Нурбей Гулиа - Удивительная физика

• Название: Удивительная физика
• Автор: Нурбей Гулиа
• Жанр: Физика
• Год: 2005

В увлекательной форме изложены оставшиеся за рамками школьных учебников сведения по основным разделам физики, описаны драматические истории великих научных открытий, приведены нестандартные подходы к пониманию физических явлений, нетрадиционные взгляды на научное наследие известных ученых.

Для учителей, старшеклассников, студентов, а также для всех, кто желает открыть для себя незнакомую, полную тайн и парадоксов физику.

---

Произошло это между 6 и 15 миллиардами лет тому назад, причем по самым новейшим данным, скорее всего, 13 миллиардов лет тому назад. Вот и считай после этого 13 «чертовой дюжиной»! Хотя о какой точности здесь можно говорить, когда понятие «год» тогда было лишено всяческого смысла – не существовало ни Солнца, ни Земли, которая именно за год должна была облетать вокруг него! Да и другие «мерила» времени появились лишь позже, и то были они совсем иными. Сутки, например, даже 3 миллиарда лет назад длились около девяти современных часов, так как Земля вращалась тогда быстрее! В общем, полное безобразие царило тогда в области измерения времени!

Но и в этих нелегких условиях ученые очень точно воссоздали всю картину возникновения и эволюции Вселенной, начиная примерно от одной сотой современной секунды после так называемого математического начала Мира.

Остается только рассказать, как ученые догадались, что Вселенная «взорвалась» из ничего, когда это произошло и как. Дело в том, что, рассматривая далекие небесные тела в телескоп, ученые обнаружили, что Вселенная… постоянно расширяется. То есть галактики как бы разбегаются друг от друга. Это можно легко представить себе, если нанести на воздушный шарик точки, изображающие собой галактики, и начать раздувать этот шарик. Точки-галактики начнут удаляться друг от друга, совсем как в модели расширяющейся Вселенной. А если это так, то, стало быть, они когда-то были все вместе, в одной точке. Проколите или сдуйте шарик – и все галактики сойдутся! А по скоростям их разлета ученые определили, когда начался этот разлет, то есть Большой взрыв. Так Мир и разлетается в разные стороны уже столько миллиардов лет…

Кто же конкретно додумался до такой фантастической картины Сотворения мира, или, если хотите, подтвердил научно то, что давно уже сказано в Библии? В первую очередь это американский астроном Эдвин Хаббл (1889—1953), который своими наблюдениями установил, что галактики, или звездные скопления, удаляются от нас, причем тем быстрее, чем дальше они от нас находятся. Так возникла гипотеза «расширяющейся Вселенной», которая когда-то разлетелась из одной точки. В 1927 г. астроном Жорж Леметр (1894—1966) теоретически обосновал гипотезу Большого взрыва, а в 1970 г. физики Р. Пенроуз и С. Хоукинс уточнили эту теорию. Свой вклад в теорию образования Вселенной внес и наш соотечественник А. А. Фридман (1888—1925).

Остается уточнить: что, так и будем мы «разлетаться» во все стороны постоянно, или это когда-нибудь закончится? Сперва ученые подсчитали, что если исходить из существующих значений средней плотности Вселенной, то галактики будут разлетаться все время. Согласитесь, ситуация получается довольно нелепая: стоило ли создавать Мир, чтобы он окончательно разлетелся? Но затем ученые пересчитали эту среднюю плотность Вселенной с учетом вновь открытых частиц, и она якобы оказалась значительно большей. Поэтому, по всей вероятности, через миллиарды лет этот разлет прекратится и Вселенная начнет сжиматься, стремясь опять в точку. Такая критическая плотность Вселенной эквивалентна 11 атомам водорода на 1 см3 пространства.

Пройдут эти миллиарды лет, и нашего Мира не станет, он снова превратится в ничто, закончится при этом и время! И произойдет ли новый Большой взрыв, образующий новый Мир, или не будет его – никто из нас не знает. Но если есть Высший Разум, в существование которого верит большинство ведущих физиков мира, то Он уж знает, скомандовать ли ему «Пли!» и вызвать новый Большой взрыв или не делать этого. Может быть, это зависит и от того, как мы с вами живем на нашей Земле и нравится ли наше поведение Тому, Кто может скомандовать «Пли!». Или возмущенный нашими делами, Он решит, что таких опытов лучше не повторять.

Одно ясно – все это произойдет очень и очень не скоро!

Из чего все?

Итак, на самом первом этапе становления Мира весь он существовал, как на это указывалось в Библии, в виде света, одного только света, грандиозной вспышки света, в которой уже заключался весь Мир! Если вспомнить, что только 1 кг массы материи, если его превратить в свет, может испепелить крупный город, то какова же была мощность Большого взрыва, в котором вся масса Вселенной – 1053 кг (число с 53 нулями) существовала в виде света! Действительно, «хорош был этот свет», как отмечалось в Библии! Да и температура при взрыве (1028 °C) была приличной! Заметим, что для таких высоких температур безразлично в каких градусах – Цельсия или Кельвина ее измерять; для простоты будем писать °C.

