Астронет > Как работают в космосе законы физики

по текстам по ключевым словам в глоссарии по сайтам перевод по каталогу

Как работают в космосе законы физики

K.A.Постнов

Современное понимание Вселенной неразрывно связано с фундаментальными представлениями о строении материи о основных формах взаимодействий между ее составными частями. В природе известны четыре типа взаимодействий - гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Гравитационное взаимодействие наиболее универсальное, оно существует между любыми формами материи - частицами и полями и не требует существования каких-либо специфических свойств (например, электрического или цветового заряда). Второе по распространненности в природе - электрослабое взаимодействие. Электомагнитное взаимодействие осуществляется между электрически заряженными лептонами и кварками с помощью квантов электромагнитного поля - фотонов, безмассовых частиц, движущихся со скоростью света. Безмассовость фотона обеспечивает дальнодействие (т.е. отсутствие выделенного масштаба взаимодействия и зависимость силы взимодействия обратно пропорционально квадрату расстояния между заряженными частицами). Слабое взаимодействие (т.е. процессы с участием нейтрино) происходит между лептонами (электронами, мюонами, нейтрино) и кварками, составляющими адроны (протоны, нейтроны, мезоны и т.д.). Это взаимодействие имеет место на малых расстояниях $\sim10^{-13}$ см, т.к. переносчиком слабого взаимодействия служат массивные промежуточные частицы - электрически заряженные $W^\pm$ и нейтральный $Z^0$ -бозоны с массами покоя около 100 МэВ (примерно 1/10 массы покоя протона). Наконец, сильное взаимодействие осуществляется в ядрах атомов между кварками с помощью промежуточных частиц - глюонов, обладающих цветовым зарядом (красный, зеленый, голубой). Характерный масштаб сильного взаимодействия $\sim10^{-15}$ см. В отличие от остальных сил, ядерное взаимодействие между кварками растет с увеличением расстояния между ними (явление конфайнмента), поэтому в обычных условиях свободных кварков не существует. Основные взаимосвязи между силами в природе описываются с помощью физических законов и принципов. К ним относятся:

Принцип общей относительности (все законы физики должны быть одинаковы в любых системах отсчета)
Принцип постоянства скорости света в вакууме в любых системах отсчета
Принцип эквивалентности (никакими экспериментами невозможно отличить движение с ускорением от нахождения в однородном поле тяжести)

К этому списку следует добавить фундаментальные соотношения квантовой механики, описывающие микромир. К наиболее важным относится:

принцип неопределенности Гайзенберга, запрещающий одновременное точное измерение положения частицы в пространстве и ее импульса (количества движения)
принцип Паули, запрещающий иметь в одном и том же месте пространства более двух частиц с полуцелым спином (т.н. фермионов - электронов, нейтронов, нейтрино) с одним и тем же импульсом.

Кроме того, для любой замкнутой системы должны выполняться первое и второе начало термодинамики (закон сохранения энергии и закон неубывания энтропии). По своей сути законы физики являются феноменологическими, т.е. представляют собой обобщение опытных данных. В этом смысле космос часто по праву называют уникальной природной лабораторией, которой надо только умело пользоваться. Ниже мы рассмотрим некоторые наиболее яркие проявления законов физики в космосе.

Фундаментальные взаимодействия

Тяготение

Наблюдения астрономических явлений привело человечество к ряду важнейших открытий. Самый изветсный и важный пример -- закон всемирного тяготения. Этот закон был сформулирован И.Ньютоном на основе законов планетных движений, выведенных нем. астрономом И.Кеплером в начале 17 в. Закон всемирного тяготения Ньютона используется вплоть до настоящего времени для изучения движения естественных и искусственных космических тел в Солнечной системе, так как поправки к движению тела со скоростью $v$ в более точной релятивистской теории тяготения к закону Ньютона имеют порядок $(v/c)^2$ ( $c$ -- скорость света). Для характерных скоростей тел в Солнечной системе в десятки км/с эти поправки, очевидно, малы. В 19 в. триумфом теории тяготения Ньютона и математических методов аналитической механики стало предсказание существования новой планеты - Нептуна - Адамсом и Ле Верье. В 1916 г. А.Эйнштейн, используя принципы эквивалентности и относительности, сформулировал релятивистское обобщение теории тяготения Ньютона - общую теорию относительности (ОТО). Согласно ОТО, любая форма материи и ее движение являются источником гравтиации, которая математически интерпретируется как "искривление" пространства-времени. Кривизна плоской кривой по определению обратно пропорциональна радиусу окружности, касающейся кривой в данной точке. Так, кривизна прямой линии равна нулю, а кривизна правильной окружности радиуса $R$ есть просто $1/R$ . Аналогично, кривизна n-мерной поверхности определяется обратным радиусом (n+1)-мерной сферы, касающейся поверхности в данной точке, и т.д. В общей теории относительности роль "поверхности" играет 4-мерное пространство-время.

Всякое свободное движение тела в поле тяжести происходит по траекториям, называемым геодезическими линиями. В плоском пространстве-времени (т.е. без гравитации или вдали от тяготеющего центра) геодезические являются прямыми линиями. Чем сильнее поле тяготения, тем больше кривизна геодезической. Движение тела по кривой линии соответствует движению с ускорением, направленным внутрь кривизны траектории (ускорение силы тяжести). Движение с ускорением вдоль прямой возможно если это геодезическая, проходящая через центр тяжести тела (случай со свободным падением тел вблизи поверхности Земли). Этот случай реализуется, когда момент импульса тела (векторное произведение импульса тела на радиус-вектор) относительно центра тяжести системы точно равен нулю. Если есть составляющая вектора скорости, препендикулярная направлению вектора свободного падения, тело начинает двигаться по одному из конических сечений (эллипсу, параболе или гиперболе) с фокусом в центре притяжения (первый закон Кеплера!) в соответствии с тем, отрицательна, равна нулю или положительна полная энергия (кинетическая плюс потенциальная) системы взаимодейтсвующих гравитационно тел. Правильность представлений ОТО о тяготении стала подтверждаться уже вскоре после ее создания. В 1919 г. англ. астрофизик А.Эддингтон провел наблюдения отклонения лучей света звезд в поле тяготения Солнца во время полного солнечного затмения. Измеренный угол оказался около 2 угловых секунд, как следовало по теории Эйнштейна (по Ньютоновской теории этот угол должен быть вдвое меньшим). Более тонкий пример - объяснение смещения перигелия орбиты Меркурия на 43 угловых секунды в столетие. В рамках теории Ньютона такое смещение не удавалось объяснить сколь-нибудь естественным образом - так, например, для этого предлагалось искать еще одну внутреннюю планету, которой не было и нет. Этот эффект носит чисто релятивистский характер. Грубо говоря, он связан с тем, что в ОТО сила тяготения убывает с расстоянием несколько медленнее, чем по закону обратных квадратов. Возрастание роли релятивистских эффектов наглядно видно при уменьшении радиуса $R$ сферического тела постоянной массы $M$ (т.е. при увеличении плотности тела). Как уже отмечалось, эффекты ОТО становятся важными при скоростях тел, приближающихся к скорости света. Естественной скоростью для нашего тела служит вторая космическая скорость (параболическая скорость, или скорость убегани) $v^p=\sqrt{2GM/R\,}$ , которую надо придать пробной частице на поверхности, чтобы она смогла уйти от тела на произвольно большое расстояние. Так как эффекты ОТО пропорциональны $(v/c)^2$ , получаем, что для любого тела существует характерный радиус (называемый гравитационным радиусом), начиная с которого формально $v^p\geq c$ . Величина гравитационного радиуса $R_g=2GM/c^2\approx3$ км. Пока $R\gg R_g$ , можно во всех практически важных случаях пользоваться тяготением Ньютона. По мере приближения радиуса тела к $R_g$ роль релятивистских эффектов возрастает, и при $R=R_g$ возникает качественно новая ситуация - удаленный наблюдатель перестает получать с поверхности тела любую информацию, т.к. иначе ее следовало бы передавать со скоростью больше скорости света. Для удаленного наблюдателя образуется как говорят горизонт событий, причем для самого сжимающегося тела момент пересечения $R_g$ принципиально ничем не выделяется. Появление горизонта характеризует образование черной дыры. Падение частиц и полей в черную дыру всегда увеличивает размер ее горизонта (за исключением черных дыр очень малой массы, когда существенными становятся эффекты квантовомеханического испарения). Из современных астрофизических наблюдений следует существование очень массивных (в 100 млн. масс Солнца) черных дыр в ядрах активных галактик и квазарах. Известно также около 10 черных дыр с массой около 10 солнечных, входящих в состав тесных рентгеновских двойных звезд в нашей Галактике. Из ОТО вытекает существование гравитационных волн - распространяющихся со скоростью света малых возмущений пространства-времени. Доказано, что гравитационнные волны переносят энергию и момент импульса. Они столь слабы, что существенно излучаются лишь космическими телами больших звездных масс движущимися с околосветовыми скоростями. Наиболее известный пример космических источников гравитационных волн - двойные звездные системы, состоящие из двух нейтронных звезд с массами около 1.4 масс Солнца, вращаюшихся по вытянутым орбитам вокруг общего центра тяжести с периодами несколько часов. Такие системы обнаружены среди двойных радиопульсаров, когда одна нейтронная звезда из пары является радиопульсаром. Изучая времена прихода импульсов от пульсара, можно с помощью эффекта Допплера изучать тонике особенности движения такой нейтронной звезды. Из-за уноса энергии гравитационными волнами орбитальный период таких систем должен постоянно уменьшаться. Этот эффект был обнаружен у ряда двойных пульсаров (наиболее известный пример - PSR 1913+16), хотя изменение орбитального периода составляет крайне малую величину около одной десятитысячной доли секунды в год! Прямое детектирование гравитационных волн требует создания очень чувствительных детекторов, строительство которых ведется в США, Западной Европе и Японии. Из-за универсального характера тяготения именно ОТО служит основой для описания строения и эволюции Вселенной в целом. Еще в начале 1920-х гг. выдающийся русский математик А.А.Фридман показал, что уравнения ОТО Эйнштейна не имеют независящих от времени решений. В применении ко Вселенной это означало, что расстояние между любыми удаленными объектами, не связанными гравитационно (например, удаленными галактиками) должно непрерывно изменяться во времени. Этот революционный вывод вскоре был подтвержден наблюдениями красных смещений в спектрах далеких галактик, проводеденных Э.Хабблом. Хаббл обнаружил, что существует прямая зависимость между красным смещением галактики и расстоянием до нее: $z=H_0r$ , где $H_0$ - постоянная Хаббла. Закон Хаббла прямо следует из теории Фридмана и т.о. релятивистская теория тяготения прямо подтверждается в метагаликтических масштабах. Современное значение постоянной Хаббла $H=75\pm 10$ км/с/Мпк. Уточненеие этой величины, опаределяющей современную скорость расширения Вселенной, - одна из основных задач наблюдательной космологии.

Электромагнитное взаимодействие

Электромагнитное и слабое взаимодействия следуют за гравитационным по своей распространенности в природе. Основная информация, которую мы получаем о космических объектах, переносится переменным электромагнитным полем - электромагнитными волнами (фотонами). Генерация электромагнитных волн связана с ускоренным движением электрических зарядов (в основном электронов). В отличие от гравитационных волн, генерация которых требует когерентного движения больших масс вещества, рождение электромагнитных волн в космосе происходит при хаотическом (тепловом) движении отдельных частиц космической плазмы, спонтанных и вынужденных переходах возбужденных атомов и при рекомбинации свободных электронов на атомные уровни. Кроме этого важным источником электромагнитного излучения во многих космических объектах являются релятивистские электроны, движущиеся в магнитном поле (синхротронное излучение), а также рассеяние фотонов на свободных электронах (комптон-эффект). Свечение звезд обязано происходящим в их недрах термоядерным реакциям синтеза. Рождающиеся при этом рентгнеовские фотоны многократно рассеиваются, поглощаются и переизлучаются, прежде чем достичь внешних слоев звезд (фотосферы), из которых они могут свободно покидать звезду. Температуры фотосфер в тысячи раз меньше, чем в центре звезд, поэтому основное излучение звезд приходится на оптическую, УФ и ИК-области спектра. Фотоны уносят большую часть энергии, осовобождаемую при термоядерных реакциях. В звездной плазме температуры (даже в фотосфере) столь высоки, что кинетическая энергия движения частиц намного превышает их потенциальную энергию кулоновского взаимодействия, поэтому вещество в обычных звездах с высокой точностью может рассматриваться как идеальный газ, характеризуемый температурой, плотностью и химическим составом. Именно давление нагретого идеального газа противостоит сдавливающему воздействию гравитации в обычных звездах. Действие электростатических кулоновских сил, однако, становится определяющим в холодных космических телах -- планетах, кометах, твердых частицах пыли. Нет ни одного свойства электромагнитных волн, которое не проявилось бы в космических условиях. Например, по эффекту расщепления спектральных атомных линий в магнитном поле (эффект Зеемана) определяют величину большого магнитного поля на звездах. Слабое магнитное поле в межзвездной среде (с напряженностью в миллион раз меньше поля Земли) может быть измерено по наблюдениям поворота плоскости поляризации электромагнитных волн от источников, "просвечивающих" межзвездную среду (эффект Фарадея). Мощные токи, текущие в нейтронных звездах, поддерживают их колоссальное магнитное поле с напряженностью, в тысячи миллиардов раз превосходящих поле Земли, практически без затухания в течение миллионов лет. Вращение замагниченной нейтронной звезды приводит к возникновению огромных электрических полей вблизи ее поверхности, которые вырывают частицы с твердой поверхности нейтронной звезды и ускоряет их до релятивистских скоростей. Синхротронное излучение таких частиц в магнитном поле рождает жесткие гамма-кванты и приводит в конечном счете к возникновению наблюдаемого радиоизлучения пульсара. К непонятым до сих пор электромагнитным космическим явлениям относятся космические гамма-всплески. Установлено, что в них за короткое время 10-100 с выделяется жесткое электромагнитное излучение с энергией, сравнимой с энергией покоя массы Солнца $\sim 10^{54}$ эрг! Не исключено, что механизм генерации этой энергии тесно связан с наличием сверхсильных магнитных полей в космической плазме вблизи релятивистских звезд -- нейтронных звезд или черных дыр.

Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие также играет исключительно важную роль при эволюции звезд. Именно медленность основной реакции протон-протонного цикла в центре Солнца $p+p\to D+e^++\nu_e$ , идущей по каналу слабого взаимодействия, объясняет "долголетие" звезд типа Солнца (10 млрд. лет) главной последовательности. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, примерно в $10^{20}$ раз меньше, чем фотоны. Поэтому звезды "прозрачны" для нейтрино. Нейтрино является прямым свидетелем ядерных реакций в центре Солнца. За одну секунду Солнце покидает $10^{38}$ нейтрино, уносящих несколько процентов генерируемой в термоядерных реакциях энергии. В настоящее время в ряде экспериментов поток нейтрино от Солнца уверенно зарегистрирован. Он оказывается примерно вдвое меньше, чем ожидается. Это различие может быть связано с фундаментальными свойствами нейтрино как элементарной частицы. По мере эволюции звезды роль нейтрино усиливается и у массивных звезд на финальных стадиях становится определяющей. Нейтрино становится основным источником светимости массивной звезды на стадии сверхновой, когда силам гравитации, сжимающим ядро звезды, не в силах противостоять ни давление горячей звездной плазмы, ни даже квантовомеханическое давление электронов (см. ниже). Происходит процесс нейтронизации вещества, когда протоны соединяются с электронами с образованием нейтронов и нейтрино. В процессе катастрофического сжатия центра звезды формируется компактная нейтронная звезда с массой около массы Солнца и радиусом в 10 км, а нейтрино уносят практически всю освобождаемую энергию, составляющую около 15 процентов от массы покоя нейтронной звезды (примерно $10^{53}$ эрг). По современным представлениям, малая часть этой гигантской энергии может передаваться от нейтрино окружающей вновь сформировавшуюся нейтронную звезду массивной облолочке звезды, состоящей из обычного вещества. Оболочка в несколько масс Солнца сбрасывается, и наблюдается колоссальное астрономическое явление -- вспышка сверхновой звезды. Правильность наших представлений о процессах слабого взаимодействия при коллапсе ядра звезды подтвердилась регистрацией потока нейтрино от вспышки сверхновой 1987а в Большом Магеллановом Облаке.

Сильные взаимодействия

Cильные (ядерные) взаимодействия отвечают за многие важные ядерные реакции в недрах звезд и синтез тяжелых элементов. По современной теории "горячей Вселенной", образование основных химических элементы - водорода и гелия - завершилось еще на дозвездной стадии эволюции Вселенной в эпоху, когда температура плазмы была около 1 млрд. градусов а "возраст" Вселенной был "всего лишь" 200 с. Более тяжелые элементы образовались в ходе термоядерных реакций синтеза в недрах звезд. Однако в этих реакциях могут образовываться химические элементы только до элементов группы железа (кобальт, никель, железо). Дальнейшее присоединение нуклонов к ядрам требует затрат энергии. Рождение более тяжелых элементов происходит путем захвата ядрами нейтронов (протон захватить невозможно из-за огромных сил кулоновского отталкивания). Захваченные нейтроны в ядре превращаются в протоны с испусканием электрона и антинейтрино по каналу слабого взаимодействия, и атомный номер элемента таким образом увеличивается на 1. Эти процессы эффективно происходят во время вспышек сверхновых звезд. Расчеты показывают, что последовательным захватом нейтронов можно "сконструировать" все стабильные элементы вплоть до трансурановых. Ядерные силы определяют специфическое состояние сверхплотной материи нейтронных звезд. Действительно, при массе в массу Солнца и радиусе 10 км средняя плотность нейтронной звезды порядка плотности атомного ядра $\sim 10^{14}$ г/см$^3$ . В некотором смысле нейтронная звезда представляет собой гигантское нейтральное атомное ядро. Принципиальное отличие, однако, заключается в том, что обычное ядро от развала на составные части удерживают ядерные силы, а нейтронная звезда существует из-за колоссальной гравитации собранного в ней вещества. Точного микроскопического описания вещества при таких плотностях в настоящее время нет из-за невероятной сложности этой задачи. Однако из астрофизических наблюдений пульсаров и рентгеновских источников удается восстановить многие макроскопические свойства нейтронных звезд - их массы, радиусы, моменты инерции. В конечном счете это налагает важные ограничения на возможное физическоне состояния недр нейтронных звезд.

Квантовая механика

В начале 1930-х годов стало ясно (Чандрасекар, Фаулер, Ландау), что само существование компактных горячих звезд - белых карликов - открытых в начале 20 в. обусловлено проявлением специфических квантовомеханических свойств вещества. Действительно, любая звезда находится в состоянии гидростатического равновесия, при котором действию силы тяжести противостоит разность давления соседнрих слоев вещества. Так, в Солнце давление создается хаотическим движением частиц солнечной плазмы - протонов и электронов, которые могут рассмативаться как идеальный газ. Средняя плотность плазмы Солнца примерно равна плотности воды, и даже в центре его составляет "всего лишь" 120 грамм в кубическом сантиметре. Не то белые карлики - из их положения на диаграмме Герцшпрунга-Рессела следовало, что эти звезды с массой около солнечной имеют радиусы в сотню раз меньше солнечного! Это означало, что средняя плотность вещества белых карликов в миллион раз (!) выше солнечной. Что же происходит с веществом при таких чудовищных плотностях? Для ответа на этот вопрос оценим, каково среднее расстояние между частицами вещества при такой плотности. Очевидно, оно составляет $a\sim n^{-1/3}$ , где $n\approx (\rho/m_p)$ - концентрация частиц вещества (в этой оценке мы предположили, что вещество состоит из чисто водородной плазмы, поэтому поделили плотность на массу покоя протона m_p, так как массой покоя электронов можно пренебречь). Для характерной плотности в $10^6$ г/см³ получаем $10^{-10}$ см, что много больше "классического" радиуса электрона $10^{-13}$ см. Однако в соответствии с основными положениями квантовой механики, две частицы c импульсом p начинают "чувствовать" друг друга, когда расстояние между ними становится порядка длины волны Де Бройля $\lambda=h/p$ ( $h$ - постоянная Планка). Так как для любой частицы $p=mv$ .

Публикации с ключевыми словами: вырожденный газ - звезды - электромагнитное излучение - нуклеосинтез - гравитационные волны - сильное взаимодействие - слабое взаимодействие - электромагнитное взаимодействие - гравитация
Публикации со словами: вырожденный газ - звезды - электромагнитное излучение - нуклеосинтез - гравитационные волны - сильное взаимодействие - слабое взаимодействие - электромагнитное взаимодействие - гравитация

См. также:

Звезды, пыль и туманность в NGC 6559

Послание от гравитационной Вселенной

25 самых ярких звезд на ночном небе

Падение шара в Солнечной системе

GW200115: моделирование слияния черной дыры и нейтронной звезды

Анимация: черная дыра разрушает звезду

GW190521: неожиданное столкновение черных дыр

Все публикации на ту же тему >>

Обсудить эту публикацию

Версия для печати

Астрометрия - Астрономические инструменты - Астрономическое образование - Астрофизика - История астрономии - Космонавтика, исследование космоса - Любительская астрономия - Планеты и Солнечная система - Солнце