yuritkachev (yuritkachev) wrote,
yuritkachev
yuritkachev

Category:

Физика для ватников: восстанавливаем утраченное

Одной из самых печальных потерь, связанных с удалением моих аккаунтов в Facebook'е, является потеря текстов условной рубрики "Физика для ватников". Правда, ещё задолго до начала моих заключений, я пришёл к выводу, что Facebook, вообще говоря, не является удачной платформой для размещения таких текстов, и начал подумывать над альтернативами. И вот таки как раз ЖЖ как платформа куда удобнее. Поэтому, пользуясь случаем, начнём понемножку восстанавливать утраченное, а также заполнять пробелы между текстами.

К счастью, писать с нуля мне это не нужно: я уже довольно давно работаю над неким систематизированным сборником таких текстов, пока имеющим рабочее название "Просто о сложном: «высокая» физика простым языком". Возможно, если те части этого сборника, которые я буду публиковать здесь, "зайдут", то у кого-то появится и мысль о том, как с пользой для Человечества применить и остальной сборник...

Картинки пока тоже натырены с интернетов (ну, не умею я рисовать, что уж тут поделаешь!), так что того, если найдутся правообладатели, укажу. А если найдутся те, кто захочет помочь с оригинальными картинками, будет вообще суперкруто.

Начнём, пожалуй, с самого начала - с Большого Взрыва.

«Отец» современной физики, Альберт Эйнштейн, создавший базовые уравнения, описывающие существование Вселенной, был уверен, что она вечна, постоянна и неизменна. Однако в 1922 году последователь Эйнштейна, российский физик Александр Фридман предложил решения уравнений Эйнштейна, из которых прямо следовало: Вселенная имеет непостоянный объём - расширяется. Отсюда непосредственно следовал вывод о том, что Вселенная не является вечной – по крайней мере, в том смысле, что в некоем отдалённом прошлом существовал момент, с которого началось её нынешнее расширение из первоначального (доисторического) состояния.

Эйнштейн поначалу не согласился с выводами Фридмана, которые противоречили его базовым убеждениям о вечности (стационарности) Вселенной. Однако в 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл получил экспериментальное доказательство правоты Фридмана.

\
Александр Фридман

Хаббл изучал спектры света, который идёт к нам от удалённых галактик. По идее, эти спектры должны иметь одинаковую структуру, так как они порождены излучением одних и тех же химически элементов. К примеру, можно было бы ожидать, что в спектре обнаружится спектральная серия с длинами волн 434, 486 и 656 нанометров: это т.н. серия Бальмера излучения атома водорода, самого распространённого вещества во Вселенной. Наблюдения действительно показали спектры сходной структуры, но конкретные значения длин волн были несколько больше, чем должны были бы быть, т.е. их свет был как бы немного краснее положенного.



Эффект был назван красным смещением.

В принципе, его знали и до Хаббла, и его было принято объяснять т.н. эффектом Допплера, в рамках которого длина волны (световой, звуковой, да и, вообще говоря, какой угодно) увеличивается, если объект удаляется от нас и уменьшается, если он к нам приближается.



Хаббл изучил спектры 49 галактик и обнаружил, что красное смещение оказывается тем большим, чем на большем расстоянии от нас находится эта галактика. Хаббл интерпретировал эти данные таким образом, что галактики как бы разлетаются  в разные стороны от Земли, причём чем больше расстояние до галактики, тем больше скорость убегания.
Он сформулировал закономерность, согласно которой скорость удаления некоего объекта прямо пропорциональна расстоянию до него, а коэффициент пропорциональности, значение которого также подсчитал Хаббл, с тех пор называли постоянной Хаббла.




Данные, полученные Хабблом, триумфально подтвердили выводы Фридмана. Эйнштейн признал его правоту, и стал сторонником теории расширяющейся Вселенной – теории, отцом которой он неоднократно называл именно Фридмана. Увы, сам Фридман не дожил до своего триумфа, скончавшись в 1925 году от брюшного тифа, который получил, съев немытую грушу.

Как мы уже говорили выше, из того факта, что Вселенная расширяется, прямо следовал вывод о том, что её существование имеет некую отправную точку – момент, с которого это расширение началось. Закон Хаббла в принципе позволяет нам достаточно точно определить, когда именно это произошло – по всей видимости, это случилось около 14 миллиардов лет тому назад.

