<< Пред.           стр. 6 (из 16)           След. >>

Список литературы по разделу

 
 ной. Изменение знака волновой функции не означает изменения состояния частиц, поскольку физический смысл имеет лишь квадрат модуля волновой функции. В квантовой механике принято: характер симметрии волновой функции не меняется со временем. Свойство симметрии или антисимметрии - характерный признак определенного класса микрочастиц.
  Симметрия или антисимметрия волновых частиц определяется спином частиц - их собственным моментом импульса. В зависимости от характера симметрии все элементарные частицы и построенные из них системы (атомы, молекулы) делятся на два класса. Частицы с полуцелым спином (например, электроны, протоны, нейтроны) описываются антисимметричными волновыми функциями и подчиняются статистике Ферми-Дирака; такие частицы называются фермионами. Частицы с нулевым или целочисленным спином (например, пимезоны, фотоны), описываемые симметричными волновыми функциями и статистикой Бозе-Эйнштейна, относятся к классу бозонов. Сложные частицы (например, атомное ядро), состоящие из нечетного числа фермионов, являются фермионами (суммарный спин - полуцелый), а из четного - бозонами (суммарный спин - целый).
  Зависимость характера симметрии волновых функций системы тождественных частиц от спина частиц теоретически обоснована швейцарским физиком В. Паули (1900-1958). Обобщая результаты экспериментов, он сформулировал принцип, согласно которому
  системы фермионов встречаются в природе только в состояниях, описываемых антисимметричными волновыми функциями
  Это квантово-механическая формулировка принципа Паули. Из него следует более простая формулировка, введенная в 1925 г. (еще до создания квантовой механики):
  в системе одинаковых фермионов любые два из них не могут находиться в одном и том же состоянии.
  Следует отметить, что число однотипных бозонов, находящихся в одном и том же состоянии, не ограничивается.
  Состояние электрона в атоме однозначно определяется набором четырех квантовых чисел: главного, орбитального, магнитного и спинового. Распределение электронов в атоме подчиняется принципу Паули. Для атома он формулируется так:
  в одном и том же атоме не может быть более одного электрона с одинаковым набором четырех квантовых чисел.
  Совокупность электронов в многоэлектронном атоме, имеющих одно и то же главное квантовое число, называется электронной оболочкой.
 151
 
  Принцип Паули, определяющий правило заполнения электронных оболочек атомов, позволяет объяснить Периодическую систему элементов Д.И. Менделеева. Расположив химические элементы по мере возрастания порядковых номеров, Д.И. Менделеев обосновал периодичность изменения химических свойств элементов. Наряду с известными в то время 64 химическими элементами некоторые клетки таблицы оказались незаполненными, так как соответствующие им элементы (например, Ga, Se, Ge) тогда еще не были известны. Д.И. Менделеев не только правильно расположил известные элементы, но и предсказал существование новых, еще не открытых элементов и их основные свойства.
  Поскольку химические и некоторые физические свойства элементов объясняются внешними (валентными) электронами в атомах, периодичность свойств химических элементов непосредственно зависит от периодичности электронов в атомах. При объяснении последовательного расположения элементов в таблице удобно считать, что каждый атом последующего элемента образуется из предыдущего прибавлением одного протона и соответственно прибавлением одного электрона в электронной оболочке атома. Открытая Д.И. Менделеевым периодичность химических свойств элементов объясняется повторяемостью в структуре внешних оболочек атомов родственных элементов. Периодическая система Д.И. Менделеева - фундаментальный закон природы.
  Принципы причинности и соответствия. На основании анализа принципа неопределенности некоторые философы пришли к выводу о неприменимости принципа причинности к микропроцессам. В классической механике, согласно принципу причинности, по известному состоянию системы в некоторый момент времени (полностью определенным значениям координат и импульсов всех частиц системы) и силам, приложенным к ней, можно описать ее состояние в любой последующий момент. В классическом представлении принцип причинности означает:
  состояние механической системы в начальный момент времени с известным законом взаимодействия частиц есть причина, а ее состояние в последующий момент - следствие.
  Совсем другая ситуация с микрообъектами: они в соответствии с принципом неопределенности не могут характеризоваться одновременно определенными координатой и импульсом, откуда следует вывод: в начальный момент времени состояние системы точно не определено. Если же начальное состояние системы не определено, то нельзя предсказать ее последующие состояния, а это означает, что нарушается принцип причинности. Однако в реальном случае никакого нарушения нет, поскольку в квантовой механике понятие состояния микрообъекта имеет совершен-152
 
 но другой смысл, чем в классической механике. В квантовой механике состояние микрообъекта полностью определяется волновой функцией в данный и последующие моменты времени. Таким образом,
  состояние системы микрочастиц, определяемое в квантовой механике, однозначно вытекает из предшествующего состояния, как того требует принцип причинности.
  В становлении квантово-механических представлений важную роль сыграл выдвинутый Н. Бором в 1923 г. принцип соответствия:
  всякая новая более общая теория, являющаяся развитием классической, не отвергает ее полностью, а включает в себя, указывая границы ее применения, причем в определенных предельных случаях новая теория переходит в старую.
  Так, формулы кинематики и динамики релятивистской механики переходят при скоростях, много меньших скорости света в вакууме, в формулы механики Ньютона. Волновыми свойствами обладают все тела, однако для макроскопических тел ими можно пренебречь, т.е. для них применима классическая механика.
  Практические аспекты квантово-механической концепции. Квантово-механическая концепция, описывающая, казалось бы, загадочный и далекий от обычных представлений микромир, все активнее вторгается в практические сферы человеческой деятельности. Появляется все больше приборов, основанных на квантово-механических принципах - от квантовых генераторов (лазеров, мазеров и др.) до многообразных микроэлектронных устройств. Видимо, пришел черед и вычислительной техники - предполагается, что компьютеры, построенные на квантовых вычислительных элементах, совершат переворот в разработке современных мощных вычислительных средств. Вполне возможно, что через какое-то время квантовый компьютер станет инструментом, столь же привычным, как сегодня обычный компьютер.
 4.4. СОВРЕМЕННЫЕ АТОМНЫЕ СИСТЕМЫ
  К современным объектам изучения атомной физики относятся не только атомы с их сложным строением, но и различные атомные системы с необычной структурой, определяющей их уникальные химические и физические свойства. К таким атомным системам относятся эксимерные молекулы, кластеры, фуллерены, углеродные нанотрубки и др.
  Эксимерные молекулы существуют только в возбужденном состоянии. Известно, что атомы благородных газов, как правило, не образуют химических соединений. Исключение составляют фториды криптона и ксенона, а также некоторые их производные, синтезированные в послед-
 153
 
 ние десятилетия. Такое свойство благородных газов объясняется тем, что их атомы не имеют электрона в незаполненных оболочках, который мог бы составить пару электрону другого атома с противоположным спином. Наличие подобной пары является необходимым условием образования ковалентной химической связи, обеспечивающей стабильность химического соединения. В возбужденном состоянии атома благородного газа электрон занимает одну из незаполненных оболочек и может составить пару электрону другого атома, что дает возможность образования молекулы с атомом благородного газа. Такие молекулы называются эксимерными.
  Эксимерная молекула, потенциальная энергия которой превышает энергию основного состояния, не может существовать долго. Она распадается в течение нескольких наносекунд, излучая световой квант. Несмотря на непродолжительное время жизни, эксимерная молекула имеет все признаки химического соединения. Она обладает колебательными и вращательными степенями свободы и способна вступать в химические реакции. Главная особенность эксимерных молекул состоит в том, что они представляют собой готовую активную среду для создания эксимерных лазеров - мощных квантовых генераторов ультрафиолетового излучения.
  Кластеры занимают промежуточное положение между молекулярным и конденсированным состоянием вещества. Возникает вопрос: как много атомов необходимо собрать вместе, чтобы полученное образование обладало свойствами конденсированного вещества? Этот вопрос привлек внимание исследователей к изучению объектов, названных кластерами, состоящих из относительно небольшого количества атомов или молекул. Кластеры получаются при охлаждении газа в результате его расширения в сверхзвуковом сопле. Возможен и другой способ их получения: при взаимодействии сфокусированного источника энергии (лазерного луча, либо пучка заряженных частиц высокой энергии) с веществом, находящимся в конденсированном состоянии, образуется своеобразная среда, содержащая кластеры различных размеров.
  Кластеры находят практическое применение в современной нанотех-нологии. При осаждении потока кластеров на подложку можно сформировать элемент электронной схемы, размеры которого составляют десятки нанометров, и получить, например, полупроводниковую зону чрезвычайно малых размеров.
  Фуллерены - новая разновидность многоатомных молекул углерода, открытая в результате экспериментального исследования структур кластеров. Молекула фуллеренов состоит из большого числа (от 32 до 90) атомов углерода. Структура фуллерена представляет собой замкнутую поверхность сферы или сфероида, состоящую из правильных шести- и 154
 
