Электрослабое поле и перспективы Великого Объединения

До середины XIX в. физики знали две самостоятельных силы - электричество и магнетизм. Позже оказалось, что это два проявления единой сущности - электромагнитного поля. Изменение электрической силы порождает силу магнитную, и наоборот.

Пока два заряда покоятся, между ними возникает электрическая сила притяжения-отталкивания, а когда они начинают двигаться, появляется магнитная сила. Абдус Салам в конце 50-х годов пришёл к мысли, что электромагнитное и слабое взаимодействия также есть проявление некоторой общей силы, которая получила название электрослабой. "Общая" электрослабая сила, точнее кванты электрослабого поля, существует при очень высоких энергиях и в нашем мире распадаются на кванты электромагнитного поля и слабого взаимодействия.

Теория объединения двух сил была создана в 60-е годы, а экспериментальные доказательства существования всего набора предсказанных квантов слабого поля - тяжёлых векторных бозонов - были получены на самых мощных ускорителях в 80-е годы. Кванты поля, разрушающего единство электрических и слабых сил - бозоны Хиггса - не обнаружены и по настоящее время, но мало кто сомневается в их существовании. Следующий шаг - объединение сильного и электрослабого взаимодействий. Соответствующая тория получила название Великого объединения. Она разрабатывается силами многих теоретиков начиная с 70-х годов.

Эта теория не может быть проверена экспериментально - человеческие руки не в силах создать ускорители той мощности, при которой возможно получить искомые частицы - участники объединённого взаимодействия. Однако возможна косвенная проверка Великого объединения.

Теория предсказывает наличие сил, способных превращать кварки в лептоны. В таком случае возможен самопроизвольный распад протона на позитрон и пион. За год должен распадаться в среднем один из 1032 протонов. Современная техника в принципе позволяет пронаблюдать такое явление. Очевидно, в скором времени физикам удастся таким образом подтвердить или опровергнуть теорию Великого объединения.

Открытие Ганом и Штрассманом распада урана с образованием лёгких осколков. Получение нептуния и плутония. Германский ядерный проект

