Атомы во вселенной

     · Гравитационное взаимодействие происходит на чрезвычайно коротких расстояниях  и вследствие крайней малости  масс частиц дает весьма малые эффекты, но его сила значительно возрастает при взаимодействии больших масс.

     Приведенная классификация взаимодействий имеет  относительный характер, так как  существенно зависит от энергии  частиц. Во всяком случае она относится лишь к взаимодействию частиц, обладающих не слишком большой энергией.

По типу взаимодействия, в котором участвуют  элементарные частицы, все они, за исключением  фотона, могут быть отнесены к двум группам.

     · К первой относятся адроны, для  которых характерно наличие сильного взаимодействия, но они могут участвовать  также в электромагнитном и слабом взаимодействиях.

     · Ко второй группе принадлежат лептаны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях.

     Помимо  общих групповых характеристик, элементарные частицы обладают также  специфическими, индивидуальными признаками, которые характеризуются их квантовыми числами. К ним относят массу частицы, время ее жизни, спин и электрический заряд. По массе частицы делятся на тяжелые, промежуточные и легкие. По времени жизни различают стабильные, квазистабильные и нестабильные частицы. К стабильным частицам относят электрон, протон, фотон и нейтрино. Квазистабильные частицы распадаются вследствие электромагнитного и слабого взаимодействия. Нестабильные частицы распадаются за счет сильного взаимодействия. Спин характеризует собственный момент количества движения частицы и измеряется целым или полуцелым значением, кратным постоянной» Планка. Так, у протона и электрона он равен 1/2, а у фотона 0. Электрические заряды элементарных частиц являются кратными наименьшего заряда, присущего электрону. 

     4.  Кварковая модель адронов

     Большое число элементарных частиц и в  особенности адронов уже в  начале 1950-х годов побудило физиков  заняться поиском закономерностей  в распределении их масс и других квантовых чисел. Эти поиски привели  американского физика М. Гелл-Мана (р. 1929) к гипотезе, что все адроны являются комбинациями кварков.

     По  современным представлениям кварки - гипотетические материальные объекты, из которых состоят все адроны, т. е частицы, участвующие в сильном взаимодействии. К ним относятся все мезоны и барионы, а также многочисленные нестабильные (резонансные) элементарные частицы. Согласно новой гипотезе, мезоны состоят из кварка и антикварка, барионы (тяжелые частицы, такие, как протон, нейтрон и им подобные) - из трех кварков. Гипотеза кварков стала необходимой для объяснения динамики различных процессов, в которых участвуют адроны. Но хотя она теоретически необходима, никакого экспериментального подтверждения, несмотря на: многочисленные поиски с помощью ускорителей высоких энергий, в космических лучах и окружающей среде, их не было найдено. Это заставило физиков предположить, что здесь мы встречаемся с принципиально, новым явлением приводы, которое называют удержание кварков. Однако это мнение не является общепринятым и встречает различные возражения.

     На  пути создания непротиворечивой теории элементарных частиц возникает немало трудностей, связанных, например, с  получением бесконечно большого значения для некоторых физических величин, неясностью механизма определения  массы «истинных» элементарных частиц и рядом других проблем. В последние годы наметилась тенденция преодоления этих трудностей путем отказа, от представления об элементарных частицах как о точечных образованиях и признания их конечной протяженности, а также принятия новой геометрии на весьма малых расстояниях. По-видимому перспективным является также учет влияния гравитации на таких расстояниях. Новые пути исследования открываются также включением гравитационного взаимодействия в общую структуру взаимодействия элементарных частиц.

     Атомистическая  концепция опирается на представление  о дискретном строении материи, согласно которому объяснение свойств физического  тела можно в конечном итоге свести к свойствам составляющих его  мельчайших частиц, которые на определенном этапе познания считаются неделимыми. Исторически такими частицами сначала  признавались атомы, затем элементарные частицы, теперь кварки. Трудности, которые  возникают при таком подходе, с общей, мировоззренческой точки  зрения связаны, во-первых, с абсолютизацией аспекта дискретности, неограниченной делимости материи, во-вторых, с полной редукцией сложного к простому, при которой не учитываются качественные различия между ними.

