Astronet > Kak rabotayut v kosmose zakony fiziki

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Kak rabotayut v kosmose zakony fiziki

K.A.Postnov

Sovremennoe ponimanie Vselennoi nerazryvno svyazano s fundamental'nymi predstavleniyami o stroenii materii o osnovnyh formah vzaimodeistvii mezhdu ee sostavnymi chastyami. V prirode izvestny chetyre tipa vzaimodeistvii - gravitacionnoe, elektromagnitnoe, slaboe i sil'noe. Gravitacionnoe vzaimodeistvie naibolee universal'noe, ono sushestvuet mezhdu lyubymi formami materii - chasticami i polyami i ne trebuet sushestvovaniya kakih-libo specificheskih svoistv (naprimer, elektricheskogo ili cvetovogo zaryada). Vtoroe po rasprostrannennosti v prirode - elektroslaboe vzaimodeistvie. Elektomagnitnoe vzaimodeistvie osushestvlyaetsya mezhdu elektricheski zaryazhennymi leptonami i kvarkami s pomosh'yu kvantov elektromagnitnogo polya - fotonov, bezmassovyh chastic, dvizhushihsya so skorost'yu sveta. Bezmassovost' fotona obespechivaet dal'nodeistvie (t.e. otsutstvie vydelennogo masshtaba vzaimodeistviya i zavisimost' sily vzimodeistviya obratno proporcional'no kvadratu rasstoyaniya mezhdu zaryazhennymi chasticami). Slaboe vzaimodeistvie (t.e. processy s uchastiem neitrino) proishodit mezhdu leptonami (elektronami, myuonami, neitrino) i kvarkami, sostavlyayushimi adrony (protony, neitrony, mezony i t.d.). Eto vzaimodeistvie imeet mesto na malyh rasstoyaniyah $\sim10^{-13}$ sm, t.k. perenoschikom slabogo vzaimodeistviya sluzhat massivnye promezhutochnye chasticy - elektricheski zaryazhennye $W^\pm$ i neitral'nyi $Z^0$ -bozony s massami pokoya okolo 100 MeV (primerno 1/10 massy pokoya protona). Nakonec, sil'noe vzaimodeistvie osushestvlyaetsya v yadrah atomov mezhdu kvarkami s pomosh'yu promezhutochnyh chastic - glyuonov, obladayushih cvetovym zaryadom (krasnyi, zelenyi, goluboi). Harakternyi masshtab sil'nogo vzaimodeistviya $\sim10^{-15}$ sm. V otlichie ot ostal'nyh sil, yadernoe vzaimodeistvie mezhdu kvarkami rastet s uvelicheniem rasstoyaniya mezhdu nimi (yavlenie konfainmenta), poetomu v obychnyh usloviyah svobodnyh kvarkov ne sushestvuet. Osnovnye vzaimosvyazi mezhdu silami v prirode opisyvayutsya s pomosh'yu fizicheskih zakonov i principov. K nim otnosyatsya:

Princip obshei otnositel'nosti (vse zakony fiziki dolzhny byt' odinakovy v lyubyh sistemah otscheta)
Princip postoyanstva skorosti sveta v vakuume v lyubyh sistemah otscheta
Princip ekvivalentnosti (nikakimi eksperimentami nevozmozhno otlichit' dvizhenie s uskoreniem ot nahozhdeniya v odnorodnom pole tyazhesti)

K etomu spisku sleduet dobavit' fundamental'nye sootnosheniya kvantovoi mehaniki, opisyvayushie mikromir. K naibolee vazhnym otnositsya:

princip neopredelennosti Gaizenberga, zapreshayushii odnovremennoe tochnoe izmerenie polozheniya chasticy v prostranstve i ee impul'sa (kolichestva dvizheniya)
princip Pauli, zapreshayushii imet' v odnom i tom zhe meste prostranstva bolee dvuh chastic s polucelym spinom (t.n. fermionov - elektronov, neitronov, neitrino) s odnim i tem zhe impul'som.

