материи в галактиках (1974 год) и обнаружение ячеистой структуры Вселенной (1997 год). Открытие темной материи и ячеистой структуры Вселенной привело к парадигмальным изменениям в космологии.

Интересно, что темная энергия с ее антитяготением способна частично или даже полностью «компенсировать» тяготение темной материи и обычного вещества. Приведем только один пример, относящийся к нашему ближайшему галактическому окружению. На расстоянии примерно в 1,5 мегапарсека от центра Местной группы тяготение ее темной материи и обычного вещества точно компенсируется антитяготением, создаваемым однородным фоном темной энергии. В результате на сфере такого радиуса нет ни тяготения, ни антитяготения. Внутри сферы нулевого тяготения преобладает тяготение, а вне ее – антитяготение. Отсюда ясно, в частности, что динамический метод оценки масс в духе Эпика нуждается теперь в определенном уточнении с учетом эффекта темной энергии: без этого оценка массы темной материи в системах галактик была бы заметно заниженной.

Присутствие в мире темной энергии заставляет заново взглянуть на старые и новые проблемы космологии. Среди них особенно интересен вопрос о самых крупных образованиях во Вселенной. Давно известно, что существуют большие скопления галактик, объединяющие тысячи галактик, подобных Млечному Пути. Имеются также и сверхскопления, уплощенные образования, в которые входит обычно несколько скоплений. Их размеры достигают сотни мегапарсек. Нередко в сверхскоплениях (а также и вне их) наблюдаются цепочки галактик – филаменты, которые оказываются вытянутыми в плоскости сверхскопления. Наконец, сверхскопления разделяют огромные «пустые» объемы с размерами в те же примерно 100-150 мегапарсек, в которых практически нет галактик, – это так называемые войды.

Величайший ученый 20-го века Я. Эйнасто первым среди астрономов обратил внимание на войды как на базовый элемент крупномасштабного устройства Вселенной. Яков Борисович Зельдович заметил важную роль сверхскоплений и войдов в физическом процессе формирования космических структур самого большого масштаба. Я.Б. Зельдович, Я. Эйнасто и Сергей Федорович Шандарин (сотрудник Якова Борисовича) опубликовали в Nature в 1982 г. статью под названием «Гигантские войды во Вселенной», которая вызвала необычайно большое число откликов. Но это был только первый шаг к главной цели исследования, достижение которой потребовало еще пятнадцати лет упорного труда. В итоге тщательного анализа наблюдательного материала, многочисленных дискуссий (временами весьма острых) с коллегами в разных странах, где активно работали группы энергичных космологов (космология стала к тому времени уже почти что массовой профессией) в том же журнале в 1997 г. появилась статья Я. Эйнасто и еще девяти авторов, которая называлась «Периодичность масштаба 120 мегапарсек в трехмерном распределении сверхскоплений галактик».

Ключевое слово здесь – периодичность. Авторы утверждают, что имеется определенного рода регулярность и повторяемость в общем устройстве мира: сверхскопления, филаменты и войды складываются в некое подобие ячеистой структуры. Это какие-то гигантские трехмерные кружева, в которых узор более или менее четко повторяется с шагом примерно в 120 мегапарсек. Конечно, ни о какой строгой симметрии типа той, что известна в кристаллических решетках, речи здесь не идет. Однако характерный масштаб в 100-150 мегапарсек определенно просматривается. Ячеистая структура с ее квазипериодичностью – феномен самого крупного космического масштаба. На ячейках обрывается иерархия космических структур, и в масштабах 300-1000 мегапарсек распределение светящегося и темного вещества Вселенной оказывается в среднем однородным ( рисунок 1.2.1).

Признание нового часто тернисто и зависит от многих причин.

Яану Эйнасто, его сотрудникам и открытиям повезло. Не сразу.

Вот что пишет сам Я. Эйнасто об этом: «Однажды вечером мы с учеником Зельдовича Рашидом Сюняевым гуляли по проспекту Руставели и говорили о моделях галактик. Он описал теорию «блинов» Зельдовича относительно возникновения галактик: в то время эта теория только оформлялась. Я говорил опять-таки о парадоксе массы. И тут Сюняев сказал: «Яан, обрати внимание: твои модели никто не примет всерьез до тех пор, пока какой-нибудь американец не подтвердит твои результаты».


Рисунок 1.2.1 Структура Вселенной http://forum.na-svyazi.ru/?showtopic=536402&st=30&p=4990180
Предсказание Сюняева действительно сбылось. И мысль Сюняева относится не только к нашим моделям, а к научной работе в целом. Работы Эпика по определению расстояния до туманности Андромеды были признаны лишь после того, как Хаббл «открыл», что расстояние до туманности Андромеды велико. Наличие темной материи вокруг галактик заметили только после того, как принстонские астрономы и Вера Рубин подтвердили наши результаты. Американские авторитеты считают первооткрывателями цепочек галактик и пустот гарвардских астрономов Хухра и Геллера, которые в 1989 году опубликовали на страницах журнала Science резюме своих работ по исследованию структуры.

Причин тому может быть две.

Во-первых, действительно наблюдается тенденция признавать какой-либо новый результат лишь после того, как его подтверждают крупные авторитеты (эффект Сюняева).

Во-вторых, тартуские результаты работ по структуре появились в неудачное время».

Сравните даты публикаций статьи о ячеистой структуре вселенной: «Гигантские войды во Вселенной» (1982), авторы Я.Б. Зельдович, Я. Эйнасто, С.Ф. Шандарин и резюме по исследованию структуры Хухра, Геллер в журнале Science в 1989 году.