 
 пятиугольников с атомами углерода в их вершинах (рис. 4.2). Число пятиугольников всегда равно 12, а число шестиугольников может быть различным. Наиболее устойчивой оказалась молекула С60 с двадцатью шестиугольниками. За открытие фуллеренов английскому ученому Гарольду Крото и двум его американским коллегам - Роберту Керлу и Ричарду Смэллу - присуждена Нобелевская премия по химии 1996 г. Это открытие, как иногда случается в науке, не было результатом целенаправленного поиска. К нему привели многолетние работы по исследованию кластеров и расшифровке спектральных линий поглощения межзвездного вещества.
  В результате реакции присоединения водорода по ненасыщенным связям углерода при высоких давлениях и температурах можно создать модификацию фуллеренов с исключительно высокой удельной емкостью по водороду, что представляет практический интерес при разработке эффективных аккумуляторов водорода. Фуллерены обладают высокой химической активностью и способны образовывать множество новых химических соединений с необычными свойствами. Химические соединения фуллеренов, в состав которых входят шестичленные кольца углерода с одинарными и двойными связями, образуют трехмерный аналог ароматических веществ. Кристаллы фуллеренов - полупроводники с фотопроводимостью в видимой области спектра излучения. Легированные атомами щелочных металлов, фуллерены обладают сверхпроводимостью при температуре 18-40 К. Использование фуллеренов в качестве присадки к смазочному маслу существенно (до 100 раз) снижает коэффици-
 155
 
 ент трения металлических поверхностей и соответственно повышает срок службы деталей. Возможно, фуллерены найдут применение в медицине и фармакологии.
  Углеродные нанотрубки представляют собой протяженные молекулярные структуры углерода в виде полого цилиндра (рис. 4.3). Технология их формирования такая же, как и для фуллеренов: они образуются при термическом распылении графитового анода в электрической дуге в атмосфере гелия. Длина однослойных или многослойных молекулярных нанотрубок углерода достигает десятков микрометров, что на несколько порядков превышает их диаметр, составляющий от одного до нескольких нанометров. Нанотрубки обычно заканчиваются полусферой.
  Углеродные нанотрубки обладают необычными свойствами. Так, нанотрубки с открытыми концами проявляют капиллярный эффект - способность втягивать в себя расплавленные металлы и другие жидкие вещества. С их помощью можно сформировать р-п-переход нанометровых размеров. Благодаря чрезвычайно малому поперечному размеру нанотрубки, с ее помощью можно усилить электрическое поле. Электрические свойства нанотрубок в сочетании с высокой прочностью открывают возможность их использования в качестве материала для зонда сканирующего микроскопа, что позволяет существенно повысить его разрешающую способность.
  Таким образом, рассмотренные атомные системы могут составить основу для синтеза новых перспективных материалов - материалов XXI в. с уникальными физическими и химическими свойствами.
 4.5. ЯДЕРНЫЕ ПРОЦЕССЫ
  Строение атомного ядра. Примерно через 20 лет после того как Ре-зерфорд "разглядел" в недрах атома ядро, был открыт нейтрон - частица, похожая на ядро атома водорода - протон, но без электрического заряда. С открытием нейтронов появилась возможность экспериментально исследовать структуру и свойства ядра - нейтронами удобно бомбардировать ядро: электрическое поле ядра не отталкивает их, и даже медленные нейтроны могут беспрепятственно приближаться к нему на такое расстояние, при котором проявляется сильное взаимодействие, т.е. возникают ядерные силы притяжения.
  Из опытов Резерфорда следовало, что размер ядра атома 10-14-10-15 м (размер атома - около 10-10м). Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Протонно-нейтронная модель ядра предложена известным российским физиком Д.Д. Иваненко (1904-1994), профессором МГУ им. М.В. Ломоносова, и затем развита В. Гейзенбергом. 156
 
  Протон имеет положительный заряд, по модулю равный заряду электрона, и массу покоя, превосходящую массу электрона примерно в 1836 раз. Нейтрон - нейтральная частица с массой покоя, приблизительно равной массе покоя протона (нейтрон немного тяжелее протона). Он стабилен только в составе ядер. Свободный нейтрон распадается на электрон, протон и электронное антинейтрино. Его период полураспада около 12 мин.
  Протоны и нейтроны называются нуклонами (от лат. nucleus - ядро), а общее их число - массовым числом А. Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, где е - заряд протона, Z - зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов Менделеева. Заряд ядра определяет специфику химического элемента, т.е. число электронов в атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер внутриатомного электрического поля.
  Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом:где X - символ химического элемента. Ядра с одинаковыми значениями Z, но разными А (т.е. с разными числами нейтронов N = А - Z) называются изотопами, а ядра с одинаковыми значениями А, но разными Z - изобарами. Например, водород (Z = 1) имеет три изотопа:- протай (Z= 1, N=0), - дейтерий (Z= 1,N= 1), - тритий (Z= l,N= 2). В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют лишь некоторые изотопы, например изотопы водорода).
  Связь нуклонов в ядре обеспечивают ядерные силы, намного превышающие силы других фундаментальных взаимодействий. Основные свойства ядерных сил: короткодействие, зарядовая независимость, ядерные силы - силы только притяжения, насыщение, зависимость от взаимной ориентации спинов нуклонов и др.
  Весьма сложный характер ядерных сил и трудность точного решения уравнений движения всех нуклонов ядра не позволили пока разработать единую последовательную теорию атомного ядра.
  Дефект массы и энергия связи ядра. Масс-спектроскопические измерения показывают, что масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов. Разность суммы масс нуклонов и массы ядра называется дефектом массы ?m. Поскольку всякому изменению массы соответствует изменение энергии, при образовании ядра выделяется энергия. Из закона сохранения энергии следует и обратное: для разделения ядра на составные части необходимо затратить такое же количество энергии, которое выделяется при его образовании. Энергия, которую необходимо за-
 157
 
 тратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра Есв. Она определяется формулой
 Eсв= тс2,
 где с - скорость света.
  Обычно рассматривают удельную энергию связи - среднюю энергию связи, приходящуюся на один нуклон. Она характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер (чем больше удельная энергия связи, тем устойчивее ядро) и зависит от массового числа А. Для легких ядер (А ? 12) с увеличением А удельная энергия связи круто возрастает до 6 - 7 МэВ (1 МэВ = 106 эВ), претерпевая ряд скачков, затем сравнительно плавно увеличивается до максимального значения 8,7 МэВ для элементов с А = 50 - 60, а потом постепенно уменьшается; например, для изотопа тяжелого элемента урана-238 она составляет 7,6 МэВ (для сравнения отметим, что энергия связи валентных электронов в атомах около 10 эВ (приблизительно в 106 раз меньше!). Уменьшение удельной энергии связи при переходе к тяжелым элементам объясняется тем, что с возрастанием числа протонов в ядре увеличивается энергия их кулоновского отталкивания. Поэтому связь между нуклонами ослабевает, и сами ядра становятся менее прочными.
  Наиболее устойчивыми с энергетической точки зрения оказываются ядра элементов средней части таблицы Менделеева. Тяжелые и легкие ядра менее устойчивы. Это означает, что энергетически выгодны два ядерных процесса:
 1) деление тяжелых ядер на более легкие (цепная реакция);
 2) слияние легких ядер и образование более тяжелых (синтез ядер).
  Оба процесса практически реализованы в виде соответственно цепной реакции деления и термоядерного синтеза. Они сопровождаются выделением огромного количества энергии.
  Радиоактивность. В 1896 г. французский физик А.А. Беккерель (1852-1908) при исследовании люминесценции солей урана обнаружил самопроизвольное излучение неизвестной природы, которое действовало на фотопленку, ионизировало воздух, проникало через тонкие металлические пластинки, вызывало люминесценцию ряда веществ. Немного позднее французские ученые, супруги Кюри - Мария (1867-1934) и Пьер (1859-1906) - наблюдали подобное излучение и для других веществ - тория и актиния. Обнаруженное излучение было названо радиоактивным, а сама способность его самопроизвольного испускания - радиоактивностью. За открытие радиоактивности Пьер Кюри, Мария 158
 
