Различают 4 вида фундаментальных взаимодействий, не сводящихся друг к другу.

Элементарные частицы участвуют во всех видах известных взаимодействий.

Рассмотрим их в порядке убывания интенсивности:

1) сильное,

2) электромагнитное,

3) слабое

4) гравитационное.

Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение их составных частей. Оно действует на расстоянии порядка 10 -13 см.

В результате сильное взаимодействие образуются материальные системы с высокой энергией связи - атомные ядра. Именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить.

Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного, но действует на значительно больших расстояниях. Взаимодействие такого типа свойственно электрически заряженным частицам. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы - в молекулы. В определенном смысле это взаимодействие является основным в химии и биологии.

Слабое взаимодействие возможно между различными частицами. Оно простирается на расстояние порядка 10 -15 -10 -22 см и связано главным образом с распадом частиц. В соответствии с современным уровнем знаний большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию. Как пример происходящие в атомном ядре превращения нейтрона, в протон, электрон и антинейтрино.

Гравитационное взаимодействие самое слабое и не учитывается в теории элементарных частиц, поскольку оно дает чрезвычайно малые эффекты. В космических же масштабах гравитационное взаимодействие имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен.

От силы взаимодействия зависит время, в течение которого совершается превращение элементарных частиц.

Ядерные реакции, связанные с сильными взаимодействиями, происходят в течение 10 -24 -10 -23 с.

Изменения, обусловленные электромагнитными взаимодействиями, осуществляются в течение 10 -19 -10 -21 с.

Распад элементарных частиц, связанный со слабым взаимодействием – в среднем за 10 -21 с.

Эти четыре взаимодействия необходимы и достаточны для построения разнообразного мира.

Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра, а звезды и Солнце не могли бы генерировать за счет ядерной энергии теплоту и свет.

Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни атомов, ни молекул, ни макроскопических объектов, а также тепла и света.

Без слабых взаимодействий не были бы возможны ядерные реакции в недрах Солнца и звезд, не происходили бы вспышки сверхновых звезд, а необходимые для жизни тяжелые элементы не могли бы распространиться во Вселенной.

Без гравитационного взаимодействия не только не было бы галактик, звезд, планет, но и вся Вселенная не могла бы эволюционировать, поскольку гравитация является объединяющим фактором, обеспечивающим единство Вселенной как целого и ее эволюцию.

все четыре фундаментальных взаимодействия, необходимые для создания из элементарных частиц сложного и разнообразного материального мира, можно получить из одного фундаментального взаимодействия - суперсилы .

Теоретически доказано, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия объединяются в одно.

При энергии в 100 ГэВ объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая температура соответствует температуре Вселенной через 10 -10 с. после Большого взрыва.

При энергии 1015 ГэВ к ним присоединяется сильное взаимодействие.

При энергии 1019 ГэВ происходит объединение всех четырех взаимодействий.

1 ГэВ = 1 млрд. электрон-вольт

Достижения в области исследования элементарных частиц способствовали дальнейшему развитию концепции атомизма.

В настоящее время считается, что среди множества элементарных частиц можно выделить 12 фундаментальных частиц и столько же античастиц .

Шесть частиц - это кварки с экзотическими названиями:

«верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный».

Остальные шесть – лептоны: электрон , мюон , тау-частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное, тау-нейтрино).

Обычное вещество состоит из частиц первого поколения.

Предполагается, что остальные поколения можно создать искусственно на ускорителях заряженных частиц.

На основе кварковой модели физики разработали модель строения атомов.

Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных глюонными полями протонов и нейтронов) и электронной оболочки.

Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в Периодической таблице элементов Д.И. Менделеева.

Протон имеет положительный электрический заряд, массу в 1836 раз больше массы электрона, размеры порядка 10 -13 см.

Электрический заряд нейтрона равен нулю.

Протон, согласно кварковой гипотезе, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», а нейтрон - из одного «верхнего» и двух «нижних» кварков. Их нельзя представить в виде твердого шарика, скорее, они напоминают облако с размытыми границами, состоящее из рождающихся и исчезающих виртуальных частиц.