Тони Фэйролл в своей недавней монографии написал об этом: «Новость (о наличии ячеистой структуры) быстро распространилась, но за пределами Советского Союза она нашла лишь немногих сторонников. Казалось, что эта идея опровергает все, что до тех пор думали на Западе о формировании галактик. Она как будто поддерживает советскую теоретическую концепцию (особенно Зельдовича и его московских коллег), предполагающую возникновение «блинообразных» структур – а эта концепция противоречит американскому пониманию того, как возникли галактики. И это все происходило в эпоху, когда царило противостояние холодной войны» (Эйнасо, Я.Э., Яанисте, Я.А. 1986, Эйнасто, Я., 2009, http://www.astronet.ru/db/msg/1233291/text.html; Чернин, А.Д., 2009, http://www.astronet.ru/db/ msg/1233291/afterword.html; Моисеев, А., 2003, http://www.dvastronom.ru/universe-neitrinomodel.php).

В общем балансе массы/энергии Вселенной на темную материю приходится 20-25 %, а на обычное вещество – не более 5 %. Остальные 70-75 % – темная энергия, загадочная антигравитирующая среда, открытая астрономами-наблюдателями в 1998-99 годах. Физическая природа темной материи и темной энергии – центральная задача всей фундаментальной физики и астрономии нового века. На рисунке 1.2.2 представлено соотношение обычного вещества, вещества звезд, нейтрино, темной материи, темной энергии (Рубаков, В.А., 2005, http://elementy.ru/lib/25560/25567).

Более точные данные получены в ходе работы WMAP (Wilkinson Microwawe Anisotropy Probe, 2003). Интерпретация данных по анизотропии реликтового излучения, полученных в ходе работы WMAP дала следующие результаты (рисунок 1.2.3): наблюдаемая плотность Ω близка к Ωcrit и распределение Ω = ΩΛ + Ωvis + Ωdark по компонентам: барионная материя Ωvis  – 4,4  %, тёмная холодная материя (WIMP) Ωdark  – 23 %, «тёмная энергия» ΩΛ – 72,6 %.

Темная материя сродни обычному веществу. Она способна собираться в сгустки (размером с галактику или скопление галактик) и участвует в гравитационных взаимодействиях, как обычное вещество. Темная материя, скорее всего, состоит из новых, еще не открытых в земных условиях частиц. Темная материя имеется и в галактиках. В нашей Галактике в окрестности Солнца масса темной материи равна массе обычного вещества (Рубаков, В.А., 2005, http://elementy.ru/lib/25560/25567).

Что представляют из себя частицы темной материи? Во-первых. Эти частицы не должны распадаться на другие, более легкие частицы, иначе они бы распались за время существования Вселенной.

Во-вторых. В природе действует новый, не открытый пока закон сохранения, запрещающий этим частицам распадаться.

В-третьих. Наиболее правдоподобной (но далеко не единственной) представляется гипотеза о том, что частицы темной материи в 100-1000 раз тяжелее протона, и что их взаимодействие с обычным веществом по интенсивности сравнимо с взаимодействием нейтрино.

В-четвертых. Частицы темной материи интенсивно рождались и аннигилировали в очень ранней Вселенной при сверхвысоких температурах (порядка 1015 градусов), и часть их дожила до наших дней.

Рисунок 1.2.2 Темная материя и темная энергия во Вселенной (Рубаков, В.А., 2005)

Можно ли ожидать открытия частиц темной материи в недалеком будущем в земных условиях? Поскольку мы сегодня не знаем природу этих частиц, ответить на этот вопрос вполне однозначно нельзя. Тем не менее, два пути поиска. Первый путь экспериментальный, на ускорителях высокой энергии – коллайдерах. Вероятно, это будет сделано в международном центре ЦЕРН под Женевой на Большом адроном коллайдере (LHC). Второй путь состоит в регистрации частиц темной материи, которые летают вокруг нас. Третий путь связан с регистрацией продуктов аннигиляции частиц темной материи, с помощью нейтринных телескопов (AMADA – расположен глубоко во льду на Южном полюсе, HT-200, расположен в глубине озера Байкал и т. п.). Очевидно, использование современных комплексов исследования фундаментальных свойств материи, в том числе и пуск исследовательского реактора ПИК в Гатчине, под Петербургом, на базе Петербургского института ядерной физики в 2010 году, позволит приблизиться к разгадке устройства материи и глубже заглянуть в тайны Вселенной. Может быть, появится и новая физика, и новая парадигма. Пора!

Согласно популярным гипотезам, частицы темной материи – это лишь один из представителей нового семейства элементарных частиц, так что наряду с открытием частиц темной материи можно надеяться на обнаружение целого класса новых частиц и взаимодействий. Эти частицы расскажут нам о свойствах Вселенной через 10-9 с (одна миллиардная секунды) после Большого взрыва, когда температура Вселенной составляла 1015 градусов, и частицы темной материи интенсивно взаимодействовали с космической плазмой (Рубаков, В.А., 2005, http://elementy.ru/lib/25560/25567).

Темная энергия гораздо более странная субстанция, чем темная материя. Темная энергия не собирается, в отличие от темной материи, в сгустки, а равномерно разлита во Вселенной. В галактиках и скоплениях галактик ее столько же, сколько и вне их. Темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию.

Современными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он изменялся со временем. Так вот, астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что сегодня (и в недалеком прошлом) Вселенная расширяется с ускорением: темп расширения растет со временем. В этом смысле и можно говорить об антигравитации: обычное гравитационное притяжение замедляло бы разбегание галактик, а в нашей Вселенной, получается, всё наоборот.