 Склодовская-Кюри и А. Беккерель удостоены Нобелевской премии по физике 1903 г.
  Дальнейшее исследование показало, что радиоактивное излучение не зависит от состава химического соединения, его агрегатного состояния, давления, температуры, т.е. от тех факторов, которые связаны с изменением состояния электронной оболочки атома. Поэтому был сделан вывод: радиоактивные свойства элементов обусловливаются структурой атомного ядра.
  В современном представлении радиоактивность - способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Различают радиоактивность естественную, наблюдаемую для существующих в природе неустойчивых изотопов, и искусственную - для изотопов, полученных посредством ядерных реакций. Принципиального физического различия между ними нет: для них характерны одни и те же закономерности радиоактивного превращения.
  Известны три основных вида радиоактивного излучения: альфа-, бета- и гамма-излучение. Альфа-излучение отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и слабой проникающей способностью (поглощается, например, слоем алюминия толщиной примерно 0,05 мм). Оно представляет собой поток ядер гелия. Заряд альфа-частиц положителен и по модулю равен двойному заряду электрона.
  Бета-излучение также отклоняется электрическим и магнитным полями. Оно характеризуется сравнительно слабой ионизирующей способностью и относительно высокой проникающей способностью (поглощается слоем алюминия толщиной около 2 мм). Одна из разновидностей бета-излучения - поток быстрых электронов.
  Гамма-излучение не отклоняется ни электрическим, ни магнитным полем, обладает сравнительно слабой ионизирующей способностью и очень высокой проникающей способностью (проходит через слой свинца толщиной 5 см). Гамма-излучение - это коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны (не более 10-10 м), что и обусловливает его чрезвычайно высокую проникающую способность.
 159
 
  Естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно, называется радиоактивным распадом. Скорость радиоактивного распада определяется законом радиоактивного распада:
 число нераспавшихся ядер N убывает со временем по экспоненте:
 
 где N0 - начальное число нераспавшихся ядер (в момент времени t = 0); N - число нераспавшихся ядер в момент времени t; ? - постоянная радиоактивного распада.
  Постоянная радиоактивного распада характеризует вероятность распада отдельного ядра в единицу времени, а обратная ей величина - среднее время его жизни. Время, в течение которого исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое, называется периодом полураспада.
  Цепная реакция деления. Наблюдению цепной реакции деления ядер предшествовало открытие нейтрона - нейтральной частицы, не испытывающей кулоновского отталкивания и поэтому легко проникающей в ядро. Интересна история открытия нейтрона. В 1930 г. немецкие физики В. Боте и Г. Беккер, облучая бериллий альфа-частицами, обнаружили излучение высокой проникающей способности. Поскольку сильно проникающими могут быть только нейтральные частицы, было предположено, что обнаруженное излучение - жесткие гамма-лучи. Дальнейшие эксперименты показали, что наблюдаемое излучение, взаимодействуя с водородосодержащими соединениями, выбивает протоны, а из расчетов следовало, что предполагаемые гамма-кванты должны обладать необычно большой энергией, что вызывало сомнение. При объяснении полученных результатов эксперимента английский физик Д. Чедвик (1891-1974) в 1932 г. сделал вывод: новое проникающее излучение представляет собой не гамма-кванты, а поток тяжелых нейтральных частиц, названных им нейтронами.
  Характер ядерных реакций под действием нейтронов зависит от их скорости (энергии). В зависимости от энергии нейтроны условно делят на две группы: медленные и быстрые. Нейтроны с энергией до 104 эВ - медленные, а с энергией, большей 104 эВ, - быстрые. Медленные нейтроны эффективны для возбуждения ядерных реакций: они могут находиться относительно долго вблизи атомного ядра. Однако их энергия сравнительно мала, поэтому они не могут вызвать неупругое рассеяние. В то же время быстрые нейтроны способны превратить один радиоактивный изотоп в другой. 160
 
 
  К началу 40-х годов XX в. работами многих ученых: Э. Ферми (1901-1954) (Италия), О. Гана (1879-1968), Ф. Штрассмана (1902- 1980) (ФРГ), О. Фриша (1904-1979) (Великобритания), Л. Майтнер (1878-1978) (Австрия), Г.Н. Флерова (1913-1990), К.А. Петржака (р. 1910) (СССР) и др., - было доказано, что при облучении урана нейтронами образуются ядра атомов химических элементов из середины Периодической таблицы Менделеева - лантана и бария. Этот результат положил начало новому виду реакций - реакциям деления ядер, при которых тяжелое ядро под действием нейтронов и других частиц делится на несколько легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе. Деление ядер сопровождается испусканием двух-трех вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления. Расчет цепной реакции деления урана произвели наши соотечественники физики Ю.Б. Харитон (1904-1996) и Я.Б. Зельдович (1914-1987) и др.
  Деление ядер сопровождается выделением чрезвычайно большого количества энергии. На самом деле, удельная энергия связи ядер средней массы составляет примерно 8,7 МэВ, в то время как для тяжелых ядер - около 7,6 МэВ. Следовательно, при делении тяжелого ядра на два осколка должна высвобождаться энергия 1,1 МэВ на один нуклон. Эксперименты подтверждают, что при каждом акте деления ядер действительно выделяется огромная энергия, которая распределяется между осколками (основная доля), нейтронами деления и продуктами последующего распада осколков деления.
  Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать последующие новые акты деления - возникает цепная реакция деления (рис. 4.4). Она характеризуется коэффициентом размножения к нейтронов, равным отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. В процессе ядерной реакции не все образующиеся вторичные нейтроны вызывают последующее деление ядер, что
 11-3290 161
 
 приводит к уменьшению коэффициента размножения. Во-первых, из-за конечных размеров активной зоны (пространства, где происходит реакция) и большой проникающей способности нейтронов часть из них покидает активную зону раньше, чем будет захвачена каким-либо ядром. Во-вторых, часть нейтронов захватывается ядрами неделящихся примесей. Кроме того, наряду с делением протекают конкурирующие процессы радиоактивного захвата и неупругого рассеивания.
  Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, его количества, размеров и формы активной зоны. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможна цепная реакция, называются критическими размерами, а минимальная масса делящегося вещества в активной зоне с критическими размерами - критической массой. При k > 1 цепная реакция ускоряется: число делений быстро возрастает и ядерный процесс становится взрывным. Условие k = 1 соответствует самоподдерживающейся реакции, при которой число нейтронов со временем не изменяется. При k < 1 цепная реакция деления ядер замедляется.
  Различают управляемые и неуправляемые цепные реакции деления ядер. При взрыве атомной бомбы происходит неуправляемая реакция. При хранении атомной бомбы, чтобы она не взорвалась, находящееся в ней радиоактивное вещество делится на две части с некритическими массами. Для взрыва атомной бомбы обе части сближаются, общая масса делящегося вещества становится критической и при этом возникает неуправляемая цепная реакция, сопровождающаяся мгновенным выделением огромного количества энергии. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах атомных электростанций.
  В природе существуют изотопы, которые могут служить ядерным топливом (уран-235: в естественном уране его содержится примерно 0,7%) или сырьем для его получения (торий-232 и уран-238, содержание которого в естественном уране составляет около 99,3%). В процессе цепной реакции деления возможно воспроизводство ядерного топлива.
  Термоядерный синтез. Колоссальным источником энергии обладает реакция синтеза атомных ядер - образование из легких ядер более тяжелых. Удельная энергия связи резко увеличивается при переходе от ядер тяжелого водорода (дейтерия и трития) к ядрам лития и особенно гелия, т.е. реакция синтеза легких ядер в более тяжелые, сопровождающаяся выделением огромного количества энергии. Энергии, приходящейся на один нуклон, в реакции синтеза значительно больше, чем в реакции деления тяжелых ядер. Синтез легких ядер возможен только при сравнительно большой их кинетической энергии, достаточной для преодоления электростатического отталкивания и сближения их на расстояния, при которых проявляются ядерные силы притяжения. Очевидно, 162
 
