WWW.KNIGA.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Книги, пособия, учебники, издания, публикации

 


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |

«Сегодня позитивное познание вещей отождествляется с изучением их развития. П.Тейяр де Шарден. РАЗВИВАЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ Дополненное издание. 2007 г. ОТ АВТОРА За 10 лет ...»

-- [ Страница 2 ] --

Ни один здравомыслящий человек не поставит чайник с холодной водой на лед в надежде, что чайник закипит, а лед станет еще холоднее. Если мы захотим отнять у холодного тела какоето количество тепла, то нам придется построить установку типа холодильника, в которой отбор тепла будет осуществляться при расходовании другой разновидности энергии, например, электроэнергии. При этом окажется, что в эквивалентных единицах затраты электроэнергии намного превысят полученное таким способом тепло. Известно также, что любая разновидность энергии свободно превращается в тепло, но тепло переводится в другие виды энергии неравноценно. Поэтому в закрытых системах любое преобразование одного вида энергии в другой сопровождается невозвратным переходом части энергии в тепло. В конечном счете, все высшие виды энергии переходят в самую низшую разновидность, в тепловую энергию, которая равномерно распределяется между элементами системы, а система приходит к своему самому простому состоянию, к термодинамическому равновесию. Рассматривая этот процесс во времени, приходим к выводу о существовании стрелы времени, указывающей направление его необратимого течения.

Физика знает не только статистические, вероятностные законы, порождающие стрелу времени. Классическая механика, например, основывается на динамических законах, описывающих движение макротел во времени и пространстве. Динамические законы не исключают возможности формального обращения времени. Так, поменяв в уравнениях движения макротела (например, автомобиля) знаки плюс на знаки минус перед временем и скоростью, получим описание движения этого тела по пройденному пути в прошлое и в обратном направлении. Однако, мы знаем, что даже если автомобиль поедет точно по пройденному пути в обратном направлении, сидящий за его рулем водитель не станет моложе, время продолжит свой неумолимый бег вперед. В процессах самоорганизации работают законы, имеющие динамическую природу, но при этом время назад не обращается. Почему же не удается распространить второе начало и на динамические процессы самоорганизации, придав ему универсальный характер? В своей Нобелевской лекции [8] Пригожин выделил одну из основных причин, мешающих такому распространению – эмпирический характер этого начала. Из возникшего затруднения он предлагает выйти самым простым путем, разрубив гордиев узел. По его мнению необходимо признать второе начало фундаментальным принципом природы и постулировать его универсальность, как, например, постулируется невозможность превышения скорости света. Тем самым приложимость второго начала к неравновесной термодинамике будет узаконена. По словам Пригожина разработка новой научной дисциплины – неравновесной термодинамики – находится в начальной стадии. Создан ее математический аппарат, но, как и в случае Синергетики, пользоваться им не просто.





Подводя итоги рассмотрения нового научного направления, можно сказать следующее.

Вопреки не вполне компетентным высказываниям, что синергетика – не наука, а скорее философия, убедительные факты говорят о том, что это молодая, но пока еще далекая от завершения междисциплинарная наука. Как и у других научных дисциплин, у синергетики есть свой четко определенный предмет изучения, своя методология, она опирается на современное научное знание, у нее есть ряд вполне реальных приложений. С философией ее связывает то, что, как сказал Волькенштейн, «Синергетика – это новое научное мировоззрение, отличное от ньютоновского мировоззрения». Это очень серьезный фактор, выводящий синергетику на роль общенаучной дисциплины. Но на всем протяжении своего относительно короткого существования синергетика сталкивается с серьезными проблемами, которые вызывают брожение мнений в научных кругах. Здесь не место для анализа ведущихся дискуссий, стоит лишь отметить следующее.

Пока в новом научном направлении действуют, по меньшей мере, три разных подхода, и не видно попыток их объединения. В таких условиях трудно ожидать создания единой теории переходов развивающихся систем в качественно новые состояния. Но основная трудность создания теории, пожалуй, носит принципиальный характер: переходные процессы нелинейны, поэтому, хотя Хакен в Синергетике и Пригожин в Неравновесной термодинамике написали уравнения в рамках создаваемых ими теорий, решение таких уравнений в каждом конкретном случае представляет почти непреодолимые трудности. А серьезные критики получают обоснованный повод для утверждения об отсутствии теории, следовательно, и об отсутствии научной дисциплины. Тем не менее, есть основания для оптимизма в отношении будущего синергетики.

В дальнейшем нам предстоит рассмотреть особенности процессов развития систем разного масштаба и степени сложности. Важно при этом проследить общие тенденции того, что можно назвать историческими путями развития каждой такой системы, характерные качественные переходы на таких путях, особенно в состояния с более высокими уровнями организации, выявить существование общих тенденций, и на этом основании понять современную естественнонаучную концепцию развития в Природе. Такую задачу можно решить только одним путем – рассмотрением современной научной картины Мира.

Здесь предстоит учесть следующую особенность. Предметом такого рассмотрения является исторический путь развития вещественной Вселенной, как этот путь представляется на основании наиболее продвинутой современной научной гипотезы ее образования и последующего развития. На определенных этапах развития Вселенной возникали рождаемые в ее недрах подсистемы, что привело к образованию наблюдаемой в наши дни иерархии разномасштабных подсистем. Каждая подсистема является неотделимой частью Вселенной, но при этом обладает определенной автономией в индивидуальном развитии. Иерархию систем следует рассмотреть вплоть до Солнечной системы, планеты Земля, возникшей на ней биосферы, породившей на планете Разум и социальное сообщество людей – носителей разума.



2. САМООРГАНИЗАЦИЯ ВЕЩЕСТВА В РАННЕЙ ВСЕЛЕННОЙ

2.1. Гипотеза о «начале» вещественной Вселенной Наблюдательное открытие расширения Вселенной к 1930 году, в частности, утвердило представление о ее «рождении» и последующем историческом развитии. В новых условиях перед космологией встала непростая задача реконструировать прошлое вещественной Вселенной, опираясь на современные астрономические наблюдения и на научные знания сегодняшнего дня, способные осуществить решение подобной нетривиальной задачи. Первый и наиболее трудный вопрос – каков был Мир, породивший вещественную Вселенную, как протекало начало ее рождения.

Иногда всерьез понимают заявления некоторых космологов, что Вселенная родилась из ничего. Так, Зельдович Я.Б. дал такой броский заголовок одной из своих последних популярных статей: «Возможно ли образование Вселенной “из ничего”?» [20]. Но термин “из ничего”, кстати, взятый в кавычки, не следует понимать буквально, за ним скрывается глубокий смысл.

В статье речь идет о том, что нет препятствий к квантовому рождению Вселенной со стороны основных законов сохранения, таких как сохранение электрического заряда или сохранения энергии – массы. В послесловии к этой статье А.Д. Сахаров писал: “Зельдович ставит задачу построения полной космологической теории ранней Вселенной, описывающей самую первую, «квантово-гравитационную» стадию расширяющейся Вселенной, отвечающей на вопрос – как возникли качественные и количественные особенности строения Вселенной, проявляющиеся на более поздней стадии, почему Вселенная именно такая, какой мы ее наблюдаем”. И далее:

“Пока мы лишь приближаемся к пониманию всех этих самых фундаментальных вопросов о Природе. Есть много идей, много надежд, проделана и делается колоссальная работа, но, вероятно, еще гораздо больший путь впереди, может быть бесконечный”.

Согласно современным научным взглядам, термин «из ничего» заменяется исходной физической средой, каковой является квантовый (физический) вакуум. Когда-то вакуумом называли абсолютную пустоту. Еще древнегреческий философ Демокрит утверждал, что Мир состоит из атомов и пустоты. По его представлениям пустота – это существующее ничто, абсолютно однородное пространство, разделяющее тела, а внутри сложных тел отделяющее атомы друг от друга. Современная физика сохранила этот термин, полностью изменив его содержание. Не вдаваясь в излишние подробности, физический вакуум следует считать базовой формой материи в нашем Мире, отличной от другой формы материи, называемой веществом.

Приходится согласиться, что появление вещественной Вселенной произошло в рамках уже существовавшей Вселенной в общем понимании этого термина. В ней, возможно, не было вещества в свободном состоянии, но господствовала темная энергия, входящая в качестве основного компонента в физический вакуум. Эта субстанция и была тем исходным состоянием материи, из которого смогла возникнуть вещественная Вселенная. Таким образом, в принципе решается вопрос, откуда произошла такая Вселенная. Но пока нет ответа на следующий вопрос – какова природа базовой субстанции нашего Мира, каковы формы ее существования и при каких условиях она способна порождать вещественный мир.

Другой трудный вопрос «начала» - каково происхождение гигантской энергии, необходимой не только для «рождения» вещественной Вселенной, но и для дальнейшего поддержания процессов ее развития вплоть до наших дней, также в принципиальном плане нашел решение в результате открытия действующих в Природе сил отталкивания. Источник такой энергии – то, что получило название антигравитирующего вакуума, включающего в свой состав основную часть - темную энергию. Пока астрономические наблюдения позволяют судить о такой энергии в ее «катастрофических» проявлениях: в квазарах, взрывах Сверхновых, в образующихся черных дырах, в мощнейших гамма-всплесках и других подобных событиях.

Один из ярких примеров действия в нашей Вселенной огромной энергии произошел марта 2003 года, когда в созвездии Льва был зарегистрирован мощнейший космический гамма-всплеск. Сразу же был обнаружен объект, создавший такой выброс – в видимой области спектра появилась сверхновая звезда. Но при этом гамма-вспышка превосходила все, что наблюдалось до этого. По красному смещению в спектре расстояние до источника определено более чем в 2 миллиарда световых лет. В оптическом диапазоне объект светил ярче нескольких сотен миллиардов солнц. По мнению астрофизиков обнаруженная гамма-вспышка является самым грандиозным событием после Большого Взрыва. Однако, механизмы таких явлений будут поняты лишь после того, как наука выяснит характер взаимодействия темной энергии с веществом.

В недавнем прошлом о начале вещественной Вселенной пытались судить на основании того, что дает нестационарное решение уравнений ОТО, позволяющее обернуть для нашей Вселенной время назад, к началу ее расширения. Это решение, описывающее динамику развития Вселенной на всем протяжении ее истории, дает в исходном состоянии сингулярность. Формально сингулярность означает, что расширение началось из состояния, в котором вещество было стянуто в безразмерную точку, где его плотность была бесконечно большой. Известные законы физики в сингулярности не работают. Более того, нет уверенности, что наука когдалибо познает и объяснит состояние вещества в сингулярности. Так что если сингулярность на самом деле является исходным состоянием расширяющейся Вселенной, то наука не располагает, и не будет располагать о нем никакой информацией.

Сингулярность, как исходное состояние расширяющейся Вселенной, порождает комплекс нерешаемых проблем. Сингулярности, - пишет английский физик С.Хокинг, один из тех, кто успешно развивает новую космологию [21], - это такие точки, где кривизна пространства и времени становится бесконечной и сами понятия пространства и времени теряют всякий смысл. Таким образом, помимо проблемы бесконечной плотности вещества (или эквивалентной ему энергии) в сингулярности возникает еще одна проблема – необходимость определения свойств пространства-времени в экстремальных состояниях. В сингулярности бесконечно большая плотность вещества порождает не просто замыкание, а полное разрушение пространственно-временного континуума. Именно так следует понимать приведенное выше высказывание Хокинга. А это означает, что до рождения Вселенной не было ни пространства, ни времени в нашем сегодняшнем понимании этих терминов. Такое нам трудно представить, но это не единственная трудность, которую мы встречаем при попытке познать таинственную развивающуюся Вселенную.

