Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay
Общество → Наука → Новости науки

Клуб любителей космоса 751

Открытая группа
4590 участников
Администратор Adm-X
Администратор vladmiza

Важные темы:

Последние откомментированные темы:

20240424154330

←  Предыдущая тема Все темы Следующая тема →
OldProger
2программист пишет:

Материя и ее структура

Скорее всего, космология уделяет недостаточное внимание структуре материи и ее влиянию на происхождение, историю развития Вселенной и ее состояние. Под структурой в данном случае я понимаю просто-напросто «кирпичики», из которых состоит материя. Будем говорить для краткости только об основе мироздания – об адронах, умолчав о мезонах и лептонах.

Я уже высказывался когда-то на эту тему. В условиях Земли можно выделить три уровня структуры материи. Наинизший, атомный уровень, предположительно имеет вещество в центре Земли, где высокие температура и давление не позволяют атомам и ионам объединяться в молекулы. Вещество атомной структуры имеет весьма ограниченный набор свойств, обусловленных электронной оболочкой атома (иона), прежде всего, спектральные характеристики.

На поверхности Земли, в нормальных условиях, материя находится на молекулярном структурном уровне. Атомы объединяются в огромное количество видов молекул, из-за чего материя приобретает широкое многообразие важнейших свойств. Спектральные характеристики дополняются колебательными, вращательными и другими спектрами, но самое интересное свойство – валентность – обуславливает существование множества типов веществ, например, кислоты, основания, соли, которые не могут возникнуть для материи в состоянии атомном. Пользуясь обширными познаниями для этого уровня, человечество научилось получать формы вещества, обладающие нужными, наперед заданными свойствами.

Следующий уровень, наивысший – структура живой материи, невообразимо сложнее молекулярного. Структура и свойства даже простейших, например, вирусов, сложны настолько, что современная наука имеет весьма скромные успехи в их познании. Не будем пока касаться этого уровня – ввиду его сложности для описания его требуются тома исследований.

Вне Земли вряд ли существуют более высокие формы организации материи, а вот более низкие – существуют, в условиях суперэкстремальных относительно земных. Следующей, более низкой после атомной, является ядерная материя, из которой состоят некоторые звезды. Под действием гравитации уже не могут существовать электронные оболочки атомов, соответственно, материя лишается уже и атомных свойств. Гравитация «спрессовывает» вещество в виде ядер, плотность такого вещества можно оценить примерно величиной 1017кг∙м–3.

Дальнейшее возрастание сил гравитации приводит к разрушению ядер. Ядерное вещество превращается в еще более плотное – нуклонное вещество, в котором электроны как бы вдавлены в протоны, образуя нейтроны. Существование нейтронных звезд предсказал Л.Д. Ландау в 1931 году, правда, тогда нейтрон еще не был открыт, и Ландау предполагал, что атомные ядра таких звезд сливаются, образуя одно огромное ядро. В настоящее время известно, что в нашей Галактике имеется 108 – 109 нейтронных звезд.

Согласно стандартной теории наименьшей структурной единицей барионов являются кварки, которые в свободном виде при обычных условиях существовать не могут – явление конфайнмента, при котором кварки могут образовывать только агрегаты от двух до пяти штук в одном объекте. Однако при сверхсильных гравитационных полях конфайнмент может нарушаться. По некоторым научным данным вещество внутри нейтронных звезд является уже кварковым, по крайней мере, частично. Если не иметь в виду теорию струн, которая в настоящее время является лишь гипотезой, то кварковое вещество является веществом с наинизшей структурой. Это состояние материи вообще никак не изучено, и о его свойствах ничего сказать нельзя.

Таким образом, если не рассматривать живую материю, то структурная градация от сложного к простому:

– молекулярная;

– атомная;

– ядерная;

– нуклонная;

– кварковая.

Базовые структурные элементы каждого уровня имеют определенную энергию связи, возрастающую с понижением уровня. Для разрушения этого элемента и перехода к очередному более низкому уровню требуется все большая энергия, преодолевающая эту энергию связи. Так, например, если энергия связи ядра атома дейтерия составляет около 0.01% массы этого ядра, то массы нейтронных звезд примерно на 10 – 15% меньше суммы масс составляющих частиц. Разрушить базовый элемент структуры в лабораторных условиях можно на очень мощных коллайдерах. В природе же обычно такой разрушающей силой является энергия гравитационного поля. Самые мощные из известных гравитационные поля порождают вещество кварковой структуры. Правда, совершенно неизвестно, какой является структура материи, напимер, в черных дырах внутри горизонта событий, причем, по-видимому, эта непознаваемость принципиальна. Увеличение энергии гравитационного поля, приводящее к понижению структурного уровня, возможно, например, при гравитационном коллапсе. В случае достаточно большого коллапсирующего объекта резонно предположить, что гравитационные силы будут настолько большими, что их энергия превысит энергию связи кварков, и кварки перестанут существовать. Однако, поскольку кварки являются первичными «кирпичиками» материи, поэтому материя в таком случае должна лишиться структуры. Такими объектами могут быть, например, сверхмассивные черные дыры. Таким объектом может быть и Вселенная, испытавшая на определенном этапе своей эволюции гравитационный коллапс, а сейчас мы переживаем следующий этап, начавшийся Большим взрывом.