Получение нептуния и плутония. В 30-х годах появились ускорители, увеличившие мощность бомбардировок ядра заряженными частицами в сотни раз. В 1940 - 1942 гг. Г. Сиборг, Э. М. Макмилан, Дж. Кеннеди и А. Валь получили новые, трансурановые элементы - нептуний и плутоний, которых в природе практически не существует. Разогнанные на ускорителе ядра дейтерия, направленные на мишень из урана, пробивали броню электростатического отталкивания и поглощались ядром, заряд которого увеличивался на единицу - так возникал нептуний, новый элемент с периодом полураспада чуть более двух суток. В процессе в-распада нейтрон нептуния превращался в протон, заряд ядра увеличивался ещё на единицу, и возникал сравнительно стабильный изотоп плутония с периодом полураспада 88 лет. Открытие Ганом и Штрассманом распада урана с образованием лёгких осколков. Во всех этих процессах ядро захватывало или теряло частицу и меняло заряд на одну-две единицы. И физики добаловались - вдруг, совершенно неожиданно, ядро урана развалилось на две половинки. Никто из теоретиков этого не ожидал. В опытах О. Гана и Ф. Штрасмана вместо соседей урана по таблице Менделеева был синтезирован барий - крупный черепок разбитого вдребезги ядра урана. Это привело к самому драматическому событию в двухтысячелетней истории физики - созданию атомной бомбы. Теоретические модели ядра (не знаю надо это или нет) В 30-годы Гамов, Бор, Уиллер (США) и Френкель (СССР) делают первые наброски теории строения ядра, получившие название «капельная теория». Мелкие капли круглые. Шар - геометрическая фигура, обладающая минимальной поверхностью при заданном объёме. Молекулы жидкости, находящейся на поверхности раздела двух сред, притягиваются внутрь. Это приводит к тому, что количество молекул на поверхности становится минимальным. Физики говорят о силе поверхностного натяжения, выравнивающей неровности на поверхности жидкости. Вода обладает большой силой поверхностного натяжения, спирт - меньшей, медицинский эфир (этиловый эфир) - ещё меньшей.Ядерные силы неизмеримо мощнее сил молекулярного притяжения и должны были бы образовать идеально шаровидное ядро, но количество частиц в нём слишком ограничено. Кроме того, нуклоны не одинаковы - между протонами действует отталкивающая сила. Всё это приводит к тому, что ядро может быть не сферическим, а вытянутым вроде дыни или сплющенным, как тыква. Почему ядро не может быть очень большим? Сильная сила действует на сверхмалых расстояниях, притягивает только ближайшие нуклоны (протоны и нейтроны). Вместе с силами притяжения на протоны ядра действует сила отталкивания одноименных зарядов, которая сравнительно мало убывает с расстоянием. Следовательно, при увеличении количества протонов в ядре силы отталкивания увеличиваются, а силы притяжения не растут. Ядро становится нестабильным, испускает б-частицу и, избавившись от избыточного положительного заряда, делается более устойчивым и компактным. Очевидно, что ядро, поверхность которого является более близкой к сферической, должно быть и более устойчивым. Почему ядро не может состоять из одних нейтронов и увеличиваться не разрушаясь? Капельная модель - классическая модель, не использующая квантово-волновые свойства ядерных частиц. Ей на смену приходит оболочечная модель, предложенная впервые Бартлетом и развитая М. Гёпперт-Майер и Х. Йенсеном. Согласно ей протоны и нейтроны образуют ансамбль стоячих волн, организованных подобно электронным оболочкам боровского атома. Пара нейтрон-нейтрон в силу запрета Паули может существовать только при противоположно ориентированных спинах, что уменьшает энергию связи. Поэтому один из нейтронов превратится в протон путём в-распада и образуется более прочная конструкция. Протоны и нейтроны заполняют оболочки, располагаясь на них в определённом количестве в разрешённых комбинациях. В 50-е годы Оге Бор (сын Нильса Бора) и Б. Моттельсон разрабатывают коллективную модель ядра, согласно которой на поверхности ядра (наружной оболочке) и образуются волны и квантовые переходы, сопровождающиеся излучением или поглощением гамма-излучения и радиоактивным распадом.Германский ядерный проект.Нацистская Германия обладала реальной возможностью создать бомбу - она обладала огромными людскими, материальными и интеллектуальными ресурсами. Над атомным проектом Германии (руководитель К. фон Вайцзеккер) работали Гейзенберг и Ган. Среди причин, по которым Германия не успела стать обладательницей ядерного оружия, можно назвать как политические (недооценка его значения Гитлером и, как следствие, недостаток финансирования), так и научно-технические. Немецкие физики пришли к ошибочному заключению, что использование графита в качестве замедлителя нейтронов бесперспективно и попытались использовать для этой цели тяжёлую воду. Единственный в мире завод по производству тяжелой воды (в Норвегии) был уничтожен налётами авиации союзников и диверсиями бойцов Сопротивления. Большой запас тяжёлой воды, находившийся в научно-исследовательских институтах Франции, уже во время оккупации Ф. Жолио-Кюри тайно переправил в Англию. В результате немецким физикам так и не удалось запустить ядерный реактор.

Термоядерная энергия и перспективы её мирного использования

Источником энергии, лишённым недостатков ТЭС, ГЭС и АЭС, является превращение тяжёлого водорода в гелий. Плюсы - неисчерпаемость сырья (в кружке воды столько же потенциальной энергии, сколько в бочке бензина) и отсутствие вредных отходов на любой стадии производственного цикла. Минусы, возможно, появятся, когда появится сам термоядерный реактор. По последним прогнозам, время появления экономически выгодного промышленного термоядерного реактора - 2030 - 2050 гг. В чём техническая сложность задачи? Чтобы сблизить ядра дейтерия и трития (таков состав горючего в современных экспериментальных установках) до расстояния, на котором сильное взаимодействие будет значимым, нужно придать им энергию для преодоления электрических сил отталкивания одноименных зарядов. Реально это означает нагрев горючего до 10-20 миллионов градусов, удержание его при такой температуре и отвод тепла. Первые работы по созданию термоядерного реактора были начаты в СССР под руководством Курчатова. Конструкция, которую предложили советские инженеры, предусматривала разогрев и удержание кольцевидного шнура горячей дейтериево-тритиевой плазмы в сверхмощном магнитном поле. Её назвали токамак - тороидальная камера с магнитной катушкой. Тор - это геометрическая фигура, напоминающая бублик. Внутри бублика мощное магнитное поле должно удерживать плазменный шнур, нагретый до нескольких миллионов градусов. Однако только к концу ХХ века были построены (уже не в нашей стране) токамаки с нулевым КПД, т.е, выделяющие столько энергии, сколько они потребляют. В настоящее разработка нового поколения токамаков ведётся в рамках инициированного Советским Союзом международного проекта ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) и в США. Несколько позже токамака было предложено иное решение проблемы - нагрев микроскопических доз термоядерного горючего с помощью сверхмощных лазеров, однако работы в этом направлении пока менее успешны, чем доводка токамаков.