Возникает веское возражение, согласно которому сингулярность необоснованно распространена классической теорией, каковой является ОТО, на область, в которой неприемлемы ее исходные предпосылки. Исходная область является зоной, в которой господствуют квантовые процессы. В таких ситуациях следует принимать во внимание не только состояние вещества, но и состояние фона, каковым является физический вакуум вместе с темной энергией. В экстремальных положениях он плотно взаимодействует с вещественным микромиром. Согласно квантовым представлениям, вещество невозможно стянуть в безразмерную точку, это противоречит принципу неопределенности Гейзенберга. Этот принцип прямо вытекает из дуализма корпускулярных и волновых свойств вещества. Волна обязана быть размерной субстанцией, иначе она перестает существовать. Это же обстоятельство приводит к заключению, что в Природе обнаруживается предельно допустимая плотность вещества, превысить которую, а тем более сделать бесконечной, невозможно. Макс Планк вычислил эту плотность, она равна очень большой, но конечной величине, а именно 1094 г/см3 (планковская плотность).

Далее выдвигаются различные предполагаемые сценарии, описывающие «начало». Рассмотрим сценарий, подтолкнувший Алана Гута к выдвижению идей, которые составили основу инфляционной теории, предположительно описывающую самую начальную стадию «рождения» вещественной Вселенной.

Допускается, что исходный квантовый вакуум оказался в возбужденном состоянии, обладая предельно высокой плотностью энергии, порядка 1019 Дж/см3. В таких условиях вещество не могло находиться в свободном состоянии, а при отсутствии вещества не мог существовать пространственно-временной континуум. Следствием такой высокой плотности энергии стали возникшие сильнейшие отрицательные натяжения, создававшие эффект космического отталкивания, что можно трактовать как кратковременное господство антигравитации. Такая ситуация стала причиной возникновения первотолчка, вызвавшего стремительное раздувание Вселенной.

В этой фазе Вселенная соответствовала модели де Ситтера, выведенной им из общей теории относительности в предположении заполнения пространства газообразной средой, не содержащей вещество (1916 г.). Такой средой был исходный физический вакуум, включающий субстанцию под названием темная энергия. По расчетам гигантское отталкивание в 10120 раз превосходило силы, которые способны были удерживать систему в стационарном состоянии. Возникло экспоненциальное расширение пространства, длившееся очень короткое время, от 10-43 секунды после начала и до примерно 10-35 секунды. За этот короткий миг пространство распространилось на расстояние, которое на много порядков превышает современный радиус видимой Вселенной. К концу фазы раздувания Вселенной возбужденное состояние квантового вакуума спало, что привело к прекращению действия отрицательных натяжений и снижению сил отталкивания почти до нуля. Изменения, произошедшие в период экспоненциального раздувания, подготовили условия для протекания последующих периодов раннего этапа развития вещественной Вселенной.

При всех трудностях, с которыми пока еще сталкивается эта не до конца завершенная инфляционная теория, она решила ряд космологических проблем, которые до этого не поддавались объяснению. Так, установлено, почему кинетическая энергия возникшего вещества точно равнялась гравитационной энергии. Соответственно тем самым объясняется и тот факт, что современная плотность вещества во Вселенной равна критическому значению плотности.

Теория объясняет факт высокой крупномасштабной однородности вещества Вселенной, решает проблему плоскостности (в пространстве проявляется евклидова геометрия), объясняет факт отсутствия в нашем мире реликтовых монополей, решает проблему горизонта событий (А. Линде [23]). Совсем неплохо для незавершенной теории. Ее разработка успешно продолжается, и она показывает, что именно в этот период были заложены основания будущих форм Вселенной сегодняшнего дня.

Выдающуюся роль инфляционной теории в описании самого начального периода возникновения вещественной Вселенной П.Девис оценивал так: «Хотя инфляционный сценарий разработан только частично и всего лишь правдоподобен, не более, он позволил сформулировать ряд идей, обещающих безвозвратно изменить облик космологии… Первичный взрыв, в котором возникло то, что мы называем Вселенной, отныне перестал быть загадкой, лежащей за пределами физической науки». В самое последнее время получены подтверждения ряда ее предсказаний последними наблюдательными астрономическими данными.

В описании последующей стадии активная роль принадлежит Теории Великого Объединения (ТВО). Еще на предыдущей стадии появилось локальное субатомное образование, в которое из недр квантового вакуума перешла огромная энергия в форме излучения. Эта энергия преобразовалась в частицы вещества и антивещества при температуре не ниже 1027К с плотностью порядка 1080 г/см3. Такое образование стало зародышем вещественной Вселенной. Не исключают, что подобных «зерен» возникло множество, что образно описывают вскипанием вакуума. Частицы стали предшественниками известных нам сегодня элементарных частиц, но в тех условиях они представляли собой самую простейшую разновидность вещественной матери. Одновременно с веществом возникли пространство и время. Именно процесс появления вещества вместе с пространственно-временным континуумом получил название «Большой Взрыв», придуманное ироничным физиком Хойлом. Но это не был взрыв, который наблюдается в земных условиях. Его отличало то, что отсутствовал разлет возникших частиц из некоего центра, но появилось расширение пространства, в котором сосредоточилось вещество, и это расширение увеличивало расстояние между частицами, воспринимаясь как расширение исходного сгустка. Такая форма расширения существует и в наши дни, разбегаются не галактики, а растет расстояние между ними из-за расширения пространства.

Следующие шаги самоорганизации расширяющейся Вселенной связаны с нарастающим усложнением вещества микромира, их рассмотрение потребует знакомства с современными представлениями о строении вещества. Сделаем краткое отступление от темы в эту область современного знания.

2.2 Научные представления о строении вещества в сжатом изложении.

Современные научные представления о строении вещества развиваются скоротечно. Прогресс в этой области знаний оперативно освещается в научно-популярной литературе. Из обширнейшего библиографического списка сошлюсь на две книги, достаточно полно и популярно отражающие как достигнутый уровень знаний о строении вещества, так и проблемы, стоящие перед соответствующими разделами физики [24, 25]. Ссылка не умаляет достоинства многих других научно-популярных источников, посвященных данной тематике. Я же ограничусь приведением того минимума сведений, без которого понимание последующего содержания книги будет затруднительным.

Вещество, одна из известных нам форм существования материи, воспринимается наблюдателем либо как реальное поле, либо как реальная корпускулярная частица. За обоими этими восприятиями стоит одна сущность, по-разному проявляющаяся в зависимости от условий наблюдения. Это основополагающее свойство вещества называют дуализмом волновых и корпускулярных свойств, в нем выражено важнейшее представление современной физики. На языке формул дуализм отражают два кратких, но весомых соотношения. Это уже упоминавшееся уравнение эквивалентности энергии и массы: Е = mc2 и уравнение, связывающее массу m с длиной волны поля, соответствующего частице с этой массой: = h /mv, где h – постоянная Планка (h = 6,6261034 Джс), v – скорость частицы.

Масса частицы есть величина постоянная, если скорость ее движения много меньше скорости света. Иногда ее называют массой покоя mо. Но при больших скоростях, соизмеримых со скоростью света, масса частицы возрастает и тем сильнее, чем ближе скорость частицы к скорости света. В этом случае масса выражается соотношением m = mo + m, где m - релятивистская поправка к массе покоя. Вкладом этой поправки нельзя пренебрегать, если скорость частицы v превысит значение, составляющее более 20% от скорости света (с 300000 км/ с).

Среди других характеристик частицы специфическая роль отводится спину. В классической механике понятие спин определяет величину момента количества движения, что характеризует вращение тела, например, волчка. Но буквальный перенос этого понятия на микрочастицу теряет смысл, поскольку элементарные частицы невозможно представить вращающимися миниатюрными волчками. В квантовой физике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние. К таким интерпретациям квантовой физикой классических понятий, быть может нелегко привыкнуть, но и микромир ведь невозможно уложить в макроскопические представления. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения в их непрерывной последовательности, спин принимает только положительные дискретные значения, пропорциональные постоянной Планка h. Коэффициент пропорциональности называют спиновым квантовым числом, которое у частиц одного сорта принимает целочисленные значения (0, 1, 2,...), а у частиц другого сорта – полуцелые значения (1/2, 3/2...).

Для краткости спиновое квантовое число стали называть просто спином, держа при этом в уме второй сомножитель, входящий в это понятие – постоянную Планка.

Другая форма проявления вещества – поле. Понятие поля родилось из наблюдений того, что вещественные частицы и тела способны оказывать определенные воздействия друг на друга, не вступая в прямой контакт, то есть дистанционно. Наука пока не дает ответа на вопрос, почему вещество обладает такими свойствами, но на основании известных фактов она способна частично ответить на вопрос, как осуществляются конкретные дистанционные взаимодействия. Различают четыре фундаментальные разновидности дистанционных взаимодействий, о которых мы поговорим чуть позже. Каждое из таких взаимодействий осуществляется присутствием у вещественного объекта необходимых способностей, что выражают наличием у объекта одного или нескольких разновидностей зарядов. Заряд – это мера присущей данному объекту способности к одному из таких взаимодействий. Пространство, на которое распространяется действие заряда, называют полем данного заряда. Неподвижный заряд распространяет свое действие на определенную область, и радиус такой области у каждого типа заряда свой. Вне этой области взаимодействие между объектами, обладающими однотипными зарядами, невозможно. А перенос взаимодействия в занимаемом полем пространстве в каждом случае осуществляется связанными с полем особыми вещественными частицами. Движущийся заряд порождает волну, которая несет определенную энергию через пространство.

В физике поле характеризуется специфической формой распределения материи, когда в каждой точке пространства-времени существует определенное численное значение параметра, характеризующего эту материю. Для поля неподвижного заряда параметр – значение напряженности или потенциала, движущееся поле (волна) описывается длиной волны, амплитудой, фазой и их изменениями во времени.

Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение имеет спин. Так, частицы с полуцелыми значениями спина могут находиться в одной и той же микросистеме (например, в атоме, молекуле и других) лишь при условии, что их физические состояния не одинаковы. Физическое состояние микрочастицы определяется всем набором характеризующих ее параметров. Если у двух микрочастиц отличен хотя бы один из этих параметров, то их физические состояния считаются неодинаковыми, они могут сосуществовать в одной микросистеме. Невозможность двух частиц с полуцелыми спинами, находящихся в одинаковых состояниях, пребывать вместе, является законом квантовой физики, носящим название запрета Паули. Частицы с полуцелыми значениями спина выделены в отдельную группу, их называют фермионами в честь известного физика Ферми. А вот частицы с целочисленными значениями спина могут находиться вместе в неограниченном количестве, независимо от их физического состояния. На них запрет Паули не распространяется. Такие частицы выделены в другую группу и названы бозонами, в честь другого крупного физика Бозе.

Разделение микрочастиц на две группы с непохожими свойствами имеет далеко идущие последствия. Так, поля фермионов всегда остаются квантованными и в классическом пределе, иначе говоря, при переходе от микромира к макромиру, наблюдатель регистрирует их как частицы атомарного вещества. Например, электрон, являющийся фермионом (его спин равен 1/2), в классическом пределе выступает как истинная частица, хотя и обладает волновыми свойствами. То же можно сказать и о протоне, нейтроне и других частицах-фермионах. Поля же бозонов в пределе переходят в классические поля. Например, фотон имеет спин, равный 1, он принадлежит к классу бозонов. В классическом пределе фотоны становятся электромагнитным полем, в зависимости от длины волны это будет свет, радиоволны или другие разновидности электромагнитных излучений. Так что разделение микрочастиц на фермионы и бозоны создает важнейшую предпосылку для реализации привычного нам мира, в котором сосуществуют атомарное вещество (фермионы) и излучения (бозоны).