 
 энергетически выгоден синтез легких ядер с небольшим электрическим зарядом. Такими ядрами являются изотопы водорода. Однако для осуществления реакции синтеза даже для изотопов водорода необходима чрезвычайно высокая температура - не менее 107 К, поэтому процесс слияния ядер называется реакцией термоядерного синтеза. На рис. 4.5 схематически изображена реакция термоядерного синтеза изотопов трития и дейтерия с образованием ядер гелия.
  Искусственная реакция термоядерного синтеза осуществлена впервые в СССР - в 1953 г., а затем (через полгода) в США при взрыве водородной (термоядерной) бомбы. Это была неуправляемая реакция синтеза. Взрывчатое вещество водородной бомбы представляет собой смесь дейтерия и трития, а детонатором в ней служит обычная атомная бомба, при взрыве которой возникает высокая температура, необходимая для термоядерного синтеза.
  Трудность практической реализации управляемого термоядерного
 синтеза заключается в том, что он возможен при очень высокой темпера
 туре, при которой любое синтезируемое вещество находится в плазмен
 ном состоянии, и возникает техническая проблема его удержания в огра
 ниченном объеме. Над решением проблемы управляемого термоядерного
 синтеза усердно работают ученые многих стран в течение нескольких по
 следних десятилетий. Один из способов ее решения - удержание горя
 чей плазмы в ограниченном объеме сильными магнитными полями. Этот
 способ предложили наши соотечественники физики-теоретики А.Д. Са
 харов (1921-1989), И.Е. Тамм (1895-1971) и др. Для удержания плазмы
 создаются сложнейшие в техническом исполнении термоядерные реакто
 ры. Один из них - Токамак-10, впервые созданный в 1975 г. в Институте
 атомной энергии им. И.В. Курчатова. В последнее время сооружаются
  163
 
 новые модификации термоядерных реакторов. Управляемый термоядерный синтез - это важнейшая проблема современного естествознания, с решением которой, как предполагается, откроется новый перспективный путь развития энергетики.
 4.6. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
  Элементарные частицы - мельчайшие известные частицы материи. Представление об элементарных частицах отражает тот уровень познания строения материи, который достигнут современной наукой. Характерная особенность элементарных частиц - способность к взаимным превращениям, что не позволяет рассматривать их как простейшие, неизменные "кирпичики мироздания", подобные атомам Демокрита. К настоящему времени обнаружено несколько сотен элементарных частиц, включающих и античастицы. Из них стабильны фотон, электронное, мю-онное и таонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от 103 с для свободного нейтрона до 1022-10-14 с для резонансов. Однако нельзя считать, что нестабильные частицы состоят из стабильных хотя бы потому, что одна и та же частица может распадаться несколькими способами на различные элементарные частицы.
  Некоторые элементарные частицы обладают необычными, а в ряде случаев и загадочными свойствами. Например, долгое время считалось, что своеобразная частица нейтрино не имеет массы. Эта частица была открыта теоретически. Еще в тридцатые годы XX в. при изучении бета-распада было обнаружено, что распределение по энергиям электронов, испускаемых радиоактивными ядрами, не дискретно, а непрерывно. Из этого следовало, что либо не выполняется закон сохранения энергии, либо при бета-распаде, помимо электронов, испускаются еще и какие-то труд-норегистрируемые частицы, подобные фотонам с нулевой массой покоя и уносящие часть энергии. Предполагалось, что это нейтрино. Однако экспериментально зарегистрировать нейтрино удалось лишь в 1956 г. на огромных подземных установках. Сложность их регистрации заключается в том, что захват частиц нейтрино происходит чрезвычайно редко из-за их чрезвычайно высокой проникающей способности. В дальнейшем кроме электронного нейтрино зарегистрированы антинейтрино, мюонное и таонное нейтрино. Совсем недавно в ходе экспериментов по изучению двойного бета-распада, проводимых в итальянской подземной лаборато-164
 
 рии, удалось установить, что масса покоя нейтрино все же не равна нулю, хотя относительно мала - не превышает 0,2 эВ.
  Не менее интересны и загадочны античастицы, которые имеют ту же массу, спин, время жизни и некоторые другие характеристики, что и их частицы-двойники, но отличаются от них знаками электрического заряда, магнитного момента, барионного заряда и др. Гипотезу об античастицах предложил в 1928 г. П. Дирак: в результате решения релятивистского волнового уравнения он предсказал существование античастицы электрона - позитрона, обнаруженного спустя четыре года К. Андерсоном в составе космических лучей. Электрон и позитрон - не единственная пара частица - античастица. Все элементарные частицы, кроме нейтральных, имеют свои античастицы. При столкновении частицы и античастицы происходит их аннигиляция, при которой образуются другие элементарные частицы или фотоны. Например, в результате аннигиляции пары электрон - позитрон рождаются фотоны.
  Специфическая характеристика элементарных частиц - четность - это квантовое число, определяющее симметрию волновой функции относительно зеркального отражения. Если при зеркальном отражении волновая функция частицы не меняет знака, то ее четность положительна, если меняет знак - отрицательна. Это квантова-механическая характеристика подчиняется закону сохранения четности:
  при всех превращениях системы частиц четность состояния не изменяется.
  Сохранение четности связано со свойством зеркальной симметрии пространства и указывает на инвариантность законов природы при замене правого левым, и наоборот.
  Проведенное в 1956 г. исследование К-мезонов привело американских физиков Т. Ли и Ч. Янга, лауреатов Нобелевской премии по физике 1957 г., к выводу: в слабых взаимодействиях закон сохранения четности может нарушаться, - что подтвердилось в дальнейшем экспериментально. В то же время закон сохранения четности выполняется для сильного и электромагнитного взаимодействий.
  Число обнаруженных элементарных частиц со временем увеличивается. В частности, сравнительно недавно сообщалось о том, что зарегистрирована еще одна частица. Вместе с обнаружением новых элементарных частиц продолжается поиск фундаментальных частиц, которые могли бы служить составными "кирпичиками" для построения известных частиц. Гипотеза о существовании подобного рода частиц, названных кварками, была высказана в 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном, удо-
 165
 
 стоенным Нобелевской премии 1969 г. Название "кварк" заимствовано из фантастического романа ирландского писателя Дж. Джойса "Поминки по Финнегану" (герою снится сон, в котором чайки кричат: "Три кварка для мастера Марка"). Одна из отличительных особенностей кварков заключается в том, что они имеют дробные электрические заряды. Эта особенность необычна и удивительна, поскольку до сих пор никто не обнаружил частиц с такими зарядами. В свободном состоянии кварки не наблюдались. Однако кварковая модель оказалась весьма плодотворной - она позволила определить квантовые числа многих элементарных частиц.
 4.7. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ МИКРОМИРА
  Современные ускорители. Одним из основных технических средств экспериментального исследования свойств объектов микромира являются ускорители заряженных частиц. Полученные в ускорителе управляемые пучки частиц - подходящий инструмент для проведения операций внутри атомов и атомных ядер, для исследования свойств и структуры элементарных частиц. Для подобных исследований нужна энергия ускоренных частиц в десятки, сотни и даже тысячи гигаэлектронвольт (1 ГэВ = 109 эВ). В этой связи область фундаментальных исследований строения материи неслучайно называется физикой высоких энергий.
  Если ускорители заряженных частиц высокой энергии создавались бы по принципу телевизионной трубки, т.е. линейными, то, как показывают расчеты, их размеры достигали бы многих сотен километров. Поэтому рабочую камеру ускорителя изготавливают в форме огромного тора, для многократного прохождения частицами участков, на которых периодически включается ускоряющее электрическое поле. Чем выше энергия частиц, тем труднее направить их по круговой траектории, тем сильнее должно быть магнитное поле, искривляющее траекторию движения заряженных частиц. Кроме того, одноименно заряженные частицы в пучке взаимно отталкиваются и рассеиваются на микрообъектах остаточной атмосферы в вакуумной камере ускорителя. Поэтому наряду с магнитами, поле которых обеспечивает круговое движение частиц, нужны магниты, фокусирующие и сжимающие их в узкий пучок. Максимальная энергия современных ускорителей определяется в значительной степени размерами и, следовательно, стоимостью довольно громоздкой магнитной системы. 166
 