Зависимость ядерной энергии от количества нуклонов в ядре

В стабильных ядрах количество протонов и нейтронов у лёгких элементов приблизительно одинаково; с увеличением заряда ядра относительное количество нейтронов возрастает до полутора у трансуранов. Итак, в ядерные оболочки формируются определённым количеством протонов и нейтронов. Опыты Ферми показали, что если подбрасывать в ядро лишние нейтроны, то в результате в-распада их излишки превращаются в протоны. Избыточное количество протонов может порождать обратный процесс - превращаться в нейтроны с испусканием позитрона (этот тип радиоактивного распада был открыт супругами Жолио-Кюри в 1934 г.). Теория ядра очень далека от завершения, однако имеющиеся в настоящий момент данные чрезвычайно важны. Для понимания технических и астрофизических процессов главное - знать энергетический выход реакций распада и синтеза ядер. Если к протону добавить нейтрон, то частицы прилипнут друг к другу подобно кусочкам магнита и при этом выделится энергия - например, в виде гамма-кванта, и получится дейтон - ядро тяжёлого стабильного изотопа водорода дейтерия. Добавим ещё один нейтрон и снова получим выход полезной энергии, однако новый изотоп водорода - тритий - нестабилен и в процессе в-распада превращается в легкий изотоп гелия - 3Не. Добавляя таким образом нуклоны в ядро, получаем где больший, где меньший, но обычно положительный выход энергии - и так до того момента, когда силы отталкивания не станут превышать силы притяжения. Самое тяжёлое ядро, синтез которого идёт с выделением энергии - это ядро железа, более тяжелые элементы энергетически выгоднее разрушить. Легко определить, что синтез лёгких элементов - и прежде всего гелия - из ещё более лёгких даст больше энергии, чем расщепление тяжёлых элементов, включая даже уран. Однако технически расщепление урана оказывается более простой задачей.

Образование звёзд, водородная стадия горения

Основа межзвёздного вещества - водород и гелий. По причинам, которые пока не ясны, разбросанное во Вселенной космическое вещество образовало местные скопления и неоднородности. Под влиянием сил тяготения локальные скопления газа уплотнялись, уплотняясь - нагревались. Тепловое излучение и свет не могли выходить из горячего ионизированного газового облака, нагрев увеличивался, и когда температура сжатого газа достигла десятка миллионов градусов, начались первые термоядерные реакции - превращение водорода в гелий. Ядро гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов, ядро водорода - из одного протона. Однако при очень высоких температурах возможны реакции слабого взаимодействия - при столкновении двух протонов один из них превращается в нейтрон и образуется дейтерий (D) по схеме: p + p = D + e+ + н Перед нами - реакция слабого взаимодействия, процесса медленного. Осуществляется она исключительно редко, в одном случае на 1028 столкновений. Слабые силы действуют на очень коротких расстояниях, а чтобы сблизить протоны, преодолеть силы электростатического отталкивания, необходимо получить очень большие начальные скорости сталкивающихся частиц. Следовательно, протонный газ должен иметь очень высокую температуру. Но вот дейтерий получен. Столкновение ядер дейтерия (при звёздных температурах) приводит к их слиянию без превращения частиц друг в друга, под действием только “быстрого”сильного взаимодействия, поэтому дейтерий тут же превращается либо в тритий, либо в лёгкий изотоп гелия-3. Каждый из них так же шустро реагирует с дейтерием с образованием гелия-4. Исключительно медленная реакция слабого взаимодействия - причина того, что на водородной стадии горения звезда стабильно существует миллиарды лет. Правда, очень массивные, следовательно, очень горячие звёзды сгорают быстрее, за десятки или сотни миллионов лет - чем выше температура и давление, тем чаще происходят столкновения протонов, но большинство звёзд во Вселенной относятся к долгожителям. Наше Солнце горит 5 млрд. лет и это процесс продлится ещё около 8 - 10 млрд. лет.