Представления о строении вещества складываются на основе того, как наука отвечает на два принципиальных вопроса, возникающих при знакомстве с микромиром. Первый вопрос:

каковы самые элементарные частицы, из которых образуются последующие более сложные блоки вещества? Второй вопрос: какова природа и характер взаимодействия между частицами, заставляющего их при определенных условиях объединяться в блоки?

ЛЕПТОНЫ

КВАРКИ

Давняя интуитивная убежденность многих философов в том, что наблюдаемое разнообразие известного нам Мира есть результат комбинаций небольшого числа основополагающих элементов, казалось бы, получила подтверждение после экспериментального установления факта существования атомов. Но сразу же выяснилось, что атом сложен. Поиск элементарных основ вещества был перенесен на более глубокий уровень, на атомное ядро и составляющие его частицы, которые назвали нуклонами. Это протон и нейтрон. Однако, как выяснилось, и они не элементарны. К настоящему времени вырисовывается иерархия уровней микромира.

Известны четыре уровня этой иерархии: молекулярный, атомный, нуклонный и кварковый. За молекулярным уровнем проходит граница между микромиром и макромиром. Что же касается движения вниз по обозначенной иерархической цепочке, то, видимо, где-то за кварковым уровнем проходит граница между микромиром и вакуумом. Каждый из упомянутых уровней микромира качественно отличается от всех других, его характеризуют иные свойства и иные законы поведения соответствующих частиц. Одним словом, иерархия уровней – это не набор матрешек, вставляемых одна в другую и отличающихся только размером.

Поиск самых простых, основополагающих элементарных частиц вещества привел исследователей к пониманию того, что абсолютная элементарность не существует, что частицы любого уровня бесконечно сложны и по своей сущности, и в своих проявлениях, они неотделимы от других физических реальностей, в числе которых особая роль принадлежит фону – физическому вакууму. Условно принято считать элементарными те частицы, у которых сегодня не обнаруживается внутренняя структура, а их размер недоступен измерению, то есть, не превышает 10 –15 см.

Известны три класса таких частиц: лептоны, кварки и бозоны. Частицы первых двух классов являются фермионами, из них формируется атомарное вещество. Бозонным частицам отводится особая роль, сущность которой станет ясна в дальнейшем. Класс лептонов состоит из шести частиц и шести античастиц. Лептонные частицы и их основные параметры приведены в таблице 2.1. Античастицы отличаются от соответствующих частиц зарядами противоположного знака и некоторыми особенностями, по-видимому, сыгравшими ключевую роль в развитии Вселенной. Лептоны играют важную роль в структуре Мира. Особенно велико значение электрона и нейтрино. Но лептоны не участвуют в образовании ядерных частиц, нуклонов, и в процессах, называемых сильным взаимодействием.

Класс кварков, как и класс лептонов, содержит шесть типов частиц и столько же типов античастиц. Физики назвали каждый тип кварков ароматом, но этот термин, относящийся в нашей повседневной жизни к сфере обоняния, означает в данном случае квантовое число, определяющее принадлежность кварка к одному из шести известных типов. Ароматы обозначаются первыми буквами английских слов, принятых в качестве их названий. Обозначения и названия первых трех ароматов выглядят так: u (up); d (down); s (strange). Кварки этих ароматов создают частицы-нуклоны, из которых затем образуются ядра атомов. Роль кварков оставшихся трех тяжелых ароматов выглядит не столь важной, но такое впечатление, возможно, связано с нашим недопониманием их истинного предназначения. Основные характеристики кварков представлены в таблице 2.1. Антикварки обозначаются теми же символами с чертой над ними.

Приведенные в таблице массы кварков получены расчетным путем по данным экспериментов на ускорителях. Кварки – электрически заряженные частицы. Однако, и в этом проявилась их первая особенность, электрические заряды кварков имеют дробные значения по отношению к заряду электрона (-1) или протона (+1). Это открытие явилось сюрпризом для ученых, ведь существовало твердое убеждение, основанное на экспериментальных данных, что заряд электрона (протона), условно принимаемый равным 1, – наименьший существующий в природе электрический заряд. Обнаружение дробных значений заряда стимулировало их более тщательный поиск в нашем окружении. Экспериментаторам удалось довести точность измерений до фантастически высокого значения, но никаких признаков существования свободных дробных зарядов не было обнаружено. Не удалось обнаружить в свободном состоянии и самих носителей дробного заряда – кварков. Между тем никаких сомнений в существовании частиц, названных кварками, внутри нуклонов, как и присущих им дробных электрических зарядов, быть не может. Еще в 1969 году кварки (их первоначально назвали партонами) были обнаружены внутри нуклонов в экспериментах на линейном ускорителе электронов в Стэнфорде (США). За это открытие экспериментаторам Дж. Фридману, Г. Канделлу и Р.Тейлору присуждена Нобелевская премия по физике в 1990 году. В последующих экспериментах, выполненных в 1982 году, Х.Штермер, Цун и Р. Лафмен, подтвердили существование в природе дробного электрического заряда. За это открытие им присуждена Нобелевская премия по физике в 1998 году. В наше время кварки и антикварки группируются либо по две, либо по три частицы, образуя составные частицы, получившие наименование адронов. Кварки – вечные пленники составных частиц, это – принципиальное свойство вещества на микроуровне кварков. Но при чрезвычайно высоких температурах кварки могут существовать в свободном состоянии.

Адроны подразделяются на три группы. Первая – барионы – образуется частицами, составленными комбинациями из трех кварков. В эту группу входят протон и нейтрон, фундаментальная основа атомных ядер. Вторую группу составляют частицы, основа которых – сочетание кварка и соответствующего антикварка. Эти частицы названы мезонами. Еще одна группа содержит частицы, образуемые сочетаниями трех антикварков. В нее попадают антипротон и антинейтрон, составляющие антивещество. В приведенной стройной схеме обнаруживается принципиальный дефект. Кварки, как фермионы, не могут участвовать в построении составной микросистемы, если одинаковы их физические состояния. В частности, составная частица не должна содержать кварки одного аромата. А в барионных и антибарионных образованиях это железное правило нарушается. Например, протон образуется комбинацией кварков, в символах записываемой так: uud. А нейтрон, соответственно udd. В обоих примерах в составе сложной частицы присутствуют пары кварков одного аромата. Допустить мысль, что запрет Паули не выполняется, ученые не могли. Поэтому было выдвинуто предположение, к счастью вскоре подтвержденное экспериментально, что кварки одного аромата не идентичны, они различаются характером взаимодействия между собой. Это означает, что для полного описания физического состояния кварка следует ввести еще одно квантовое число, учитывающее взаимодействие между кварками одного аромата. Такое число остроумные физики назвали цветом. Как аромат не имеет ничего общего с запахом, так и цвет не имеет отношения к раскраске картинок цветными карандашами. Таким образом, выяснилось, что кварки одного аромата не идентичны, их там три разновидности, три цветовых оттенка. Принцип Паули поколебать не удалось.

При объединении кварков и/или антикварков в адроны должны выполняться два непременных условия. Первое условие уже упоминалось нами: суммарный электрический заряд объединенных в адроне кварков должен быть целочисленным. Второе условие требует бесцветности адронов. Так, три кварка, образующие барион, должны обеспечит суммарный электрический заряд составной частицы кратный единичному электрическому заряду. Но барион не должен проявлять способности к сильному взаимодействию, цветовые заряды трех кварков должны взаимно компенсироваться. Это напоминает точную компенсацию положительных электрических зарядов ядра и отрицательных зарядов электронов при их объединении в атом*). Более подробную информацию о кварках читатель найдет в [26].

Нам остается рассмотреть современные представления о фундаментальных силах взаимодействия между частицами. Это силы гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного взаимодействия. Четыре силы взаимодействия выше упоминались при описании полей, они представляют собой присущую материи способность к дистанционным взаимодействиям.

Как было отмечено, чтобы вещественная частица проявила способность к тому или иному виду фундаментального взаимодействия с другими частицами, необходимо, чтобы ей был присущ заряд (или заряды) определенной разновидности. Между собой взаимодействуют только заряды одного типа, а заряды разных типов друг друга не замечают. Наименьшее дискретное значение заряда (квант) называют единичным зарядом. Все другие значения зарядов буСилу, объединяющую барионы в атомное ядро, называют ядерной силой. До открытия кварков и цветового взаимодействия эту силу считали фундаментальной. Теперь ядерная сила рассматривается как отголосок новой фундаментальной сущности - цветовой силы.

дут кратными единичному заряду. Сила взаимодействия во всех случаях пропорциональна произведению зарядов двух частиц, вступивших во взаимодействие. Более сложно она зависит от расстояния между частицами. Коэффициент пропорциональности при взаимодействии единичных зарядов на единичном расстоянии между ними называют константой взаимодействия данного вида.

По современным представлениям передача воздействия одного тела на другое происходит с конечной скоростью, которая не может превышать скорости света. Это прямое следствие того, что взаимодействие частиц осуществляется через среду, то есть через вакуум, а в передаче взаимодействия должен участвовать некий посредник. При разработке теории взаимодействий используют определенную модель процесса: частица обладает зарядом, который создает вокруг нее поле, порождающее присущие ему частицы-бозоны; по своей природе поле близко тому, которое физики приписывают вакууму. Можно сказать и так, что заряд частицы возмущает вакуум, и это возмущение с определенным затуханием распространяется в нем.

Частицы возникающего в вакууме поля являются виртуальными, они существуют очень короткое время и прямо в эксперименте не обнаруживаются. Оказавшись в радиусе действия своих однотипных зарядов, две реальные частицы начинают стабильно обмениваться виртуальными бозонами: одна частица испускает бозон и тут же поглощает идентичный бозон, испущенный частицей – партнером, и наоборот. Обмен бозонами создает эффект притяжения или отталкивания частиц-хозяев. Характерные признаки четырех фундаментальных взаимодействий, сведения о частицах-посредниках переносящих соответствующие воздействия между частицами, приведены в таблице 2.2 [27].

Непосредственная связь вакуума с веществом на его глубинных уровнях проявляется в форме зависимости величины зарядов и их свойств от состояния и структуры вакуума. Так, экспериментально обнаруживаемая поляризуемость вакуума под действием электрического заряда создает экранировку последнего и снижает наблюдаемое эффективное значение заряда Примечание: отталкивание; притяжение.

_ по сравнению с предполагаемым его значением в свободном от вакуума состоянии. Однако, электрический заряд невозможно вычленить из вакуума. Но если сблизить заряженные частицы до расстояний, меньших чем 10–8 см, для чего им надо сообщить огромные энергии, то взаимодействие вакуума с частицами ослабеет и эффективный электрический заряд возрастет.

Можно сказать и так, что на малых расстояниях между частицами возрастает константа электромагнитного взаимодействия, тем самым она перестает быть константой. Остается добавить к сказанному, что все известные науке разновидности электромагнитного взаимодействия переносятся безмассовой бозонной частицей – фотоном Слабое взаимодействие переносится тремя частицами, называемыми векторными бозонами: один из них электрически нейтрален, два других имеют соответственно положительный и отрицательный электрический заряд. Эти частицы обладают еще одной странностью – они наделены массой, примерно в 100 раз превышающей массу протона. Из-за такой массы виртуальные векторные бозоны за короткое время своего существования не успевают далеко переместиться, и слабое взаимодействие ограничено радиусом действия порядка 210–16 см. Отсюда малая вероятность его проявления.

Переносчиками сильного (цветового) взаимодействия выступают безмассовые частицы, получившие название глюонов, что в переводе с английского означает склеивающие бозоны.

Они соединяют (склеивают) кварки и антикварки в адроны. Глюоны представляют собой очень сильный клей, и они вместе с кварками являются вечными пленниками адронов.