Дальше было все проще – исходный материал для Вселенной, а именно свет, уже был. Нескольких минут после Большого взрыва хватило, чтобы возникли первые простейшие атомные ядра: водорода, его изотопа – дейтерия и гелия. Неимоверно горячи были эти частички – порядка 107 °C. Разлетаясь, они постепенно остывали.

Прошло всего около полутора миллионов лет с момента Большого взрыва, а Мир «остыл» уже до 4 000 °C. Это даже меньше, чем на поверхности Солнца. Такую температуру можно получить и на Земле, например при сварке. При такой температуре уже начали возникать многие газы, например водород и гелий. Это те самые, которыми надувают воздушные шарики. Но вещества, которые мы видим вокруг, могли существовать при такой жаре только в виде газов.

Напоминаю, что весь мир был тогда моложе современного в десять тысяч раз и размером меньше, чем сейчас, в полторы тысячи раз.

Разлетаясь все дальше и дальше, остывая по дороге, частички вещества сталкивались друг с другом, соединялись во все большие и большие комки. Ничего себе были эти комочки – из них образовались потом целые скопления звезд, или галактики! На это ушло много времени, больше миллиарда лет, но все равно мир был еще в десять раз моложе сегодняшнего. А по размерам – всего в четыре-пять раз меньше, чем сейчас.

Вот тут-то и начали образовываться звезды и планеты. Надо сказать, что мир к этому времени сильно поостыл, даже «заморозился». Такие морозы можно получить разве только в самых больших холодильниках. Но «слепляясь» в большие комки (рис. 1), вещество Мира сжималось и опять сильно разогревалось. Комки превращались в раскаленные сияющие звезды. Это были, правда, еще не те звезды, которые на небе сейчас. Их называют «протозвездами» или «предзвез-дами», так как из них образовались уже «наши» обычные звезды.

Рис. 1. Образование сгустков межзвездной среды в гравитационном поле

Некоторым вращающимся протозвездам «удавалось» отбросить от себя часть своего вещества. Так от вращающегося колеса автомобиля отлетают комочки грязи. Вот из этого отлетевшего от протозвезды вещества и образовались планеты (рис. 2). Наша Земля тоже так возникла – оторвалась вместе с другими планетами от Солнца. Вернее, от той протозвезды, чем было раньше Солнце. Повезло от этого «отрыва» всем: и планетам – иначе бы их просто не было, и Солнцу. Оно получило возможность существовать и сиять нам на радость. Иначе судьба Солнца была бы незавидной – и вот почему.

Рис. 2. Образование Солнечной системы по гипотезе Канта – Лапласа

Есть звезды и тяжелее, и легче Солнца. «Легкие» звезды, которые в десять раз легче Солнца, просто неинтересны – они не «горят», а как бы «тлеют», возле них просто замерзнешь. Хорошо, что наше Солнце не такое! Наше Солнце исправно погреет нас еще несколько миллиардов лет, пока все не «выгорит». Тогда оно сожмется до размеров нашей Земли и, как говорят, превратится в «белого карлика». Будет это не скоро, до этого времени еще придумаем, чем будем греться без нашего Солнца.

Но нам просто ужасно повезло, что Солнце – не «тяжелая» звезда. Такие звезды до 100 раз тяжелее Солнца (рис. 3), не горят, а просто взрываются, совсем как гигантская водородная бомба. Они «прогорают» в тысячи раз быстрее Солнца, испепеляя все, что находится вокруг. Но когда такая звезда все-таки «прогорит», то превращается она просто в какое-то космическое чудовище. Такое и в кошмарном сне не увидишь. Так что приготовьтесь к страшному рассказу и не читайте его, пожалуйста, на ночь.

Рис. 3. Сравнительные размеры звезды-гиганта Бетельгейзе и Солнечной системы

Звезды ненамного тяжелее Солнца, прогорая, сжимаются до совершенно «микроскопических» размеров. Например, до размеров крупного города – Москвы. Громадная гора, целый Эверест, на той звезде уместится в спичечном коробке. Называются такие «сжатые» звезды нейтронными. Несмотря на малые размеры, нейтронные звезды – настоящие «хищники». Попадись рядом обычная звезда – и нейтронная своим страшным притяжением начинает ее «заглатывать». Сперва обычная звезда принимает грушевидную форму и носик ее устремляется к нейтронной звезде. Эта звезда начинает как бы наматываться на нейтронную, затягиваясь в тугой узел. Дело, как правило, кончается тем, что нейтронная звезда «давится» обычной, во много раз превышающей ее по размерам, совсем как удав, пытающийся проглотить слона. Так и остаются вместе хищник и его полусъеденная жертва, образуя так называемую двойную звезду (рис. 4).