Академия: Big History - From the Big Bang until Today. Конспект 2/2 первой недели курса

Здравствуйте!  

Несколько дней назад вы могли читать мою первую статью, посвященную проекту Академия, первая часть первой недели курса Big History - From the Big Bang until Today (ссылка на статью). Сегодня я готов поделиться продолжением истории и закончить конспект первой недели. 

Давайте вспомним, о чем шла речь в прошлой части повествования: 

1. Мы познакомились с тремя подходами к описанию Большой истории; 
2. Узнали, насколько же велика история нашей Вселенной; 
3. Нашли доказательства теории Большого взрыва; 
4. Приступили к изучению элементарных частиц. 

В продолжение лекции вы узнаете:

1. Что такое фундаментальные силы и с чем их едят; 
2. Почему бозон Хиггса называют частицей Бога; 
3. Когда умрет последняя звезда; 
4. Почему Плутон исключили из состава планет; 
5. С чего началась история Солнечной системы.

Еще несколько слов от автора: 

Вторая часть курса первой недели является довольно сложной для понимания и описания, материал лекции невероятно сжат. Тем не менее, со своей стороны, я постарался максимально доходчиво изложить представленный объём знаний, не потеряв общий смысл. Очень надеюсь, что мне это удалось. 

Приятного чтения! 

Большая история  

Фундаментальные силы, описывающие поведение нашей вселенной   

Во Вселенной существует четыре фундаментальных типа взаимодействий:

• электромагнитное; 
• сильное;
• слабое.
• гравитационное;   

1. Первая  –  электромагнитная сила.  

В первую очередь она отвечает за притяжение разноимённых зарядов и отталкивание одноименных. В атоме, например, именно эта сила связывает отрицательно заряженные электроны с положительно заряженным ядром самого атома, не позволяя ему рассыпаться.   

Кроме этого, если смотреть с точки зрения элементарных частиц, электромагнитное взаимодействие обеспечивает обмен силой между частицами. Например, когда два электрона отталкивают друг друга, они осуществляют обмен бозонами. В свою очередь бозоны, сами по себе не обладая каким-либо электрическим зарядом, так же вступают между собой во взаимодействие, обмениваясь виртуальными электрон-позитронными парами. Такое взаимодействие легко представить в виде футбольного матча, где игроки команд – это частицы (в примере выше - электроны), а мяч - сила, которой и обуславливается движение (в примере выше - бозоны). 

Помимо бозонов, носителями электромагнитного взаимодействия являются виртуальные фотоны – кванты электромагнитного поля, они же, четвертая частица электромагнитной силы. В отличие от бозонов, фотоны не имеют массы. Они состоят из чистой энергии. Таким образом, электроны и протоны в результате непрерывного обмена биллиардами фотонов «насыщают» друг друга энергией.    

 2. Сильное взаимодействие  –  вторая сила.  

Эта сила способна формировать тяжелые атомы за счет притяжения и склеивания протонов между собой, несмотря даже на то, что протоны сами по себе обладают одинаковым положительным зарядом.   

За счет сильного взаимодействия обеспечивается формирование вышеупомянутых фотонов. В этом взаимодействии участвуют кварки, которые являются частью глюона. Кварк, принадлежащий одному глюону, переходит в другой глюон, кварк которого в свою очередь возвращается к первому. При обмене кварками между глюонами возникают ядерные силы, которые и являются примером сильного взаимодействия.   

3. Третий тип взаимодействия  –  слабая сила.  

Она отвечает за ядерный распад и участвует в таких важных процессах, как горение Солнца. Слабое взаимодействие между частицами происходит посредством обмена промежуточными бозонами: бозоном W-плюс, W-минус и бозоном  Z. Как мы помним, бозоны подобны фотону, но обладают массой.  Слабое взаимодействие распространяется на расстояние не более 10^-16 см и связано, главным образом, с распадом частиц.   

4. Четвертая сила – сила тяжести.  

Именно эта сила заставляет яблоко падать на землю и притягивает Луну к нашей планете. Гравитацию нельзя описать с точки зрения частиц, т.к. они имеют небольшой размер. С точки же зрения квантовой модели элементарных частиц гравитации попросту не существует. Однако, при огромном скоплении частиц, гравитация становится наблюдаемой. На примере планет или спутников можно представить взаимодействие предметов под действием силы тяжести.    

Подводя итог, можно резюмировать, что специфику взаимодействия элементарных частиц определяют только три квантовые силы: электромагнетизм, сильная и слабая сила. Эти силы обеспечивают соблюдение всех законов физики нашей вселенной.    