В настоящий момент модель расширяющейся Вселенной, основанная на уравнениях Эйнштейна, их решений Фридманом, законе Хаббла и ряде других теорий (т.н. космологическая модель лямбда-CDM) является наиболее общепризнанной в научной среде. Впрочем, она не является совершенно бесспорной (как та же теория относительности или квантовая теория, с основными положениями которых решаются спорить лишь откровенные фрики). Даже сегодня существуют серьёзные учёные, которые сомневаются в этой модели и предлагают альтернативы ей, правда, пока довольно скептически воспринимаемые мировым научным сообществом.

С другой стороны, новые экспериментальные данные и астрономические наблюдения выявляют всё больше фактов, которые противоречат господствующей теории; для их объяснения приходится привлекать дополнительные соображения - причём иногда довольно экзотические, и масса «подпорок», которыми приходится укреплять эту теорию, растёт год от года, что только усиливает сомнения скептиков. Однако мы будем говорить именно об этой теории – попутно указывая, конечно, её узкие места.

Кстати, сам термин «Большой Взрыв», описывающий момент рождения Вселенной, придуман одним из противников этой теории, астрономом Фредом Хойлом. В своей лекции в 1949 году он заявил: «Эта теория основана на предположении, что Вселенная возникла в результате одного-единственного большого взрыва и потому существует лишь ограниченное время. Эта идея кажется мне совершенно неудовлетворительной». После публикации лекций Хойла словосочетание «Большой Взрыв» обрело огромную популярность и, что называется, «пошло в народ».

Проблема заключается в том, что этот термин очень плохо описывает представления современной физики о процессе рождения и развития Вселенной, наводя неподготовленного слушателя на совершенно ложные аналогии.

Говоря о Большом Взрыве, мы представляем себе детонацию некоей гигантской «космической петарды», взрывная волна которой разбросала материю по пространству. Но это неверно просто потому, что, по современным представлениям, никакого «пространства» до Большого Взрыва не существовало, и «разлетаться» материи было попросту некуда. Расширение Вселенной обусловлено не «разлётом» её частей, а как раз-таки процессом постоянного образования этого самого пространства. Проще говоря, удалённые галактики не «улетают» от нас, а просто количество пространства, находящееся между нами и ними, постоянно увеличивается.

Проще всего сравнить это с наблюдаемым ростом расстояния между двумя точками на поверхности воздушного шарика, в который мы накачиваем воздух. Сами точки, конечно, неподвижны, но так как поверхность шарика увеличивается, расстояние между ними растёт, что с точки зрения наблюдателя на поверхности шарика похоже на то, будто бы эти точки «разлетаются» друг от друга.



Эффект убегания галактик, который описал Хаббл, является таким образом суммой двух эффектов: во-первых, собственной скоростью галактик друг относительно друга (т.н. пекулярной скоростью, которая может, вообще говоря, быть очень различной), и «псевдоскоростью», вызванной не движением как таковым, а разбуханием разделяющего галактики пространства. Чем больше пространства заключено между галактиками (или любыми двумя точками во Вселенной), тем быстрее оно разбухает – именно этот процесс и описывает закон Хаббла.

К примеру, галактика Андромеды (её ещё иногда по старинке называют туманностью Андромеды) удалена от нас «всего-то» на 2,5 миллиона световых лет (для сравнения, галактика UDFy-38135539 удалена от Земли на 13 миллиардов (!) световых лет). Из-за её относительной близости к нам, пространство между Андромедой и Млечным Путём «разбухает» довольно медленно, к тому же Андромеда имеет пекулярную («собственную») скорость, направленную в сторону Земли, и эта скорость оказывается больше псевдоскорости, порождённой разбуханием. В результате галактика Андромеды не удаляется от нас, а приближается: в её спектре наблюдается не красное, а голубое смещение. Да-да, вы правильно поняли: рано или поздно, а точнее, через 3-4 миллиарда лет галактика Андромеды столкнётся в Млечным Путём, и они образуют одну супергалактику.