Глюоны своеобразные частички, им присуще то, чем не обладают другие бозоны, а именно, часть из них наделена цветовым зарядом, который считался принадлежностью только кварков. Это сразу меняет поведение таких частиц со своим окружением. Казалось бы, отсутствие массы у глюонов обеспечивает им дальнодействие, если судить по аналогии с безмассовыми фотонами и гравитонами. Но, обладая цветовым зарядом, глюон при удалении от кварка нарушает бесцветность, тем самым вызывая бурную реакцию вакуума, возвращающего беглеца на место. А его место ограничивается радиусом порядка 10–13 см, радиусом атомного ядра.

Из-за таких своих свойств глюоны теряют способность к дальнодействию, а радиус цветового (сильного) взаимодействия ограничивается радиусом ядра.

Фундаментальные взаимодействия – это только часть проявляющихся в нашем Мире взаимодействий. На переднем крае научного поиска стоит проблема скрытых в глубинах материи взаимодействий вакуума с веществом. Например, физики не без основания убеждены, что масса у частиц появляется в результате особой формы их взаимодействия со структурами вакуума. В физических теориях источником, наделяющим элементарные частицы массой, выступает предположительно присутствующее в вакууме особое квантовое поле, называемое полем Хиггса. С этим полем связаны частицы, называемые бозонами Хиггса. Массой снабжается только элементарная частица – кварк, электрон, векторный бозон. Масса производных частиц, например, протона и нейтрона, в основном определяется кинетической энергией кварков и глюонов, входящих в состав этих частиц. А масса самих кварков – лишь небольшая добавка к этому. У поля Хиггса имеются специфические особенности, обсуждение которых имеет смысл проводить специалистам-теоретикам. Однако эти особенности позволят объяснить, почему самые легкие частицы наделены массой, на 11 порядков меньшей массы самых тяжелых частиц, а в свете последних астрономических открытий предполагается, что наблюдения за бозонами Хиггса помогут разгадать загадку темной энергии. Но пока открытие бозона Хиггса не состоялось, само происхождение и величины масс остаются загадкой. Надежды на открытие бозона Хиггса связывают с предстоящими в ближайшие годы завершениями работ по созданию новых высоко энергетичных ускорителей.

За рамками нашего рассмотрения оставлены также наиболее общие и плодотворные идеи современной теоретической физики, такие как симметрия законов природы, спонтанные нарушения симметрии как основа перехода от хаоса к упорядоченности, новые представления о многомерности физического пространства-времени, теория струн, как результат поиска нового подхода к пониманию структуры вещества на самом глубоком уровне микромира. В доступной форме об этом частично рассказывается в [24, 25].

Несколько замечаний о характерных особенностях фундаментальных взаимодействий.

Гравитация – самая слабая из сил, представленных в таблице 2.2. В макромире она проявляет себя тем сильнее, чем крупнее массы взаимодействующих тел. О ее роли в формировании Вселенной уже говорилось, а в микромире она теряется на фоне более могучих сил. Так, сила электростатического отталкивания двух электронов в ~ 41042 раз больше силы их гравитационного притяжения. И только при экстремально высокой плотности вещества, то есть при планковской плотности, гравитационные взаимодействия в микромире сравниваются по своей значимости с другими господствующими там силами.

При рассмотрении полевых аспектов своей теории Эйнштейн постулировал, что в качестве гравитационного заряда выступает эквивалентная масса вещества. Этот заряд создает поле тяготения с присущей ему безмассовой бозонной частицей, названной гравитоном. Экспериментально обнаружить гравитон при современном техническом уровне крайне трудно, пока он остается гипотетической частицей. К проблеме обнаружения гравитона непосредственно примыкает другая: неравномерное движение массивного тела под действием реальной силы вызывает возмущение собственного гравитационного поля, распространяющегося со скоростью света в форме гравитационной волны. Из-за ничтожной малости сил тяготения амплитуда волны мала, и обнаружить ее существующими приборами пока не удается. Даже такие грандиозные космические события, как взрыв сверхновой или коллапс массивной звезды порождают гравитационные волны с амплитудой, лежащей за пределами чувствительности существующих регистрирующих приборов.

Тем не менее, в изучении проблемы гравитационной волны и гравитона произошел предполагаемый прорыв. Началось с того, что в 1967 году Джойселин Белл и Энтони Хьюиш открыли новые астрономические объекты – пульсары. Это бывшие нормальные звезды, которые после израсходования своего жизненного ресурса сжались до диаметра порядка 10 км, что стало возможным лишь за счет деформации вещества звезды, приведшей к образованию очень плотной упаковки нейтронов. Такая трансформация прекратила дальнейшее сжатие.

Плотность вещества внутри пульсара достигает значения 1015 г/см3 (для сравнения: средняя плотность земного вещества всего 5,52 г/см3). Пульсары очень быстро вращаются, что является следствием их сжатия, а астрофизики умеют очень точно измерять периоды вращения таких объектов. В 1974 году профессору Принстонского университета Дж. Тейлору и его тогдашнему аспиранту Р. Халси посчастливилось обнаружить уникальный астрономический объект – тесно связанную двойную звезду, оба компонента которой оказались пульсарами.

Такая система в принципе позволяет путем систематических наблюдений за изменениями периодов вращения двух гравитационно связанных массивных тел определить наличие (или отсутствие) предсказанного Эйнштейном гравитационного излучения. Положительный результат означал также существование в природе гравитационных волн и гравитонов. Многолетние измерения Халси и Тейлора показали, что наблюдаемое изменение периода обращения, вызываемое гравитационным излучением, с высокой точностью совпадает с расчетом, выполненным на основе теории гравитационного излучения Эйнштейна. За это выдающееся открытие Халси и Тейлор удостоены Нобелевской премии по физике за 1993 год.

Электромагнетизм – второе фундаментальное взаимодействие. Как и гравитация, оно характеризуется дальнодействием. На заре развития науки об электричестве электрическая и магнитная компоненты этого взаимодействия рассматривались как независимые, не связанные между собой родством. Максвелл доказал, что обе силы – это два проявления единой сущности. Так был создан прецедент в науке, показавший, что за внешним различием природных сил может скрываться их глубокая общность. Разработанная Максвеллом электродинамика стала законченной классической теорией электромагнетизма, сохраняющая свое значение и в наши дни.

Современная физика создала более совершенную и точную теорию электромагнетизма, учитывающую квантово-полевые аспекты феномена, что позволило распространить ее и на микромир. Теория названа Квантовой электродинамикой, сокращенно КЭД. Как и классическая теория, КЭД постулирует существование электромагнитного заряда, не раскрывая его природы. Заряд создает поле, квантом которого выступает безмассовый бозон, называемый фотоном. Спин фотона равен 1. Электрический заряд проявляется в двух разновидностях: заряд, присущий электрону, назван отрицательным, а присущий протону – положительным.

Взаимодействие заряженных частиц обеспечивается обменом виртуальными фотонами. В случае разноименных зарядов обмен создает эффект притяжения частиц, а в случае одноименных – отталкивания. Во всех процессах с участием электрических зарядов выполняется закон сохранения суммарного заряда. В рамках КЭД учитывается взаимодействие электрического заряда с вакуумом.

Сильные и слабые взаимодействия познавались по мере проникновения науки в микромир с его специфическими закономерностями. Основная функция сильного взаимодействия – соединять кварки и антикварки в адроны, функция слабого взаимодействия обратная, она состоит в разрушении сложных микрочастиц, если какой-то из входящих в их состав элементов обладает слабым зарядом. Слабое взаимодействие переводит один фермион в другой, не меняя при этом его цветового заряда. Подобные превращения не проходят безболезненно для составных частиц, содержащих слабо взаимодействующие лептоны или кварки, эти образования распадаются, трансформируясь в другие частицы.

Классический пример слабого взаимодействия – процесс бета-распада, в ходе которого свободный нейтрон в среднем за 15 минут распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. Распад вызывается превращением внутри нейтрона кварка аромата d в кварк аромата u. Нейтрон становится протоном, но при этом испускается электрон, что обеспечивает сохранение суммарного электрического заряда, и антинейтрино, чей вылет позволяет сохранить суммарный механический импульс системы. Не следует считать, что электрон и антинейтрино содержались внутри нейтрона. В процессах, подобных описанному, имеется еще один полноправный участник – физический вакуум. Именно он выделяет из своей среды те дополнительные частицы, которые необходимы для выполнения основных законов физики в трансформирующейся системе. Процесс бета-распада на одной из ранних стадий развития Вселенной сыграл существенную роль в обеспечении ее преимущественно водородным составом.

Полевые представления о слабом взаимодействии выглядят так. Постулируется существование фундаментального слабого заряда, которым обладают некоторые лептоны и кварки, но не все. Слабый заряд образует три разновидности поля с тремя обменными бозонными частицами, обладающими значительными (по масштабам микромира) массами. В процессах взаимодействия слабый заряд может не сохраняться.

Первоначальная теория слабого взаимодействия не смогла решить проблему адекватного его описания. В ходе работы по устранению трудностей у теоретиков возникли подозрения, что слабое и электромагнитное взаимодействия на самом деле имеют общие корни, что это два проявления одной сущности подобно тому, как электричество и магнетизм – две стороны одного явления. Эту идею в 60-х годах воплотили в теорию Стивен Вайнберг, Шелдон Ли Глешоу (оба из Гарвардского университета) и независимо от них Абдус Салам (Международный центр теоретической физики в Триесте). Теория единого электрослабого взаимодействия позволила успешно решить главные проблемы, связанные со слабым взаимодействием. Она исходит из существования фундаментального единого заряда, отвечающего одновременно за слабое и за электромагнитное взаимодействия. При очень высоких температурах (энергиях) структура вакуума нарушена по сравнению с нынешней модификацией и в таких условиях электрослабый заряд выступает как единый заряд обоих взаимодействий. Заряд создает единое поле, квантом которого служит безмассовая бозонная частица, чем обеспечивается дальнодействие этого заряда. При снижении температуры наступает критический момент, после которого вакуум переходит в более упорядоченную модификацию. Переход сопровождается изменением характера его взаимодействия с веществом, в частности, с электрослабым зарядом. Как следствие – распад безмассовой бозонной частицы на четыре составляющие. Выделяется бозон электромагнитного взаимодействия, это уже знакомый нам не имеющий массы фотон, а трем полям слабого заряда соответствуют три векторных бозона, получивших свои массы в результате взаимодействия со структурой новой модификации вакуума. Теория предсказывает ряд следствий, допускающих экспериментальную проверку.

Во-первых, предсказано, что помимо двух электрически заряженных векторных бозонов W, фигурировавших в первоначальной теории Ферми, существует еще и электрически нейтральный векторный бозон Z0. Это означает, что в природе реализуются не только слабые взаимодействия, сопровождающиеся изменением электрических зарядов участвующих частиц, примером чему служит тот же бета-распад нейтрона, но и процессы распада, протекающие без изменения электрических зарядов частиц. Такие процессы назвали нейтральными слабыми токами. Ранее они в экспериментах не обнаруживались. Теория подтолкнула экспериментаторов на целенаправленный поиск нейтральных токов, и в 1973 году они были открыты на ускорителе в ЦЕРН’е. Это был серьезнейший аргумент в пользу теории и ее объединительной идеи. В 1979 году С.Вайнбергу, Ш.Глешоу и А.Саламу присуждена Нобелевская премия по физике за их вклады в теорию единого слабого и электромагнитного взаимодействия между элементарными частицами.