  Сформированный ускорителем пучок заряженных частиц (обычно электронов или гораздо более тяжелых протонов) направляют на специально подобранную, исходя из задач эксперимента, мишень, при соударении с которой рождается множество разнообразных вторичных частиц. С помощью сложнейших систем - детекторов - такие частицы регистрируются, определяются их масса, электрический заряд, скорость и многие другие характеристики. Затем в результате математической обработки исходных экспериментальных данных с помощью ЭВМ определяются траектория движения и картина взаимодействия ускоренных частиц с веществом мишени. И наконец, при сопоставлении полученных экспериментальных результатов с предварительно рассчитанными воспроизводится картина взаимодействия частиц. Именно таким сложным путем и добываются новые знания о свойствах исследуемых элементарных частиц.
  В современных ускорителях вместо неподвижной мишени часто используется встречный ускоренный пучок частиц. Подобные ускорители на встречных пучках называются коллайдерами. К настоящему времени построено несколько коллайдеров: в США, Японии, Германии и в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Швейцарии.
  В разработке и строительстве ускорителей заряженных частиц наша страна многие годы лидировала. Были построены в 1956 г. синхрофазотрон в Дубне (энергия 10 ГэВ, длина орбиты частиц около 200 м) и затем в 1967 г. синхротрон (ускоритель У-70) в городе Протвино близ Серпухова (энергия 70 ГэВ, длина орбиты 1,5 км). Отечественный ускоритель У-70 и поныне остается крупнейшим в России. На нем проводят исследования физики из многих лабораторий нашей страны и стран СНГ и выполняются совместно с западными учеными физические программы. В ходе его реконструкции для начальной стадии ускорения был установлен первый в мире линейный ускоритель с высокочастотной фокусировкой (без магнитов) и введен в действие "промежуточный" синхротрон диаметром 30 м, рассчитанный на энергию 1,5 ГэВ.
  В 1983 г. в Протвино начались работы по сооружению ускорительно-накопительного комплекса (УНК), рассчитанного на энергию 3000 ГэВ, втрое превышающую энергию наиболее мощного в мире ускорителя, установленного в лаборатории им. Э. Ферми (ФНАЛ) в США. Для УНК построили кольцевой тоннель длиной 21 км и диаметром около 5 м (по размерам он сопоставим с кольцевой линией московского метро). В нем планировали установить сверхпроводящие магниты. Однако с распадом СССР хозяйственные связи прервались, и завод в Усть-Каменогорске, где производили сверхпроводящий материал, оказался за рубежом. Было ре-
 167
 
 шено пустить первую очередь новой установки, используя обычные магниты, что обеспечило бы энергию только 600 ГэВ (ее назвали У-600). Для этого необходимо установить по кольцу более двух тысяч магнитов массой около 10 т каждый, что оценивается примерно в 150 млн. долл. и составляет лишь малую часть от уже вложенных средств.
  В конце 80-х годов XX в. в США начато сооружение самого крупного в мире ускорителя - сверхпроводящего суперколлайдера (с 80-километровой длиной орбиты частиц), рассчитанного на энергию протонов 20 ТэВ (20 • 1012 эВ). Однако в 1993 г. Конгресс США принял решение о прекращении его строительства, хотя уже потрачено около двух миллиардов долларов и прорыт в Техасе тоннель длиной 24 км.
  Планируется завершить примерно лет через десять сооружение в Женеве самого крупного в мире ускорителя заряженных частиц - большого адронного коллайдера - в 27-километровом подземном тоннеле. Физики надеются, что при немыслимых сегодня энергиях сталкивающихся частиц (порядка 10 ТэВ) удастся получить важные сведения о глубинных процессах. На таком гигантском ускорителе и размеры детекторов поражают воображение. Один из них, самый крупный, представляет собой сложнейшее в техническом исполнении устройство цилиндрической формы длиной 26 и диаметром 20 м, массой около 7 тыс. т. Его разработкой занималась международная группа ученых (примерно 1,5 тыс. человек) из трех десятков стран: США, России, Японии, Франции, Англии и др. Детектор в рабочем режиме будет выдавать поток информации, по объему сравнимый с циркулирующей сегодня во всех европейских компьютерных сетях.
  Структурная нейтронография. Стремясь проникнуть в глубину материи и изучить ее структуру, исследователи создавали все более совершенные приборы и методы. На смену оптическому микроскопу пришел электронный с несравненно более высоким разрешением. Рентгеноструктурный анализ позволил "увидеть" форму атомной решетки кристалла и даже проследить за ее деформацией при внешнем воздействии, например, при изменении температуры и давления. Сравнительно недавно созданы, развиты и усовершенствованы новые методы изучения свойств вещества, основанные на рассеянии нейтронов.
  Нейтрон, как и любая другая частица, обладает свойством волны. Поэтому поток нейтронов можно рассматривать как коротковолновое излучение (характерная длина волны - порядка 0,03 нм). Проходя через вещество, нейтроны испытывают дифракцию в результате рассеяния их на отдельных атомах. Направление и интенсивность отраженных лучей зависят от строения рассеивающего объекта. Измеряя углы рассеяния нейтронов, можно воспроизвести атомную структуру вещества. 168
 
 
  Структурная нейтронография позволяет проследить за поведением каждого атома. На рис. 4.6 показана проекция упругого рассеяния нейтронов в кристалле КН2РО4 вблизи водородной связи. Видны два атома кислорода (сплошные линии) и два атома водорода (пунктирные линии). Расстояние между ними при комнатной температуре (293 К) (рис. 4.6, а) заметно больше, чем при низкой температуре (77 К) (рис 4.6, б). Структурная нейтронография - одно из крупнейших достижений современного естествознания. Она открывает широкие возможности микроскопических исследований свойств многообразных не только физических, но и химических, и биологических объектов.
 Контрольные вопросы
 1. Охарактеризуйте кратко историю развития представлений о строении атома.
 2. Чем отличается модель атома Томсона от планетарной модели?
 3. Сформулируйте постулаты Бора.
  4. Можно ли с помощью теории Бора объяснить структуру атомов всех элементов
 таблицы Менделеева?
 5. В чем заключаются корпускулярно-волновые свойства частиц?
 6. В чем сущность принципа неопределенности?
 7. Сформулируйте принцип дополнительности.
 8. Поясните физический смысл волновой функции?
  9. Кто и когда сформулировал основное уравнение нерелятивистской квантовой меха
 ники?
 10. В чем заключается принцип причинности для микропроцессов?
  11. На какие два класса делятся частицы в зависимости от характера симметрии волно
 вых функций?
 169
 
 12. Сформулируйте принцип Паули.
 13. Охарактеризуйте современные основные атомные системы.
 14. Что такое фуллерены?
 15. Какими свойствами обладают углеродные нанотрубки?
 16. Какова структура атомного ядра?
 17. Что такое дефект масс?
 18. Как зависит удельная энергия связи ядер от массового числа?
 19. Что такое радиоактивность?
 20. Назовите основные виды радиоактивного распада.
 21. Сформулируйте закон радиоактивного распада.
 22. Как возникает цепная реакция деления ядер?
 23. Что такое критическая масса?
 24. Что характеризует коэффициент размножения нейтронов?
 25. При каких условиях возникает термоядерный синтез?
 26. В чем заключается трудность управляемого термоядерного синтеза?
 27. Какие частицы называются элементарными?
 28. Какова особенность свойств нейтрино?
 29. Чем отличаются античастицы от частиц?
 30. Что такое аннигиляция?
 31. Приведите характеристики современных ускорителей.
 32. На чем основана структурная нейтронография?
 12.
 Объясню, как смогу: но не буду говорить ничего окончательного и определенного, подобно оракулу Аполлона, а, будучи всего лишь слабым смертным, укажу только правдоподобные предположения.
 Цицерон
 
 
 *
  Концепция развития и эволюция Вселенной
 *
 Естественно-научные знания о веществе
 *
 Биосферный уровень организации материи
 *
 