Остаются еще нерешенными вопросы о происхождении кварков и лептонов, о том, являются ли они основными «первокирпичиками» природы и насколько фундаментальны. Ответы на эти вопросы ищут в современной космологии.

Большое значение имеет исследование процессов рождения элементарных частиц из вакуума построение моделей первичного ядерного синтеза, породившего те или иные частицы в момент рождения Вселенной.

Частицы переносчики взаимодействий

Взаимодействие	Переносчик	Заряд	Масса, m e	Современная теория
Сильное	Глюон	0	0	Квантовая хромодинамика (1974)
Электромагнитное	Фотон	0	0	Квантовая электродинамика Фейнмана, Швингера, Томонаги, Дайсона (1940)
Слабое	W + - бозон	+1	157000	Теория электрослабого взаимодействия: Вайнберг, Глэшоу, Салам (1967)
	W - бозон	-1	157000
	Z 0 -бозон	0	178000
Гравитационное	Гравитон	0	0	ОТО: Эйнштейн (1915)

Что в различных веществах содержится достаточно много элементарных частиц, фундаментальные физические взаимодействия представлены четырьмя типами: сильным, электромагнитным, слабым и гравитационным. Последнее считается самым всеобъемлющим.

Гравитации подвержены все макротела и микрочастицы без исключения. Гравитационному воздействию подвергаются абсолютно все элементарные частицы. Проявляется оно в форме всемирного тяготения. Это фундаментальное взаимодействие управляет самыми глобальными процессами, происходящими во Вселенной. Гравитация обеспечивает структурную стабильность Солнечной системы.

В соответствии с современными представлениями, фундаментальные взаимодействия возникают вследствие обмена частицами. Гравитация формируется посредством обмена гравитонами.

Фундаментальные взаимодействия - гравитационное и электромагнитное - являются по природе своей дальнодействующими. Соответствующие им силы могут проявиться на значительных расстояниях. Указанные фундаментальные взаимодействия при этом имеют свои особенности.

Описано однотипными зарядами (электрическими). При этом заряды могут иметь как положительный, так отрицательный знак. Электромагнитные силы, в отличие от (гравитации), могут выступать в качестве сил отталкивания и притяжения. Данным взаимодействием обуславливаются химические и физические свойства различных веществ, материалов, живой ткани. Электромагнитные силы приводят в действие и электронную и электрическую аппаратуру, связывая при этом между собой заряженные частицы.

Фундаментальные взаимодействия известны за пределами узкого круга астрономов и физиков в разной степени.

Несмотря на меньшую известность (в сравнении с прочими типами), слабые силы играют важную роль в жизни Вселенной. Так, если бы не было слабого взаимодействия, то погасли бы звезды, Солнце. Эти силы относятся к короткодействующим. Радиус приблизительно в тысячу раз меньше, чем у сил ядерных.

Ядерные силы считаются самыми мощными из прочих. Сильным взаимодействием определяются связи только между адронами. Действующие в между нуклонами ядерные силы являются его проявлением. приблизительно в сто раз мощнее электромагнитного. Отличаясь от гравитационного (как, собственно, и от электромагнитного), оно является короткодействующим на расстоянии, которое больше 10-15 м. Кроме того, описание его возможно при помощи трех зарядов, формирующих сложные сочетания.

Радиус действия считается важнейшим признаком фундаментального взаимодействия. Радиусом действия называют максимальное расстояние, которое образуется между частицами. За его рамками взаимодействием можно пренебречь. Малый радиус характеризует силу как короткодействующую, большой радиус - как дальнодействующую.

Как уже отмечалось выше, слабые и сильные взаимодействия считаются короткодействующими. Интенсивность их убывает достаточно быстро при увеличении между частицами расстояния. Указанные взаимодействия проявляются на небольших, недоступных для восприятия посредством органов чувств расстояниях. В связи с этим, данные силы были открыты значительно позже остальных (только в двадцатом столетии). При этом были применены достаточно сложные экспериментальные установки. Гравитационные и электромагнитные виды фундаментальных взаимодействий считаются дальнодействующими. Они отличаются медленным убыванием при увеличении между частицами расстояния и не наделены конечным радиусом действия.