Рисунок 1.2.3 Состав Вселенной по данным WMAP

Темная энергия может обладать специальным свойством – отрицательным давлением. Это резко отличает её от обычных форм материи. Не будет преувеличением сказать, что природа темной энергии – это главная загадка фундаментальной физики XXI века.

Один из кандидатов на роль темной энергии – вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, а это и означает отрицательное давление вакуума. Другой кандидат – новое сверхслабое поле, пронизывающее всю Вселенную. Есть и другие кандидаты, но в любом случае темная энергия представляет собой что-то совершенно необычное.

Другой путь объяснения ускоренного расширения Вселенной состоит в том, чтобы предположить, что сами законы гравитации видоизменяются на космологических расстояниях и космологических временах. Такая гипотеза далеко не безобидна….

По-видимому, если такое обобщение вообще возможно, то оно будет связано с представлением о существовании дополнительных размерностей пространства, помимо тех трех измерений, которые мы воспринимаем в повседневном опыте.

К сожалению, сейчас не видно путей прямого экспериментального исследования темной энергии в земных условиях. Это, конечно, не означает, что в будущем не может появиться новых блестящих идей в этом направлении, но сегодня надежды на прояснение природы темной энергии (или, более широко, причины ускоренного расширения Вселенной) связаны исключительно с астрономическими наблюдениями и с получением новых, более точных космологических данных. Предстоит узнать в деталях, как именно расширялась Вселенная на относительно позднем этапе её эволюции, и это, надо надеяться, позволит сделать выбор между различными гипотезами (Рубаков, В.А., 2005, http://elementy.ru/lib/25560/25567).

Впечатляющие успехи физики частиц и космологии поставили неожиданные и фундаментальные вопросы. Неизвестно, что представляет собой основная часть материи Вселенной, какие явления происходят на сверхмалых расстояниях, и какие происходили во Вселенной на самых ранних этапах ее эволюции. Главные открытия еще впереди (Рубаков В.А., 2005, http://elementy.ru/lib/25560/25565).

В 2008 году команда астрофизика Алексея Вихлинина (Alexey Vikhlinin) из Смитсонианской астрофизической обсерватории (Smithsonian Astrophysical Observatory) представила первое прямое, независимое доказательство существование той самой энергии. А. Вихлинин и его семеро товарищей изучили объединение в кластеры двух групп отдаленных галактик, используя данные рентгеновской обсерватории Чандра (Chandra) и орбитальной обсерватории ROSAT. С помощью специально созданных компьютерных моделей ученые просчитали, как эти гигантские скопления газа и пыли объединились бы в кластеры в течение четырех миллиардов лет (примерно треть возраста Вселенной), если бы космос не растаскивал их в разные стороны. В результате они выяснили, что объединение в кластер, наблюдаемое в реальности, значительно слабее, чем смоделированное. Однако если в модели учесть темную материю, все встает на свои места (Найдено новое доказательство существования темной энергии, 19 декабря 2008, http://cosmicnews.ru/2008/12/najdeno-novoe-dokazatelstvo-sushhestvovaniya-tyomnoj-energii/). Работа этой группы ученых по материалам сайтов Times и Дискуссия отнесена к самым впечатляющим открытиям в астрономии 2008 года. Напрашивается поразительный вывод: при всей неуловимости темная энергия и темная материя составляют 96 % Вселенной и, очевидно, определяют ее поведение.

Итак, темная материя участвует в процессах образования самых различных космических объектов, так как участвует в гравитационных взаимодействиях, как обычное вещество. Темная материя, как и обычная материя, способна собираться в сгустки.

Хотя ее саму не удалось еще наблюдать, она ответственна за быстрое вращение галактик и галактических скоплений (Wiggins, A.W., Wynn, C.M.; http://www.ligis.ru/librari_2/086.htm).

Темная энергия обладает обратным свойством. Темная энергия с ее антитяготением способна частично или даже полностью «компенсировать» тяготение темной материи и обычного вещества. Темная энергия гораздо более странная субстанция, чем темная материя. Темная энергия не собирается, в отличие от темной материи, в сгустки, а равномерно разлита во Вселенной. В галактиках и скоплениях галактик ее столько же, сколько и вне их. Темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию. Темная энергия может обладать специальным свойством – отрицательным давлением.

Темная энергия вызывает ускоряющееся расширение Вселенной. При всей ее скрытности и при всем неведении о ее природе наблюдается огромное воздействие со стороны темной энергии (Wiggins, A.W., Wynn, C.M.; http://www.ligis.ru/librari_2/086.htm). Это резко отличает её от обычных форм материи и темной материи. Можно предположить, что диаметрально противоположные свойства темной материи и темной энергии обеспечивают реализацию способностей барионной материи к самоорганизации. При этом информационные единицы обычной (барионной) материи способны переходить от хаотических форм к сложноорганизованным формам порядка, получая в рамках эволюционных ветвей бифуркаций, возможность к образованию объектов, обладающих в фазе порядка (порядок → хаос → порядок → …) индивидуальной конфигурацией, конформацией и определенной хиральностью.

1.3 Происхождение изотопов химических элементов

Космологический нуклеогенезис – это одновременный синтез элементов во всей Вселенной или в ее значительной части. Самое меньшее, что должна космологическая дать теория, – это хотя бы установить первоначальный химический состав Вселенной. Простейшим вариантом космологической теории было бы утверждение, что первоначальный состав был таким же, как в современную эпоху. Такой ответ на поставленный вопрос, возможно, был бы удовлетворительным до открытия радиоактивности и развития наших представлений о строении атомного ядра (Тейлер, Р.Дж., 1975, с.133-134).