 5. КОНЦЕПЦИЯ РАЗВИТИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ
 5.1. СУЩНОСТЬ КОНЦЕПЦИИ РАЗВИТИЯ
  Самоорганизация систем. В последние десятилетия утверждается мнение: материи изначально присуща тенденция не только к разрушению упорядоченности и возврату к исходному хаосу, но и к образованию сложных и упорядоченных систем разного уровня. Разрушительную тенденцию материи наиболее полно отражают статистическая механика и термодинамика, описывающие свойства изолированных (замкнутых) систем, т.е. систем, не обменивающихся ни энергией, ни веществом с окружающей средой. При этом особая роль принадлежит второму началу термодинамики, определяющему необратимость процессов преобразования энергии в замкнутой системе. Такие процессы рано или поздно приводят систему к ее самому простому состоянию - термодинамическому равновесию, эквивалентному хаосу, - состоянию без какой-либо упорядоченности. В прошлом обсуждалась возможность приложения второго начала термодинамики ко Вселенной как замкнутой системе и при этом сделан вывод о деградации Вселенной - ее тепловой смерти.
  Известно, что все реальные системы, от самых малых до самых больших, являются открытыми - они обмениваются энергией и веществом с окружающей средой и не находятся в состоянии термодинамического равновесия. В подобных системах возможно образование нарастающей упорядоченности, т.е. возможна самоорганизация вещественных систем. Самоорганизацией принято называть природные скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным. Критическое состояние характеризуется крайней неустойчивостью, завершающей плавное эволюционное развитие открытой неравновесной системы. Исследования самоорганизации проводятся в трех на-
 173
 
 правлениях: синергетика, термодинамика неравновесных процессов и математическая теория катастроф.
  Синергетика изучает связи между элементами (подсистемами) структуры, которые образуются в открытых системах (биологических, физико-химических и др.) благодаря интенсивному обмену веществом и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях. В открытых системах возможно согласованное поведение подсистем, в результате чего возрастает степень упорядоченности - уменьшается энтропия. Основа синергетики - термодинамика неравновесных процессов, теория случайных процессов, теория нелинейных колебаний и волн. Объект изучения синергетики независимо от его природы должен удовлетворять трем условиям: открытости, существенной неравновесности и скачкообразному выходу из критического состояния.
  Открытость означает незамкнутость системы, для которой возможен обмен энергией и веществом с окружающей средой. Существенная неравновесность приводит к критическому состоянию, сопровождающемуся потерей устойчивости системы. В результате скачкообразного выхода из критического состояния образуется качественно новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности. Характерный пример самоорганизующейся системы - оптический квантовый генератор - лазер. При его работе выполняются три перечисленных условия: открытость системы, снабжаемой извне энергией, ее сугубая неравновесность, достижение критического уровня накачки, при котором возникает упорядоченное, монохроматическое излучение.
  "Повсюду, куда ни посмотри, обнаруживается эволюция, разнообразие форм и неустойчивости. Интересно отметить, что такая картина наблюдается на всех уровнях - в области элементарных частиц, биологии, астрофизике", - так считает один из основоположников термодинамики неравновесных процессов, лауреат Нобелевской премии 1977 г., бельгийский физик и физико-химик И.Р. Пригожин (1917-2003).
  Сложная неравновесная система может перейти из неустойчивого состояния в одно из нескольких устойчивых. В какое именно из них совершится переход - дело случая. В системе, пребывающей в критическом состоянии, развиваются сильные флуктуации, и одна из них инициирует скачок в конкретное устойчивое состояние. Процесс скачка необратим. Критическая точка, в которой наиболее вероятен переход в новое состояние, называется точкой бифуркации.
  Самоорганизация включает закономерное и случайное в развитии любых открытых систем: плавную эволюцию, ход которой закономерен и детерминирован, и случайный скачок в точке бифуркации, определяющий следующий закономерный этап развития. Прямое отношение к концепции самоорганизации имеет математическая теория катастроф, опи-174
 
 сывающая различные скачкообразные переходы, спонтанные качественные изменения и т.п. В теории катастроф применяется довольно сложный математический аппарат - топологическая теория динамических систем.
  Концепция развития. Основу концепции развития процессов в природе составляют три положения: системность, динамизм и самоорганизация. Системность означает упорядоченную, структурную организацию материи. Вселенная - самая крупная из всех известных материальных систем. На определенных этапах ее развития зарождались разномасштабные подсистемы, характеризуемые открытостью и неравновесностью. Внешняя среда для любой подсистемы - материальная подсистема более крупного масштаба, с которой она обменивается энергией и веществом. Предполагается, что внешняя среда для Вселенной - физический вакуум. Любая подсистема Вселенной, например галактика (Солнечная система, планета, биосфера, человек и т.д.), представляет собой целостный материальный объект, прошедший собственный путь развития. Она обладает определенной индивидуальностью, автономией и в то же время является неотъемлемой составной частью целого.
  Для материальной системы любого масштаба характерен динамизм, означающий ее развитие, движение. Без развития, без движения невозможно существование реальной системы, вне зависимости от степени ее упорядоченности и сложности.
  В процессе развития способность систем к усложнению приводит к образованию упорядоченных структур - происходит самоорганизация систем. При этом действуют два взаимопротивоположных механизма: объединение элементов системы и ее разделение (фракционирование), характерные для всех уровней сложности и упорядоченности материи, начиная от микромира и кончая крупномасштабными структурами Вселенной. На разных уровнях развития систем преобладает один из четырех видов фундаментальных взаимодействий. Так, на нуклонном уровне организации материи сильное взаимодействие выступает в роли ядерных сил, объединяющих нуклоны в ядра, а слабое взаимодействие - в роли сил, определяющих их радиоактивный распад. На атомном уровне функции объединения и фракционирования выполняет электромагнитное взаимодействие в форме притяжения разноименных и отталкивания одноименных электрических зарядов. На молекулярном уровне электромагнитное взаимодействие обеспечивает химическую связь. В организации структур Вселенной определяющую роль играет гравитационное взаимодействие.
  Для управления процессом развития любая система должна обладать способностью накапливать, хранить и передавать информацию, а это означает, что неотъемлемая часть самоорганизации - ее информатив-
 175
 
 ность. В этом вопросе пока много неясного. В последнее время удалось выяснить один из решенных природой принципов хранения и передачи информации посредством генного механизма, управляющего структурой и направлением развития живых систем.
  В концепции развития весьма важен вопрос соотношения случайного и закономерного. Эволюционные этапы развития вполне детерминированы. При эволюционном развитии поведение системы предсказуемо и даже управляемо при наличии необходимых средств управления. На завершающей стадии эволюции в точке бифуркации преобладает случайность. Точку бифуркации можно сравнить с перекрестком с несколькими ответвленными путями, где, как в сказке, выбор пути означает и выбор судьбы.
  Особую роль играет случайность в самоорганизации на завершающей стадии эволюции. Именно случайность определяет возможность перехода системы в более упорядоченное состояние. Можно привести множество примеров, когда случайные переходы хотя в принципе и возможны, т.е. вероятность их не равна нулю, но настолько мала, что их достижение можно считать практически не реализуемым. Например, вероятность процесса сборки часов из случайно разбросанных деталей отлична от нуля, однако трудно представить, что из деталей без вмешательства человека случайно образуется упорядоченная структура - часы. В этой связи полезно помнить, что концепция самоорганизации и синергетический подход, как и многие другие концепции, идеи и даже фундаментальные законы, имеют вполне определенную область применения. Судя по возрастающему потоку публикаций, можно заключить, что идеи самоорганизации и синергетики пытаются внедрить в различные отрасли науки и распространить их на многие объекты - от Вселенной до общества и человека - без учета их специфики и особенностей. Конечно же, такая тенденция не может не привести к поспешным и неверным результатам, что сдерживает процесс поступательного развития естествознания и науки в целом.
 5.2. ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ
  Основные концепции космологии. Вселенная - самая крупная материальная система. Ее происхождение интересует людей еще с древних времен. Вначале Вселенная была "безвидна и пуста" (Быт., 1,2), - так сказано в Библии. Вначале был вакуум - уточняют современные физики. Каковы истоки происхождения Вселенной? Как она развивается? Какова ее структура? На эти и другие вопросы пытались ответить ученые разных времен. Однако даже крупнейшие достижения естествознания 176
 