В случае более удалённых галактик пространство «разбухает» быстрее, и обусловленная им скорость убегания оказывается достаточно большой для того, чтобы пекулярной скоростью можно было пренебречь, и расстояние между такими галактиками и нами постоянно увеличивается, даже если они летят нам навстречу. Здесь будет уместна аналогия с ребёнком, который пытается бежать по эскалатору в сторону, противоположную его движению.

Важно подчеркнуть: пространство Вселенной «разбухает» равномерно и однородно, без каких-либо избранных направлений. Именно поэтому лишён смысла вопрос об «эпицентре Большого Взрыва», который нередко задают введённые в заблуждение некорректным термином. Никакого «центра», особой точки, из которой начала расширяться Вселенная, указать нельзя – точнее, в момент Большого Взрыва все точки Вселенной располагалась  в одном и том же месте. Если некто скажет, что «центр Вселенной» располагается на кончике его носа, то он будет не так уж и неправ – правда, при этом ему придётся смириться с мыслью, что если некое разумное существо в иной галактике подумает то же самое про свой собственный нос, это также будет правдой.

Космологическое красное смещение, которое описывает закон Хаббла, в этом смысле тоже объясняется несколько иначе, чем считали при его открытии. Свет «краснеет» не потому, что движется к нам от некоего движущегося предмета, а вследствие того, что за время его полёта пространство, куда он попадает, успевает расшириться. И если раньше «волновой пакет» занимал в пространстве, скажем, 656 нанометров, то теперь в «раздувшемся» пространстве он занимает, предположим, 670, т.е. становится как бы более красным.

Отметим, что некоторые учёные придерживаются другого взгляда на природу происходящего, и дают космологическому красному смещению иные объяснения; но об этом мы поговорим чуть позже. А пока обсудим, что думают современные физики о рождении нашей Вселенной.

Для начала, хочу предупредить: никогда не пытайтесь задавать физикам вопрос о том, что было до Большого Взрыва. Дело в том, что с точки зрения физики понятие «до Большого Взрыва» в принципе не имеет смысла, так как отсчёт времени, каким мы его знаем, также начался в момент рождения нашей Вселенной. Более того, даже если нечто и существовало «до Большого Взрыва», то мы не только не знаем об этом, но и принципиально не можем ничего узнать, так как не способны получить об этом никакой информации. Поэтому давайте смиримся с тем, что момент Большого Взрыва – это «абсолютный ноль» нашей временной шкалы.

Что представляла собой Вселенная в этот самый нулевой момент, и что заставило её «взорваться»? Этого мы тоже не знаем. Предположительно вся материя и энергия в момент рождения Вселенной была сконцентрирована в некоей точке бесконечно малого с точки зрения современной физики объёма. У современной физики возникают серьёзные проблемы с описанием того, что происходит в таких сверхмалых объёмах: квантовая теория и теория относительности, по-разному рассматривающие пространство, вступают в неразрешимые конфликты между собой, и уравнения, которые они дают, оказываются бессмысленными.

Мы вообще не уверены, что корректно говорить о расстояниях меньше 10 в минус 35 степени метра – т.н. планковской длины, которая, согласно некоторым теориям, является минимально возможной «ячейкой» пространства (это и правда очень мало: протон настолько же больше планковской длины, насколько Земля больше самого протона).


Предполагается, что в нулевой момент времени (и кратчайшие мгновения после него) все четыре фундаментальных силы, гравитация, сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие были объединены, представляя собой одну универсальную силу. Однако мы пока не можем описать физику такого взаимодействия – просто потому, что описывающая гравитацию теория относительности и квантовая теория «не стыкуются» между собой.

Этот начальный, нулевой период в истории Вселенной носит название «планковской эпохи». Предположительно, он длился около 10 в минус 41 секунды, однако это предположение сделано на том простом факте, что 10 в минус 41 – это время, за которое свет преодолеет расстояние, равное планковской длине. Проще говоря, это минимальный «тик» вселенских часов – самый маленький разумно представимый на нашем уровне познания временной промежуток.

Фактически, есть лишь одна вещь про Вселенную планковской эпохи, о которой мы можем сказать точно: уже тогда Вселенная расширялась. В результате этого расширения концентрация материи-энергии (какие бы непредставимые формы она не принимала) уменьшалась: количество оставалось прежним, а вот объём - рос.