Переход материи от одной структурной формы к другой является фазовым переходом, который в общем случае сопровождается поглощением или выделением энергии. Поглощение энергии означает увеличение потенциальной энергии объекта, которая при обратном переходе может быть выделена, скажем, в кинетическую энергию образовавшихся частиц.

Особым случаем является фазовый переход материи из кварковой формы в бесструктурную. В состоянии, лишенном структуры, материя не состоит из «кирпичиков», имеющих определенные размеры, более того, в этом состоянии она не может иметь ряд привычных нам свойств, таких, как скорость, температура, плотность, и других. Именно этим может быть объяснено состояние Космологической сингулярности. Частицы барионной материи, возникшие впоследствии из этого состояния в результате Большого взрыва, в исходной, бесструктурной форме не имели размера. Если считать, что радиус протона равен примерно 10–15м, а количество барионов во Вселенной около 1080, то они в неупакованном виде должны были бы занимать объем примерно 10+35м3. Это означает, что при Большом взрыве в результате фазового перехода от бесструктурной к кварковой форме должен был резко возрасти объем Вселенной, собственно, он должен был не возрасти, а появиться. Мне кажется, что именно здесь нужно искать причины инфляционной стадии развития Вселенной. Появление свойства «объем» структурированной материи произошло в короткий период времени, порядка 10–35сек, что и называют инфляционным периодом, за время которого объем Вселенной возрастал экспоненциально, со скоростью, значительно превышающей скорость света.

Из-за отсутствия в таком состоянии каких-либо регистрируемых элементов материи и свойств, о которых сказано выше, его называют вакуумом, точнее, физическим вакуумом, чтобы подчеркнуть, что это не есть абсолютное ничто. Более того, известные виды физического вакуума («ложного вакуума», см., например, [1]) имеют очень высокую энергетическую плотность. Разновидность ложного вакуума, электрослабый вакуум, имеет энергетическую плотность, соответствующую массе 10+22 кг/см3, то есть, энергия каждого кубика такого вакуума примерно соответствует массе Луны.  Если масса протона имеет порядок 10–27кг, то кубик такого вакуума содержит энергию, соответствующую энергии покоя почти 10+50 протонов. «Для вакуума Великого объединения плотность массы оказывается еще больше, причем чудовищно больше — в 10+48 раз». Кубик такого вакуума обладает энергией большей, чем все протоны Вселенной! Такова материя в своем «первобытном» состоянии, состоянии, лишенном структуры. Если когда-нибудь человечество научится использовать эту энергию, то перед ним откроется воистину неиссякаемый ее источник. Правда, многие считают, что эта энергия принципиально недоступна, поскольку материя в этой форме находится на нулевом энергетическом уровне и способна только поглощать, но не отдавать энергию (вакуум де Ситтера). Но – кто знает, кто знает, что есть на самом деле, и что будет известно через какой-нибудь смехотворно малый промежуток времени, скажем, через тысячу лет.

Существование «ложного вакуума» означает, что в результате Большого взрыва не вся материя перешла из неструктурированной формы в структурированную, в частицы. О происхождении Вселенной из вакуума говорил еще Я.Б. Зельдович [3], отмечая, что при этом выполняются законы сохранения, за исключением закона сохранения барионного числа. Более того, судя по свойствам «ложного вакуума» такой фазовый переход испытала ничтожно малая часть материи. Если же это так, то, возможно, имеется возможность каким-то образом инициировать такой переход. Происходят же разновидности таких переходов, например, рождение электрон-позитронной пары «из вакуума» при столкновении двух фотонов. «Энергия вакуума может быть очень большой. Однако, вследствие высокой симметрии вакуума, непосредственный доступ к этой энергии весьма затруднителен. В результате, находясь, по существу, среди океана энергии, человечество вынуждено пользоваться только традиционными способами ее получения, основанными на сжигании природных энергоносителей. Тем не менее, при нарушении симметрии вакуума доступ к океану энергии возможен.» [2]

Физический вакуум взаимодействует со структурированной материей, оказывая влияние на ее свойства. Так называемый «лэмбовский сдвиг» в энергетической структуре атома водорода и водородоподобных атомов, обусловленный таким взаимодействием, теоретически определен и измерен, он составляет примерно 1052 МГц. 

Выводы.

–1. Свойства материи определяются структурным уровнем ее организации.

–2. Существует пять форм структурированной материи, а также форма ее существования без структуры.

–3. Материя может переходить из одной формы в другую в результате фазовых переходов с поглощением или выделением энергии.

–4. Подавляющее количество материи находится в бесструктурной форме.

–5. В результате Большого взрыва произошел фазовый переход из бесструктурной формы в структурированную с выделением огромной энергии.  

–6. В результате Большого взрыва в структурированную форму перешла лишь малая часть материи.

 

Цитированные источники:

[1] Виленкин Алекс. Мир многих миров: физики в поисках параллельных вселенных. М., Астрель, 2010.

[2] Косинов Н.В., Гарбарук В.И., Поляков Д.В. О природе физического вакуума

[3] Зельдович Я.Б. Возможно ли образование Вселенной "из ничего"? Природа, 1988, №4
Это интересно
0

OldProger
2программист 25.02.2021
Пожаловаться Просмотров: 288  
Комментарии 0
←  Предыдущая тема Все темы Следующая тема →


Комментарии временно отключены