Во-вторых, теория объединения предсказала до того неизвестные значения масс векторных бозонов:

Эти значения почти на 2 порядка превышают массу протона, и первоначально не было средств, обеспечивающих обнаружение столь массивных частиц. Перед экспериментаторами возникла сверхзадача – создать ускоритель с огромной энергией в пучке и создать очень тонкие методы и соответствующую аппаратуру регистрации процессов взаимодействия пучка с мишенью. Лишь в 1983 году эта задача была решена. Капитальной перестройке подвергся ускоритель протонов ЦЕРН’а, он был превращен в ускоритель на встречных пучках (коллайдер) протонов и антипротонов с энергиями 270 ГэВ в каждом пучке. На нем физики обнаружили всю триаду векторных бозонов, ответственных за слабые взаимодействия. Их массы оказались следующими:

Эти данные удовлетворительно согласуются с предсказаниями теории объединения.

Открытие промежуточных векторных бозонов явилось выдающимся событием. Оно потребовало создания уникального ускорителя и не менее уникальных двух устройств для регистрации частиц, рождающихся при столкновении протонов с антипротонами. В мероприятии участвовало множество людей, объединенных в единый коллектив экспериментаторов и инженеров. Авторами открытия считаются более ста ученых из разных стран мира, принимавших участие в планировании, подготовке и проведении экспериментов. Таковы сегодня масштабы экспериментальных работ в области физики высоких энергий и такова роль теории в подобных работах. Двум руководителям и идейным вдохновителям эксперимента – К.Руббиа и С. Ван дер Мееру – присуждена Нобелевская премия по физике за 1984 год. Единая природа слабого и электромагнитного зарядов теперь не вызывает сомнений.

Теория сильных взаимодействий находится в процессе созидания. Ее назначение – описать объединение кварков и антикварков в адроны. По своей идеологии это типичная полевая теория, ее назвали Квантовой хромодинамикой (КХД). Исходным положением КХД служит постулат о существовании трех типов цветовых зарядов, выражающий присущую веществу способность к объединению кварков и антикварков в сильном взаимодействии. Каждый кварк обладает некоторой комбинацией этих зарядов, но полной их взаимокомпенсации в одной частице не происходит, поэтому кварк обладает результирующим цветом, то есть, сохраняет способность к сильному взаимодействию. Но когда три кварка или кварк и антикварк, или три антикварка объединяются в адрон, суммарная комбинация цветовых зарядов в нем такова, что адрон, как частица, оказывается нейтральным в отношении цвета.

Цветовые заряды создают поля с присущими им квантами – бозонами, переносчиками сильного взаимодействия. Всего образуются 8 полей с соответствующими восемью бозонными частицами, названными глюонами. О необычных свойствах глюонов говорилось выше. В частности, 6 из 8-и глюонов имеют цветовые заряды, поэтому, несмотря на отсутствие массы, их радиус действия ограничен атомным ядром. При попытке глюона покинуть ядро нарушается условие бесцветности, возникает бурное выделение в вакууме облака виртуальных глюонов и кварк-антикварковых пар, компенсирующих вносимое возмущение. Для полного выделения из адрона частицы, обладающей цветовым зарядом, понадобилась бы бесконечно большая энергия. Но как только вводимая энергия превысит определенный уровень, вакуум выделяет уже не виртуальные, а реальные кварк - антикварки, образующие поток адронов, что и наблюдается в экспериментах на ускорителях. Сильное взаимодействие при всех условиях сохраняет бесцветность частиц.

До открытия кварков и цветового взаимодействия фундаментальным считали ядерное взаимодействие, объединяющее, как тогда предполагалось, элементарные протоны и нейтроны в ядрах атомов. Японский физик Юкава еще в 30-х годах предложил модель ядерных взаимодействий, в которой на роль обменной частицы выдвинул тогда еще неизвестный науке пи-мезон (пион) с массой в 200 - 300 раз превышающей массу электрона. Пионы вскоре были обнаружены в космических лучах. Сегодня известны три их разновидности, две из которых имеют соответственно положительный и отрицательный электрические заряды, а третья – нейтральна. Слабое взаимодействие приводит к быстрому распаду заряженных пионов. Казалось бы, теория ядерных взаимодействий получила прочную экспериментальную основу. Но с открытием кварков, из которых слагаются и протоны, и нейтроны, ядерные силы перестали рассматриваться как фундаментальные, их место заняли цветовые силы. В таком случае, чем считать ядерные силы, которые соединяют составленные из кварков барионы в реально существующие атомные ядра?

Правило бесцветности адронов, казалось бы, обрекает все частицы этого рода на полную пассивность. Такое утверждение справедливо, если речь идет о дистанциях, превышающих 10–13 см, то есть, о радиусе действия цветовой силы. Если же расстояние между адронами (в частности, между составляющими ядро барионами) не превышает этой дистанции, то внутри сферы указанного радиуса возможно сильное взаимодействие между находящимися там частицами, несмотря на их коллективную бесцветность. Радиус атомного ядра, как мы знаем, совпадает с радиусом действия цветовой силы, что обеспечивает протекание процесса взаимодействия, объединяющего барионы в ядро. Напрашивается аналогия с атомами, которые в целом электрически нейтральны, но при сближении на дистанцию порядка 10 –8 см именно электрические силы соединяют их в молекулы. Так что ядерные силы являются отголосками цветовых сил, как химические силы являются отголосками электромагнитных сил.

Предполагается, что при сближении барионов на расстояние порядка 10 –13 см и меньше они теряют свои индивидуальные особенности, обмен глюонами между кварками приобретает коллективный характер, связывая все эти частицы в единое целое, в атомное ядро. Перемещение одного из кварков на непозволительное удаление от другого нарушает локальную нейтральность цветового заряда, вакуум реагирует на это рождением виртуальной кваркантикварковой пары. Кварк этой пары замещает нарушителя на его законном месте, а антикварк вместе с беглецом образует виртуальный пион, принимаемый за обменную частицу ядерного взаимодействия.

Заветная мечта физиков – выявить универсальность всех четырех фундаментальных сил.

Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия в единое электрослабое взаимодействие стало первым обнадеживающим успехом на этом пути. Следующим шагом, как надеются ученые, станет открытие Большого Объединения. Так физики называют пока еще до конца не созданную теорию объединения электромагнитного, слабого и сильного (цветового) взаимодействия в единое целое. Интересную попытку в этом направлении предприняли в 1973 году Ш.Глешоу и Х.Джорджи [28]. Они показали, что такое объединение в принципе возможно. Предложен вариант, в котором объединенный заряд создает поля 24-х разновидностей с соответствующими промежуточными бозонами. Половина этих полей и частиц принадлежит вакууму. Переходы между лептонами и кварками становятся возможными, когда взаимодействующие частицы сближаются на фантастически короткую дистанцию 10–29 см, она названа масштабом объединения. Для такого сближения необходимо сообщить частицам энергию порядка 1017 ГэВ, чему соответствует температура, превышающая 1027 К. Если оценка верна, то подходящие для объединения условия могли иметь место только на предполагаемой самой начальной стадии развития Вселенной. Из этой незавершенной теории следует вывод о нестабильности протона, его период полураспада оценен в 1031 лет. Число огромное, но важен сам факт нестабильности. Задача экспериментальной проверки такого следствия теории встречает серьезные трудности и пока остается нерешенной.

Еще более грандиозна идея объединения всех четырех фундаментальных сил, включая гравитацию. Соответствующие теоретические построения называют суперобъединением. Пока идет лишь разработка подходов к проблеме, но если на этом пути наметится успех, то унификация природных сил будет доведена до предельно возможной. Для более глубокого знакомства с затронутыми вопросами дополнительно к ранее цитировавшимся источникам [24, 25] можно рекомендовать [28].

2.3 Самоорганизуемость микромира в ранней Вселенной В главе 2.1 мы остановились на том, что, согласно гипотезе Горячей Вселенной к моменту времени ~10–33 секунды после начала из недр квантового вакуума выделился очень плотный и очень горячий сгусток вещественных частиц и античастиц, сосредоточенный в предельно малом объеме пространства. Расширение занимаемого сгустком пространства привело к эффекту расширения возникшей вещественной Вселенной, продолжающегося вплоть до нашего времени. При исходной температуре сгустка не ниже 1027 К лептоны и кварки свободно переходили друг в друга, то есть, были неразличимы.

Переходы такого рода осуществлялись в результате взаимодействия исходных частиц в среде, где кроме гравитации существовала единая фундаментальная сила, объединявшая сильное и электрослабое взаимодействия. Переносчиками такого взаимодействия служила экзотическая пара, состоящая из Х - бозона и X - антибозона. Теория предсказывает, что Х – бозон был необычайно массивной частицей, его масса достигала значения порядка 10 –9 г, что в 1014 раза больше массы протона. Подобно тому, как гиганты древнего животного мира Земли – динозавры, мастодонты и другие, поражающие наше воображение своими размерами и весом, вымерли десятки миллионов лет назад, оставив после себя в земле лишь громадные кости, так и гиганты микромира Х частицы и X античастицы "вымерли" из-за снижения температуры в ранней Вселенной. Но пока исследователям не удалось отыскать их "костей", доказательного подтверждения их существования в природе. И это не удивительно. Скалярные бозоны этого типа существуют только при температурах, не ниже 1027 К. В наблюдаемой Вселенной сегодняшнего дня нет уголка, где подобные температуры могли бы реализовываться.

Невозможно получить их и на самых мощных современных ускорителях, да и в будущем нет надежды получить их в лабораторных условиях. В качестве "костей" этих микрогигантов остается вывод теории о существовании в ранней Вселенной переходов между лептонами и кварками. Из такого допущения следует, что и в наше время существует очень маленькая вероятность редких превращений какого-нибудь кварка в лептон. Тогда протон, в состав которого входит преобразившийся кварк, распадется.

Предполагают, что распад Х - бозонов и X - антибозонов сразу, как только температура сгустка стала ниже 1027К, повлек за собой крайне важное следствие, определившее всю последующую историю Вселенной. Дело в том, что скорости распада Х-бозона и Х-антибозона несколько отличаются, что является следствием определенной асимметрии между веществом и антивеществом, экспериментально подтвержденным Фитч и Крониным в Брукхейвеновской лаборатории (США). В результате распад Х частиц и античастиц привел к тому, что на каждый миллиард античастиц зафиксировался один миллиард плюс одна частица вещества. Разница, казалось бы, мизерная, число вещественных частиц в каждом миллиарде на одну превышало число античастиц, но именно эта разница определила появление в дальнейшем вещественной Вселенной с галактиками, звездами, планетами и разумными существами на некоторых из них.

По оценкам С.Вайнберга время жизни протона порядка 1032 лет, по другим оценкам оно несколько меньше и лежит в пределах от 1030 до 1031 лет. Если верны более низкие оценки, то современная техника эксперимента позволяет на пределе своих возможностей обнаружить распад протона уже теперь. То обстоятельство, что усиленные поиски распада протона так и не увенчались успехом, означает, что, либо справедлива оценка времени жизни протона, сделанная Вайнбергом, либо неверен сам вывод о возможности распада протона.

Изменение температуры Т и плотности на начальной стадии расширения описывается простыми зависимостями этих величин от времени, прошедшего с начала расширения [29]:

где t – время, отсчитываемое от начала. Возможность выдвигать обоснованные, а не фантастические предположения о начальном периоде развития Вселенной, появилась в первую очередь благодаря крупным успехам физики высоких энергий, в частности, разработкой теории Великого объединения. Один из создателей как теории электрослабых взаимодействий, так и теории Большого Взрыва Стив Вайнберг пишет [30]:

Мы уже подошли к тому рубежу, когда для нас становится посильным обсуждение природы материи и истории Вселенной вплоть до температур порядка планковской, однако мы еще не достигли такого уровня понимания, чтобы полностью доверять всем деталям полученных нами результатов Доступная астрономическим наблюдениям современная Вселенная на 98% состоит из водорода и гелия. Но в только что родившейся Вселенной не было ни водорода, ни гелия. Существующая теория утверждает, что от появления протовещества и до образования ядер водорода и гелия прошло немногим больше трех минут. На этом временном промежутке стремительно преобразовывались вакуум и вещество, а этапы преобразований определялись процессами расширения и остывания сгустка. Толчком для очередного скачкообразного перехода в качественно новое состояние служило достижение системой определенных критических значений температуры и плотности расширяющегося вещества.

В [30] три минуты, за которые образовалась вещественная основа нашего мира, подразделены на четыре этапа (или эры). Через ~10–33 секунд после "начала", на рубеже перехода к температурам ниже 1027 К, прекращают свое существование скалярные Х бозоны. Здесь совершается переход вакуума в свою модификацию с более высоким уровнем упорядоченности, и гигантские бозонные и антибозонные частицы распадаются на глюоны и безмассовый бозон электрослабого взаимодействия. Кварки и лептоны разделились, а сильное взаимодействие отделилось от электрослабого. Возник качественно новый этап развития, который Вайнберг назвал эрой рождения барионов. Появление сильного взаимодействия предопределило последующее объединение кварков и антикварков в адроны. Но на этом этапе высокая температура еще позволяла сохраниться этим частицам в свободном состоянии.

Следующий критический момент наступил на рубеже времени 10 –10 секунды, когда температура снизилась до 1015 К. Здесь проявилась очередная неустойчивость вакуума, завершившаяся новым фазовым переходом в еще более упорядоченное его состояние. Новая модификация вакуума взаимодействовала с веществом таким образом, что безмассовый электрослабый бозон разделился на безмассовый фотон и на три векторных бозона, получивших от вакуума солидные массы. Электрослабое взаимодействие распалось на слабое и электромагнитное. Во Вселенной утвердились все четыре известные науке фундаментальные взаимодействия. Этот этап назван Вайнбергом эрой промежуточных бозонов.

Теория предсказывает, что при температурах несколько меньших, чем 10 15 К, в плазменном сгустке, состоящем из фотонов, лептонов, антилептонов, кварков, антикварков, глюонов и векторных бозонов достигается состояние, близкое к термодинамическому равновесию. При дальнейшем снижении температуры возникает ситуация, когда кварки и антикварки подпадают под действие сил, стремящихся объединить их в адроны. Зону свободного существования этих частиц отделяет от зоны, в которой они перестают существовать как свободные частицы, температурный рубеж в 1013 К. Этот этап назван эрой адронов.

Ранний период развития Вселенной завершается лептонно-фотонной эрой. Она начинается после того, как снизившаяся температура открывает возможность для протекания быстрого процесса необратимых соединений барионов с антибарионами, заканчивающегося их аннигиляцией. Эти частицы исчезают, оставив после себя соответствующее количество фотонов и выделившуюся вследствие аннигиляции энергию, замедлившую остывание сгустка. А так как барионов было немного больше, чем антибарионов, те из них, которые не нашли своего антипода, остались в качестве небольшой примеси в однородной смеси фотонов и лептонов. Согласно расчетам, на ~10 миллиардов фотонов и лептонов приходилось по одной барионной частице. Такого состояния Вселенная достигла к моменту времени, примерно равному 0, секунде после "начала". С этого момента вступает в действие подробно разработанная теория дальнейшего развития Вселенной, получившая название Стандартной модели (или сценария) Большого Взрыва. Стандартная модель отделяет область предположительных знаний о самом раннем периоде развития Вселенной от надежно разработанного и подтверждаемого наблюдательными данными расчета последующего ее развития вплоть до этапа первичного нуклеосинтеза.


Итак, к моменту времени 0,01 секунды Вселенная предстает в виде однородной "газовой смеси", состояние которой очень близко к термодинамическому равновесию. Равновесность достигнута благодаря тому, что скорости взаимодействия частиц в смеси существенно более высокие, чем скорость изменения условий (температура, плотность) в расширяющейся Вселенной. А при равновесном состоянии состав, концентрация компонентов и другие параметры "газовой смеси" суть функции только температуры и плотности вещества. Но в ранней Вселенной оба эти параметра однозначно зависят только от времени, отсчитываемого от "начала", и не зависят от предыстории, то есть от более ранних состояний. Таким образом, предшествовавшие Стандартной модели периоды развития Вселенной выносятся за ее рамки и требуют независимого рассмотрения. Наступившая на рубеже времени 0,01 секунды квазиравновесность стерла следы более раннего развития, не оставив в последующей истории Вселенной видимых доказательств его существования.

"Это подарок судьбы космологам, – пишет С.Вайнберг [30], – поскольку они могут вычислять интересующие их величины, скажем, содержание гелия, не слишком беспокоясь о том, что происходило на очень ранних стадиях развития Вселенной. Зато это плохо для нас, физиков, изучающих элементарные частицы, поскольку нам не приходится ожидать от космологических наблюдений значительной информации, которая могла бы дополнить эксперименты, осуществляемые в земных условиях".

Основные события Стандартного сценария. К первой секунде температура снизилась до миллиардов градусов (1010 К) и произошло отделение от "газовой смеси" нейтрино и антинейтрино, практически прекративших взаимоотношения с оставшимися компонентами.

К 14-й секунде температура упала до трех миллиардов градусов. Появились условия для аннигиляции электронов и позитронов. В результате выделилась еще одна порция фотонов и значительная энергия, подогревшая фотонно-барионный газ, но не нейтрино, оставшиеся при более низкой температуре, чем остальные частицы Вселенной. Небольшой избыток электронов над позитронами, возникший на самом раннем этапе развития, сохранился, и отрицательный суммарный электрический заряд электронов точно компенсировал положительный суммарный заряд примесных протонов.

Будущий состав барионной Вселенной определился не без участия процесса превращения свободных нейтронов в протоны, протекавшего на протяжении почти всей лептоннофотонной эры. К моменту ее завершения отношение числа протонов к числу нейтронов стало равным 8:1, оно сохранилось и определило в дальнейшем соотношение водорода и гелия во Вселенной.

Спустя три минуты и две секунды после "начала" температура снизилась до миллиарда градусов. На этом завершилось формирование самой ранней Вселенной, и начался процесс соединения протонов и нейтронов в составные ядра, его называют нуклеосинтезом. На протяжении всей самой ранней стадии развития шли процессы усложнения вещества, упорядочения вакуума и продвижения Вселенной от начального однообразия к все большему разнообразию.

2.4 Завершение раннего периода развития Вселенной Объединение протонов и нейтронов (нуклонов) в составные ядра протекает при участии ядерных сил, радиус действия которых не превышает 10–13 см. Для сближения нуклонов на такие расстояния необходимо, по крайней мере, выполнение двух условий: свободные нуклоны должны обладать энергией, позволяющей им сблизиться на указанную дистанцию, но при этом их энергия не должна превышать энергии связи нуклонов в ядре, иначе объединение окажется неустойчивым. Следовательно, нуклеосинтез может протекать в узком интервале температур, и верхней границей интервала служит температура порядка одного миллиарда градусов. Этой границы Вселенная достигла спустя примерно три минуты после начала расширения.

Электрические заряды протонов препятствуют их прямому объединению, так как кинетической энергии этих частиц при температуре в миллиард градусов не хватает для преодоления электромагнитного отталкивания между ними при сближении на указанную дистанцию. Но нет препятствий для сближения и объединения протонов с нейтронами. Соединение протона, ядра водорода, с одним нейтроном образует ядро дейтерия, а присоединение второго нейтрона создает ядро трития. Это – два тяжелых изотопа водорода. Образование же ядер других элементов требует, казалось бы, невозможного – объединения двух и большего числа протонов.

В конце 20-х годов Г.Гамов, Э.Альфер и Р.Герман указали возможный путь нуклеосинтеза в условиях ранней Вселенной. В его основе лежит процесс нерезонансного захвата нейтрона протоном. В таком процессе захваченный нейтрон (образующий с протоном ядро дейтерия) тут же распадается на протон, электрон и антинейтрино (бета-распад), после чего в ядре оказываются вместе два протона и это уже ядро гелия – второго после водорода элемента таблицы Менделеева. К ним присоединяется один или два нейтрона, создавая ядра с массовым числом 3 или 4. Массовое число показывает из скольких частиц (нейтронов и протонов) состоит данное ядро. Два изотопа гелия с указанными массовыми числами являются устойчивыми, а любые другие комбинации неустойчивы.

В принципе процесс нерезонансного захвата нейтрона может повториться с ядром гелия, оно увеличит свой заряд еще на единицу и станет ядром лития, затем бериллия и последующих элементов. Казалось бы, открывается прямой путь для последовательного образования одного за другим ядер всех известных элементов. Однако в Природе переходы от простого к сложному, как правило, отличаются от наиболее прямых, в наших представлениях, путей.

Нуклеосинтез в ранней Вселенной тому пример. На пути его последовательного развития встали элементы с "магическими" массовыми числами 5 и 8. Дело в том, что любая комбинация протонов и нейтронов, образующая ядро с одним из таких массовых чисел, оказывается нежизнеспособной и стремительно распадается на составные части. Так что цепочка последовательного присоединения нейтрона к ядру с дальнейшим его превращением в протон обрывается в самом начале, не оставляя надежды на образование ядер с числом нуклонов, превышающим 4. Этот барьер на пути наращивания нуклонов в ядре физики назвали "щелью массы".

Таким образом, нуклеосинтез в ранней Вселенной не мог образовать наблюдаемого во Вселенной сегодняшнего дня разнообразия химических элементов, укладывающегося в стройную систему таблицы Менделеева. Поэтому его назвали первичным нуклеосинтезом.

Примерно через час после начала расширения все нейтроны оказались связанными с частью протонов, образовав ядра гелия с небольшой примесью ядер дейтерия и совсем мизерной добавкой ядер трития. Температура к этому времени упала до 300 тысяч градусов, но была еще слишком высокой для соединения ядер с электронами, что исключало образование атомов.

Из-за преобладания в барионном веществе ранней Вселенной протонов над нейтронами итоговое содержание гелия, созданного первичным нуклеосинтезом, составило, по оценкам, 28%, а остальное барионное вещество представляли ядра водорода, то есть протоны.

В современной Вселенной соотношение между атомами водорода и атомами гелия должно определяться «реликтовыми» атомами гелия, образовавшимися из ядер гелия, возникших в первичном нуклеосинтезе, плюс теми атомами гелия, которые впоследствии были созданы в результате протекания в звездах типа нашего Солнца реакций водородного цикла нуклеосинтеза. Ф.Хойл и Р.Тейлер провели расчеты образования ядер гелия в первичном нуклеосинтезе. Затем оценили примерное количество гелия, возникшего в реакциях звездного нуклеосинтеза, и вычли это значение из оценок содержания гелия в космосе наших дней. Тем самым они определили концентрацию «реликтовых» атомов гелия во Вселенной. Эта концентрация оказалась в хорошем согласии с расчетом выхода гелия в первичном нуклеосинтезе. Результат говорит в пользу гипотезы Горячей Вселенной и Большого Взрыва.

Первичный нуклеосинтез – это процесс трансформации только барионного вещества, основную часть которого составляют протоны и нейтроны. В понятие вещественной среды кроме них входят бозонная частица фотон и лептонная частица нейтрино, концентрации которых на много порядков превышают концентрацию барионов. В вещественной Вселенной примерно на 10 миллиардов таких частиц приходится лишь одна барионная частица – ядро водорода (протон) или гелия, и одна лептонная частица – электрон. Фотон взаимодействует со свободными электронами и в ранний период развития Вселенной, когда все наличные электроны были свободными, это обстоятельство прочно привязывало фотоны к барионному веществу, делая его непрозрачным для излучений.