Красные гиганты и белые карлики

Рано или поздно, но ресурсы водорода будут исчерпаны, а в недрах звезды накопится много гелия. Остатки водорода всплывут на поверхность, термоядерные реакции станут происходить не в ядре, а на периферии, и, вследствие высоких температур, давления частиц и света, диаметр звезды сильно увеличится. Самые же наружные слои звёздной атмосферы будут очень удалены от ядра и станут сравнительно холодными. Такие звёзды называются красными гигантами. На этой стадии наше Солнце раздуется до размеров, превышающих диаметр земной орбиты, его наружные слои остынут приблизительно до 3 тыс. градусов. После того, как выгорит и этот водород, огромная масса остывающей гелиевой плазмы начинает сжиматься и красный гигант превращается в белый карлик. Если раньше сжатию препятствовали силы, возникающие в ходе ядерного синтеза, то теперь гравитация беспрепятственно ломает электронные оболочки атомов, создавая новую физическую форму вещества - плотно упакованную смесь ядер и обобщённых электронов, вырожденный газ, один кубический сантиметр которого весит от нескольких сотен килограммов до нескольких тонн. Ближайший к нам белый карлик - Сириус В - имеет массу 0,95 солнечной при диаметре 10 800 км (диаметр Земли - 12 700 км). В результате сжатия белый карлик имеет высокую поверхностную температуру, (Сириус В, например - 32 000°, приблизительно в шесть раз горячее Солнца), но, из-за малой удельной поверхности, терять тепло он может очень медленно и поэтому Солнце, превратившееся в белый карлик, будет остывать десятки миллиардов лет, пока не превратится в холодный чёрный карлик. Однако в нашей молодой Вселенной чёрные карлики уже есть - ближайшая к нам звезда такого типа находится в созвездии Гидры и светит уже в основном в области невидимого для глаза теплового излучения. Белым карликам с массой, превышающей 1,4 солнечной, не суждено превратиться в чёрные карлики. Сжатие разогревает их недра, и когда температура превысит 200 млн. градусов, там начинает гореть гелий, превращаясь в углерод. После исчерпания запасов гелия углерод начнёт превращаться в кислород и неон, при достижении 600 млн. градусов кислород и неон превращаются в кремний, и так далее. Цикл ядерный синтез - завершение синтеза - сжатие - повышение температуры - новый ядерный синтез будет продолжаться, пока внутренняя температура не достигнет триллиона градусов и вещество звезды не догорит до железа. Это - последний этап термоядерного синтеза, последнее усилие, противостоящее гравитационному сжатию.

Нейтронные звёзды и вспышки Сверхновых

Далее уплотнение звезды происходит мгновенно, со скоростью звука - а скорость звука тем больше, чем больше плотность среды. Сжатие приводит колоссальному выделению энергии - вспышке Сверхновой звезды, на какое-то время излучение звезды сравнимо с излучением галактики. Если при превращении водорода в гелий в энергию переходит около 1% релятивистской массы водорода, то в процессе обрушивания звезды внутрь самой себя - до 10%.Ударная волна этого взрыва, действуя на межзвёздный газ, порождает ускоренные протоны космических лучей. Размётанные взрывом периферические слои звезды разлетаются с огромной скоростью - порядка тысячи километров в секунду. Так рождается космическая пыль, содержащая тяжёлые элементы - вплоть до трансуранов. В дальнейшем она входит в состав звёзд и планетных систем. Звёзды первого поколения, образующие "толстый диск" нашей Галактики, очень бедны элементами тяжелее гелия. Более молодые звёзды, в том числе и наше Солнце, захватили значительное количество космической пыли в момент своего образования. В исходном газопылевом облаке, породившем Солнечную систему, было около 5% вещества, изверженного когда-то Сверхновой. Земля и её обитатели - это шлак сгоревшей звезды второго поколения, вещество, возникшее в недрах массивного светила в ходе ядерного синтеза после сгорания водорода и гелия. То, что осталось от звезды после взрыва - это сверхплотное вещество, состоящее большей частью из нейтронов. Диаметр нейтронной звезды порядка 10 км. Инерция сравнительно медленного (если оценивать угловую скорость) вращения исходной звезды должна сохранится. Вспомните, как быстро начинает вращаться фигурист, когда он сгруппируется. «Сгруппировавшаяся» нейтронная звезда крутится с невероятной скоростью - время полного оборота порядка от секунд до сотых долей секунды. Вследствие такого вращения она приобретает магнитное поле в триллионы раз более мощное, чем магнитное поле Земли.