Krome togo, dlya lyuboi zamknutoi sistemy dolzhny vypolnyat'sya pervoe i vtoroe nachalo termodinamiki (zakon sohraneniya energii i zakon neubyvaniya entropii). Po svoei suti zakony fiziki yavlyayutsya fenomenologicheskimi, t.e. predstavlyayut soboi obobshenie opytnyh dannyh. V etom smysle kosmos chasto po pravu nazyvayut unikal'noi prirodnoi laboratoriei, kotoroi nado tol'ko umelo pol'zovat'sya. Nizhe my rassmotrim nekotorye naibolee yarkie proyavleniya zakonov fiziki v kosmose.

Fundamental'nye vzaimodeistviya

Tyagotenie

Nablyudeniya astronomicheskih yavlenii privelo chelovechestvo k ryadu vazhneishih otkrytii. Samyi izvetsnyi i vazhnyi primer -- zakon vsemirnogo tyagoteniya. Etot zakon byl sformulirovan I.N'yutonom na osnove zakonov planetnyh dvizhenii, vyvedennyh nem. astronomom I.Keplerom v nachale 17 v. Zakon vsemirnogo tyagoteniya N'yutona ispol'zuetsya vplot' do nastoyashego vremeni dlya izucheniya dvizheniya estestvennyh i iskusstvennyh kosmicheskih tel v Solnechnoi sisteme, tak kak popravki k dvizheniyu tela so skorost'yu $v$ v bolee tochnoi relyativistskoi teorii tyagoteniya k zakonu N'yutona imeyut poryadok $(v/c)^2$ ( $c$ -- skorost' sveta). Dlya harakternyh skorostei tel v Solnechnoi sisteme v desyatki km/s eti popravki, ochevidno, maly. V 19 v. triumfom teorii tyagoteniya N'yutona i matematicheskih metodov analiticheskoi mehaniki stalo predskazanie sushestvovaniya novoi planety - Neptuna - Adamsom i Le Ver'e. V 1916 g. A.Einshtein, ispol'zuya principy ekvivalentnosti i otnositel'nosti, sformuliroval relyativistskoe obobshenie teorii tyagoteniya N'yutona - obshuyu teoriyu otnositel'nosti (OTO). Soglasno OTO, lyubaya forma materii i ee dvizhenie yavlyayutsya istochnikom gravtiacii, kotoraya matematicheski interpretiruetsya kak "iskrivlenie" prostranstva-vremeni. Krivizna ploskoi krivoi po opredeleniyu obratno proporcional'na radiusu okruzhnosti, kasayusheisya krivoi v dannoi tochke. Tak, krivizna pryamoi linii ravna nulyu, a krivizna pravil'noi okruzhnosti radiusa $R$ est' prosto $1/R$ . Analogichno, krivizna n-mernoi poverhnosti opredelyaetsya obratnym radiusom (n+1)-mernoi sfery, kasayusheisya poverhnosti v dannoi tochke, i t.d. V obshei teorii otnositel'nosti rol' "poverhnosti" igraet 4-mernoe prostranstvo-vremya.