Наконец, Вселенная остыла настолько, что четыре фундаментальные взаимодействия больше не могли существовать как одно целое. Гравитация отделилась от оставшейся троицы и начала «собственную жизнь», а сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие пока ещё существовали как одно целое.


Общепринятой теории, описывающей «совместную жизнь» этих трёх взаимодействий, пока тоже нет, поэтому вторая эпоха существования Вселенной, эпоха Великого объединения, также пока находится вне сферы наших познаний. Предположительно, вещество Вселенной в тот период существовало в состоянии глазмы: протоматерии, из которой впоследствии появились известные нам частицы.

В 2012 году учёные, похоже, получили экспериментальное подтверждение существования глазмы на Большом адронном коллайдере. При столкновении протонов и ионов свинца наблюдались парадоксальные результаты, которые могут объясняться тем, что в результате столкновения на короткие доли мгновения вещество оказывалось в этом «доисторическом» состоянии.




Эпоха Великого Объединения закончилась тогда, когда концентрации энергии в изначальной Вселенной упали до значений, при которых от «триединого» взаимодействия отделилось сильное взаимодействие, отвечающее за связи частиц внутри атомного ядра.

Именно после этого момента из первоначальной глазмы начали возникать более сложные объекты: базовые "кирпичики" вещества, кварки, а также глюоны, обеспечивающие взаимодействие кварков между собой.

Правда, Вселенная ещё слишком горяча для того, чтобы они объединялись в привычные нам более тяжёлые частицы, например, протоны и нейтроны. Точнее, если бы такое объединение и происходило, то новообразованная частица разрушилась бы в результате соударения с другими частицами на высоких скоростях. Кварки и глюоны существуют в виде своеобразного «супа» - кварк-глюонной плазмы.




Исходя из того, что мы знаем о глазме (очень немного) и кварк-глюонной плазме (чуть больше), мы можем предположить, что это начало происходить спустя примерно 10 в минус 34 секунды после Большого Взрыва. И тут теория сталкивается с первой серьёзной проблемой.

Дело в том, что если мы обратим закон расширения Вселенной (закон Хаббла) вспять, то окажется, что к этому моменту видимая Вселенная должна была бы иметь радиус около десятой доли миллиметра (10 в минус 4 метра). Однако с момента существования Вселенной (10 в минус 34 секунды) свет мог бы пройти лишь 10 в минус 26 метра.

Иными словами, разные части новорожденной Вселенной не успели бы ещё обменяться информацией между собой: вообще говоря, это были бы не связанные причино-следственными связями «пузырьки» внутри вселенского пузыря, условия в которых могли бы существенно различаться между собой. Впоследствии эти «пузырьки» дали бы начало областям Вселенной с существенно различающимися между собой условиями.

Однако ничего подобного мы не наблюдаем: Вселенная, какой мы её видим, представляется достаточно однородным местом на больших масштабах расстояний. А это возможно лишь в том случае, если к концу эпохи Великого Объединения Вселенная должна была бы быть в миллиарды миллиардов раз меньше, чем даёт нам простое обращение закона Хаббла.


Для разрешения этой проблемы была предложена теория инфляционного расширения Вселенной. Согласно ней, природа Вселенной в планковскую эпоху и эпоху Великого Объединения существенно отличалась от той, которую мы наблюдаем сегодня, из-за чего в этот период Вселенная расширялась с гораздо большей скоростью, увеличивая свой радиус не по степенному (закон Хаббла), а по экспоненциальному закону. Это сверхбыстрое (так и хочется сказать - взрывное) расширение Вселенной называют ещё инфляционным, а период времени, в которое оно наблюдалось – инфляционной эпохой.

Предполагается, что инфляционная эпоха продлилась с 10 в минус 36 до 10 в минус 32 секунды жизни Вселенной, но за это время её объём увеличился в миллиарды миллиардов раз. По истечении этого времени, значительно остывшая из-за такого стремительного расширения Вселенная лишилась условий, порождавших инфляционное расширение, и вернулась к «разбуханию» по хаббловскому закону.

