Фундаментальные константы и антропный принцип.
Во всех разделах физики приходится иметь дело с постоянными величинами, т.н. константами. Существует ограниченный набор физических постоянных, связанных с важнейшими физическими теориями, которые называются фундаментальными константами.
Среди фундаментальных констант можно условно выделить мировые,
электромагнитные, атомные и физико-химические. Фундаментальные
константы не выводятся из физических теорий, а определяются экспериментально. В современном естествознании считается, что мировые константы стабильны, начиная со времени 10-35 начиная с рождения Вселенной.
М. Планк предлагал добавить к первым трем фундаментальным константам постоянную Больцмана (к=1.38 1023 Дж/(К моль), т.к. она устанавливает связь между микроскопическими характеристиками частицы и макроскопическим состоянием системы.
Установлено, что существование основных структурных элементов материи (атомных ядер, звезд, галактик) во Вселенной связано возможно лишь в очень узком диапазоне численных значений фундаментальных констант. Расчеты показали, что их малые изменения на ранней стадии формирования Вселенной могли бы привести к формированию качественно иного мира, в частности стало бы невозможно образование макроскопических структур, а следовательно и образование высокоорганизованной живой матери. Вопрос о причинах попадания численных значений мировых констант в узкий диапазон, обеспечивающий возникновение разумной жизни, нашел отражение в антропном принципе, предложенном Г.Идлисом в 1958 г. И Б.Картером с 1974 г. Антропный принцип сформулирован в слабом и сильном вариантах:
Слабый антропный принцип – на свойства Вселенной накладывает ограничение наличие разумной жизни;
Сильный антропный принцип – свойства Вселенной должны быть такими, чтобы в ней обязательно существовала жизнь.
Антропный принцип – пример взаимозависимости фундаментальных вопросы естествознания и мировоззренческих вопросов. В тех областях, где недостаточность знания существует принципиально, большую роль играют вненаучные факторы, эстетические предпочтения или религиозное мировоззрение. Антропный принцип признает некий высший порядок, выбравший реализованный вариант эволюции Вселенной.
Антропный принцип не отвергает также возможность существования других Вселенных. Предполагая, что Вселенная однородна и изотропна в больших масштабах и применяя антропный принцип, можно прийти к выводу о закономерности возникновения и широком распространении жизни и Разума во Вселенной. Антропный принцип с точки зрения физики и философии отвергает возможность уникальности земной жизни.
Образование Вселенной
Неизбежные флуктуации привели к небольшим (~0.001%) неоднородностям, которые затем преобразовались в галактики и другие крупномасштабные скопления материи. С другой стороны, нет оснований полагать, что неоднородности образовывались преимущественно в некоторых частях пузыря или по выделенным направлениям. Поэтому Вселенная в больших своих фрагментах является однородной и изотропной, во всех частях Вселенной все явления и процессы подчиняются единым законам.
В период с 10-43 до 10-35 с материя существовала в виде излучения и сверхгорячей плазмы из множества рождающихся и аннигилирующих частиц и антицастиц. Для эволюции нашей Вселенной оказалось существенным, что число частиц и античастиц различалось примерно на 10-7% в пользу частиц. Поэтому в процессе последующей аннигиляции античастицы исчезли полностью, а весьма малый реликтовый остаток вещества (10-7%) образует нашу современную Вселенную.
До момента инфляции существовал, вероятно, только один тип фундаментальных взаимодействий – Суперсила. Непосредственно до 10-43 с отделилась гравитация. В период завершения инфляции
(10-36 – 10-35 с) при температуре 1028 К от великого объединения отделилось ядерное взаимодействие. Примерно через 10-10 с электрослабое взаимодействие распалось на слабое и электромагнитное. С этого момента до наших дней в природе проявляются все четыре фундаментальных взаимодействия.
Период с 10-35 до 10-4 с называется эрой адронов. К концу этой эры кварки объединились в адроны. Возникли и лептоны, но температуры еще слишком высоки (1028 – 1012 К), нуклоны не могут образовать устойчивые ядра и удержать электроны в атомах.
В период с 10-4 до 10 с Вселенная остывает до 1010 К и наступает эра лептонов. Аннигиляция между электронами и позитронами завершилась с избытком электронов. С участие лептонов идут реакции между протонами и нейтронами.