Vsyakoe svobodnoe dvizhenie tela v pole tyazhesti proishodit po traektoriyam, nazyvaemym geodezicheskimi liniyami. V ploskom prostranstve-vremeni (t.e. bez gravitacii ili vdali ot tyagoteyushego centra) geodezicheskie yavlyayutsya pryamymi liniyami. Chem sil'nee pole tyagoteniya, tem bol'she krivizna geodezicheskoi. Dvizhenie tela po krivoi linii sootvetstvuet dvizheniyu s uskoreniem, napravlennym vnutr' krivizny traektorii (uskorenie sily tyazhesti). Dvizhenie s uskoreniem vdol' pryamoi vozmozhno esli eto geodezicheskaya, prohodyashaya cherez centr tyazhesti tela (sluchai so svobodnym padeniem tel vblizi poverhnosti Zemli). Etot sluchai realizuetsya, kogda moment impul'sa tela (vektornoe proizvedenie impul'sa tela na radius-vektor) otnositel'no centra tyazhesti sistemy tochno raven nulyu. Esli est' sostavlyayushaya vektora skorosti, prependikulyarnaya napravleniyu vektora svobodnogo padeniya, telo nachinaet dvigat'sya po odnomu iz konicheskih sechenii (ellipsu, parabole ili giperbole) s fokusom v centre prityazheniya (pervyi zakon Keplera!) v sootvetstvii s tem, otricatel'na, ravna nulyu ili polozhitel'na polnaya energiya (kineticheskaya plyus potencial'naya) sistemy vzaimodeitsvuyushih gravitacionno tel. Pravil'nost' predstavlenii OTO o tyagotenii stala podtverzhdat'sya uzhe vskore posle ee sozdaniya. V 1919 g. angl. astrofizik A.Eddington provel nablyudeniya otkloneniya luchei sveta zvezd v pole tyagoteniya Solnca vo vremya polnogo solnechnogo zatmeniya. Izmerennyi ugol okazalsya okolo 2 uglovyh sekund, kak sledovalo po teorii Einshteina (po N'yutonovskoi teorii etot ugol dolzhen byt' vdvoe men'shim). Bolee tonkii primer - ob'yasnenie smesheniya perigeliya orbity Merkuriya na 43 uglovyh sekundy v stoletie. V ramkah teorii N'yutona takoe smeshenie ne udavalos' ob'yasnit' skol'-nibud' estestvennym obrazom - tak, naprimer, dlya etogo predlagalos' iskat' eshe odnu vnutrennyuyu planetu, kotoroi ne bylo i net. Etot effekt nosit chisto relyativistskii harakter. Grubo govorya, on svyazan s tem, chto v OTO sila tyagoteniya ubyvaet s rasstoyaniem neskol'ko medlennee, chem po zakonu obratnyh kvadratov. Vozrastanie roli relyativistskih effektov naglyadno vidno pri umen'shenii radiusa $R$ sfericheskogo tela postoyannoi massy $M$ (t.e. pri uvelichenii plotnosti tela). Kak uzhe otmechalos', effekty OTO stanovyatsya vazhnymi pri skorostyah tel, priblizhayushihsya k skorosti sveta. Estestvennoi skorost'yu dlya nashego tela sluzhit vtoraya kosmicheskaya skorost' (parabolicheskaya skorost', ili skorost' ubegani) $v^p=\sqrt{2GM/R\,}$ , kotoruyu nado pridat' probnoi chastice na poverhnosti, chtoby ona smogla uiti ot tela na proizvol'no bol'shoe rasstoyanie. Tak kak effekty OTO proporcional'ny $(v/c)^2$ , poluchaem, chto dlya lyubogo tela sushestvuet harakternyi radius (nazyvaemyi gravitacionnym radiusom), nachinaya s kotorogo formal'no $v^p\geq c$ . Velichina gravitacionnogo radiusa $R_g=2GM/c^2\approx3$ km. Poka $R\gg R_g$ , mozhno vo vseh prakticheski vazhnyh sluchayah pol'zovat'sya tyagoteniem N'yutona. Po mere priblizheniya radiusa tela k $R_g$ rol' relyativistskih effektov vozrastaet, i pri $R=R_g$ voznikaet kachestvenno novaya situaciya - udalennyi nablyudatel' perestaet poluchat' s poverhnosti tela lyubuyu informaciyu, t.k. inache ee sledovalo by peredavat' so