Интересное следствие: получается, что в период инфляционного расширения различные объекты внутри неё могли удаляться друг от друга со скоростью, существенно превышающую скорость света. "Но ведь это невозможно!" - воскликнут те, кто помнять основы теории относительности Эйнштейна из школьной программы. Но на самом деле никакого противоречия здесь нет. Теория относительности налагает запрет на ДВИЖЕНИЕ со сверхсветовой скоростью друг относительно друга МАТЕРИАЛЬНЫХ объектов. Мы же говорим не о движении объектов, а об изменении характеристик самого пространства, а на этот процесс ограничения теории относительности насчёт скорости света не распространяются.

Кстати, существует несколько теорий о том, как свойство пространства разбухать со значительными скоростями может в будущем дать нам возможность перемещаться из точки А в точку Б заметно быстрее, чем тот же путь преодолел бы световой луч. Но об этом - в наших следующих материалах. А пока вернёмся во времена Большого Взрыва.


Около 10 в минус 10 секунды с момента образования, расширяющаяся Вселенная «остыла» настолько, что электрическое и слабое взаимодействие больше не могли существовать как одно целое. Все четыре взаимодействия разделились, и Вселенная стала уже более ли менее похожей на то, что мы видим сегодня.

В той Вселенной, основательно остывшей по сравнению с изначальным состоянием, но всё ещё весьма горячей, массово происходило рождение пар частиц – кварков, а также лептонов (наиболее известным из которых является электрон). Эти частицы по идее должны были рождаться парами "частица-античастица", как это происходит в высокоэнергетичных полях и сегодня. Частицы и античастицы впоследствии должны были бы частично аннигилировать друг с другом, порождая фотоны.

При этом по идее число рождающихся частиц и соответствующих античастиц должно было бы быть равным. Однако в наблюдаемой Вселенной мы видим, что вещество колоссально преобладает над антивеществом – то есть, где-то на ранних этапах развития Вселенной симметрия вещество-антивещество была нарушена. Как именно? Никто не знает – и это одна из самых насущных проблем и современной космологии, и Стандартной модели. Существуют различные гипотезы на этот счёт, но ни одна из них не является ни безупречной, ни общепринятой.

Примерно к 10 в минус шестой секунды Вселенная остыла настолько, что кварки начали формировать более сложные структуры – адроны, включая известные нам протоны и нейтроны. В результате слабого взаимодействия более тяжёлые адроны распадались, выделяя лептоны. К примеру, нейтроны, превращаясь в протоны в процессе бета-распада, порождали электроны и нейтрино. Однако плотность вещества Вселенной была слишком велика, и выделившиеся нейтрино практически сразу улавливались другими частицами – скажем, теми же протонами, которые в результате превращались в нейтроны с выделением позитрона (античастицы электрона, которая, кстати, могла аннигилировать с электронами, выделившимися в результате бета-распадов нейтронов). При этом во Вселенной продолжается активное рождение пар: адроны-антиадроны, лептоны-антилептоны и т.п.

Примерно в возрасте 1 секунды плотность вещества Вселенной уменьшается настолько, что оно уже не может перехватить все рождающиеся нейтрино. Соответственно, процесс электронного бета-распада нейтронов начинает преобладать над позитронным бета-распадом протонов: нейтронов становится значительно (примерно в 6 раз) меньше, чем протонов.

Примерно к 3 секунде своего существования Вселенная остыла настолько, что процесс рождения новых частиц прекратился. Однако уже рождённые частицы смогли начать вступать в более и более сложные взаимодействия. К примеру, благодаря сильному взаимодействию смогли начать формироваться сложные атомные ядра: дейтерий (1 протон-два нейтрона), гелий-4 (2 протона, две нейтрона), и даже более сложные структуры вроде ядер лития, бериллия и бора. Однако из-за того, что из-за бета-распада протонов во Вселенной оказывается значительно больше нейтронов, преобладают всё-таки отдельные протоны – ядра будущих атомов водорода: на формирование более сложных структур нейтронов банально не хватает.

Однако Вселенная ещё слишком горяча для того, чтобы ядра атомов могли захватывать электроны, превращаясь в полноценные электронейтальные атомы. Фактически, её вещество существует в виде плазмы, которая непрозрачна для фотонов: эти частицы, массово рождаясь в ходе процессов рождения Вселенной, постоянно поглощаются и излучаются веществом, не успевая улететь на значительные расстояния.