Черные дыры и квазары

Нейтронная звезда с массой более трёх масс Солнца не вечна. Она довольно быстро остынет и превратится в чёрную дыру. Как известно, масса искривляет окружающее пространство-время. Огромные компактные массы способны искривить его настолько, что оно замкнётся само на себя, образовав пространственно-временной пузырь, собственную замкнутую Вселенную внутри нашей Вселенной. Чёрная дыра поглощает вещество извне, но ничего не выпускает изнутри. Менее всего обоснована гипотеза перехода массивной нейтронной звезды в чёрную дыру. Как отличить невидимую чёрную дыру от невидимой же нейтронной звезды? Если масса объекта составляет 2-3 солнечных массы, то это почти наверняка не чёрная дыра. Наиболее вероятный кандидат в чёрные дыры - звезда Лебедь-Х имеет массу, более чем в 5 раз превышающую солнечную. В 60-е годы был совершенно неожиданно открыт новый класс космических объектов - рентгеновские пульсары - рентгеновские источники, которые «мигают» с очень постоянной частотой от секунд до сотых долей секунды. Оказалось, что излучение в рентгеновском диапазоне это особенность компактных объектов - нейтронных звёзд и чёрных дыр. Правда, не все компактные объекты дают рентгеновское излучение, а только те, которые входят в состав двойных звёзд или находятся в плотных облаках межзвёздного газа и пыли - рентгеновские кванты испускает вещество, падающее на поверхность нейтронной звезды или в чёрную дыру (у которой нет поверхности). Ещё более неожиданным было открытие квазаров. Когда в 30-е годы - время бурного развития коротковолновой радиосвязи, встала проблема защиты передачи от помех, инженерам удалось грубо определить стабильные источники помех. В частности, ими оказались определённые участки звёздного неба. Астрофизики не могли принять это всерьёз, и вот по какой причине: получалось, что радиоизлучение от неведомых космических объектов было в тысячи раз сильнее, чем радиоизлучение Солнца. Самые крупные космические тела - звёзды. Самая близкая к Земле звезда находится в четырёх световых годах от нас, а Солнце - на расстоянии 8 световых минут. Энергия электромагнитных колебаний убывает пропорционально квадрату расстояния. Таким образом, будь радиоисточник даже ближайшей звездой, он должен излучать приблизительно в сто триллионов раз интенсивнее, чем Солнце. Когда в начале 50-х годов появились первые радиотелескопы, источники радиоизлучения удалось картировать точнее. Несколько удалённых радиотелескопов можно соединить в единую сеть и получить разрешение не менее (или более) детальное, чем у лучшего светового телескопа. С развитием техники наблюдений космические радиооблака стягивались в точки, и, наконец, их стало возможно привязать к светящимся объектам. Спектр этих объектов оказался совершенно необычным: привычные линии водорода были смещены в красную область почти на треть. Это означало, что радиоисточники находились не просто далеко, а исключительно далеко, на расстоянии миллиардов световых лет от Земли. Оптические снимки ближайших из них показали вытянутые структуры, которые первоначально были названы радиогалактиками. Теперь мы знаем, что это воронки газа и космической пыли, падающие на сравнительно малый объект - не больше нашей солнечной системы. Длина этих газопылевых рукавов порядка сотни тысяч световых лет. Газовые вихри, разогреваясь, излучают в радиодиапазоне. Центральное массивное тело получило название квазар. Квазар - это не звезда, не галактика. Наиболее распространённая гипотеза - квазар это огромная чёрная дыра, возникшая на месте ядра галактики, звёзды ядра провалились в эту дыру. Не все квазары являются активными радиоисточниками, некоторые почти молчат в радиодиапазоне. Однако в любом случае квазары являются самыми мощными источниками энергии во Вселенной. Притягивая и разгоняя звёзды и газ, они заставляют их генерировать электромагнитные волны в самых разных диапазонах. Чёрные дыры, не обязательно такие массивные, как квазары, находятся в центре многих, если не всех, галактик. Предположительно, чёрная дыра массой порядка миллиона солнечных, есть и в центре нашей галактики - Млечного пути. Центральные части галактического диска закрыты таким количеством космической пыли, что надёжно проверить эту гипотезу пока не удаётся.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8