skorost'yu bol'she skorosti sveta. Dlya udalennogo nablyudatelya obrazuetsya kak govoryat gorizont sobytii, prichem dlya samogo szhimayushegosya tela moment peresecheniya $R_g$ principial'no nichem ne vydelyaetsya. Poyavlenie gorizonta harakterizuet obrazovanie chernoi dyry. Padenie chastic i polei v chernuyu dyru vsegda uvelichivaet razmer ee gorizonta (za isklyucheniem chernyh dyr ochen' maloi massy, kogda sushestvennymi stanovyatsya effekty kvantovomehanicheskogo ispareniya). Iz sovremennyh astrofizicheskih nablyudenii sleduet sushestvovanie ochen' massivnyh (v 100 mln. mass Solnca) chernyh dyr v yadrah aktivnyh galaktik i kvazarah. Izvestno takzhe okolo 10 chernyh dyr s massoi okolo 10 solnechnyh, vhodyashih v sostav tesnyh rentgenovskih dvoinyh zvezd v nashei Galaktike. Iz OTO vytekaet sushestvovanie gravitacionnyh voln - rasprostranyayushihsya so skorost'yu sveta malyh vozmushenii prostranstva-vremeni. Dokazano, chto gravitacionnnye volny perenosyat energiyu i moment impul'sa. Oni stol' slaby, chto sushestvenno izluchayutsya lish' kosmicheskimi telami bol'shih zvezdnyh mass dvizhushimisya s okolosvetovymi skorostyami. Naibolee izvestnyi primer kosmicheskih istochnikov gravitacionnyh voln - dvoinye zvezdnye sistemy, sostoyashie iz dvuh neitronnyh zvezd s massami okolo 1.4 mass Solnca, vrashayushihsya po vytyanutym orbitam vokrug obshego centra tyazhesti s periodami neskol'ko chasov. Takie sistemy obnaruzheny sredi dvoinyh radiopul'sarov, kogda odna neitronnaya zvezda iz pary yavlyaetsya radiopul'sarom. Izuchaya vremena prihoda impul'sov ot pul'sara, mozhno s pomosh'yu effekta Dopplera izuchat' tonike osobennosti dvizheniya takoi neitronnoi zvezdy. Iz-za unosa energii gravitacionnymi volnami orbital'nyi period takih sistem dolzhen postoyanno umen'shat'sya. Etot effekt byl obnaruzhen u ryada dvoinyh pul'sarov (naibolee izvestnyi primer - PSR 1913+16), hotya izmenenie orbital'nogo perioda sostavlyaet kraine maluyu velichinu okolo odnoi desyatitysyachnoi doli sekundy v god! Pryamoe detektirovanie gravitacionnyh voln trebuet sozdaniya ochen' chuvstvitel'nyh detektorov, stroitel'stvo kotoryh vedetsya v SShA, Zapadnoi Evrope i Yaponii. Iz-za universal'nogo haraktera tyagoteniya imenno OTO sluzhit osnovoi dlya opisaniya stroeniya i evolyucii Vselennoi v celom. Eshe v nachale 1920-h gg. vydayushiisya russkii matematik A.A.Fridman pokazal, chto uravneniya OTO Einshteina ne imeyut nezavisyashih ot vremeni reshenii. V primenenii ko Vselennoi eto oznachalo, chto rasstoyanie mezhdu lyubymi udalennymi ob'ektami, ne svyazannymi gravitacionno (naprimer, udalennymi galaktikami) dolzhno nepreryvno izmenyat'sya vo vremeni. Etot revolyucionnyi vyvod vskore byl podtverzhden nablyudeniyami krasnyh smeshenii v spektrah dalekih galaktik, provodedennyh E.Habblom. Habbl obnaruzhil, chto sushestvuet pryamaya zavisimost' mezhdu krasnym smesheniem galaktiki i rasstoyaniem do nee: $z=H_0r$ , gde $H_0$ - postoyannaya Habbla. Zakon Habbla pryamo sleduet iz teorii Fridmana i t.o. relyativistskaya teoriya tyagoteniya pryamo podtverzhdaetsya v metagalikticheskih masshtabah. Sovremennoe znachenie postoyannoi Habbla $H=75\pm 10$ km/s/Mpk. Utochneneie etoi velichiny, oparedelyayushei sovremennuyu skorost' rasshireniya Vselennoi, - odna iz osnovnyh zadach nablyudatel'noi kosmologii.