Примерно через 379 тысяч лет Вселенная охладилась настолько, что атомные ядра за счёт электрических сил начали улавливать свободные электроны. Начали появляться привычные нам атомы. Вещество становится прозрачным для фотонов, которые устремляются в свободный полёт по Вселенной. При этом сама Вселенная продолжает расширяться, подчас – с околосветовыми скоростями. Из-за этого фотоны, освободившиеся 13 с лишним миллиардов лет назад в местах, удалённых от того места, где потом образовалась Земля, долетают до нас и сегодня.

Это так называемое реликтовое излучение – эхо ранних эпох существования Вселенной, «ударная волна» Большого Взрыва. Изучая его структуру и спектр, учёные могут делать кое-какие выводы о том, как выглядела Вселенная в тот момент, когда эти фотоны освободились из плена материи. Например, выясняется, что частоты этого излучения, долетающие до нас с разных направлений, достаточно слабо отличаются между собой, а те отличия,что есть, распределны в пространстве достаточно равномерно (с поправкой на статистические флуктуации) - то есть, во Вселенной вроде бы не существует никаких "особых" точек и выделенных направлений. И это подтверждает наши представления о её устройстве. Впрочем, на "карте" реликтового излучения имеются и аномалии, которые, по мнению некоторых учёных, уже не могут объясняться одними лишь флуктуациями.


Fridman_AA.jpg
Карта реликтового излучения, прилетающего на Землю с различных направлений

В возрасте примерно 400 тысяч лет Вселенная остывает до почти нулевой температуры, и в ней уже больше не может происходить ничего интересного. Около 75% вещества составляет водород, порядка 25% - гелий, менее 1% приходится на более сложные элементы. Всё это рассеяно в простанстве Вселенной в виде крайне разреженного газа, сквозь который проносятся фотоны и нейтрино, возникшие в предыдущие эпохи творения. В истории Вселенной наступает крайне скучный период, именуемый Тёмными веками.

Так выглядит общепринятая в научном мире теория первого этапа рождения нашей Вселенной: из изначальной сингулярности, единого взаимодействия и бесструктурной протоматерии – к существующим на сегодняшний день четырём взаимодействиям, делению на вещество и энергию и т.п. Но насколько мы уверены в том, что всё было действительно так?

Вышеописанная теория имеет достаточно веские экспериментальные подтверждения. Главным из них является реликтовое излучение – те самые потоки фотонов, высвободившихся спустя 300 с лишним тысяч лет после Большого взрыва. Сам факт наличия этого излучения, а также его характеристики (в частности, хорошая однородность и анизотропность) хорошо соответствуют вышеописанной модели. Ей также соответствует наблюдаемый химический состав Вселенной (с преобладанием водорода над иными видами атомов).

Исследования в области физики высоких энергий дают экспериментальные подтверждения того, как рождались и преобразовывались частицы на начальных этапах её развития.

Однако и сегодня продолжается поиск подтверждений данной теории. Одним из перспективных направлений работы является поиск реликтовых нейтрино – тех самых, которые высвободились их «тюрьмы вещества» по истечении первой секунды существования Вселенной. Увы, нейтрино – не самый лучший объект для наблюдений: даже высокоэнергетичные нейтрино, которые порождаются ядерными реакциями в недрах Солнца, поймать весьма непросто. А реликтовые нейтрино, обладающие ничтожной по сравнению с «солнечными» нейтрино энергией, кажутся и вовсе практически неуловимыми. Если бы нам удалось научиться ловить их и измерять их параметры, то это позволило бы существенно укрепить экспериментальный базис данной космологической теории. Однако возможно, что мы не обнаружим их вовсе, или выяснится, что они ведут себя вовсе не так, как мы ожидаем – и тогда теорию придётся пересматривать, а, возможно, и вовсе придумывать что-то другое. Но пока что этого не произошло – и физики надеются, что реликтовые нейтрино всё-таки удастся зафиксировать.

В следующий раз мы поговорим о более поздних стадиях развития Вселенной, в ходе которых родились звёзды, галактики и их скопления, а также планеты, и Вселенная, в общем и целом, обрела свой нынешний вид.

Tags: Физика_для_ватников, интересная_физика
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic
  • 2 comments