 XX в. не позволяют дать полностью исчерпывающие ответы. В этой связи нельзя не вспомнить слова известного поэта М. Волошина:
 "Мы, возводя соборы космогоний, Не внешний в них отображаем мир, А только грани нашего незнания".
  Тем не менее принято считать, что основные положения современной космологии - науки о строении и эволюции Вселенной - начали формироваться после создания в 1917 г. А. Эйнштейном первой релятивистской модели, основанной на теории гравитации и претендовавшей на описание всей Вселенной. Эта модель характеризовала стационарное состояние Вселенной и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной.
  Важный шаг в решении космологических проблем сделал в 1922 г. профессор Петроградского университета А.А. Фридман (1888-1925). В результате решения космологических уравнений он пришел к выводу: Вселенная не может находиться в стационарном состоянии - она должна расширяться либо сужаться.
  Следующий шаг был сделан в 1924 г., когда в обсерватории Маунт Вилсон в Калифорнии американский астроном Э. Хаббл (1889-1953) измерил расстояние до ближайших галактик (в то время называемых туманностями) и тем самым открыл мир галактик. В 1929 г. в той же обсерватории Э. Хаббл по красному смещению линий в спектре излучения галактик экспериментально подтвердил теоретический вывод А.А. Фридмана о расширении Вселенной и установил эмпирический закон - закон Хаббла:
  скорость удаления галактики V прямо пропорциональна расстоянию r до нее, т.е.
 V=Hr,
 где Н - постоянная Хаббла.
  С течением времени постоянная Хаббла постепенно уменьшает
 ся - разбегание галактик замедляется. Но такое уменьшение за наблю
 даемый промежуток времени ничтожно мало. Обратной величиной по
 стоянной Хаббла определяется время жизни (возраст) Вселенной. Из ре
 зультатов наблюдения следует, что скорость разбегания галактик увели
 чивается примерно на 75 км/с на каждый миллион парсек (1 парсек равен
 3,3 светового года; световой год - это расстояние, проходимое светом в
 вакууме за один земной год). При данной скорости экстраполяция к про
 шлому приводит к выводу: возраст Вселенной составляет около 15 млрд.
 лет, а это означает, что вся Вселенная 15 млрд. лет назад была сосредото
 чена в очень маленькой области. Предполагается, что в то время плот
 ность вещества Вселенной была сравнима с плотностью атомного ядра и
 12-3290 177
 
 вся Вселенная представляла собой огромную ядерную каплю. По каким-то причинам ядерная капля оказалась в неустойчивом состоянии и взорвалась. Это предположение лежит в основе концепции большого взрыва.
  Произведением времени жизни Вселенной на скорость света определяется радиус космологического горизонта - граница познания Вселенной посредством астрономических наблюдений. Информация об объектах за космологическим горизонтом до нас еще не дошла - мы не можем заглянуть за космологический горизонт. Несложный расчет показывает, что радиус космологического горизонта равен приблизительно 1026 м. Очевидно, что этот радиус ежесекундно увеличивается примерно на 300 тыс. км. Но такое увеличение ничтожно мало по сравнению с величиной радиуса космологического горизонта. Для наблюдения заметного расширения космологического горизонта нужно подождать миллиарды лет.
  В концепции большого взрыва предполагается, что расширение Вселенной происходило с одинаковой скоростью, начиная с момента взрыва ядерной капли. В настоящее время обсуждается и другая гипотеза - гипотеза пульсирующей Вселенной: Вселенная не всегда расширялась, а пульсирует между конечными пределами плотности. Из нее следует, что в некотором прошлом скорость удаления галактик была меньше, чем сейчас, и были периоды, когда Вселенная сжималась, т.е. галактики приближались друг к другу и с тем большей скоростью, чем большее расстояние их разделяло.
  По мере развития естествознания и особенно ядерной физики выдвигаются различные гипотезы о физических процессах на разных этапах космологического расширения. Одна из них предложена в конце 40-х годов XX в. Г.А. Гамовым (1904-1968), физиком-теоретиком, эмигрировавшим в 1933 г. из Советского Союза в США, и называется моделью горячей Вселенной. В ней рассмотрены ядерные процессы, протекавшие в начальный момент расширения Вселенной в очень плотном веществе с чрезвычайно высокой температурой. По мере расширения Вселенной плотное вещество охлаждалось.
 Из этой модели следуют два вывода:
  1) вещество, из которого зарождались первые звезды, состояло в ос
 новном из водорода (75%) и гелия (25%);
  2) в сегодняшней Вселенной должно наблюдаться слабое электромаг
 нитное излучение, сохранившее память о начальном этапе развития Все
 ленной, и поэтому названное реликтовым.
  С развитием астрономических средств наблюдения, и в частности, с рождением радиоастрономии, появились новые возможности познания Вселенной. В 1965 г. американские астрофизики А. Пензиас (р. 1933) и Р. Вильсон (р. 1936) экспериментально обнаружили реликтовое излучение, за что были удостоены в 1978 г. Нобелевской премии. Реликтовое из-
 178
 
 лучение - это фоновое изотропное космическое излучение со спектром, близким к спектру излучения абсолютно черного тела с температурой около 3 К. Оно наблюдается на волнах длиной от нескольких миллиметров до десятков сантиметров.
  В 2000 г. сообщалось: сделан важный шаг на пути понимания самого раннего этапа эволюции Вселенной. В лаборатории Центра европейских ядерных исследований в Женеве получено новое состояние материи - кварк-глюонная плазма. Предполагается, что в таком состоянии Вселенная находилась в первые 10 мкс после большого взрыва. До сих пор удавалось охарактеризовать эволюцию материи на стадии не ранее трех минут после взрыва, когда уже сформировались ядра атомов.
  Образование объектов Вселенной. В 1963 г. на очень больших расстояниях от нашей Галактики, на границе наблюдаемой Вселенной, обнаружены удивительные объекты, получившие название квазаров. При сравнительно небольших размерах (поперечник их составляет несколько световых недель или месяцев) квазары выделяют колоссальную энергию, примерно в 100 раз превосходящую энергию излучения самых гигантских галактик, состоящих из десятков и сотен миллиардов звезд. Какие физические процессы могут приводить к выделению столь грандиозного количества энергии, пока неясно.
  Астрономы обратили внимание на определенное сходство между квазарами и активными ядрами некоторых галактик. Квазары - весьма удаленные объекты. А чем дальше от нас находится тот или иной космический объект, тем в более отдаленном прошлом мы его наблюдаем, что обусловливается конечной скоростью распространения электромагнитного излучения, в том числе и света. Хотя скорость света велика - около 300 тыс. км/с, но даже при такой огромной скорости для преодоления космических расстояний необходимы десятки, сотни и даже миллиарды лет. Мы наблюдаем объекты Вселенной - Солнце, планеты, звезды, галактики - в прошлом. Причем различные объекты - в разном прошлом. Например, Полярную звезду - такой, какой она была около шести веков назад. А галактику в созвездии Андромеды мы наблюдаем с опозданием на 2 млн. лет.
  Квазары удалены от нас на миллиарды световых лет. Галактики с ак
 тивными ядрами в среднем расположены ближе. Следовательно, они при
 надлежат к объектам более позднего поколения, т.е. образовались после
 рождения квазаров. Возникает вопрос: не являются ли квазары протояд-
 рами будущих галактик, теми "зародышами", вокруг которых впоследст
 вии сформировались десятки и сотни миллиардов звезд - звездные ост
 рова Вселенной? При попытке ответить на эти вопросы родилась гипоте
 за о черных дырах. Сущность ее заключается в следующем. Если некото
 рая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме,
 12* 179
 
 
 критическом для нее, то под действием сил собственного тяготения такое вещество начинает неудержимо сжиматься. Наступает своеобразная гравитационная катастрофа - гравитационный коллапс. В результате сжатия растет концентрация вещества. Наконец, наступает момент, когда сила тяготения на ее поверхности становится столь велика, что для ее преодоления надо развить скорость, превосходящую скорость света. Такие скорости практически недостижимы, и из замкнутого пространства черной дыры не могут вырваться ни лучи света, ни частицы материи. Излучение черной дыры оказывается "запертым" гравитацией. Черные дыры способны только поглощать излучение. На рис. 5.1 изображена воображаемая картина прохождения лучей вблизи черной дыры. Луч, проходящий на близком расстоянии от нее, поглощается, а более отдаленные лучи искривляются.
  Предполагается, что образование черных дыр во Вселенной происходит различными путями. Например, они могут возникать в результате сжатия массивных звезд на заключительных стадиях их жизни или вследствие концентрации вещества в центральных частях достаточно массивных звездных систем. В частности, в ядрах галактик и квазарах могут находиться сверхмассивные черные дыры. 180
 