Elektromagnitnoe vzaimodeistvie

Elektromagnitnoe i slaboe vzaimodeistviya sleduyut za gravitacionnym po svoei rasprostranennosti v prirode. Osnovnaya informaciya, kotoruyu my poluchaem o kosmicheskih ob'ektah, perenositsya peremennym elektromagnitnym polem - elektromagnitnymi volnami (fotonami). Generaciya elektromagnitnyh voln svyazana s uskorennym dvizheniem elektricheskih zaryadov (v osnovnom elektronov). V otlichie ot gravitacionnyh voln, generaciya kotoryh trebuet kogerentnogo dvizheniya bol'shih mass veshestva, rozhdenie elektromagnitnyh voln v kosmose proishodit pri haoticheskom (teplovom) dvizhenii otdel'nyh chastic kosmicheskoi plazmy, spontannyh i vynuzhdennyh perehodah vozbuzhdennyh atomov i pri rekombinacii svobodnyh elektronov na atomnye urovni. Krome etogo vazhnym istochnikom elektromagnitnogo izlucheniya vo mnogih kosmicheskih ob'ektah yavlyayutsya relyativistskie elektrony, dvizhushiesya v magnitnom pole (sinhrotronnoe izluchenie), a takzhe rasseyanie fotonov na svobodnyh elektronah (kompton-effekt). Svechenie zvezd obyazano proishodyashim v ih nedrah termoyadernym reakciyam sinteza. Rozhdayushiesya pri etom rentgneovskie fotony mnogokratno rasseivayutsya, pogloshayutsya i pereizluchayutsya, prezhde chem dostich' vneshnih sloev zvezd (fotosfery), iz kotoryh oni mogut svobodno pokidat' zvezdu. Temperatury fotosfer v tysyachi raz men'she, chem v centre zvezd, poetomu osnovnoe izluchenie zvezd prihoditsya na opticheskuyu, UF i IK-oblasti spektra. Fotony unosyat bol'shuyu chast' energii, osovobozhdaemuyu pri termoyadernyh reakciyah. V zvezdnoi plazme temperatury (dazhe v fotosfere) stol' vysoki, chto kineticheskaya energiya dvizheniya chastic namnogo prevyshaet ih potencial'nuyu energiyu kulonovskogo vzaimodeistviya, poetomu veshestvo v obychnyh zvezdah s vysokoi tochnost'yu mozhet rassmatrivat'sya kak ideal'nyi gaz, harakterizuemyi temperaturoi, plotnost'yu i himicheskim sostavom. Imenno davlenie nagretogo ideal'nogo gaza protivostoit sdavlivayushemu vozdeistviyu gravitacii v obychnyh zvezdah. Deistvie elektrostaticheskih kulonovskih sil, odnako, stanovitsya opredelyayushim v holodnyh kosmicheskih telah -- planetah, kometah, tverdyh chasticah pyli. Net ni odnogo svoistva elektromagnitnyh voln, kotoroe ne proyavilos' by v kosmicheskih usloviyah. Naprimer, po effektu rasshepleniya spektral'nyh atomnyh linii v magnitnom pole (effekt Zeemana) opredelyayut velichinu bol'shogo magnitnogo polya na zvezdah. Slaboe magnitnoe pole v mezhzvezdnoi srede (s napryazhennost'yu v million raz men'she polya Zemli) mozhet byt' izmereno po nablyudeniyam povorota ploskosti polyarizacii elektromagnitnyh voln ot istochnikov, "prosvechivayushih" mezhzvezdnuyu sredu (effekt Faradeya). Moshnye toki, tekushie v neitronnyh zvezdah, podderzhivayut ih kolossal'noe magnitnoe pole s napryazhennost'yu, v tysyachi milliardov raz prevoshodyashih pole Zemli, prakticheski bez zatuhaniya v techenie millionov let. Vrashenie zamagnichennoi neitronnoi zvezdy privodit k vozniknoveniyu ogromnyh elektricheskih polei vblizi ee poverhnosti, kotorye vyryvayut chasticy s tverdoi poverhnosti neitronnoi zvezdy i uskoryaet ih do relyativistskih skorostei. Sinhrotronnoe izluchenie takih chastic v magnitnom pole rozhdaet zhestkie gamma-kvanty i privodit v konechnom schete k vozniknoveniyu nablyudaemogo radioizlucheniya pul'sara. K neponyatym do sih por elektromagnitnym kosmicheskim yavleniyam otnosyatsya kosmicheskie gamma-vspleski. Ustanovleno, chto v nih za korotkoe vremya 10-100 s vydelyaetsya zhestkoe elektromagnitnoe izluchenie s energiei, sravnimoi s energiei pokoya massy Solnca $\sim 10^{54}$ erg! Ne isklyucheno, chto mehanizm generacii etoi energii tesno svyazan s nalichiem sverhsil'nyh magnitnyh polei v kosmicheskoi plazme vblizi relyativistskih zvezd -- neitronnyh zvezd ili chernyh dyr.