«Однако открытие радиоактивности показало, что химический состав не оставался неизменным, во всяком случае, с тех пор, как образовались радиоактивные элементы, а изучение эволюции звезд привело к убеждению, что за время существования Вселенной происходили и другие ядерные превращения. Как известно, водорода и гелия несравненно больше, чем других элементов, а относительное содержание более тяжелых элементов в нашей Галактике сильно меняется от звезды к звезде. Поэтому целесообразно рассмотреть гипотезу, согласно которой Вселенная состояла, вначале только из легких элементов, а более тяжелые образовались уже во время существования Галактики» (Тейлер, Р.Дж., 1975, с.133-134).

«При интерпретации наблюдений далеких галактик проще всего допустить, что законы физики, установленные на Земле, справедливы для всей Вселенной, если только это не приводит к противоречиям. Ибо трудно предположить что-либо иное. Поскольку свет далеких объектов шел к нам миллиарды лет, мы должны также допустить, что законы физики не менялись со временем, так же как не меняются и в пространстве. … Зависимость гравитационной постоянной от распределения вещества во Вселенной называется принципом Маха. В настоящее время с принципом Маха соглашаются многие физики…. Поэтому мы будем считать законы физики неизменными. Быть может, это так и есть, но всегда следует помнить, что это вовсе не обязательно» (Тейлер, Р.Дж., 1975, с. 135-136).

Сейчас уже открыта темная энергия и темная материя. Вероятно, могут быть открыты различные не известные сейчас формы материи и энергии. Может быть.

Материя (лат. materia – вещество, субстрат, субстанция), энергия → информация.

Материя – фундаментальное понятие, связанное с любыми объектами, существующими в природе, о которых мы можем судить благодаря нашим ощущениям, информационным потокам, информации об явлениях, процессах, объектах природы. Изменения во времени, происходящие с различными формами материи, составляют физические явления. Основной задачей физики является описание свойств тех или иных видов материи.

Основные формы материи, предположительно существовавшие на ранней стадии эволюции Вселенной могут быть:


  1. Кварк-глюонная плазма – сверхплотная форма вещества, существовавшая на ранней стадии эволюции Вселенной до объединения кварков в классические элементарные частицы (до конфайнмента).

  2. Докварковые сверхплотные материальные образования, составляющие которых – струны и другие объекты, которыми оперируют теории великого объединения (см. выше: теория струн, суперструн – ТБО, ТСО).

  3. Струноподобные объекты в современной физической теории претендуют на роль наиболее фундаментальных материальных образований, к которым можно свести все элементарные частицы, т.е. в конечном счёте, все известные формы материи.

Данный уровень анализа материи, возможно, позволит объяснить с единых позиций свойства различных элементарных частиц. Принадлежность к «веществу» здесь следует понимать условно, поскольку различие между вещественной и полевой формами материи на данном уровне стирается.

Элементарная частица – собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить (или пока это не доказано) на составные части (рисунок 1.3.1). Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части пока невозможно. Другие элементарные частицы являются бесструктурными и могут считаться первичными фундаментальными частицами. Начиная с 1932 года, было открыто более 400 элементарных частиц. Существуют многочисленные классификации элементарных частиц (рисунок 1.3.1).

По величине спина все элементарные частицы делятся на два класса.

Фермионы – частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино).

Бозоны – частицы с целым спином (например, фотон).

По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на следующие группы: адроны – частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на: мезоны (адроны с целым спином, т. е. бозоны); барионы (адроны с полуцелым спином, т. е. фермионы). К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, протон и нейтрон. Лептоны – фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10-18 м. Они не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдается только для заряженных лептонов (электроныe, мюоны – µ, тау-лептоныτ) и не наблюдается для нейтрино – νe, νµ, ντ. Известны 6 типов лептонов.

Кварки – дробно заряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались. Как и лептоны, делятся на 6 типов и являются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии;

калибровочные бозоны – частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия: фотон – частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

восемь глюонов – частиц, переносящих сильное взаимодействие; три промежуточных векторных бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое взаимодействие;

гравитон – частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным.

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны – это кванты разных видов излучения.

Кроме того, в Стандартной Модели с необходимостью присутствует Хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально.

Бозон Хиггса, или Хиггсовский бозон (иногда говорят просто «Хиггс») – элементарная частица, квант поля Хиггса, с необходимостью возникающая в Стандартной Модели вследствие хиггсовского механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии. По построению, Хиггсовский бозон является скалярной частицей, то есть обладает нулевым спином. Постулирован Питером Хиггсом в 1960 году (по другим данным, в 1964 году), в рамках Стандартной Модели отвечает за массу элементарных частиц (http://ru.wikipedia.org/wiki/Бозон_Хиггса). В Стандартной модели – единственной на сегодня теории, которая хорошо описывает мир элементарных частиц, – до сих пор не проверено на опыте одно очень важное явление – хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии (Поиск Хиггсовского бозона на LHC, http://elementy.ru/LHC/LHC/tasks/higgs).

Журнал TIMES назвал 10 самых главных научных событий 2008 года. (Эти события касаются всех наук). Рейтинг возглавил Большой Адронный Коллайдер (LHC), запуск которого начался 10 сентября 2008 г. Крупнейший в мире ускоритель элементарных частиц строился с 90-х годов усилиями физиков и инженеров из многих стран. Ученые надеются, что результаты исследований позволят подтвердить существование Хиггсовского бозона – частицы, отвечающей за массу всех других элементарных частиц.

Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи. В 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что, по крайней мере, адроны обладают внутренними степенями свободы, т.е. не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков (ru.wikipedia.org/wiki/Частица_(физика); http://slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00093/06700.htm).