Путеводитель по большой картине, фундаментальному физическому закону, окнам пространства и времени, великой войне и чрезвычайно большим числам.

Первое января 7 000 000 000 г. н. э., Анн-Арбор.

Наступивший Новый год - не слишком большой повод для праздника. Нет никого, кто может хотя бы отметить его приход. Поверхность Земли превратилась в неузнаваемую пустошь, дотла выжженную Солнцем. Солнце раздулось безгранично: оно стало настолько огромным, что его раскаленный докрасна диск закрывает дневное небо почти целиком. Меркурий и Венера уже погибли, а теперь разреженные наружные области солнечной атмосферы грозят захватить удаляющуюся орбиту Земли.

Океаны, в которых когда-то зародилась жизнь, испарились давным-давно, превратившись сначала в тяжелое стерилизующее облако водяного пара, а затем полностью растворившись в космическом пространстве. Осталась только бесплодная каменистая поверхность. На ней все еще можно разглядеть слабые следы древних береговых линий, океанских бассейнов и размытые остатки материков. К полудню температура достигает почти трех тысяч градусов по Фаренгейту, и каменистая поверхность начинает плавиться. Экватор уже частично опоясан широким поясом кипящей лавы, которая, остывая, образует тонкую серую корку, пока раздувшееся Солнце еженощно отдыхает за горизонтом.

Та часть поверхности, которая когда-то служила колыбелью для покрытых лесом морен юго-восточного Мичигана, весьма и весьма изменилась за минувшие миллиарды лет. Бывший северо-американский материк давным-давно разделил геологический разлом, протянувшийся от прежнего штата Онтарио до Луизианы; он расколол старую устойчивую платформу материка и сформировал новое морское дно. Закаменевшие и оледеневшие остатки Анн-Арбора покрылись лавой, спустившейся по руслам старых рек с близлежащих вулканов. Впоследствии, когда группа островов размером с Новую Зеландию столкнулась с береговой линией, в горную цепь вдавились застывшая лава и осадочные породы, скрытые под ней.

Теперь поверхность древней скалы ослаблена нестерпимым жаром Солнца. Каменная глыба раскалывается, вызывая оползень и выставляя на обозрение идеально сохранившийся отпечаток дубового листа. Этот след некогда зеленого мира, теперь столь далекого, медленно исчезает, тая в неумолимом огне. Совсем скоро вся Земля будет объята зловещим красным пламенем.

Такая картина гибели Земли списана не с первых страниц сценария второсортного фантастического фильма; это более или менее реалистичное описание той судьбы, которая ожидает нашу планету, когда Солнце прекратит свое существование в виде обычной звезды и расширится, превратившись в красного гиганта. Катастрофическое плавление поверхности Земли - всего лишь одно из великого множества событий, час которых пробьет, когда состарится Вселенная и ее содержимое.

Сейчас наша Вселенная, возраст которой оценивается в десять-пятнадцать миллиардов лет, все еще переживает пору своей юности. Так что многие астрономические возможности, представляющие больший интерес, еще попросту не успели проявить себя. Однако по мере приближения отдаленного будущего Вселенная будет постепенно меняться, превращаясь в арену, на которой развернется великое многообразие поразительных астрофизических процессов. В этой книге биография Вселенной рассказана от начала до конца. Это история о том, как знакомые нам звезды ночного неба постепенно превращаются в странные замерзшие звезды, испаряющиеся черные дыры и атомы величиной с Галактику. Это научный взгляд на лик вечности.