  Результаты наблюдения галактики М-87 позволяют предполагать, что в непосредственной близости от ее центра сконцентрирована слабосветящаяся масса, превосходящая 5 млрд. солнечных масс. Похожие результаты получены и для других галактик. Может быть, это и есть гигантские черные дыры или какие-то другие сверхплотные образования пока неизвестной природы. Существование черных дыр следует из общей теории относительности, и об их астрономическом открытии говорить не приходится. Совершенно другой точки зрения на данную проблему придерживаются известный российский специалист в области квантовой теории поля, выдающийся ученый, академик РАН А.А. Логунов и его последователи. Исходя из понимания гравитации как проявления реального физического поля, а не как следствия искривления пространства - времени согласно общей теории относительности, ученые находят логическое объяснение наблюдаемым в мегамире явлениям, не прибегая к понятию черной дыры.
  Сравнительно недавно основные положения космологии базировались на идеях классической физики. Развитие рассматривалось как медленный и плавный процесс перехода от одного стационарного состояния к другому. Считалось, что звезды постепенно рассеивают свое вещество, и оно накапливается в виде гигантских туманностей. Туманности сгущаются в звезды и т.д. Однако наблюдения последних десятилетий свидетельствуют и о другом: в развитии материи во Вселенной играют определенную роль и нестационарные процессы, в частности взрывные процессы. Можно предполагать, что нестационарные процессы представляют собой своеобразные поворотные пункты в развитии космических объектов, где совершаются переходы из одного качественного состояния в другое, образуются новые небесные тела - происходит самоорганизация Вселенной.
  Вопрос об образовании космических объектов в результате нестационарных процессов и о самоорганизации Вселенной еще окончательно не решен. Кроме того, одна из важных проблем современного естествознания состоит в том, чтобы установить, в каком физическом состоянии находилось вещество до начала расширения Вселенной. Видимо, это было состояние чрезвычайно высокой плотности. Для описания явлений, происходящих при столь высокой плотности, современные фундаментальные физические теории, к сожалению, не применимы. При таких условиях проявляются не только гравитационные, но и квантовые эффекты, характерные для процессов микромира. А теории, которая объединяла бы их, пока нет - ее предстоит создать.
 181
 
 
  Одно из предположений, следующих из концепции самоорганизации, заключается в том, что первоначальный сгусток материи возник из физического вакуума. Физический вакуум, как уже отмечалось, - своеобразная форма материи, способная при определенных условиях "рождать" вещественные частицы без нарушения законов сохранения материи и движения.
  Вселенная в широком смысле - это среда нашего обитания. Поэтому важное значение для практической деятельности человека имеет то обстоятельство, что во Вселенной господствуют необратимые физические процессы, что она изменяется с течением времени, находится в постоянном развитии. Человек приступил к освоению космоса, вышел в открытое космическое пространство. Наши свершения приобретают все больший размах, глобальные и даже космические масштабы. И для того чтобы учесть их близкие и отдаленные последствия, те изменения, которые они могут внести в состояние среды нашего обитания, в том числе и космической, мы должны изучать не только земные явления и процессы, но и закономерности космического масштаба.
 5.3. СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ
  Глядя на усеянное звездами небо, человек приходит в восторг, не оставаясь равнодушным к созерцаемому. "Открылась бездна, звезд полна. Звездам числа нет, бездне - дна" - эти прекрасные строки М.В. Ломоносова, написанные на заре зарождения русской поэзии, образно и наиболее полно описывают первое впечатление, которое испытывает человек, любуясь завораживающей картиной звездного неба. Про звезды сложено множество стихов, песен. Звезды и бескрайнее небесное пространство всегда притягивали и притягивают всех: и самого обыкновенного человека, и поэта, и ученого. Но для ученых, естествоиспытателей звездное небо - не только предмет восторга и наслаждения, но и увлекательный, неисчерпаемый объект исследований.
  В ясную погоду в безлунную ночь невооруженным глазом можно наблюдать на небосводе до трех тысяч звезд. Но это лишь небольшая часть тех звезд и других космических объектов, из которых состоит Вселенная. Вселенная - это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Часть Вселенной, доступная исследованию астрономическими средствами, соответствующими достигнутому уровню развития науки, называется Метагалактикой. Иначе говоря, Метагалактика - охваченная астрономическими наблюдениями часть Вселенной. Она находится в пределах космологического горизонта. 182
 
  Структура Вселенной - предмет изучения космологии, одной из важных отраслей естествознания, находящейся на стыке многих естественных наук: астрономии, физики, химии и др. Главные составляющие Вселенной - галактики - громадные звездные системы, содержащие десятки, сотни миллиардов звезд. Солнце вместе с планетной системой входят в нашу Галактику, наблюдаемую в форме Млечного Пути. Кроме звезд и планет Галактика содержит разреженный газ и космическую пыль.
  Млечный Путь хорошо виден в безлунную ночь. Он кажется скоплением светящихся туманных масс, протянувшимся от одной стороны горизонта до другой, и состоит примерно из 150 млрд. звезд. По форме он напоминает сплюснутый шар. В центре его находится ядро, от которого отходит несколько спиральных звездных ветвей. Наша Галактика чрезвычайно велика: от одного ее края до другого световой луч путешествует около 100 тыс. земных лет. Большая часть ее звезд сосредоточена в гигантском диске толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра Галактики расположено наше Солнце.
  Основное "население" галактик - звезды. Мир звезд необыкновенно разнообразен. И хотя все звезды - раскаленные шары, подобные Солнцу, их физические характеристики различаются весьма существенно. Есть, например, звезды-гиганты и сверхгиганты. По своим размерам они значительно превосходят Солнце. Объем одной из звезд в созвездии Цефея больше объема Солнца в 14 млрд. раз. Если бы эту громадную звезду можно было поместить в центре нашей планетной системы, то не только Земля, но и орбиты более далеких планет - Марса, Юпитера, даже Сатурна - оказались бы внутри такого сверхгигантского шара.
  Кроме звезд-гигантов существуют и звезды-карлики, значительно уступающие по своим размерам Солнцу. Некоторые карлики меньше Земли и даже Луны. Вещество их отличается чрезвычайно высокой плотностью. Так, если из вещества одного из наиболее плотных белых карликов можно было бы изготовить гирю, равную по размерам обычной килограммовой гире, то на Земле такая гиря весила бы 4 тыс. т.
  Еще большей плотностью обладают нейтронные звезды. Диаметр такой звезды, состоящей главным образом из ядерных частиц - нейтронов, составляет всего около 20-30 км, а средняя плотность вещества достигает 100 млн. т/см3. По существу, нейтронная звезда - это громадное атомное ядро. Существование нейтронных звезд теоретически предсказано еще в 30-х годах XX в. Однако обнаружить их удалось только в 1967 г. по необычному импульсному радиоизлучению. Нейтронные звезды быстро вращаются, и радиолуч каждой вращающейся звезды регистрирует
 183
 
 
 радиотелескоп как импульс радиоизлучения. Поэтому нейтронные звезды подобного типа называются пульсарами. Большинство пульсаров излучает в радиодиапазоне от метровых до сантиметровых волн. Иногда их называют радиопульсарами. Пульсары в Крабовидной туманности и ряд других излучают, кроме того, в оптическом, рентгеновском и гамма-диапазонах.
  Звезды обладают различными поверхностными температурами - от нескольких тысяч до десятков тысяч градусов. Соответственно различен и цвет звезд. Сравнительно "холодные" звезды - с температурой 3-4 тыс. градусов - красного цвета. Наше Солнце с поверхностью, "нагретой" до 6 тыс. градусов, имеет желтоватый цвет. Самые горячие звезды - с температурой выше 12 тыс. градусов - белые и голубоватые.
  Во Вселенной наблюдаются вспышки новых и сверхновых звезд. Такие звезды в некоторый момент времени в результате бурных физических процессов неожиданно увеличиваются в объеме, "раздуваются", сбрасывают свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяют чудовищное количество энергии - в миллиарды раз больше, чем излучает Солнце. Затем, исчерпав свои ресурсы, они постепенно тускнеют, превращаясь в газовую туманность. Так, на месте сверхновой звезды образовалась, например, Крабовидная туманность. Она является мощным источником излучения, что свидетельствует о продолжении происходящих внутри нее интенсивных процессов.

<< Пред.           стр. 6 (из 16)           След. >>

Список литературы по разделу