В самом крупном масштабе Вселенная представляет собой расширяющееся пространство.

а) Адронная эра. При очень высоких температурах и плотности, в самом начале существования Вселенной, материя состояла из элементарных частиц. Вещество, на самом раннем этапе, состояло, прежде всего, из адронов, и поэтому ранняя эра эволюции Вселенной называется адронной, несмотря на то, что в то время существовали и лептоны. Никогда после этого сильное взаимодействие (ядерная сила) не проявлялась во Вселенной в такой мере, как в адронную эру, длившуюся всего лишь одну десятитысячную долю секунды.




Рисунок 1.3.1 Известные элементарные частицы. Протоны и нейтроны, образующие атомные ядра, сами состоят из кварков, которые сегодня считаются элементарными. В природе существуют также электроны и их более тяжелые короткоживущие аналоги – мюоны (μ) и тау-лептоны (τ). Кроме этого в природе имеются нейтрино трех типов, νe, νμ, ντ. Нейтрино не имеют электрического заряда и чрезвычайно слабо взаимодействует с веществом: в качестве иллюстрации, они пронизывают Землю, Солнце практически свободно. На рисунке не показаны фотоны и другие частицы, ответственные за взаимодействия, − W±- и Z-бозоны (Рубаков, В.А., 2005, http://elementy.ru/lib/25560/25565)


б) Лептонная эра. Когда энергия частиц и фотонов понизилась, в веществе было много лептонов. Температура была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и нейтрино. Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по сравнению с лептонами и фотонами встречаться гораздо реже. Лептонная эра начинается с распада последних адронов-пионов – в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд при температуре 1010 К, когда энергия фотонов уменьшилась, и материализация электронов и позитронов прекратилась. Во время этого этапа начинается независимое существование электронного и мюонного нейтрино, которые мы называем «реликтовыми». Всё пространство Вселенной наполнилось огромным количеством реликтовых электронных и мюонных нейтрино. Возникает нейтринное море.

в) Фотонная эра или эра излучения. Температура Вселенной понизилась еще больше, произошла только аннигиляция электронов и позитронов. Новые электронно-позитронные пары не могли возникать вследствие материализации, потому, что фотоны не обладали достаточной энергией. Но аннигиляция электронов и позитронов продолжалась дальше, пока давление излучения полностью не отделило вещество от антивещества. Со времени адронной и лептонной эры Вселенная была заполнена фотонами. К концу лептонной эры фотонов было в два миллиарда раз больше, чем протонов и электронов. Важнейшей составной частью Вселенной после лептонной эры становятся фотоны, причем не только по количеству, но и по энергии.


Рисунок 1.3.2 Связь температуры, энергии, размеров, плотности и времени в ранней Вселенной. Нижняя часть схемы показывает кварковский и лептонный состав материи (Пенионжкевич. Ю.Э., 1998; http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1197390)


Некоторые авторы (Волантэн, Л., 1986) рассматривают эволюцию Вселенной как смену четырех последовательных эр, в результате которой, согласно новейшим моделям, она пришла к своему теперешнему состоянию (10-30 г/см3, Т = 3 К) (рисунок 1.3.2).

На рисунке 1.3.2 схематично показана эволюция Вселенной по шкалам сверху – вниз: связь температуры, энергии, размеров плотности и времени от Большого Взрыва до появления галактик, звезд, формирования Солнечной системы.… В нижней части этого рисунка 1.3.2 показана также схема эволюции основных элементарных частиц. Это не просто схема эволюции основных элементарных частиц и образования вещества – это схема упорядочения материи с образованием барионного вещества, которое, как будет показано ниже, продолжается и сейчас. Данные рисунков 1.3.1 и 1.3.2 сопоставимы.

В этих моделях предполагается, что Вселенная ведет себя как абсолютно черное тело, температура и плотность которого очень высокие (плотность его больше ядерной 1015 г/см3, а температура выше 1 ГэВ (=1013 К)). Излучение этого абсолютно черного тела состоит из известных адронов, лептонов и фотонов и происходит до тех пор, пока температура выше, чем масса самого легкого из адронов, то есть p-мезона (140 МэВ, температура 1,6∙1012 К). Это соответствует адронной эре, продолжительность которой составляет примерно 10-4 с. К концу ее плотность сравнима с плотностью ядерного вещества.

Когда температура становится ниже 100 МэВ (1012 К), адроны еще остаются, но уже не могут рождаться спонтанно в излучении абсолютно черного тела. Теперь излучение состоит главным образом из лептонов и фотонов, и так остается до тех пор, пока температура выше порога рождения пары е+ + е, то есть примерно 1 МэВ. Охлаждение от 100 до 1 МэВ занимает около 1 с. Это время соответствует так называемой лептонной эре, к концу которой плотность становится 104 г/см3.


Обозначения: n – нейтрон, p – протон, е – электрон, е+ – позитрон,

ν – нейтрино,  – антинейтрино, D – дейтерий, Н – водород, Не – гелий.

Таблица 1.3.1 Первичный нуклеосинтез (Пенионжевич, Ю.Э., 1998; http://natu re.web.ru/db/msg.html?mid=1197390)


При температуре ниже 1 МэВ лептоны хотя и существуют как частицы, но уже не могут спонтанно рождаться в излучении абсолютно черного тела. Теперь излучение состоит преимущественно из фотонов. Это начало радиационной эры, конец которой определяется моментом, после которого излучение (фотонное) существует отдельно от вещества (адронов и лептонов). Эта эра заканчивается примерно через 106 лет после Большого взрыва (Пенионжкевич, Ю.Э., 1998; http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1197390).