Четыре окна во Вселенную

Биография нашей Вселенной и изучение астрофизики вообще разворачивается в четырех важных масштабах - на уровне планет, звезд, галактик и Вселенной в целом. Каждый из них предоставляет свой тип окна для наблюдения за свойствами и эволюцией природы. На каждом из этих уровней астрофизические объекты проходят все жизненные циклы, начиная с образования - события, аналогичного рождению, и - нередко заканчивая весьма специфичным финалом, подобным смерти. Смерть может быть быстрой и неистовой; например, массивная звезда завершает свою эволюцию эффектной вспышкой сверхновой. Другой альтернативой является мучительно медленная гибель, уготованная тусклым красным карликам, которые постепенно угасают, превращаясь в белых карликов - остывающие угольки некогда мощных и активных звезд.

В наиболее крупном масштабе мы можем рассматривать Вселенную как единый развивающийся организм и изучать цикл ее жизни. В этой области действия космологии за последние несколько десятилетий произошел значительный научный прогресс. Вселенная расширялась с момента зарождения в сильнейшем взрыве - том самом Большом взрыве. Теория Большого взрыва описывает последующую эволюцию Вселенной за последние десять-пятнадцать миллиардов лет, причем ей удалось потрясающе успешно объяснить природу нашей Вселенной по мере ее расширения и охлаждения.

Ключевым является вопрос о том, будет ли Вселенная расширяться вечно или в какой-то момент будущего расширение прекратится и произойдет повторное сжатие. Текущие результаты астрономических наблюдений убедительно свидетельствуют в пользу того, что нашей Вселенной на роду написано непрерывно расширяться, поэтому большая часть нашего повествования следует именно этому сценарию. Тем не менее мы решили вкратце изложить следствия второго возможного варианта развития событий - ужасной гибели Вселенной в повторном горячем сжатии.

Ниже необъятных просторов космологии, на меньшем уровне, следуют галактики, например наш Млечный Путь. Галактики представляют собой большие и довольно разреженные скопления звезд, газа и других разновидностей вещества. Галактики не разбросаны по Вселенной произвольно; они, скорее, вплетены в общий гобелен космоса гравитацией. Некоторые группы галактик настолько тяжелы, что остаются вместе под действием гравитационных сил, и эти скопления галактик можно считать независимыми астрофизическими объектами. Помимо принадлежности к скоплениям, галактики произвольным образом объединяются, образуя еще более крупные структуры, напоминающие нити, листы и стены. Совокупность узоров, образуемых; галактиками на этом уровне, называют крупномасштабной структурой Вселенной.

В галактиках содержится большая доля обычного вещества Вселенной; эти звездные системы четко отделены друг от друга, даже в пределах скоплений. Это разделение настолько выражено, что когда-то галактики называли «островами Вселенной». Кроме того, галактики играют крайне важную роль маркеров положений пространства-времени. Наша Вселенная непрерывно расширяется, и галактики, подобно маякам в пустоте, позволяют нам наблюдать это расширение.

Крайне сложно постичь безбрежную пустоту нашей Вселенной. Типичная галактика заполняет лишь около одной миллионной всего объема космического пространства, в котором она содержится, да и сами галактики крайне разрежены. Если бы вы собрались отправиться на космическом корабле в некоторую случайную точку Вселенной, вероятность приземления вашего корабля в пределах какой-нибудь галактики в настоящее время составляет примерно одну миллионную. Это уже не слишком много, а в будущем эта величина станет еще меньше, потому что Вселенная расширяется, а галактики - нет. Отлученные от общего расширения Вселенной, галактики существуют в относительной изоляции. В них обитает большинство звезд Вселенной, а следовательно, и большинство планет. В результате множество интересных физических процессов, имеющих место во Вселенной, - от звездной эволюции до развития жизни - происходят именно в галактиках.