Далее наступает эра фотонов, длившаяся от 10 с до 106 лет. Температура убывает от 1010 до 4000 К. Основная энергия Вселенной приходится на фотоны, т.к. уже прошла аннигиляция частиц и античастиц.
При охлаждении Вселенной до 109 К (300 с) возникли условия, при которых за счет объединения протонов и нейтронов стали образовываться изотопы водорода и гелия. К моменту 10000 лет нейтроны были полностью израсходованы на образование гелия (~25%), оставшиеся протоны проявились в дальнейшем как ядра водорода (~75%). Это соотношение примерно сохраняется до наших дней.
После образования ядер легких элементов вещество еще долго представляло собой плазму. После снижения температуры до 4000К электроны стали удерживаться вблизи ядер, образуя атомы водорода и гелия. Произошло разделение вещества и излучения. Излучение стало распространяться по Вселенной свободно, охлаждаясь по мере расширения Вселенной. В настоящее время излучение имеет температуру порядка 3К. что соответствует микроволновому радиоизлучению. Это излучение и называется реликтовым. Экспериментально обнаруженное реликтовое излучение имеет температуру 2.7 К.
Через 106 лет после начала эволюции Вселенной наступила эра звезд, или эра вещества, которая продолжается и в наше время. Постепенно под действием гравитации первичные неоднородности в распределении вещества превратились в огромные газовые сгущения, которые затем разделились на галактики. Дальнейшее дробление привело к распаду галактик на протозвезды, из которых затем образовались звезды.
ü Звезда – гигантский плазменный шар, длительно находящийся в устойчивом состоянии благодаря гидродинамическому и тепловому равновесиям.
ü Галактики – гигантские (до сотен млрд звезд) звездные системы, в которых звезды связаны друг с другом силами гравитации.
ü Метагалактика – совокупность галактик, движущихся в видимой нами части Вселенной.
В настоящее время обнаружено более миллиарда галактик, каждая из которых имеет от нескольких миллионов до многих тысяч миллиардов звезд. Наша галактика Млечный путь содержит 1011 звезд, сосредоточенных в объеме, имеющем форму диска диаметром около 100 тыс. св. лет, а толщина – 1500 св. лет., со спиральными рукавами. Солнце расположено на краю спирального рукава, называемого Орион на расстоянии около 30 тыс. св. лет от ядра галактики.
Спиральные галактики – один из основных видов галактик (до 50%). Звезды и межзвездное вещество спиральных галактик вращаются вокруг ядра. Солнце за время своей эволюции ( 5 млрд лет) совершила около 25 оборотов вокруг ядра галактики со скоростью 250 км/с.
Ближайшие к нам галактики – Магеллановы Облака (расстояние – 200 тыс. св.лет) и Туманность Андромеды (1800 тыс. св.лет).
Отметим, что современная теория эволюции Вселенной дает ответы далеко не на все вопросы, например неясен пока характер дальнейшей эволюции
Образование и эволюция звезд. Черные дыры.
Современные методы изучения звезд и галактик показали, что почти все они состоят из водорода и гелия, причем лишь малая часть водорода и гелия содержится в звездах, а большая часть распределена в межзвездном пространстве. В зависимости от первоначального состава межзвездной пыли наблюдаются два типа звездных тел.
Большинство звезд состоит в основном из водорода (60…90%) и гелия (10…40%) и тяжелых элементов (0.1…3%). Такие звезды называются звездами населения 1. Тяжелые элементы образуются при вспышках т.н. новых звезд или при взрывах сверхновых. Наше Солнце с 74% водорода, 24% гелия и 2% тяжелых элементов есть обычная звезда населения 1.
Звезды населения 2 образуются в основном из первичного водорода и гелия и содержат очень мало тяжелых элементов.
В процесс конденсации межзвездной пыли сопровождается освобождением энергия частиц и соответствующим увеличением температуры. При температурах ~107 К и плотности 100 г/см3 начинаются термоядерные реакции. В первой термоядерной реакции участвует лишь водород: происходит слияние двух протонов в результате слабых взаимодействий. После образования дейтерия начинаются еще две дополнительные реакции, конечным результатом которых является слияние четырех ядер атома водорода в ядро атома гелия. При этом выделяется ~27 МэВ.
p + p à d + e+ + n
d + p à 23He + g
23He + 23He à24He + p + p
Эта реакция называется протон-протонной цепочкой. Она является основным источником энергии Солнца. Солнце ежесекундно выделяет ~4 1026 Вт.