В работе Дж. Нарликар (1985) приводятся в хронологическом порядке события, которые происходили во Вселенной начиная с момента 10-2 с после ее рождения.

Из таблицы 1.3.1 видно, что процессы образования ядер прекращаются при t = 35 мин, когда температура Вселенной падает до 3∙108 К. Это означает, что протоны и нейтроны уже не сливаются, образуя более тяжелые ядра. Следующий этап осуществляется, когда возраст Вселенной достигает 7∙105 лет и температура падает до 3000 К. При такой температуре химическая энергия связи атомных ядер и электронов достаточно высока, чтобы удержать их вместе в виде нейтральных атомов. В эту эпоху происходит образование водорода и гелия. На этом завершается этап первичного нуклеосинтеза. Более тяжелые ядра образуются уже в результате процессов, связанных с эволюцией звезд (Пенионжевич, Ю.Э., 1998; http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1197390).

Через несколько лет после открытия явления ядерных превращений Г.И. Покровский (1931 год, цит. по Соботович, Э.В., 1974) один из первых высказал предположение, что химические элементы должны были возникать в звездах в результате ядерных реакций и предложил «равновесную теорию». То есть, все химические элементы во Вселенной образовались одновременно, в результате единого акта творения. Сходная идея была выдвинута в 1948 году Р. Альфером, Г. Бете, Дж.А. Гамовым нейтронного захвата (αβγ-теория). Авторы этих теорий предполагали, что за 15 минут путем последовательного захвата нейтронов и бета-распада образующихся ядер атомов возникли все существующие в природе нуклиды. По этой теории процесс образования химических элементов начался вместе с расширением Вселенной. Эти идеи были развиты С. Вейцзеккером, В.В. Чердынцевым, Ф. Хойли и другими учеными.

Р.Дж. Тейлер, один из ведущих специалистов в области происхождения химических элементов пишет по этому поводу следующее: «Естественно ожидать, что в большинстве галактик – если не во всех – процессы образования элементов протекали аналогично, но имеющиеся в нашем расположении подробные данные наблюдений относятся главным образом к нашей Галактике». … И далее, «химический состав различных звезд нашей Галактики неодинаков» … «некоторые очень старые звезды содержат, лишь весьма малые количества элементов тяжелее гелия и что химический состав, возможно, зависит от положения звезды в Галактике». … При этом «очень низкие содержания тяжелых элементов наблюдаются только в самых старых звездах. Таким образом, создается впечатление, что если первоначальное содержание тяжелых элементов было однородным в пространстве, то оно было исключительно низким, а значительная часть тяжелых элементов, существующая сейчас, образовалась в течение времени, очень короткого по сравнению с возрастом Галактики». … И далее «содержание тяжелых элементов в молодых звездах вблизи центра Галактики, по-видимому, выше, чем в ее внешних областях, а химический состав звезд одного и того же возраста, несомненно, не вполне одинаков. Это указывает на то, что скорость образования тяжелых элементов не была повсюду одинаковой, и что они, возможно, создавались преимущественно в центральных областях Галактики». … «Характерная особенность наблюдаемых содержаний тяжелых элементов состоит в том, что в большинстве звезд, за исключением некоторых звезд с необычным – пекулярным – химическим составом, смесь тяжелых элементов примерно одинакова, хотя их общее количество сильно варьирует. Это привело к предположению, что большая часть тяжелых элементов образовалась в объектах одного типа» (Тейлер, Р.Дж., 1975, с. 154-155).

В настоящее время принята теория образования химических элементов на всех этапах развития звезд, то есть, этот процесс продолжается и сейчас. Авторами этой теории являются американские физики В. Фаулер, Е. Сальпентер, А. Камерон, Л. Гринштейн и английские космофизики Д. Бербридж, Ф. Хойл. Все известные химические элементы образовались в результате наложения ряда процессов. Д. Бербридж дает 8 процессов, необходимых для образования всех химических элементов. Сочетание этих 8 типов ядерных процессов качественно, а в отдельных случаях и количественно объясняет распространенность элементов в пределах Солнечной системы и некоторых ближайших звезд (рисунок 1.3.3).

Наблюдения химического состава космических объектов подтверждают гипотезу, согласно которой первоначальное вещество Вселенной содержало одни легкие элементы, а тяжелые элементы были созданы позже ядерными реакциями.

Элементы вплоть до области железа в периодической системе могут образовываться в реакциях ядерного синтеза, освобождающих энергию. Для того, чтобы начались реакции синтеза, создающие более тяжелые элементы, необходимо поступление энергии. А так как реакции между ядрами, обладающими большими зарядами, происходят очень медленно, поэтому предполагается, что тяжелые ядра были построены путем захвата нейтронов.

Существует два типа процессов нейтронного захвата.

s-Процесс – в котором нейтроны захватываются настолько медленно, что неустойчивые ядра распадаются, не успев присоединить следующий нейтрон. В.Н. Рыжов считает, что s-процесс идет в недрах звезд при их нормальной стадии эволюции (Рыжов, В.Н., 2000). И r-процесс, – в котором ядро успевает присоединить много нейтронов, прежде чем произойдет распад. Тяжелые и сверхтяжелые элементы, находящиеся в таблице Д.И. Менделеева за Bi образуются в результате r-процесса (Рыжов, В.Н., 2000). Быстрый r-процесс создает большую часть изотопов, богатых нейтронами, включая все ядра, обладающие естественной радиоактивностью. В медленном s-процессе создаются изотопы с относительно большим числом протонов. В сумме все эти процессы приводят к тому, что кривая распространенности элементов имеет пики в областях магических чисел нейтронов (Тейлер, Р.Дж., 1975).

p-Процесс представляет собой образование редких, богатых протонами ядер путем захвата протонов или позитронов, так как ни одним процессом нейтронного захвата эти ядра не могут быть созданы. К таким ядрам следует отнести в первую очередь изотопы 111Sn, 112Sn, 115Sn. Физические модели условий протекания p-процесса в звездах остаются пока в большей степени неоднозначными по сравнению с процессами захвата нейтронов (Рыжов, В.Н., 2000).