     Поэтому с философской точки зрения особенно интересными представляются новые  подходы к изучению строения материи, которые основываются не на поиске последних, неделимых и фундаментальных  ее частиц, а скорее на выявлении  их внутренних связей для объяснения целостных свойств других материальных образований. По-видимому, на объединении концепций атомизма и дискретности, с одной стороны, и непрерывности, целостности и системного подхода - с другой, следует ждать дальнейшего прогресса в познании фундаментальных физических свойств материи. Во всяком случае редукционистская тенденция, связанная с попытками сведения свойств и закономерностей разнообразных сложных объектов и явлений к простым свойствам составляющих их элементов, в настоящее время наталкивается на серьезные трудности, преодоление которых возможно путем поиска альтернативных путей исследования. 
 
 

5. Мегамир в его многообразии и единстве. Состав и строение мегамира

     Нет жесткой границы, однозначно разделяющей  микро-, макро- и мегамиры. При несомненном качественном различии они связаны конкретными процессами взаимопереходов. Наша Земля представляет макромир. Но и качестве одной из планет Солнечной системы она одновременно выступает и как элемент мегамира.

     В Солнечную систему входят 9 планет, их спутники, свыше 100 тыс. астероидов, множество комет и метеоритных  тел. Расстояние от Солнца до наиболее удаленной планеты Плутона 6 млрд км. Различают планеты земной группы и планеты-гиганты. Планеты земной группы - Меркурий, Венера, Земля, Марс - сравнительно невелики и состоят из плотного вещества. Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон относятся к гигантам, они гораздо массивнее, но в их состав входят легкие вещества и поэтому их плотность меньше. В отличие от атмосфер планет земной группы, четко отделенных от твердой поверхности, атмосферные газы планет-гигантов постепенно переходят в конденсированное состояние, в «тело» самих планет. У них нет привычной нам твердой или жидкой поверхности.

     Входящие  в Солнечную систему астероиды  представляют собой малые планеты. Хотя их много, но суммарная их масса  оказывается меньше 0,001 массы Земли. Самый крупный астероид - планета Церера - имеет поперечник около 1000 км. Сталкиваясь друг с другом, астероиды дробятся на метеориты.

     Своеобразными объектами Солнечной системы  являются кометы. Они состоят из головы, небольшого плотного ядра и  хвоста длиной в десятки миллионов  километров. Ядра комет имеют размеры  в несколько километров и состоят  из каменных и металлических образований, заключенных в ледяную оболочку из замерзших газов. Кометы обычно - самые дальние объекты Солнечной системы. Некоторые из них удаляются от Солнца на 10 000 млрд км - на расстояние одного светового года, т.е. расстояние, которое свет со скоростью 300 000 км/с проходит за один год (1 световой год = 10 000 млрд км = 1013 км). Считается, что на этом удалении от Солнца и проходит граница Солнечной системы. Далее начинается сфера влияния других звезд. Для сравнения: свет от Солнца до Земли доходит за 8 мин, а от второй по близости к нам звезды (Проксима Центавра) свет идет к Земле более четырех лет. Эта звезда находится от нас в 100 000 раз дальше, чем Солнце.

     Массы звезд составляют от 0,1 до 50 солнечных  масс. Размеры диаметров звезд различаются очень сильно - от 10--20 км (нейтронные звезды) до сотен миллионов километров (красные сверхгиганты). Плотности вещества звезд колеблются от 1 г/см3 до 1014 г/см3 (нейтронные звезды). Светимости звезд колеблются от 0,001 до 1 млн солнечной светимости, т.е. различаются на 9 порядков (в миллиард раз). Атмосфера звезд на 98% состоит из водорода и гелия.

     Звезды  образуют галактики, включающие сотни  миллиардов звезд, туманности, межзвездную  среду, космические лучи, электромагнитные волны. Наша галактика выглядит как  двояко выпуклая линза (диск), толщина  которого 1,5 тыс. световых лет, а диаметр - 100 тыс. световых лет. Полная масса галактики равна 150 млрд. солнечных масс. Ближайшие к нам галактики, видимые невооруженным взглядом, - Магеллановы облака и Туманность Андромеды.

     И самый большой объект в мире, включающий все известные современной науке, - это Метагалактика. Размеры ее 15-20 млрд световых лет, а возраст 15--20 млрд лет. Таков состав мегамира, а что известно о его истории, эволюции? 

     6. Время мегамира

     Да, по сегодняшним представлениям у  времени есть начало. Это начало - Биг Бэнг, то гигантское событие, с которого началась история нашей Вселенной, тот момент, когда она «родилась». Оно возникло вместе с миром. Время, как и пространство, как бы дается нам «в придачу» к миру. С момента рождения мира его время начинает «течь», его пространство - расширяться.