Slaboe vzaimodeistvie

Slaboe vzaimodeistvie takzhe igraet isklyuchitel'no vazhnuyu rol' pri evolyucii zvezd. Imenno medlennost' osnovnoi reakcii proton-protonnogo cikla v centre Solnca $p+p\to D+e^++\nu_e$ , idushei po kanalu slabogo vzaimodeistviya, ob'yasnyaet "dolgoletie" zvezd tipa Solnca (10 mlrd. let) glavnoi posledovatel'nosti. Neitrino ochen' slabo vzaimodeistvuyut s veshestvom, primerno v $10^{20}$ raz men'she, chem fotony. Poetomu zvezdy "prozrachny" dlya neitrino. Neitrino yavlyaetsya pryamym svidetelem yadernyh reakcii v centre Solnca. Za odnu sekundu Solnce pokidaet $10^{38}$ neitrino, unosyashih neskol'ko procentov generiruemoi v termoyadernyh reakciyah energii. V nastoyashee vremya v ryade eksperimentov potok neitrino ot Solnca uverenno zaregistrirovan. On okazyvaetsya primerno vdvoe men'she, chem ozhidaetsya. Eto razlichie mozhet byt' svyazano s fundamental'nymi svoistvami neitrino kak elementarnoi chasticy. Po mere evolyucii zvezdy rol' neitrino usilivaetsya i u massivnyh zvezd na final'nyh stadiyah stanovitsya opredelyayushei. Neitrino stanovitsya osnovnym istochnikom svetimosti massivnoi zvezdy na stadii sverhnovoi, kogda silam gravitacii, szhimayushim yadro zvezdy, ne v silah protivostoyat' ni davlenie goryachei zvezdnoi plazmy, ni dazhe kvantovomehanicheskoe davlenie elektronov (sm. nizhe). Proishodit process neitronizacii veshestva, kogda protony soedinyayutsya s elektronami s obrazovaniem neitronov i neitrino. V processe katastroficheskogo szhatiya centra zvezdy formiruetsya kompaktnaya neitronnaya zvezda s massoi okolo massy Solnca i radiusom v 10 km, a neitrino unosyat prakticheski vsyu osvobozhdaemuyu energiyu, sostavlyayushuyu okolo 15 procentov ot massy pokoya neitronnoi zvezdy (primerno $10^{53}$ erg). Po sovremennym predstavleniyam, malaya chast' etoi gigantskoi energii mozhet peredavat'sya ot neitrino okruzhayushei vnov' sformirovavshuyusya neitronnuyu zvezdu massivnoi oblolochke zvezdy, sostoyashei iz obychnogo veshestva. Obolochka v neskol'ko mass Solnca sbrasyvaetsya, i nablyudaetsya kolossal'noe astronomicheskoe yavlenie -- vspyshka sverhnovoi zvezdy. Pravil'nost' nashih predstavlenii o processah slabogo vzaimodeistviya pri kollapse yadra zvezdy podtverdilas' registraciei potoka neitrino ot vspyshki sverhnovoi 1987a v Bol'shom Magellanovom Oblake.