В конце 60-х годов прошлого века Вайнберг, Глэшоу и Салям разработали Стандартную Модель физики элементарных частиц с довольно общим математическим описанием. Результаты вычислений, использующих данную модель, всегда стремились к бесконечности, что само по себе было довольно смешно. В 1970 году все изменилось. Мартинус Велтмен и Джерардус т’Хуфт подготовили структурированное и намного более точное математическое описание.  Бесконечность исчезла. Правда в расчетах использовалась небольшая хитрость, масса элементарных частиц принималась равной нулю, а как вы знаете, если у частиц нет массы, они должны улетать через вакуум со скоростью света. Именно так гласит теория относительности Эйнштейна.      

В 1964-1965 годах Питер Хиггс, Франсуа Энглерт и Роберт Брут альтернативным способом описали массу частиц.  Постулат их расчетов заключался в следующем  – «Вакуум не пуст». На самом деле вакуум заполнен непрерывной второстепенной областью, которую называют областью Хиггса.  Все частицы должны пересечь эту область, взаимодействовать с ней, тем самым замедляясь. Таким образом, частицы теряют часть скорости, взамен приобретая массу. Чем больше взаимодействие частицы с областью Хиггса, тем больше ее масса. С помощью области Хиггса объясняется наличие инертной массы частиц-переносчиков слабого взаимодействия, и отсутсвие массы у частиц-переносчиков сильного и электромагнитного взаимодействий.   

Теория Хиггса предсказывает, что на второстепенной области образуются квантовые колебания, обусловленные так называемым бозоном Хиггса, экспериментальное открытие которого состоялось в 2012 в Большом Андроном Коллайдере. Открытие бозона Хиггса подтвердило существование области Хиггса, ответственной за наличие массы у всех частиц и, в конечном счете, у всех атомов.    

Закончена ли современная теория элементарных частиц и фундаментальных сил?  

 У стандартной модели есть много особенностей, которые невозможно понять. Например, область Хиггса соответствует энергии в вакууме, то есть пространство повсюду должно быть заполнено огромной массой. Тем не менее, мы не наблюдаем воздействия этой массы в масштабах Вселенной.  У ученых также нет объяснения, почему бозон Хиггса имеет массу в 125 ГэВ. Теорию было бы легче объяснить, если бы частица была бы в десятки раз тяжелее, поэтому многие ученые считают стандартную модель незаконченной.      

В попытках закрыть пробелы стандартной теории построено огромное количество новых моделей. Все они по отдельности решают часть проблем, иногда изящно, иногда конкретно. Однако у них всех есть одна интересная особенность – они предсказывают существование новых, еще неоткрытых, фундаментальных элементарных частиц.      

Чтобы понять суть этих предсказаний, стоит немного отвлечься и поговорить о космологии. Все наблюдения за Вселенной, формированием и поведением галактик, взаимодействий между ними, сходятся в существовании огромного количества неизученной материи и энергии. Только представьте, 96% нашей Вселенной состоит из материала, частиц и энергии, о которых мы ничего не знаем! Ученые просто называют их темной материей и темной энергией.   

 Если задуматься, темная материя легко объясняет недостатки стандартной модели и укладывается в новые теориями физики элементарных частиц. Весьма вероятно, что мир чрезвычайно маленьких частиц даст объяснения гигантским структурам темной материи нашей Вселенной. Это именно та область, где физика элементарных частиц и космология объединили усилия, чтобы попытаться создать или обнаружить неизученные ранее частицы.      

После открытия бозона Хиггса, для физики появился совершенно новый набор проблем, связывающих ее с космологией. У любого нового открытия в одной из этих двух областей науки есть прямое влияние на другую область, ведь элементарные частицы заполняют вселенную и определяют ее эволюцию.  

Звезды и наша Солнечная система   

Почему гигантские звезды так важны?   

Звезды невероятно важны в космической истории Вселенной. Для того, чтобы в этом убедиться, стоит рассказать о них более подробно.    

Наиболее распространенные звезды обладают малой массой. По размерам они подобны Солнцу или даже меньше его. Такие звезды имеют более низкую температуру, вследствие чего кажутся красными. Отсюда и пошло их название  –  красные карлики.    

Звезды, которые намного горячее Солнца, называются голубыми гигантами. Они, как минимум, в восемь раз крупнее и в миллион раз ярче. Жизнь таких звезд кардинально отличается от нашей звезды, в конце жизни они взрываются, превращаюсь в суперновую и оставляя от себя лишь красивые частицы. Именно этот тип звезд сыграл чрезвычайно важную роль в становлении нашей Вселенной.      

Как вы уже знаете, наша Вселенная постоянно развивается и расширяется. Сразу после большого взрыва она была темной. Не было никаких источников света кроме постепенно тускнеющего фонового излучения. Этот период известен как космическое средневековье. Приблизительно после 100 миллионов лет появились первые звезды, относящиеся к классу гигантов, которые и инициировали первые взрывы сверхновых звезд, формируя тем самым окружающее пространство.     

Голубые гиганты используют радиацию, чтобы нагреть и ионизировать окружающий их газ. Они вспенивают и прорезают газ за счет сильных ветров, тем самым преобразуя окружающие их галактики. В итоге таких изменений сформировалась Вселенная, частью которой является и наша Солнечная система.    

Важно отметить, что Вселенная обладает еще одной интересной  особенностью  –  разнообразием элементов: кислород, которым мы дышим; углерод  –  основа всех органических молекул; кальций  –  основа наших костей и зубов, железо в нашей крови и многие-многие другие. Вспомните таблицу Менделеева.    

При этом, единственными элементами, которые были созданы в момент большого взрыва и существовали во Вселенной, были водород, гелий и немного лития. Откуда же взялись остальные элементы? Ученые предполагают, что они были созданы глубоко внутри звезд. Под действием силы тяжести, несколько звезд объединялись в небольшие звездные группы, продолжая при этом уменьшаться и нагреваться до температур, превышавших несколько миллионов градусов.    

При таких высоких температурах начинается ядерный синтез. Глубоко в недрах звезды частицы водорода сталкиваются друг с другом, соединяются и формируют гелий. Когда звезда исчерпает весь запас водорода, она сжимается еще сильнее, а температура возрастает до невероятных пределов, позволяя гелию быть переплавленным в новые элементы  –  углерод и кислород. Для красных карликов на этом этапе все заканчивается, но для голубых гигантов это явление становится началом. Они будут продолжать сжиматься, наращивая температуру и создавая все больше новых элементов.

Крупные звезды могут переплавлять водород полностью, вплоть до железа. В конце своего существования внутренняя структура таких звезд будет состоять из различных слоев всех элементов, произведенных ими во время своей жизни. Под конец звезда взрывается. Этот взрыв настолько силен, что создается еще больше элементов, некоторые из которых выбрасываются в окружающие газовые облака, необходимые для формирования новых звезд.   

Поколение за поколением голубые гиганты формировали материал нашей Вселенной, разнообразие которого мы с вами можем сегодня наблюдать на нашей планете.    

Как умирают звезды?   

Чтобы получить ответ на этот вопрос, стоит вспомнить, что же такое звезда. Для примера рассмотрим Солнце. По сути, Солнце – это огромный шар пылающего газа, диаметром в полтора миллионов километров и температурой 6,000 градусов. Энергия, испускаемая нашей звездой, составляет 4 на 10^26 ватт.     

Солнце обладает огромной массой. Газ в центре сжат весом верхних слоев. Такое давление разогревает газ до 16 миллионов градусов, запуская ядерный синтез. Сжигая 600 миллионов тонн водорода в секунду, при его превращении в гелий, 4 миллиона тонн материала попросту исчезают, трансформируясь в тепло. Таким образом, Солнце начнет умирать, когда весь водород будет израсходован. Это произойдет примерно через 5.5 миллиардов лет.  

Когда водород закончится,  Солнце превратится в красного гиганта, поглотив при этом Землю, и, затем и вовсе умрёт. В конечном счете, гравитация, все время пытающаяся разрушить Солнце, возьмет свое и победит. Гравитация всегда побеждает. Под действием собственной силы тяжести Солнце начнет разрушаться, уменьшаясь до размеров Земли, но обладая все той же массой. Компрессия достигнет миллиона раз.    

Такую разрушенную звезду называют белым карликом из-за чрезвычайно высокой первоначальной температуры и испускаемого белого света. С течением времени температура начнет опускаться, а свет угасать.    

Срок жизни звезды зависит от двух составляющих: сколько топлива для ядерного синтеза она имеет и как быстро оно сгорает. Оба эти параметра напрямую  зависят от веса и объёма звезды. Крупные звезды, имеющие размер в 10 раз превышающий Солнце, проживают совершенно иную жизнь и умирают также иначе.    

Звезда, масса которой, в 20 раз больше массы Солнца, имеет в 20 раз больше топлива, однако ее яркость выше в 40 тысяч раз. Соответственно и топливо сгорает в 40 тысяч раз быстрее, а срок жизни составляет лишь 5 миллионов лет. Такие звезды не превращаются в белых карликов. Квантовое отвращение электронов слишком слабо, поэтому сила тяжести сталкивает электроны и протоны, формируя из них нейтроны. Нейтронная звезда может в два раза превышать массу Солнца, однако иметь радиус всего в 10 километров. Плотность таких звезд просто огромна. Одна чайная ложка материала нейтронной звезды весит 5.5 миллиардов тонн.  В конце жизни такие звезды также взрываются с силой в несколько триллионов мегатонн.    

Для звезд тяжелее Солнца более чем в 25 раз, даже сильное взаимодействие между нейтронами и их квантовое отвращение не способно противостоять силе тяжести. Ничто не может предотвратить их полный крах. Когда эти звезды исчерпывают запас топлива, их масса под действием силы тяжести сжимается в одну точку, исчезая из нашей Вселенной. Остается только гравитационное поле. Сфера в десятки километров затягивает все окружающие объекты, проделывая дыру в космическом полотне пространства и времени. Это явление называется черной дырой.    

Во время того, как ядро гигантской звезды разрушается, трансформируясь в новую звезду или черную дыру, ее наружные слои разлетаются в результате огромного взрыва сверхновой звезды. В течение, приблизительно, нескольких недель свет от взрыва затмевает сотни миллиардов звезд. Такое явление происходят примерно один раз за век для каждой из галактик.   

Поскольку наша Вселенная все еще весьма молода, довольно интересно, что произойдет в далеком будущем, ведь еще ни одна звезда массой в десять раз меньше Солнца не умерла.  

Во вселенной существует невероятно огромное количество звезд, однако все они когда-нибудь умрут. Конечно, рождаются новые звезды, но и они, в конечном счете, исчезнут. Через несколько сотен тысяч миллионов лет умрут и остынут все звезды. Это будет концом эры нашей Вселенной.    

Как выглядят наши космические соседи?   

Даже при том, что Солнечная система намного меньше Вселенной или нашей галактики, она все равно огромна. Для измерения расстояний принято брать за основу расстояние между солнцем и Землей. Оно называется астрономической единицей. Астрономическая единица соответствует времени прохождения света через это расстояние, то есть восьми минутам и двадцати секундам. Размер Солнечной системы на сегодняшний день составляет 50 астрономических единиц, или семь часов путешествия света.    

Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, именно эти планеты входят в состав нашей Системы. Не так давно в эту последовательность также входил Плутон, но в настоящее его рассматривает несколько с иной стороны.    

Но, что же такое планета? Самое простое объяснение гласит, - «Планетой  является крупный объект, вращающийся вокруг звезды.». Есть и другие требования. Чтобы небесное тело могло называться планетой, оно должно иметь сферическую форму. Когда объект является достаточно большим, он не может сопротивляться силе тяжести, в итоге скругляющей его форму. Несколько лет назад к списку требований был добавлен еще один критерий,- «Планета должна доминировать над областью солнечной системы, в которой она находится». Плутон этого не делает, и именно поэтому больше не считается планетой.     

Солнечная система имеет несложную структуру: область земных планет, расположенных близко к солнцу, и область газовых гигантов.  Планеты из области земных созданы из твердого материала, поэтому содержат железное ядро и мантию, состоящую из вещества подобного камню. У таких планет имеется поверхность, по которой можно ходить, и, зачастую, присутствует атмосфера.   

Меркурий, самая близкая к солнцу планета, располагается всего в 0.4 астрономических единицах от светила. Его диаметр немногим больше трети диаметра Земли, поэтому гравитация настолько низка, что у Меркурия нет атмосферы. Поверхность этой планеты полна кратеров от ударов больших метеоритов.  

Вторая планета, Венера, находится в 0.7 астрономических единицах от Солнца. На самом деле, Венера почти близнец Земли. Она имеет такой же размер, такую же массу, но ее атмосфера в 90 раз толще. Венера слишком горячая, поэтому все, что могло бы стать океаном, находится в виде пара в атмосфере. Как следствие, Венера страдает от чрезмерного парникового эффекта. Температура на ее поверхности составляет 460 градусов Цельсия.    

Пропуская Землю, перейдем к четвертой планете. Марс имеет сравнительно небольшую гравитацию, составляющую всего лишь одну треть от Земной. Из всех планет он является наиболее вероятным кандидатом для следующей экспедиции космонавтов. На Марсе лучшие в Солнечной системе поверхностные условия, имеются ледники и очень разреженная атмосфера. Возможно, раньше Марс обладал жидкой водой на поверхности, однако это еще предстоит доказать.     

Далее идет Юпитер, открывая цепочку газовых гигантов. Масса Юпитера превышает сумму масс всех остальных планет Солнечной системы. Его гравитационные силы затрагивает множество небесных тел. У Юпитера нет твердой поверхности. Лишь его атмосфера уплотняется и нагревается при приближении к центру. Главным образом, Юпитер состоит из водорода и гелия точно так же, как и наше Солнце. Формирование газовых гигантов происходит аналогично созданию ядра у планет земного типа. Когда они начинают собирать газ, увеличиваются и их размеры. Диаметр Юпитера в 10 раз больше Венеры, а его масса превосходит массу Земли в триста раз.   

Сатурн или, как его еще называют, «Властелин колец», находится в десяти астрономических единицах от Солнца. Он является немного уменьшенным вариантом Юпитера и известен благодаря наличию колец. Орбита Сатурна затягивает частицы, не давая им образовывать новые спутники. Тем не менее, спутники у Сатурна все же имеются. Они двигаются по большой окружности на значительном расстоянии от оболочки планеты.    

Уран располагается в два раза дальше Сатурна, на полпути к Нептуну. Обе эти планеты также являются газовыми гигантами, однако содержат значительно меньше газа в своих атмосферах.    

Также Солнечная система включает огромную массу объектов меньшей величины, размером от 1,000 километра до крошки пыли. Эти тела находятся вдали от планет. В противном случае они бы уже были вышиблены из Солнечной системы центробежной силой вблизи планеты или бы вовсе упали на нее.    

Есть три региона, где действие гравитационных полей планет имеет слабый характер. Первым является пояс астероидов между Марсом и Юпитером. Именно здесь расположен крупнейший представитель карликовых планет, Церера, а также множество объектов меньшего размера, астероидов.    

Вторым регионом является пояс Койпера, находящийся прямо за гравитационным полем Нептуна. Небесные тела, входящие в состав пояса, в основной своей массе, состоят изо льда. Когда один из таких объектов попадает во внутреннюю часть солнечной системы, его поверхность нагревается, превращаясь в пар, поэтому за ним тянется огромный хвост газа. Такие небесные тела принято называть «Комета».   

Третий регион, Облако Оорта, очень удален от Солнца, он находится почти на полпути к самой близкой звезде. Здесь также находятся потенциальные кометы, благодаря которым мы знаем о существовании данного места.   

История Солнечной системы  

История имеет смысл, если что-то меняется. Солнечная система же показатель постоянства и стабильности. Планеты вращаются на своих орбитах, Солнце сжигает водород. Однако вернемся на 4,5 миллиарда лет назад. В то время наше Солнце только начало формироваться из разрушающегося облака пыли и газа. Под действием силы тяжести облако стало сжиматься, ускоряясь словно волчок. Некоторой части материала удалось ускользнуть из гравитационной ловушки и она превратилась в плоскую структуру, диск, вращающийся вокруг Солнца. Небольшие частицы пыли внутри диска стали склеиваться и расти, становясь привычными для нас планетами. Одной из таких планет до недавнего времени считался Плутон.    

Плутон, наряду с другими большими и маленькими объектами, располагается в поясе Койпера, свободном от гравитационных полей планет. Ученые предполагают, что наличие таких мест в нашей галактике является следствием процессов формирования Солнечной системы. Исходя из количества массы, находящихся в поясах и изучению распределения орбит, можно сделать вывод, что планеты перемещались по системе, то есть были сформированы в других местах, а не там, где находятся сегодня.    

Одна из теорий гласит, что Юпитер в первые годы своего существования  совершил «прогулку» во внутреннюю часть солнечной системы, почти к тому месту, где сейчас находится Земля. Впоследствии он вернулся. Однако по дороге он собрал все ресурсы, необходимые для появления новой планеты.   

Наблюдая за Поясом Койпера, ученые пришли к выводу, что Нептун должен был сформироваться намного ближе к Солнцу и, в течение десятков или даже сотен миллионов лет, мигрировать во внешний регион системы.  Некоторые теории даже предполагают, что Нептун и Уран поменялись местами, когда солнечной системе было только 800 миллионов лет.   

Эта идея внутреннего расположения планетарной системы является действительно новой в и может сыграть важную роль в понимание архитектуры других планетарных систем.  

По прошествии первого миллиарда лет, Солнечная система действительно успокоилась, а планеты переместились в текущие положение. Конечно, изменения все еще могут произойти, например, астероид или комета могут врезаться в Венеру или Землю. Марс может захватить астероид и превратить его в свой спутник. Юпитер вполне способен разорвать комету, которая будет пролетать слишком близко к его орбите. Тем не менее, основные изменения в Солнечной системы уже произошли.    

Нам посчастливилось жить в самой стабильной фазе, ведь постоянство является главным требованием для возникновения жизни.    

Ссылка на источник изображений.