Рисунок 1.3.3 Основные этапы эволюции массивной звезды и звездного нуклеосинтеза (Физика экзотических ядер ׀ распространенность элементов http://nuclphys.sinp.msu.ru/index.html)

Если вещество, первоначально состоящее из легких элементов, постепенно нагревается, то в нем развиваются в определенной последовательности ядерные реакции. При температурах 107, 108, 5·108, 109 К происходит соответственно горение водорода, гелия, углерода, кислорода. При температуре 2·109 К происходит горение кремния, которое приводит к образованию химических элементов «железного пика» (рисунок 1.3.3).

Горение кремния является конечной стадией термоядерного синтеза нуклидов в массивных звездах, на которой образуются ядра группы железа. Эти ядра обладают максимальной удельной энергией связи (Рыжов, В.Н., 2000). Последняя стадия звезды не может существовать долго, так как в центре ее термоядерные силы угасают. Это состояние звезды называется предсверхновой, предшествующее взрыву звезды вследствие нарушения в ней равновесия (Рыжов, В.Н., 2000).

Последовательность реакций синтеза развивается в медленно эволюционирующих звездах, но реакции могут происходить и взрывообразно, если вещество внезапно нагревается до температуры, превосходящей минимум, необходимый для наступления ядерных реакций. Взрывные процессы существенным образом участвовали в образовании химических элементов (Бронштейн, В.А., 1974; Шкловский, И.С., 1975; Тейлер, Р.Дж., 1975).

Ни одна из теорий: αβγ-теория, теория равновесного процесса, полинейронная теория не могут объяснить наблюдаемую распространенность химических элементов, более того, в пределах нашей Галактики имеются существенные различия в химическом составе различных звезд.

Две немногочисленные группы изотопов с низкими относительными содержаниями не могли быть созданы ни нейтронным захватом, ни термоядерным синтезом. Это наиболее богатые протонами изотопы тяжелых элементов, которые, вероятно, являются продуктами быстрого протонного захвата, а также химические элементы литий, бериллий, бор. Эти элементы образуются, по-видимому, в результате расщепления более тяжелых ядер при столкновении с протонами (Тейлер, Р.Дж., 1975).



Рисунок 1.3.4 Звездный нуклеосинтез (Ишханов, Б.С., Капитонов, И.М., Тутынь, И.А., 1998, http://nuclphys.sinp.msu.ru/nuclsynt/index.html#i)


Таким образом, в общем плане упрощенная схема образования химических элементов может определяться следующими основными ядерными процессами:

1. Термоядерный синтез (образуются химические элементы до Z = 26);

2. Нейтронный захват:

а) s-процесс (образуются химические элементы с относительно большим числом протонов до Z = 83);

б) r- процесс (образуется большая часть изотопов, богатых нейтронами).

3. Быстрый протонный захват – образуются богатые протонами изотопы тяжелых элементов (112Sn, 114Sn, 115Sn – p-процесс).

4. Расщепление более тяжелых ядер при столкновении с протонами.

Последовательность термоядерных реакций образования изотопов химических элементов представлена на рисунке 1.3.4.

Итак, образование химических элементов происходит с помощью ядерных процессов в звездах, которые проходят свой жизненный цикл. «Мы начали исследовать внутреннее строение звезды и вскоре обнаружили, что исследуем строение атома»… (Эддингтон, А., цит. Климишин, И.А., 1989, с. 279).

В процессе эволюции звезды есть период, когда температура в ее недрах повышается, и там развивается последовательность ядерных реакций синтеза. Чем больше масса звезды, тем больше максимальная внутренняя температура и тем больший спектр возможных ядерных реакций (таблица 1.3.2).




Масса Мо

Ядерные реакции

0,08

0,3


0,7

5,0


30,0

Нет

Горение Н

Горение Н, Не

Горение Н, Не, С

Все реакции синтеза, освобождающие энергию

Таблица 1.3.2 Ядерные реакции, происходящие во время нормальной эволюции в звездах разной массы. Приведены приближенные значения масс. Если звезда взрывается, в ней могут развиться и другие реакции

(Тейлер, Р.Дж., 1975, с. 158)
Массивные звезды должны завершать свою эволюцию гораздо быстрее, чем звезды малой массы. Звезды, менее массивные, чем Солнце, остаются на главной последовательности достаточно долго и не могут играть существенной роли в полезном синтезе химических элементов. Полная последовательность ядерных реакций синтеза, с помощью которых создаются тяжелые химические элементы, происходит очень быстро, в виде взрыва. Такие звезды в момент взрыва называют сверхновыми.

Тяжелые химические элементы, выброшенные сверхновыми звездами, представляют собой полезный выход реакций образования тяжелых химических элементов, которые вероятно были образованы на более ранних стадиях эволюции звезды или в ядерных реакциях протекающих взрывообразно во время вспышки сверхновой звезды. Станет ли остаток сверхновой звезды белым карликом, нейтронной звездой, черной дырой (коллапсаром), определяется массой остатка. Помимо сверхновых звезд поступление тяжелых химических элементов в некоторой мере происходит из новых звезд, планетарных туманностей, звезд главной последовательности и звезд красных гигантов. Однако основным поставщиком тяжелых химических элементов в межзвездную среду и определяющим круговорот материи в Галактике являются вспышки сверхновых.