Термоядерные реакции, протекающие внутри звезд, сопровождаются испусканием g-квантов. ЭМ излучение обладает импульсом, т.е. оказывает радиационное давление. Когда давление, обусловленное гравитацией, уравновешивается радиационным давление, сжатие звезды прекращается.
Если в звезде имеется некоторое количество углерода, то может осуществляться еще одна цепочка реакций, в результате чего также происходит превращение четырех ядер водорода в гелий, а углерод служит катализатором. Т.к. в этой последовательности участвуют и образуются углерод и азот, то ее и называют углеродно-азотным циклом. Такие звезды более массивные и яркие, примером является Сириус, одна из самых ярких звезд Северного полушария.
За эволюцией звезд позволяют следить две основные характеристики: собственная светимость и цвет. На диаграмме зависимости светимости от цвета звезду можно изобразить точкой, которая движется по мере жизни и угасания звезды. Начальное положение звезды зависит от ее массы: более массивные оказываются более горячими и яркими, а менее массивные – холодными и тусклыми. Для стабильных звезд диаграмма светимость-цвет образует т.н. главную последовательность.
По мере уменьшения количества водорода внутри звезды она сжимается. Это приводит к увеличению температуры и началу выгорания гелия. При превращении гелия в углерод выделяется большое количество энергии, что приводит к увеличению радиационного давления. Внешние слои звезды расширяются. В результате чего температура падает, излучаемый свет становится более красным, и звезда смещается вправо от главной последовательности. Этот процесс расширения идет до тех пор, пока диаметр заезды не увеличится в 200-300 раз, и звезда становится красным гигантом.
Чёрная дыра́ — область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света.
Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер — гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда
Теоретически возможность существования таких областей пространства-времени следует из некоторых точных решений уравнений Эйнштейна, первое из которых было получено Карлом Шварцшильдом в 1915 году. Точный изобретатель термина неизвестен, но само обозначение было популяризовано Джоном Арчибальдом Уилером и впервые публично употреблено в популярной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное (Our Universe: the Known and Unknown)» 29 декабря 1967 года. Ранее подобные астрофизические объекты называли «сколлапсировавшие звёзды» или «коллапсары» (от англ. collapsed stars), а также «застывшие звёзды» (англ. frozen stars).
Изображение, полученное с помощью телескопа «Хаббл»: Активная галактика M87. В ядре галактики, предположительно, находится чёрная дыра. На снимке видна релятивистская струя длиной около 5 тысяч световых лет
Вопрос о реальном существовании чёрных дыр тесно связан с тем, насколько верна теория гравитации, из которой их существование следует. В современной физике стандартной теорией гравитации, лучше всего подтверждённой экспериментально, является общая теория относительности (ОТО), уверенно предсказывающая возможность образования чёрных дыр, но их существование возможно и в рамках других (не всех) моделей (см.: Альтернативные теории гравитации). Поэтому наблюдательные данные анализируются и интерпретируются, прежде всего, в контексте ОТО, хотя, строго говоря, эта теория не является экспериментально подтверждённой для условий, соответствующих области пространства-времени в непосредственной близости от чёрных дыр звёздных масс. Поэтому утверждения о непосредственных доказательствах существования чёрных дыр, в том числе и в этой статье ниже, строго говоря, следует понимать в смысле подтверждения существования астрономических объектов, таких плотных и массивных, а также обладающих некоторыми другими наблюдаемыми свойствами, что их можно интерпретировать как чёрные дыры общей теории относительности.
Кроме того, чёрными дырами часто называют объекты, не строго соответствующие данному выше определению, а лишь приближающиеся по своим свойствам к такой чёрной дыре — например, это могут быть коллапсирующие звёзды на поздних стадиях коллапса. В современной астрофизике этому различию не придаётся большого значения, так как наблюдательные проявления «почти сколлапсировавшей» («замороженной») звезды и «настоящей» («извечной») чёрной дыры практически одинаковы. Это происходит потому, что отличия физических полей вокруг коллапсара от таковых для «извечной» чёрной дыры уменьшаются по степенным законам с характерным временем порядка гравитационного радиуса, делённого на скорость света.