Главное подтверждение реальности исходной гипотезы происхождения Вселенной было получено в начале 60-х годов ХХ века. Согласно сценария развития ранней Вселенной примерно через 500-700 тысяч лет после завершения первичного нуклеосинтеза радиус однородного вещественного сгустка достиг значения примерно 100 Мпс, плотность вещества снизилась до 10–22 г/см3, и температура снизилась до 3000 К, что сделало возможным соединение электронов с ядрами водорода и гелия, образовав атомы современной водородно-гелиевой Вселенной. В сгустке исчезли свободные электрические заряды, возросла степень прозрачности атомарного вещества и прервалась связь с ним огромной массы фотонов, возникших в ранее протекавших процессах аннигиляции вещества и антивещества. Такое событие было предсказано Альфером и Хермонсом задолго то того, как во Вселенной был обнаружен равномерно заполняющий ее тепловой фон. Исходя из гипотезы Горячей Вселенной, они рассчитали, что космическое пространство в наше время должно быть заполнено равновесным тепловым излучением с температурой ~3 К, получившим название реликтового излучения.

В начале 60-х годов группа теоретиков и экспериментаторов во главе с Робертом Дикке более детально провела расчет образования теплового фона. Освобожденное излучение, давшее гигантскую световую вспышку в конце раннего периода развития Вселенной (огненный шар), в дальнейшем расширялось вместе с расширением Вселенной и «остывало».

Следует обратить внимание на то, что возникновение теплового излучения возможно только в процессах многократного поглощения и переизлучения фотонов при их взаимодействиях с атомарным веществом. Только так может возникнуть термализация излучения. Термализация вполне могла произойти в довольно плотном сгустке вещества перед образованием атомов, но в наши дни, когда средняя плотность вещества в космосе очень низкая, вероятность образования равновесного теплового излучения крайне маловероятна. Поэтому образование теплового фона Вселенной в наши дни практически исключается, это продукт раннего периода развития Вселенной. В своей пространственной структуре реликтовое излучение сохранило "память" о структуре барионного вещества в момент разделения, и высокая его однородность в пространстве указывает на высокую однородность «сгустка» вещества к концу раннего периода развития Вселенной. Современная температура фонового излучения ~ 3К соответствует равновесному излучению абсолютно черного тела на длинах волн в области от ~10 до 0,05 см с максимумом на длине волны ~0,1 см.

Реликтовое излучение случайно экспериментально обнаружили в 1964 году английские радиофизики Пензиас и Вильсон, опередившие экспериментаторов из группы Дикке, сознательно готовивших такой эксперимент, но не располагавших на тот момент необходимым оборудованием. О значении своего открытия Пензиас и Вильсон узнали только после того, как обратились к Дикке за разъяснением непонятого ими равномерного теплового шума в антенне, идущего со всех направлений неба.

Этап рекомбинации электронов с ядрами водорода и гелия, возникновение при этом реликтового излучения, завершили период раннего развития вещественной Вселенной.

Гипотеза Горячей Вселенной или Большого Взрыва, рассмотренная в этом разделе книги, не единственная, но именно она считается наиболее продуктивной. Научная гипотеза – это не фантазия, а предположение, основывающееся на сегодняшнем знании. Детализация гипотезы ведет к определенным следствиям, часть из которых уже теперь можно проверить на материале наблюдений за современным состоянием изучаемого объекта, в данном случае – вещественной Вселенной. Если данные наблюдений согласуются со следствиями, предсказанными гипотезой, то гипотеза становится основой для создания новой теории. Каковы видимые достоинства гипотезы Большого Взрыва, позволяющие считать ее наиболее продвинутой?

Эта гипотеза естественным образом объясняет тот факт, что современная Вселенная на 98% состоит из водорода и гелия. Она правильно определяет количество реликтового гелия, образовавшегося в первичном нуклеосинтезе. Гипотеза позволила теоретикам выделить основные фазы развития ранней Вселенной и расчетным путем оценить продолжительность каждой фазы, выявив те изменения, которые на их протяжении происходили с вакуумом, с формами вещества и процессами взаимодействия между этими формами. Наконец, два важнейших астрономических открытия ХХ века наиболее весомо вписались в следствия рассматриваемой нами исходной гипотезы. Во-первых, открытие красного смещения в спектрах галактик, не входящих в местное их скопление, показавшее существование того, что условно названо разбеганием галактик равномерно во все стороны (расширение Вселенной). Во-вторых, обнаружение реликтового излучения, предсказанного исходя из гипотезы Горячей Вселенной с точным определением основных параметров этого излучения до того, как произошло его открытие. К этому следует добавить достижения инфляционной теории, следствия которой хорошо согласуются с имеющимися наблюдательными данными, полученными в самое последнее время. Подробности достижений в развитии инфляционной теории изложены в [31].

Ни одна другая выдвигаемая сегодня гипотеза устройства Вселенной не может сравниться по полноте и разработанности с тем, что создано на основе гипотезы Горячей Вселенной.

Время от времени предпринимаются попытки опровергнуть факт расширения вещественной Вселенной, для чего выдвигается предположение, что красное смещение спектральных линий галактик – это не оптический эффект Доплера, вызванный их «разбеганием», а результат потери фотонами своей энергии на пути от галактик к наблюдателю через космическую среду. Современная физика не знает иного механизма потери фотоном части своей энергии, кроме как через его взаимодействие с веществом. В процессах такого взаимодействия потери энергии первичными фотонами зависят от среды, в которых такая трансформация происходит, а величина сдвига в красную область будет зависеть от длины волны исходного фотона. В отличие от этого красное смещение под влиянием эффекта Доплера отличается тем, что сдвиг спектральных линий, например, в сериях линий водорода или гелия, не зависит от длины волны этих линий, он происходит как единое целое. Это обстоятельство является следствием того, что частота излучаемых фотонов не меняется при движении источника света. Изменение частоты, регистрируемое неподвижным наблюдателем, есть кажущийся эффект, величина которого зависит только от скорости движения излучаемого объекта. Поэтому физики уверенно говорят о наблюдении именно эффекта Доплера, а не частичных потерь энергии фотонами при прохождении через космическую среду. К тому же расстояние до галактик, определенное по красному смещению, для не слишком удаленных галактик совпадает с результатами измерений, осуществляемых независимыми методами.

Существуют также попытки найти иные объяснения присутствию теплового фона в современной Вселенной причинами, не вытекающими из гипотезы Горячей Вселенной. Наиболее серьезной альтернативой служит объяснение теплового фона термализацией звездного излучения. Такие попытки наталкиваются на серьезные трудности, которые до сих пор не преодолены. Прежде всего, спектр света звезд радикально отличается от микроволнового фона. Кроме спектральных различий, свет звезд создает плотность фотонов в тысячи раз меньшую плотности фотонов микроволнового фона. Но термализовать хаотическое излучение в современной Вселенной невозможно. Приходится относить процесс преобразования звездного излучения в термализованный микроволновой фон в исторически далекое прошлое, в котором плотность вещества Вселенной предполагается намного более высокой, чем в наши дни. Кроме того, пространство Вселенной необходимо заполнить пылинками определенного размера, с которыми будут взаимодействовать фотоны звездного излучения. Но какой процесс способен был создать в прошлом высокую плотность вещества, если исключить расширение Вселенной? Выдвигается гипотеза о том, что в далеком прошлом возникли первые звезды, масса которых была в 10-15 раз больше массы Солнца. Возможно, что с помощью такой гипотезы можно уменьшить недостачу фотонов, излучаемых звездами по сравнению с количеством фотонов в микроволновом фоне, хотя такое предположение плохо согласуется с известными астрономам представлениями о происхождении и эволюции звезд. Но как в отсутствии расширения Вселенной заставить «остыть» исходный термализованный свет звезд? Нелишне при этом вспомнить, что именно гипотеза Горячей Вселенной позволила без каких-либо помех предсказать появление и эволюцию теплового фона до того, как такой фон был обнаружен.

Но вопрос о рождении Вселенной нельзя считать закрытым. Новые знания, возможно, уточнят или даже внесут заметные изменения в гипотезу "начала". Однако возможные изменения не опровергнут того, что мы имеем дело с направленно развивающейся Вселенной.

3. СТРУКТУРНАЯ САМООРГАНИЗАЦИЯ

ВСЕЛЕННОЙ И ЕЕ СОСТАВНЫХ ЧАСТЕЙ

На рубеже рекомбинации Вселенная достигла своеобразной точки бифуркации. До этого ее развитие шло через последовательные преобразования вакуума и вещества, достижения в ходе таких преобразований все более высоких уровней упорядоченности и сложности. Процесс протекал с охватом всей Вселенной как единого целого. Движущей силой самоорганизации служили глубинные свойства вакуума и вещества и особенности их проявления в экстремальных условиях начального периода развития. В дальнейшем эта роль перешла к четырем фундаментальным силам природы. Но вот исчерпались возможности дальнейшего развития Вселенной в том ключе, в каком оно происходило раньше, наступил критический момент.

Линейная экстраполяция происходящего расширения в будущее предсказывает Вселенной переход к деградационным процессам, завершающимся образованием так называемой фотонно-лептонной пустыни. Но вместо этого произошел скачкообразный переход, приведший к структурообразованию вещества Вселенной. В результате возникли наблюдаемые сегодня разномасштабные структуры, пребывающие в неравновесных состояниях. С этого времени вещественная Вселенная, как система, перешла в состояние, для которого равновесие противопоказано.

Особенности наступившей фазы развития определяют два качественно новых момента.

Во-первых, появились особые локальные условия, обеспечивающие протекание новых актов самоорганизации. Такие акты совершаются на этапах, когда предшествовавшее развитие Вселенной создает для них необходимые условия. Например, биосфера Земли смогла возникнуть лишь после появления Солнечной системы с входящей в ее состав нашей планетой; Солнечная система с тяжелыми планетами земной группы возникла в условиях, когда процессы нуклеосинтеза в звездах предшествовавших поколений создали в их недрах и выбросили в межзвездную среду всю гамму химических элементов, тяжелее водорода и гелия; но сами эти звезды возникли лишь после того, как некогда однородная Вселенная приобрела структурную организацию, и так далее.

Во-вторых, структурная организация Вселенной открыла возможность появления огромного разнообразия форм и разновидностей подсистем, тем самым расширив поиск и выбор путей дальнейшего развития. На стадии ранней Вселенной ничего подобного не было. В каждой иерархической подсистеме возникают, развиваются и умирают разные вариации элементов и процессов, чем поддерживается динамическое существование подсистемы как целого.

Имеются убедительные признаки того, что перед рекомбинацией сгусток вещества во Вселенной обладал высокой степенью однородности. В частности, об этом свидетельствует высокая однородность реликтового излучения. Возникает естественный вопрос, как при таких обстоятельствах объяснить возникновение неоднородностей, породивших скопления галактик и сами галактики? Современная астрономия на основании имеющихся наблюдательных данных разработала обширную классификацию множества типов галактик и звезд, отличающихся структурами, параметрами и путями развития [32,33]. Откуда такое разнообразие?

Переход к современной структурной организации произошел не сразу. Так, по оценкам астрофизиков самый тяжелый природный элемент таблицы Менделеева – уран – появился примерно три миллиарда лет спустя после начала расширения Вселенной. Процесс образования тяжелых элементов в водородно-гелиевой Вселенной протекает в звездах, которые, в свою очередь, рождаются и существуют в галактиках. Поэтому время появления урана с небольшой задержкой согласуется со временем образования галактик.

Но галактики и составляющие их звезды завершают, а не начинают процесс образования крупномасштабных структур. В соответствии с представлениями о гигантской "коллективной флуктуации", характерной для скачка самоорганизующихся систем, между всеми ее частями должна была существовать взаимосвязь. Во Вселенной причинно-следственные связи возможны только в пределах горизонта событий, то есть на расстояниях, на которые успевает распространиться сигнал за время от начала расширения Вселенной и до рассматриваемого момента. На рубеже рекомбинации горизонт событий составлял ~100 Мпс. Именно таков масштаб самого крупного из известных науке структурного образования, сверхскопления галактик, и это, возможно, не является случайным совпадением.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |
 


Похожие работы:

«АстроКА Астрономические явления до 2050 года АСТРОБИБЛИОТЕКА Астрономические явления до 2050 года Составитель Козловский А.Н. Дизайн страниц - Таранцов Сергей АстроКА 2012 1 Серия книг Астробиблиотека (АстроКА) основана в 2004 году Небо века (2013 - 2050). Составитель Козловский А.Н. – АстроКА, 2012г. Дизайн - Таранцов Сергей В книге приводятся сведения по основным астрономическим событиям до 2050 года в виде таблиц и схем, позволяющих определить место и время того или иного явления. Эти схемы...»

«издается с 1994 года.. ОкТЯбрь 2012 ИДЕИ СОВЕТЫ ПУТЕШЕСТВИЯ w w w. v o y a g e m a g a z i n e. r u программа-минимум Голубая кровь арт стамбула главная тема гастрономические пу тешес твия -отели на практике -кварталы -маршруты спорный момент: как быть со сварливым попу тчиком помощь юрис та: арест за границей 16+ география номера в е л и ко б р ита н и я | и з ра и л ь | ита л и я | к ита й | н и де рл а н ды | оа Э | с и н га п у р | та и л а н д | т у р ци я с л о в о р е д а к т о ра...»

«Введение Рентгеновская и гамма-астрономия изучает свойства и поведение вещества в условиях, которые невозможно создать в лабораториях, — при экстремально высоких температурах, под действием сверхсильных гравитационных и магнитных полей. Объектами изучения являются взрывы и остатки сверхновых, релятивистские компактные объекты (нейтронные звезды, черные дыры, белые карлики), аннигиляция антивещества, свечение межзвездной среды из-за ее бомбардировки космическими лучами высоких энергий и т.д....»

«ЭЛЕКТРОННОЕ НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ XXI ВЕКА В ПИЩЕВОЙ, ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ И ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Аннотации статей № 7 (2013) Abstracts of articles № 7 (2013) СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 1. ТЕХНОЛОГИЯ ПИЩЕВОЙ И ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Васюкова А. Т., Пучкова В. Ф. Жилина Т. С., Использование сухих 1. функциональных смесей в технологиях хлебобулочных изделий В статье раскрывается проблема низкого качества хлебобулочных изделий на современном гастрономическом рынке, предлагаются пути...»

«В.А. СИТАРОВ, В.В. ПУСТОВОЙТОВ СОЦИАЛЬНАЯ ЭКОЛОГИЯ Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших педагогических учебных заведений Москва ACADEMA 2000 УДК 37.013.42(075.8) ББК 60.56 Ситаров В. А., Пустовойтов В. В. С 41 Социальная экология: Учеб. Пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений. М.: Издательский центр Академия, 2000. 280 с. ISBN 5-7695-0320-3 В пособии даны основы социальной экологии нового направления междисциплинарных...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. С.А. ЕСЕНИНА А.К.Муртазов Русско-английский астрономический словарь Около 10 000 терминов A.K.Murtazov Russian-English Astronomical Dictionary About 10.000 terms Рязань - 2010 Рецензенты: доктор физико-математических наук, профессор МГУ А.С. Расторгуев доктор филологических наук, профессор МГУ Л.А. Манерко А.К. Муртазов Русско-английский астрономический словарь. – Рязань.: 2010, 188 с. Словарь является...»

«Философия супа тема номера: Суп — явление неторопливой жизни, поэтому его нужно есть не спеша, за красиво накрытым столом. Блюда, которые Все продумано: Первое впечатление — превращают трапезу в на- cтильные девайсы для самое верное, или почетная стоящий церемониал приготовления супов миссия закуски стр.14 стр. 26 стр. 36 02(114) 16 '10 (81) + февраль может больше Мне нравится Табрис на Уже более Ceть супермаркетов Табрис открыла свою собственную страницу на Facebook. Теперь мы можем общаться с...»

«РУССКОЕ ФИЗИЧЕСКОЕ ОБЩЕСТВО РОССИЙСКАЯ АСТРОНОМИЯ (часть вторая) АНДРЕЙ АЛИЕВ Учение Махатм “Существует семь объективных и семь субъективных сфер – миры причин и следствий”. Субъективные сферы по нисходящей: сферы 1 - вселенные; сферы 2 - без названия; сферы 3 -без названия; сферы 4 – галактики; сферы 5 - созвездия; сферы 6 – сферы звёзд; сферы 7 – сферы планет. МОСКВА ОБЩЕСТВЕННАЯ ПОЛЬЗА 2011 Российская Астрономия часть вторая Звёзды не обращаются вокруг центра Галактики, звёзды обращаются...»

«. Сборник Важных Тезисов по Астрологии Составитель: Юра Гаража Содержание Астрономические данные Элементы орбит планет (по состоянию на 01.01.2000 GMT=00:00) Средние скорости планет Ретроградное движение Ретроградность Астрологические Характеристики Планет Значение планет как управителей. Дома Индивидуальные указания домов в картах рождения Указания, касающиеся хорарных вопросв Некоторые дела и управляющие ими дома (современная интерпретация ориентированная на хорарную астрологую) Дома в...»

«ЖИЗНЬ СО ВКУСОМ №Щ октябрь–ноябрь 2013 18+ КУХНЯ-МЕТИС Латинская Америка — рецепты шефов и взгляд изнутри СТЕЙК Всё, что нужно знать о большом куске мяса БАРСЕЛОНА Кафе на рынках, тапас-бары и гастропабы — маршрут на выходные ПИСЬМО ЧИТАТЕЛЮ ДОРОГИЕ ДРУЗЬЯ! Чтобы оставаться в форме, необходимы покой, хорошая еда и никакого спорта, любил повторять Уинстон Черчилль. Безусловно, во всём доверяться даже такому авторитету, как знаменитый премьер Великобритании, не стоит. Однако как важно подчас...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина Радиоастрономический институт НАН Украины Ю. Г. Шкуратов ХОЖДЕНИЕ В НАУКУ Харьков – 2013 2 УДК 52(47+57)(093.3) ББК 22.6г(2)ю14 Ш67 В. С. Бакиров – доктор соц. наук, профессор, ректор Харьковского Рецензент: национального университета имени В. Н. Каразина, академик НАН Украины Утверждено к печати решением Ученого совета Харьковского национального университета имени В. Н....»

«Федеральное агентство по образованию Томский государственный педагогический университет Научная библиотека Библиографический информационный центр Педагогическая практика: в помощь студенту-практиканту Библиографический указатель Томск 2008 Оглавление Предисловие Педагогическая практика Методика преподавания в начальной школе Методика преподавания естествознания Методика преподавания химии Методика преподавания биологии Методика преподавания географии Методика преподавания экологии Методика...»

«11стор11л / географ11л / этнограф11л 1 / 1 вик Олег Е 1 _ |д а Древнего мира Издательство Ломоносовъ М осква • 2012 УДК 392 ББК 63.3(0) mi Иллюстрации И.Тибиловой © О. Ивик, 2012 ISBN 978-5-91678-131-1 © ООО Издательство Ломоносовъ, 2012 Предисловие исать про еду — занятие не­ П легкое, потому что авторов одолевает множество соблаз­ нов, и мысли от компьютера постоянно склоняются в сто­ рону кухни и холодильника. Но ры этой книги (под псевдонимом Олег Ивик пишут Ольга Колобова и Валерий Иванов)...»

«Genre sci_math Author Info Леонард Млодинов (Не)совершенная случайность. Как случай управляет нашей жизнью В книге (Не)совершенная случайность. Как случай управляет нашей жизнью Млодинов запросто знакомит всех желающих с теорией вероятностей, теорией случайных блужданий, научной и прикладной статистикой, историей развития этих всепроникающих теорий, а также с тем, какое значение случай, закономерность и неизбежная путаница между ними имеют в нашей повседневной жизни. Эта книга — отличный способ...»

«Теон Смирнский ИЗЛОЖЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ ПРЕДМЕТОВ, ПОЛЕЗНЫХ ПРИ ЧТЕНИИ ПЛАТОНА ОТ ПЕРЕВОДЧИКА Какую математику изучали в античных школах? Говоря об античной математике, мы в первую очередь вспоминаем о её наивысших достижениях, связанных с именами ЕВКЛИДА, АРХИМЕДА и АПОЛЛОНИЯ. Заданному в Древней Греции образцу построения математической книги — аксиомы, определения, формулировки и доказательства теорем — в какой-то мере следуют и наши школьные учебники геометрии, так что стиль классической...»

«Г.С. Хромов АСТРОНОМИЧЕСКИЕ ОБЩЕСТВА В РОССИИ И СССР Сто пятьдесят лет назад знаменитый русский хирург Н.И. Пирогов, бывший еще и крупным организатором науки своего времени, заметил, что. все переходы, повороты и катастрофы общества всегда отражаются на науке. История добровольных научных обществ и объединений отечественных астрономов, которую мы собираемся кратко изложить, может служить одной из многочисленных иллюстраций справедливости этих провидческих слов. К середине 19-го столетия во...»

«Творчество forum 2 2013 1 Творчество forum 2 Россия — Беларусь — Канада — Казахстан — Латвия — Черногория КОНТАКТЫ: тел.: + 7 (812) 940 63 96, + 7 (911) 972 07 71, + 7 (981) 847 09 71 e mail: martinfo@rambler.ru www.sesame.spb.ru В дизайне обложки использована картина А. Г. Киселёвой Храм (холст, масло) 2 Содержание О творчестве 4 Александр Голод. Воспоминания Ильи Семиглазова, молодого специалиста 6 Александр Сафронов. Моё Секс Ты кто? Анатолий Гусинский. I miss you Елена Борщева. Стоматолог...»

«Научная жизнь Международный год астрономии – 2009 науки. Поэтому Международный астНачало третьего тысячелетия будет рономический союз (МАС) в 2006 г. отмечено в истории просвещения сопроявил инициативу, поддержанную бытиями нового рода – международЮНЕСКО, и 19 декабря 2007 г. 62-я ными годами наук. Инициатива их сессия Генеральной ассамблеи ООН проведения исходит от профессиообъявила 2009 год Международным нальных союзов ученых и ЮНЕСКО, годом астрономии (МГА-2009). а сами подобные годы...»

«ЖИЗНЬ СО ВКУСОМ №Т август–сентябрь 2012 ПОЕДЕМ ПОЕДИМ Календарь самых вкусных событий осени ГОТОВИМ С ДЕТЬМИ Рецепты лучших шефов для юных пиццайоло и маленьких императоров ДЕНЬ РОЖДЕНИЯ Хронология гастрономических открытий Азбуки Вкуса за 15 лет! ПИСЬМО ЧИТАТЕЛЮ ФОТО: СЕРГЕЙ МЕЛИХОВ ДОРОГИЕ ДРУЗЬЯ! Этой осенью Азбуке Вкуса исполняется 15 лет. За минувшие годы случилось то, что раньше казалось невозможным: у нас в стране появилось много людей, которые прекрасно ориентируются в разновидностях...»

«История ракетно-космической техники (Материалы секции 6) АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ НАУЧНОГО ТРУДА ПО ИСТОРИИ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ КОСМОНАВТИКИ Б.Н.Кантемиров (ИИЕТ РАН) Исполнилось 100 лет опубликования работы К.Э.Циолковского Исследование мировых пространств реактивными приборами (1903), положившей начало теоретической космонавтике. Уже скоро полвека, как космонавтика осуществляет свои практические шаги. Казалось бы, пришло время, когда можно ставить вопрос о написании фундаментального труда по...»






 
© 2014 www.kniga.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Книги, пособия, учебники, издания, публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.