За образование химических элементов могут быть ответственны два типа объектов: звезды и некоторые объекты, более массивные, чем звезды (смотри выше).

Анализируя имеющийся материал Р.Дж. Тейлер (1975, с. 180-182) приходит к выводу, что в данных наблюдениях и теориях много неопределенного и все эти неопределенности можно свести к следующим положениям:



  1. Самые старые звезды в гало галактики содержат очень мало элементов тяжелее гелия.

  2. В звездах диска Галактики содержание тяжелых элементов мало отличается от их содержания в Солнце, причем это справедливо и для звезд, которые лишь немного моложе, чем старые звезды гало.

  3. В большинстве звезд, для которых удалось определить содержание гелия, оно составляет около 25 % по массе, но возможно, что в самых старых звездах гелий по существу отсутствует.

  4. Скорость образования тяжелых элементов в первые 10 % времени жизни Галактики должна быть значительно выше, чем потом.

  5. Необходимо выяснить, мог ли весь гелий, содержащийся в Галактике, образоваться за время ее существования, если он не входил в состав первозданного вещества.

  6. Из всех звезд, наблюдающихся в наше время, только сверхновые могут создавать тяжелые элементы с необходимой скоростью.

  7. Если тяжелые элементы синтезированы в сверхновых, то их содержание в межзвездном веществе должно изменяться в пространстве плавно.

  8. Химический состав межзвездной среды неоднороден и, в частности, возможно, что содержание тяжелых элементов вблизи галактического центра выше, чем в остальной Галактике. Однако ясных указаний на значительные вариации химического состава в небольших областях пространства не существует.

  9. Объекты, в которых происходил быстрый синтез тяжелых элементов в начале истории Галактики, могут принадлежать к типу, не являющемуся обычным для ее современного населения.

10. Полная скорость образования тяжелых элементов должна быть больше скорости «полезного выхода», так как часть тяжелых элементов заключена в остатках взорвавшихся звезд. Полная масса Галактики и пропорции вещества, содержащегося в ней в форме водорода, гелия и тяжелых элементов, известны очень плохо, но в первом приближении можно считать, что:

11. Полный «полезный выход» тяжелых элементов должен быть порядка 2·109 М.

12. Ели гелий – не первозданный, то его «полезный выход» должен быть примерно в 10 раз превосходить «полезный выход» тяжелых элементов, так как в настоящее время в молодых объектах содержание гелия именно во столько раз больше содержания тяжелых элементов.

«У нас есть некоторые соображения о полном количестве тяжелых элементов в Галактике в настоящее время. Полная масса Галактики заключена, вероятно, между 1011 и 2·1011 М, а масса тяжелых элементов в наблюдаемых звездах и в межзвездной среде составляет около 2·109 М или больше» (Тейлер, Р.Дж., 1975, с. 157).

«Как следует из наблюдений химического состава звезд различного возраста, образование элементов в начале существования Галактики должно было происходить значительно быстрее, чем теперь, а это в свою очередь предполагает, что самые ранние поколения звезд состояли преимущественно из массивных звезд.

Если тяжелые элементы образуются в звездах, то попасть в межзвездное пространство они могут, по-видимому, главным образом в результате взрывов сверхновых. Недавно было установлено очень важное обстоятельство, а именно: ядерные реакции, происходящие во время взрывов сверхновых, сильнее сказываются на окончательном химическом составе выбрасываемого газа, чем ядерные реакции, протекающие в эволюционирующей звезде до взрыва. Кажется возможным (но не очевидным), что взрывы сверхновых происходят достаточно часто для того, чтобы обеспечить современную скорость поступления тяжелых элементов в межзвездную среду, но в первых поколениях массивных звезд частота вспышек сверхновых должна быть значительно больше». … «Хотя гипотеза образования тяжелых элементов в звездах кажется вполне правдоподобной, наблюдающиеся в центральных областях некоторых галактик взрывы, в которые, несомненно, вовлечены значительно большие массы вещества, чем взрывы сверхновых, наводят на мысль, что в образовании элементов могли играть существенную роль объекты, гораздо более массивные, чем обычные звезды. Удовлетворительной теории взрывов, наблюдающихся в в центрах галактик, пока не существует, хотя некоторые исследователи высказывали предположение, что это не взрывы сверхновых, а «всплески рождения вещества». Расчеты построения элементов в этих «малых взрывах» показывают, что в них могут образовываться гелий и тяжелые элементы, но в настоящее время их не считают основным источником тяжелых элементов, так как они, по-видимому, не обеспечивают нужного состава смеси тяжелых элементов» (Тейлер, Р.Дж., 1975. с. 202-203).

Таким образом, в первичном космическом котле могли быть созданы не все химические элементы таблицы Д.И. Менделеева (как думал и считал Гамов, Г.А.), а только самые легкие и больше всего по массе до 25 % – гелия. Тяжелые химические элементы синтезируются позднее, при эволюции звезд, взрывах сверхновых, взрывах в центрах галактик, больших массах вещества, гораздо более массивных, чем обычные звезды и т.д.

Вопрос об образовании химических элементов можно условно разделить на две части: образование первичного вещества (материи) и образование (и последующую трансформацию) химических элементов. Образование вещества и химических элементов тесно связано с вопросом происхождения и развития Вселенной.




страница 1 страница 2
скачать файл


Смотрите также: