„Într-un moment pentru a vedea eternitate ...“
Despre cum face universul, putem spune, din cauza dispozitivului de om, care permite o privire la o distante lungi neînchipuit, care sunt dificil de imaginat. Dacă le comparăm cu unitatea de lungime acceptate astronomice - an lumină (1 an lumină = 9,5 km sau 10 decembrie.
0,3 parsec (1 parsec
3.1. 13 octombrie km),), distanța dintre dispozitivele sursă aparente pot fi estimate la 5 miliarde de parseci, sau 15 miliarde de ani lumină! Universul observăm astăzi - piscina mare de stele - galaxii cu patch-uri mici de umplere, la prima vedere, spațiu gol. Dar, de fapt, întregul spațiu al universului este umplut cu ceea ce noi numim materie și radiații.
La începutul problemei. Materia este format din nuclee atomice - nuclizi. In nucleu sunt protoni și neutroni. Acestea sunt numite nucleoni. Numărul de protoni determină taxa nucleară (Z), iar numărul total de protoni și neutroni (N) - numărul de masă sau greutatea miezului (A), adică Z + N = A De fapt, acești doi parametri sunt de bază - Z și A - caracteristici determinate nuclid și substanța însăși.
Astfel, de exemplu, hidrogen, elementul cel mai comun și lumină în univers are Z = 1 (denumirea sa 1 H), iar printre cele mai severe și rare - uraniu are Z = 92 (92 U). Una dintre problemele din astrofizică se clarifica cu exactitate originea și prevalența nuclizi individuale din Univers, și aproximativ 300 lor.
Istoria universului are mai mult de 10 miliarde de ani. Cum a apărea?
1.1. fugă galaxiei
„Space trece cicluri interminabile ale Big Bang-ului și extensii.
Poate Big Bang - nu la începutul timpului,
dar numai la începutul ultimului ciclu al seriei nesfârșită de încălzire,
expansiune, stagnare, golirea și re-expansiune. "
„Istoria cosmologie - este povestea greselilor noastre ...
Suntem pe o mică planetă din univers,
Nu putem merge oriunde și de a configura un experiment.
Tot ce putem face este să ia un pic de lumină,
care au ajuns la noi și să înțelegem ce reprezintă universul ".
Fig. 1.1. Diagrama Big Bang-ului - cu crearea lumii și a scoate în evidență caracteristicile universului în expansiune. 10 -43 s dominat epoca de marea unificare a tuturor celor trei interacțiuni, care sa încheiat la 10 -6 sec îmbinare quarks în hadroni. La 10 secunde am pășit domina radiații vârsta substanței (epoca radiații) peste. Numai dupa substanta de 40.000 de ani încep să prevaleze asupra radiațiilor, ceea ce duce la formarea de atomi (în 4000000 ani). Era substanței continuă până astăzi, după 15 miliarde de ani după începerea.
Răspunsul sugerat de compatriotul nostru - un fizician remarcabil G. Gamow in anii '40. Istoria lumii a început cu Big Bang-ul (Figura 1.1). Asta cred că cei mai mulți oameni de astrofizicieni și de azi.
Big Bang - un declin rapid inițial de densitate foarte mare, temperatura și presiunea de materie, concentrată într-un volum foarte mic al universului. La momentul inițial universul a avut o densitate foarte mare și temperatură. În prima secundă a existenței sale, lumea are o densitate
05 octombrie g / cm3, iar temperatura la 10 10 K. Temperatura curenta cea mai apropiata stea - Soarele este de o mie de ori mai mica.
doar 10 -36 secunde - - micul univers a fost umplut cu particule fundamentale într-un scurt timp după Big Bang. Aceste particule, spre deosebire de nuclizi, protoni și neutroni - indivizibile. Dintre acestea, și a compus, de fapt, protonii și neutronii - baza materiei nucleare. Acest lucru - fermioni fundamentale, care interacționează între ele printr-o singură, la momentul universului, interacțiunea fundamentală. Cum a fost această interacțiune? După particulă. Acestea sunt numite bosoni. Există patru: Photon (gamma ray) si doua boson gluoni - W și Z. A particulelor fundamentale în sine, adică, fermioni - sunt cele șase tipuri de cuarci și șase tipuri de leptoni.
Fig. 1.2. Particulele (protoni si electroni) si opusul lor - antiprotonul și un pozitron. În cazul în care electronul și pozitronul diferă unul de altul numai prin sarcină electrică, protonul și antiprotoni - structură internă diferită - cuarci și anticuarcii. Spin (cantitate fizică care descrie mișcarea de rotație) în aceste particule și antiparticula - egal
Acest grup de particule de 12 fermionilor interacționează între ele prin 4 bozonilor este, în esență universul germen. Dar aceasta este o imagine incompletă. Printre cuarci si leptoni au fost antipozii lor - antiparticule deosebite de particule obișnuite semneze niște caracteristici de interacțiune. In cel mai simplu caz - o sarcină electrică (vezi Figura 1.2 ..). De exemplu, unul dintre leptonii - electron (e -) poate fi fie încărcate negativ sau pozitiv (în cazul în care este numit un pozitron (e +)). Antiparticule există în aproape toate particulele, cu excepția fotonul () și altele. Pentru ei, antiparticule sunt ele însele.
Ultrahigh univers temperatura inițială a dus la ciocnirea particulelor și interconversia lor. Deci, din perechile de fotoni ar putea fi format un electron și un pozitron, iar ultima coliziune (procesul de interacțiune dintre o particulă și o antiparticulă numită anihilare) duce la nașterea unor noi perechi de fotoni:
Era posibil și apariția unor noi particule - neutrini () și antineutrini ():
O interacțiune neutrino cu antiparticula ei din nou a dus la apariția unui electron și un pozitron.
conversie reciprocă în particule de temperatură ultraînaltă semăna cu „supa de fierbere“, în care numărul de particule și anti-particule a fost egal. Acest lucru înseamnă că, odată cu universul a existat Antiuniverse. Acum, după multe miliarde de ani după acel moment, se fac încercări de a găsi ei sau ce a mai rămas din ea. Dar acest lucru - în capitolele ulterioare ale cărții.
Și acum să ne întoarcem la universul în expansiune primele momente ale existenței sale.
Fizica modernă sugerează că particulele - fermioni și bosoni, care a apărut imediat după Big Bang, indivizibilă. „Eu cred“ - înseamnă că nu există încă nici o informație cu privire la structura lor internă. Fermioni și bosoni au fost lipsite de masă undeva până la 10 -10 secunde ale universului și au format așa-numita „supa de fierbere“, un univers mic. Ele interacționează între ele printr-o singură lege a Marii Uniri.
10 -36 e marea epocă de unificare sa prăbușit. Natura interacțiunii particulelor a început să se schimbe. Fuzionarea particulelor și formarea grele a mai fost posibilă până universul a avut o temperatură ridicată.
Universul de răcire a continuat timp de 1 microsecundă. În acest timp, particulele care umplu mici, nu mai mult de 10 -14 cm, universul dobândesc în masă, crește lor de energie, și noi particule - quarcii „reale“ - masa - elementele constitutive ale materiei din care universul și este modern. A devenit posibil să fuzioneze cuarci în particule mai masive - hadronii și antiadrony.
Dar universul a continuat să se răcească, iar acest lucru a dus la o reducere a numărului de hadroni în comparație cu numărul de leptoni. Neutrinii sunt printre leptonilor. În această perioadă de viață a universului (în acest moment ea a fost de aproximativ 10 de secunde) neutrini, care nu au aproape nici o masă, era liber: expansiunea lor a avut loc independent de toate celelalte particule. Aceasta - neutrinii relicvei. Este de așteptat ca ei încă mai există (pentru mai multe informații despre acestea vor fi discutate în capitolul 11).
Între timp, anihilarea de particule a continuat, ceea ce a determinat o creștere a numărului de fotoni. Universul a devenit constă în principal dintr-unul dintre radiații - fotoni și neutrino. A fost epoca de radiații în dezvoltarea sa. O altă scădere a temperaturii ca urmare a expansiunii universului și reducerea energiei de radiație a condus la faptul că, după zeci de mii de ani după Big Bang, materia incepe sa domine asupra studiului, și, practic, a încetat să interacționeze cu radiații. Și, după ce sute de mii de ani după Big Bang, universul părea să fi „uitat“ cu privire la starea lor inițială.
Dar noi am fost „martori“ ai epocii - o neutrini relicva fotoni relicte. În cazul în care acesta din urmă a „prins“ (despre care va fi discutat mai jos), sarcina de detectare experimentală a neutrini primordiale - este extrem de complicată, și nu este posibil încă să decidă.
1.2. Crearea de substanță
Fig. 1.7. Structura Galaxy - Calea Lactee, cu dimensiunile sale caracteristice.
Galaxy noastre - Calea Lactee - aparține așa-numitelor galaxii tip spirală (S - Galaxy) (. Figura 1.6) reprezintă un disc rotativ de hidrogen gazos, praf și stele cu brațele spiralate pronunțate. Acesta este - un obiect astronomic complex format dintr-un nucleu - o îngroșare în partea centrală - (. Figura 1.7) umflătura (din cuvântul englezesc „buldge“), halo și discul în sine. Miezul dens în centrul vechi sunt în majoritate stele, și nu există nici un gaz sau praf. În centrul galaxiei noastre este o gaură neagră (găuri negre perfect descrise în cartea AM Cherepashchuk „găuri negre“).
Recent, orbitează Observatorul Chandra X-ray a înregistrat un puternic semnal luminos cu raze X în centrul Galaxiei, care a permis să se determine dimensiunea găurii negre - nu mai mult decât distanța de la Pământ la soare.
disc galactic umplut cu gaz, praf și, în principal, stele tinere. Diametrul discului are o dimensiune de aproximativ 30.000 parseci (PC), umflătura - 8000 Pc. Brațele spirale ale discului sunt concentrate aproape toate stelele, și - cea mai mare din materia de gaz-praf.
Discul este înconjurat de un halou sferic. Dimensiunea acesteia este un ordin de mărime mai mare decât dimensiunea transversală a discului. Stelele halo sunt rare și grupuri de stele - clustere, în număr de mai multe sute de mii de stele. În plus, există halo materia întunecată ( „materia întunecată“), care a fost identificat prin efectele gravitaționale. Materia întunecată crește masa galaxiei, în mai multe ori mai mici.
Sun - cea mai apropiată stea de noi - este spirala Orion la o distanță
25.000 PC-ul din centrul galaxiei noastre. Sun - o relativ tânără stea - el a fost de 5 miliarde de ani. Calea Lactee este de cel puțin de două ori la fel de vechi ca soarele: vârsta de roiuri de stele poate avea 10 miliarde de ani.
Numărul total de stele din discul galaxiei - 11 octombrie (sute miliarde). În plus față de galaxia de stele și de mediu interstelar include. Componenta principală a mediului interstelar este gaz interstelar care constă în esență (
90%) de hidrogen și praf interstelar (
1%). În componența câmpului magnetic mediu interstelar, radiația electromagnetică. Galaxy rotește diferentiat: la periferia vitezei sale de rotație este mai mică decât în regiunile centrale. Perioada de revoluție a sistemului nostru solar în jurul centrului galactic este de aproximativ 200 de milioane de ani. Amintiți-vă această cifră. Ne vom întoarce la ea.
Densitatea medie a materiei interstelare în discul este estimat ca 10 -24 g / cm3 (aproximativ - 1 atom de hidrogen per cm3). Există devieri mari de la această valoare: ea - nori dens, o lungime de până la zeci de parseci cu o densitate de 100 până la 1000 atomi / cm3.
Substanța situată în galaxie în stare atomică sub acțiunea radiațiilor ultraviolete ionizează stele (atomi neutri „pierde“ cochilia de electroni). Deci, de exemplu până la 90% din ionii de hidrogen constituie un - protoni.
Greutatea întregului univers, iar aceasta - stele optic luminoase, praf interstelar și gaz, nori moleculari, planete, concentrate în protoni și neutroni (85% din protoni și neutroni 15%). Neutronii fiind particule instabile există numai în interiorul nucleului. Toate acestea este așa-numita chestiune nebarionică.
Fig. 1.8. Structura materiei din univers. Contribuția materie nebarionică - nu mai mult de 5%. Soldul așa-numitele non-nebarionică „materia întunecată“ și „energie întunecată“, natura care - necunoscut.
Să ne întoarcem acum la problema proporțiilor dintre diferitele forme ale materiei în universul de astăzi. Fig. 1.8 dat răspunsul la această întrebare. Răspunsul în funcție de starea cunoștințelor noastre de astăzi. Diagrama este prezentată în Fig. 1.8, este clar că numai un procent mic (aproximativ 4%) din compoziția universului se referă la faptul de ceea ce credem noi, lumea noastră este formată. Ea - materia nebarionică. Orice altceva, așa cum este aproape 96% - materia întunecată și energia întunecată - până în prezent obscure pentru noi substanța materială a universului. Noi știm că ele sunt cu siguranta acolo. Dar noi nu știm ce este. Noi construim doar ipoteze și să încerce să pună experimentul, în speranța de a dovedi validitatea acestora. Dar faptul rămâne - nu avem argumente pentru selecția finală a unei ipoteze care explică compoziția materiei întunecate și energia întunecată din univers.
Energia întunecată, în conformitate cu ideile moderne - este doar forța care face ca universul să se extindă. Dacă familiar pentru noi gravitatea determină organismul să fie atrași unul de celălalt, întuneric energie - cea mai antigravitațională, contribuind la dispersia corpurilor în univers. Se pare că, imediat după Big Bang decelerează expansiune Universul, dar după aceea „energie întunecată“ a depăși gravitația și a început din nou accelerare - expansiunea universului. Acest lucru - nu este o ipoteză, un fapt experimental detectat de redshiftul radiații - reducerea luminozității supernove îndepărtate: ele sunt mai luminoase decât ar trebui să fie în afara imaginii de încetinirea expansiunii universului. Efectul „redshift“ - înregistrat de către un observator al creșterii observate în spectrul lungimii de undă sursă (care este motivul pentru care stelele sa para mai luminos) - este una dintre cele mai mari fapte experimentale astronomice. Cosmologic „redshift“ a galaxiilor observate au fost prezis de Einstein și este în această zi una din dovezi concludente ale unui univers în expansiune.
Lăsați-vă în epoca cosmologiei timpurie, ne putem aminti că a fost marele Einstein, încearcă să mențină universul static, a introdus, care a devenit istoric, constanta cosmologică - o forță de echilibrare de atracție a corpurilor cerești. Dar, după descoperirea „redshift“, a lovit o constantă din ecuațiile lui. Aparent, Einstein a fost greșit să-l refuze: La urma urmei - este că energia întunecată, care este astrofizica modernă intrigant.
Nu este clar, noroc sau nu umanitatea, dar trăiește într-o perioadă de dezvoltare a universului, atunci când energia întunecată domină, ajutând să se extindă. Dar acest proces, probabil, nu va dura pentru totdeauna, și după timpul, comparabil cu vârsta universului (10-20 miliarde de ani), istoria poate fi inversat - lumea noastră începe să se micșoreze. Sau nu vin la mare colaps - o alternativă la Big Bang, desigur, marea întrebare în cosmologia modernă.
Oamenii de știință au reușit să demonstreze existența unui univers în expansiune - este deplasarea spre roșu a radiației optice a Galaxy și radiația electromagnetică relicva - fotonii relicvă, care vor fi discutate mai jos. Poate că oamenii de știință vor putea, în viitor, pentru a stabili existența „precursori“ de contracție a universului iminent.
Un alt fapt experimental - studiul devierii luminii de la galaxii îndepărtate din câmpurile gravitaționale ale universului au condus astrofizicieni la o concluzie cu privire la existența unei ascunse - materie întunecată - undeva aproape de noi. Este această materie întunecată modifică calea razelor de lumină printr-o cantitate mai mare decât este de așteptat, în prezența unei galaxii din apropiere vizibile. Oamenii de știință au studiat distribuția cerului înstelat mai mult de 50.000 de galaxii într-o încercare de a construi un model tridimensional al unei structuri de materie întunecată. Toate rezultatele sunt susțin în mod inevitabil, în favoarea existenței sale, cu universul - ea practic este materia întunecată. Estimările actuale indică o valoare de aproximativ 80%. Aici din nou, repetăm - nu știm cu privire la orice particulă este această materie întunecată. Oamenii de știință doar presupune că este format din două părți: o încă necunoscute unele particule masive exotice și vidul fizic.
Vom reveni la această problemă, dar acum să ne întoarcem la formele noastre obișnuite de materie, soctoyaschey de barionii (protoni și neutroni) și electroni - „materia nebarionică“. Pe ea, știm mult mai mult. Pentru mai mult de un secol de istorie a fizicii - de la descoperirea particulelor elementare și a structurii atomice a rezultatelor cercetării în acest domeniu, precum și astrofizică, știința are la dispoziție un set de rezultate noi pe structura familiar pentru noi materiale.