Sil'nye vzaimodeistviya

Cil'nye (yadernye) vzaimodeistviya otvechayut za mnogie vazhnye yadernye reakcii v nedrah zvezd i sintez tyazhelyh elementov. Po sovremennoi teorii "goryachei Vselennoi", obrazovanie osnovnyh himicheskih elementy - vodoroda i geliya - zavershilos' eshe na dozvezdnoi stadii evolyucii Vselennoi v epohu, kogda temperatura plazmy byla okolo 1 mlrd. gradusov a "vozrast" Vselennoi byl "vsego lish'" 200 s. Bolee tyazhelye elementy obrazovalis' v hode termoyadernyh reakcii sinteza v nedrah zvezd. Odnako v etih reakciyah mogut obrazovyvat'sya himicheskie elementy tol'ko do elementov gruppy zheleza (kobal't, nikel', zhelezo). Dal'neishee prisoedinenie nuklonov k yadram trebuet zatrat energii. Rozhdenie bolee tyazhelyh elementov proishodit putem zahvata yadrami neitronov (proton zahvatit' nevozmozhno iz-za ogromnyh sil kulonovskogo ottalkivaniya). Zahvachennye neitrony v yadre prevrashayutsya v protony s ispuskaniem elektrona i antineitrino po kanalu slabogo vzaimodeistviya, i atomnyi nomer elementa takim obrazom uvelichivaetsya na 1. Eti processy effektivno proishodyat vo vremya vspyshek sverhnovyh zvezd. Raschety pokazyvayut, chto posledovatel'nym zahvatom neitronov mozhno "skonstruirovat'" vse stabil'nye elementy vplot' do transuranovyh. Yadernye sily opredelyayut specificheskoe sostoyanie sverhplotnoi materii neitronnyh zvezd. Deistvitel'no, pri masse v massu Solnca i radiuse 10 km srednyaya plotnost' neitronnoi zvezdy poryadka plotnosti atomnogo yadra $\sim 10^{14}$ g/sm$^3$ . V nekotorom smysle neitronnaya zvezda predstavlyaet soboi gigantskoe neitral'noe atomnoe yadro. Principial'noe otlichie, odnako, zaklyuchaetsya v tom, chto obychnoe yadro ot razvala na sostavnye chasti uderzhivayut yadernye sily, a neitronnaya zvezda sushestvuet iz-za kolossal'noi gravitacii sobrannogo v nei veshestva. Tochnogo mikroskopicheskogo opisaniya veshestva pri takih plotnostyah v nastoyashee vremya net iz-za neveroyatnoi slozhnosti etoi zadachi. Odnako iz astrofizicheskih nablyudenii pul'sarov i rentgenovskih istochnikov udaetsya vosstanovit' mnogie makroskopicheskie svoistva neitronnyh zvezd - ih massy, radiusy, momenty inercii. V konechnom schete eto nalagaet vazhnye ogranicheniya na vozmozhnoe fizicheskone sostoyaniya nedr neitronnyh zvezd.

Kvantovaya mehanika

V nachale 1930-h godov stalo yasno (Chandrasekar, Fauler, Landau), chto samo sushestvovanie kompaktnyh goryachih zvezd - belyh karlikov - otkrytyh v nachale 20 v. obuslovleno proyavleniem specificheskih kvantovomehanicheskih svoistv veshestva. Deistvitel'no, lyubaya zvezda nahoditsya v sostoyanii gidrostaticheskogo ravnovesiya, pri kotorom deistviyu sily tyazhesti protivostoit raznost' davleniya sosednrih sloev veshestva. Tak, v Solnce davlenie sozdaetsya haoticheskim dvizheniem chastic solnechnoi plazmy - protonov i elektronov, kotorye mogut rassmativat'sya kak ideal'nyi gaz. Srednyaya plotnost' plazmy Solnca primerno ravna plotnosti vody, i dazhe v centre ego sostavlyaet "vsego lish'" 120 gramm v kubicheskom santimetre. Ne to belye karliki - iz ih polozheniya na diagramme Gercshprunga-Ressela sledovalo, chto eti zvezdy s massoi okolo solnechnoi imeyut radiusy v sotnyu raz men'she solnechnogo! Eto oznachalo, chto srednyaya plotnost' veshestva belyh karlikov v million raz (!) vyshe solnechnoi. Chto zhe proishodit s veshestvom pri takih chudovishnyh plotnostyah? Dlya otveta na etot vopros ocenim, kakovo srednee rasstoyanie mezhdu chasticami veshestva pri takoi plotnosti. Ochevidno, ono sostavlyaet $a\sim n^{-1/3}$ , gde $n\approx (\rho/m_p)$ - koncentraciya chastic veshestva (v etoi ocenke my predpolozhili, chto veshestvo sostoit iz chisto vodorodnoi plazmy, poetomu podelili plotnost' na massu pokoya protona m_p, tak kak massoi pokoya elektronov mozhno prenebrech'). Dlya harakternoi plotnosti v $10^6$ g/sm³ poluchaem $10^{-10}$ sm, chto mnogo bol'she "klassicheskogo" radiusa elektrona $10^{-13}$ sm. Odnako v sootvetstvii s osnovnymi polozheniyami kvantovoi mehaniki, dve chasticy c impul'som p nachinayut "chuvstvovat'" drug druga, kogda rasstoyanie mezhdu nimi stanovitsya poryadka dliny volny De Broilya $\lambda=h/p$ ( $h$ - postoyannaya Planka). Tak kak dlya lyuboi chasticy $p=mv$ .

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce