
Вселенная и элементарные частицы
Большой взрыв
|
В 1915 году Альберт Эйнштейн создал единую физическую теорию пространства и времени -- Теорию относительности. Одно из важнейших следствий Теории относительности: вся Вселенная когда-то находилась в одной точке и в какой-то момент начала взрывообразно расширяться. Все открытия произошедшие за последние 100 лет не опровергают Теорию относительности, таким образом подтверждая гипотезу Большого взрыва. |
В 1967 году Стивен Хокинг строго доказал существование момента, когда вся Вселенная находилась в одной точке. Вселенная возникла в определённый момент времени. Однако сам момент начала творения не подчиняется ни одному из известных законов физики.
Из современных измерений скорости расширения Вселенной определен момент ее рождения - 13,77 млрд. лет назад. 13,77 млрд. лет назад произошел Большой взрыв, с тех пор Вселенная непрерывно расширяется и охлаждается. |
 |
В первые мгновения после Большого взрыва возникли фотон и еще три элементарные частицы (из которых состоит все вещество) и три элементарных взаимодействия (силы притяжения и отталкивания элементарных частиц).
Элементарные взаимодействия
Есть некое взаимодействие, с которым электрон притягивается к протону и отталкивается от другого электрона, при этом с такой же силой, как протоны отталкиваются друг от друга. Это взаимодействие уменьшается при увеличении расстояния (при увеличении расстояния в 2 раза сила падает в 4 раза). Для удобства расчета этого взаимодействия введено понятие электрического заряда.
Есть второе взаимодействие, с которым электрон, протон и нейтрон притягиваются к друг другу. Эта сила, исходящая от протона, почти такая же как от нейтрона, а от электрона она в 1866 раз меньше. Это взаимодействие уменьшается при увеличение расстояния аналогично электрическому (при увеличении расстояния в 2 раза сила падает в 4 раза). Для удобства расчета этого взаимодействия введено понятие гравитационной массы.
Есть третье взаимодействие, с которым протоны и нейтроны очень сильно притягиваются друг к другу на сверхблизких расстояниях. Это взаимодействие чрезвычайно быстро уменьшается при увеличение расстояния и перестает действовать на расстоянии двух диаметров протона.
Элементарные частицы
Электрон – частица с зарядом -1 и обладающая массой в миллион триллионов триллионов раз меньше грамма.
Протон – частица с зарядом +1, в 1866 раз массивнее электрона. Протонов во Вселенной столько же сколько электронов – Вселенная электронейтральна.
Нейтрон – частица без электрического заряда, в 1869 раз гравитационно массивнее электрона.
Фотон – частица излучения (света), масса = 0, скорость всегда равна 299 792 км/с (эта скорость называется скоростью света), приблизительно 300 тыс. км/с. Фотон обладает непостижимым для нас свойством быть одновременно частицей и волной. Чем больше энергия частицы фотона, тем короче длина волны, которая этой энергии соответствует. В диапазоне длин волн от 380 до 780 нм (нанометр – миллиардная доля метра) частицы излучения являются частицами видимого света, одновременно являясь волнами света.
Силовые поля
Электромагнитное – частицы, имеющие заряд одного знака, отталкиваются, а частицы, имеющие разные знаки зарядов, притягиваются. В результате действия электромагнитного поля происходит захват отрицательно заряженного электрона более тяжелым положительно заряженным протоном, и электрон начинает вращение на орбите, так образуется простейший атом -- атом водорода.
Гравитационное – все объекты состоят из протонов, нейтронов и электронов, суммарная масса этих трех элементарных частиц равна массе объекта. Все объекты притягиваются друг к другу. В результате действия гравитации происходит захват менее тяжелых небесных тел более тяжелыми, и более легкие начинают вращение на орбитах.
Ядерное – сила притяжения между тяжелыми элементарными частицами (протонами и нейтронами) действует на сверхблизких расстояниях. На сверхблизких расстояниях протоны и нейтроны притягиваются ядерной силой в сто раз сильнее, чем протоны отталкиваются электрическими зарядами. Чтобы сблизить протоны на расстояние срабатывания ядерной силы, надо чтобы они летели навстречу друг другу с очень большими скоростями (которые достигаются при очень больших температурах). После сближения на расстояние срабатывания ядерных сил, в результате сцепления протонов и нейтронов образуются ядра атомов тяжелее водорода. Сцепление сопровождается очень большим выделением энергии, это называется термоядерной реакцией .
Гравитация
Все взаимодействия между объектами являются результатом суммарного взаимодействия между электронами, протонами и нейтронами, из которых эти объекты состоят.
Протоны и электроны притягиваются и стремятся соединиться в атомы. Объекты, составленные из них, имеют равное количество протонов и электронов, объекты электрически нейтральны и электрически не взаимодействует. В отличии от электрического, гравитационное взаимодействие между объектами всегда нарастает пропорционально количеству элементарных частиц, из которых объекты состоят.
Гравитационные взаимодействия между объектами -- взаимодействия между элементарными частицами, которые входят в эти объекты в гигантских количествах. Все объекты во Вселенной связаны гравитацией.
Законы сохранения
Кроме элементарных частиц и силовых полей возникла строгая повторяемость результатов взаимодействия частиц и сохраняемость некоторых количественных соотношений между их скоростью движения, массой и зарядом. Этим же законам подчиняются все объекты, которые состоят из элементарных частиц. Сохраняемость соотношений формулируется как законы сохранения энергии, импульса, заряда. Почему действуют законы сохранения никому не известно, про это можно сказать только, что так устроена наша Вселенная.
Атомы и реакции между ними
Положительно заряженные ядра атомов захватывают электроны, образуются атомы. Атом нейтрален, сколько протонов в его ядре, столько электронов на его орбитах. Атомов около 100, они отличаются количеством протонов в ядрах. Атомы с большим количеством протонов менее стабильны, т.к. силы электрического отталкивания удаленных друг от друга протонов в них приближаются к ядерным силам притяжения, поэтому атомов с количеством протонов более 100 всего несколько, и они существуют очень короткое время.
Ядра атомов образуются при гигантских температурах, которые достигаются только внутри звезд в результате термоядерных реакций и при взрывах звезд. Ядра атомов уже невозможно разрушить без чрезвычайно сильных воздействий -- ядерных реакций.
Из атомов и соединений атомов состоит все вещество во Вселенной.
Молекулы и минералы -- соединения атомов. Они могут легко менять свой состав в результате различных несильных воздействий -- химических реакций.
Образование ядер легких атомов (водород, гелий и литий)
В первые минуты существования Вселенная остывала, но все еще была очень горячей. Протоны и электроны двигались с такими большими скоростями, что не могли, несмотря на взаимное электрическое притяжение, создавать стабильные соединения.
Скорости протонов были такими большими, что им часто удавалась преодолеть взаимное электрическое отталкивание и приблизиться настолько, чтобы между ними начали действовать силы ядерного притяжения. При этом уменьшению силы отталкивания способствовали нейтроны (своим присутствием они несколько увеличивали необходимое расстояние сближения между протонами, а протон с нейтроном легко скрепляется ядерными силами, т.к. нет электрического отталкивания). В результате образовывались ядра гелия из 2-х протонов и 2 нейтронов и небольшое количество ядер лития из 3-х протонов и 4-х нейтронов. Вселенная стала состоять на 92% из водорода, на 8% из гелия и на 0,01% процента из лития.

рис. 1.2
Водород, гелий и литий называются легкими атомами. Все остальные атомы образовались внутри звезд и при взрывах звезд и называются тяжелыми атомами. В астрофизике они все даже называются металлами.
Образование галактик
Вселенная изначально была очень однородна, она расширялась и охлаждалась, скорости частиц снижались. Согласно теории гравитационной неустойчивости, частицы, которые имеют скорости ниже определенного порога, не могут постоянно быть равномерно распределены в пространстве. Через 500 млн. лет после Большого взрыва водород и гелий уже не были распределены во Вселенной так равномерно как в начале. Образовались области с повышенным содержанием водорода и гелия – протогалактики.
Примерно через 1 млрд. лет после Большого взрыва протогалактики под действием гравитации стали сжиматься к своим центрам. При этом возникает гигантская вращающаяся воронка. Из-за того, что вращение противостоит сжатию только в плоскости вращения и не противостоит по оси вращения, вращающееся вещество принимает форму диска. Из-за гигантской массы сжатие чрезвычайно сильное и интенсивное, атомы теряют электроны, протоны превращаются в нейтроны, сжатие продолжается под действием еще более нарастающей гравитации. В результате возникает гигантская черная дыра -- ядро галактики (примерно размером с Солнечную систему). Черная дыра - это объект, достигший такой большой массы при достаточно небольшом размере, что даже свет не может преодолеть его гравитационное притяжение.
Летя в под действием сверхмощного поля тяготения, вещество, прежде чем безвозвратно кануть в черную дыру, ускоряется до чрезвычайно высоких скоростей и излучает электромагнитные волны (световые и более короткие). Это самые мощные источники излучения во Вселенной – квазары (на английском сокращение "похожий на звезду").

рис. 1.3
Когда вещество в пределах досягаемости черной дыры заканчивалось, излучение прекращалось, протогалактика становилась галактикой, вещество вращалось вокруг черной дыры в виде плоского диска и постепенно собиралось в водородно-гелиевые облака.
Образование и гибель звезд первого поколения
Водородно-гелиевые облака вращались вокруг ядра галактики и со временем порождали звезды первого поколения (процесс образования звезд описан в следующем разделе), галактика вновь начинала светиться. Звезды первого поколения были очень большие (следствие того, что они зарождались из облаков состоящих только из легких атомов). Из-за большой массы термоядерные реакции с образованием тяжелых ядер атомов в них шли очень интенсивно, эти звезды жили всего не более 10 млн. лет и, взрываясь, наполняли галактики тяжелыми атомами.

рис. 1.4
|