     Скорость  такого расширения пространства не ограничена ничем, даже скоростью света. Ибо  скорость света ограничивает движение только материальных тел, а пространство - не тело. А раз так, то в начальные миги существования Вселенной оно претерпело, как утверждает теория, такое стремительное расширение, которое сделало Вселенную много-много больше тех нынешних 10 миллиардов световых лет, куда достигают наши телескопы. Ученые полагают, что это - только ничтожная часть нашей Вселенной, а она - лишь ничтожная часть огромной грозди вселенных, каковая образовалась из этого самого «праатома» или «сингулярности» за те 13-14 миллиардов лет, которые прошли с «рождения» Вселенной.

     Подавляющая часть звезд и галактик находится  на таком расстоянии от нас, с которого свет придет только через миллиарды  миллиардов лет. За прошедшие 13-14 миллиардов лет их свет еще не успел прийти к нам. Ему не хватило времени. Эти звезды и галактики, от которых свет еще не пришел к нам, находятся как бы за «краем времени», если определить этот «край», как те 13-14 миллиардов лет, которые существует Вселенная.

     Те  звезды и галактики, от которых свет уже успел за это время к  нам прийти (то есть те, которые не ушли за «край времени»), составляют ничтожную часть всего бесконечно большого числа звезд и галактик во Вселенной. Поэтому и яркость  их света вполне конечна. Более того, она ничтожно мала. Поэтому ночью  темно. Вот если бы свет распространялся  мгновенно, как думал Ньютон и  все прочие до Эйнштейна, тогда да - тогда мы должны были бы видеть сразу все звезды и галактики во всей Вселенной, и ночное небо было бы бесконечно ярким.

     Как видите, темнота ночного неба, этот «парадокс Ольберса», по имени немецкого астронома XIX века, напрямую связан с фундаментальными представлениями современной теории «Мегамира», а проще говоря - Вселенной. Этими представлениями мы опять-таки обязаны Эйнштейну. Воистину он - великий нарушитель спокойствия.

     Стоило  нам, хотя бы мысленно, двинуться с  места на околосветовых скоростях, и природа открылась во всей своей истинной и жутковатой сложности. Длительность одного и того же промежутка времени в разных инерциальных системах оказалась различной, одновременность - своей для каждой из них, само время - неразрывно связанным с пространством, чем-то вроде еще одного, четвертого измерения.

     Так родились и наши представления о  «мегавремени», то бишь о свойствах времени в мегамасштабе. Оказалось, что они весьма не похожи на свойства того времени, которое показывают наши наручные часы. Главное среди этих отличий состоит в фундаментальном факте зависимости течения («хода») времени не только от движения системы отсчета, с которой связан наблюдатель, но также от гравитационного поля в той точке пространства, где он находится.

     Почему  же мы этой зависимости никогда не замечаем? Тут снова виной ограниченность нашего житейского опыта. Пока мы живем  на поверхности крохотной планетки и имеем дело с предметами обычной массы, нам кажется, что поток вселенского времени не замечает гравитационных рытвин, рассеянных на своем пути. И действительно, не замечает - уж очень они малы. Но стоит нам задуматься - вместе с Эйнштейном - над свойствами мегавремени, иначе говоря, стоит поднять взор свой от ничтожного к великому, от наших будней к торжественно-величавому космосу, как тотчас становится очевидно, что чем массивнее такое тело, тем медленней в его окрестностях течет время.

     Сегодня все это уже не гипотеза, а теория. Точно так же, как предсказания специальной теории относительности  касательно зависимости течения  времени от скорости движения, так  и новые предсказания общей теории относительности касательно зависимости  хода времени от гравитационного  поля тоже проверены на практике и  тоже подтвердились.

     Впрочем, гравитационное «замедление» времени  можно и увидеть. Природа позаботилась о создании устройства, которое самым  наглядным и убедительным образом  демонстрирует любому желающему этот эффект - и даром. Устройство это называется «черная дыра». 

     7. Эволюция Метагалактики,  галактик и отдельных  звезд

     Теория  расширяющейся Вселенной основана на истолковании экспериментально зафиксированного красного смещения спектральных линий  галактик как следствия эффекта  Допплера, объясняющего красное смещение разбеганием галактик. Однако такое истолкование не единственное, за последние десятилетия все больше накапливается сомнений в реальности расширения Вселенной. Эволюция космических систем несомненна, но следует различать объективные законы эволюции и теоретические выражения их с помощью различных моделей. В частности, явление красного смещения линий спектра может быть объяснено как следствие уменьшения энергии и собственной частоты фотонов в результате взаимодействия с гравитационными полями при движении света в течение многих миллионов лет в межгалактическом пространстве.