Не слишком густо населяя пространство, сами галактики тоже большей частью пусты. И хотя они содержат миллиарды звезд, лишь очень малая часть их объема действительно заполнена звездами. Если бы вы собрались отправиться на космическом корабле в некоторую случайную точку нашей Галактики, вероятность приземления вашего корабля на какой-нибудь звезде чрезвычайно мала, порядка одной миллиард триллионной (один шанс из 10 22). Такая пустота галактик достаточно красноречиво свидетельствует о том, как они развивались и что их ожидает в будущем. Прямые столкновения звезд в галактике происходят крайне редко. Следовательно, пройдет очень много времени - гораздо больше, чем прошло от рождения нашей Вселенной до настоящего момента, - прежде чем столкновения звезд и встречи других астрофизических объектов хоть как-то повлияют на структуру галактики. Как вы увидите, эти столкновения начинают играть все более и более важную роль по мере старения Вселенной.

Однако межзвездное пространство не является абсолютно пустым. Наш Млечный Путь пропитан газом различной плотности и температуры. Средняя плотность - одна частица (один протон) на кубический сантиметр; температура же варьируется от десятиградусной прохлады до кипения в миллион градусов по шкале Кельвина. При низких температурах около одного процента вещества пребывает в твердом состоянии - в виде крошечных каменных пылинок. Эти газ и пыль, заполняющие межзвездное пространство, называют межзвездной средой.

Следующий, еще меньший по размеру, уровень важности образуют сами звезды. В настоящее время краеугольным камнем астрофизики являются обычные звезды - объекты типа нашего Солнца, существующие за счет реакций ядерного синтеза, которые происходят в их недрах. Звезды составляют галактики и генерируют большую часть видимого света во Вселенной. Более того, именно звезды сформировали современный «реестр» нашей Вселенной. Массивные звезды «выковали» почти все тяжелые элементы, оживляющие космос, включая необходимые для жизни углерод и кислород. Именно звезды породили большую часть элементов, составляющих обычное вещество, с которым мы сталкиваемся каждый день: книги, автомобили, бакалейные товары.

Но эти ядерные электростанции не вечны. Реакции ядерного синтеза, благодаря которым в недрах звезд вырабатывается энергия, в конце концов, прекратятся; и произойдет это, как только истощится запас ядерного топлива. Звезды, гораздо более тяжелые, чем наше Солнце, сгорают за относительно короткий промежуток времени в несколько миллионов лет: их жизнь в тысячу раз короче настоящего возраста нашей Вселенной. На противоположном конце диапазона расположились звезды, массы которых гораздо меньше массы нашего Солнца. Такие звезды могут жить триллионы лет - примерно в тысячу раз больше современного возраста нашей Вселенной.

По завершении той части жизни звезды, когда она существует за счет термоядерных реакций, звезда не исчезает бесследно. После себя звезды оставляют экзотические сгустки, называемые звездными остатками. Эту касту вырожденных объектов образуют коричневые карлики, белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Как мы увидим, по мере старения Вселенной и исчезновения со сцены обычных звезд эти странные остатки будут играть все более важную, а в конечном итоге, и доминантную роль.

Четвертый, наименьший по размерам, но не по важности, уровень нашего интереса образуют планеты. Существует, по меньшей мере, две их разновидности: относительно маленькие каменистые тела вроде нашей Земли и большие газовые гиганты типа Юпитера и Сатурна. За последние несколько лет в нашем понимании планет произошел необычайный переворот. Впервые в истории на орбитах других звезд были совершенно определенно обнаружены планеты. Теперь нам точно известно, что планеты не являются результатом какого-то редкого или особого события, произошедшего в нашей Солнечной системе, а распространены в галактике достаточно повсеместно. Планеты не играют главной роли в эволюции и динамике Вселенной в целом. Они важны потому, что являются наиболее вероятной средой для возникновения и развития жизни. Таким образом, долгосрочная судьба планет определяет долгосрочную судьбу жизни - по крайней мере, тех ее форм, которые нам знакомы.

Кроме планет, солнечные системы содержат много гораздо более мелких объектов: астероиды, кометы и огромное разнообразие лун. Как и планеты, эти тела не играют значительной роли в течении эволюции Вселенной в целом, но оказывают огромное влияние на эволюцию жизни. Луны, вращающиеся по орбитам планет, предоставляют еще одну возможную среду для возникновения и развития жизни. Известно, что с планетами регулярно сталкиваются кометы и астероиды. Считается, что эти столкновения, способные вызвать глобальные перемены климата и вымирание целых видов живых существ, сыграли важную роль в формировании истории жизни здесь, на Земле.

Четыре силы природы

Природу можно описать с помощью четырех фундаментальных сил, которые, в конечном итоге, управляют динамикой всей Вселенной; это гравитация, электромагнитная сила, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие. Все эти силы играют важную роль в биографии космоса. Они сделали нашу Вселенную такой, какой мы знаем ее сегодня, и будут править в ней впредь.

Первая из этих сил, гравитационная, наиболее близка к нашей повседневной жизни, причем она самая слабая из четырех. Однако, по причине обширности диапазона ее действия и исключительно притягивающей природы, на достаточно больших расстояниях гравитация доминирует над остальными силами. Благодаря гравитации различные предметы удерживаются на поверхности Земли, а сама Земля остается на орбите, по которой она вращается вокруг Солнца. Гравитация поддерживает существование звезд и управляет процессом образования в них энергии, а также их эволюцией. Наконец, именно гравитация отвечает за образование большинства структур во Вселенной, включая галактики, звезды и планеты.

Вторая сила - электромагнитная; она имеет электрическую и магнитную составляющие. На первый взгляд, они могут показаться различными, однако на фундаментальном уровне это всего лишь два аспекта единой основной силы. Несмотря на то, что внутренне электромагнитная сила намного сильнее гравитационной, на больших расстояниях она оказывает гораздо меньшее действие. Источником электромагнитной силы служат положительные и отрицательные заряды, а во Вселенной, судя по всему, они содержатся в равных количествах. Поскольку силы, созданные зарядами с противоположными знаками, действуют в противоположных направлениях, на больших расстояниях, где содержится много зарядов, электромагнитная сила самоуничтожается. На малых расстояниях, в частности в атомах, электромагнитная сила играет важную роль. Именно она, в конечном итоге, отвечает за строение атомов и молекул, а следовательно, является движущей силой в химических реакциях. На фундаментальном уровне жизнью правят химия и электромагнитная сила.

Электромагнитная сила в целых 10 40 раз сильнее гравитационной. Чтобы постичь эту невероятную слабость гравитации, можно, например, вообразить альтернативную вселенную, в которой нет зарядов, а следовательно, и электромагнитных сил. В такой вселенной совершенно обычные атомы обладали бы экстраординарными свойствами. Если бы электрон и протон связывала одна только гравитация, то атом водорода был бы больше, чем вся видимая часть нашей Вселенной.

Сильное ядерное взаимодействие, наша третья фундаментальная сила природы, отвечает за целостность ядер атомов. Эта сила удерживает протоны и нейтроны в ядре. В. отсутствие сильного взаимодействия ядра атомов взорвались бы в ответ на силы отталкивания, действующие между положительно заряженными протонами. Несмотря на то, что это взаимодействие сильнейшее из четырех, оно действует на чрезвычайно малых расстояниях. Не случайно диапазон действия сильного ядерного взаимодействия приблизительно равен размеру большого атомного ядра: примерно в десять тысяч раз меньше размера атома (порядка десяти ферми или 10 -12 см). Сильное взаимодействие управляет процессом ядерного синтеза, благодаря которому образуется большая часть энергии в звездах, а значит, и во Вселенной в текущую эпоху. Именно из-за большой, по сравнению с электромагнитной силой, величины сильного взаимодействия ядерные реакции гораздо сильнее химических, а именно: в миллион раз в перерасчете на пару частиц.

Четвертая сила, слабое ядерное взаимодействие, вероятно, наиболее удалена от общественного сознания. Это довольно таинственное слабое взаимодействие принимает участие в распаде нейтронов на протоны и электроны, а также играет свою роль в процессе ядерного синтеза, фигурирует в явлении радиоактивности и образовании химических элементов в звездах. Слабое взаимодействие имеет еще более короткий диапазон действия, чем сильное. Однако, несмотря на свою слабость и маленький диапазон действия, слабое взаимодействие играет удивительно важную роль в астрофизике. Существенная доля общей массы Вселенной, скорее всего, состоит из слабо взаимодействующих частиц, другими словами, частиц, которые взаимодействуют друг с другом только посредством слабого взаимодействия и гравитации. В силу того что такие частицы имеют тенденцию взаимодействовать очень продолжительное время, важность их роли постепенно возрастает по мере медленного движения Вселенной в будущее.

Великая война

На протяжении всей жизни нашей Вселенной в ней постоянно возникает один и тот же вопрос - непрерывная борьба между силой гравитации и стремлением физических систем эволюционировать в сторону более дезорганизованных состояний. Количество беспорядка в физической системе измеряется долей ее энтропии . В наиболее общем смысле, гравитация стремится к удержанию всех составляющих любой системы в пределах этой самой системы, чем и упорядочивает физические структуры. Производство энтропии трудится в противоположном направлении, т. е. пытается сделать физические системы более дезорганизованными и «размазанными». Во взаимодействии этих двух соперничающих тенденций и состоит главная драма астрофизики.

Непосредственным примером этой непрерывной борьбы является наше Солнце. Оно существует в состоянии хрупкого равновесия между действием гравитации и энтропией. Гравитационная сила поддерживает целостность Солнца и притягивает все его вещество к центру. В отсутствие противодействующих ей сил гравитация быстро сжала бы Солнце, превратив его в черную дыру диаметром не больше нескольких километров. Роковому коллапсу препятствуют силы давления, которые действуют в направлении от центра к поверхности, уравновешивая гравитационные силы и тем самым сохраняя Солнце. Давление, препятствующее коллапсу Солнца, возникает, в конечном счете, благодаря энергии ядерных реакций, которые происходят в его недрах. В ходе этих реакций образуются энергия и энтропия, вызывающая хаотические движения частиц в центре Солнца и, в конечном итоге, сохраняющая структуру всего Солнца.

С другой стороны, если бы гравитационная сила каким-то образом выключилась, то Солнце более ничто бы не сдерживало и оно быстро бы расширилось. Это расширение продолжалось бы до тех пор, пока солнечная материя не расползлась бы настолько тонким слоем, что плотность ее сравнялась бы с наименее плотными участками межзвездного пространства. Тогда разреженный призрак Солнца в сто миллионов раз превысил бы свой теперешний размер, растянувшись в диаметре на несколько световых лет.

Благодаря соперничеству двух равных по силе конкурентов, гравитации и энтропии, наше Солнце существует в своем теперешнем состоянии. В случае нарушения этого равновесия, возьмет ли гравитация верх над энтропией или наоборот, Солнце превратится либо в маленькую черную дыру, либо в крайне разреженное газовое облако. Это же положение вещей - равновесие, существующее между гравитацией и энтропией, - определяет строение всех звезд в небе. Звездной эволюцией движет яростное соперничество двух противодействующих тенденций.

Эта же борьба лежит в основе образования всевозможных астрономических структур, включая планеты, звезды, галактики и крупномасштабную структуру Вселенной. Существование этих астрофизических систем, в конечном итоге, обусловлено гравитацией, которая стремится связать вещество. И все же в каждом случае тенденции к гравитационному коллапсу противостоят силы расширения. На всех уровнях непрекращающееся состязание гравитации и энтропии служит гарантом того, что любая победа - явление временное и никогда не бывает абсолютной. Например, образование астрофизических структур никогда не бывает стопроцентно эффективным. Успешно завершившиеся случаи образования таких объектов - всего лишь локальная победа гравитации, тогда как неудавшиеся попытки создать что-либо - триумф беспорядка и энтропии.

Эта великая война между гравитацией и энтропией определяет долгосрочную судьбу и эволюцию астрофизических объектов, таких как звезды и галактики. Например, истощив все свои запасы ядерного топлива, звезда должна соответствующим образом изменить свое внутреннее строение. Гравитация стягивает вещество к центру звезды, тогда как тенденция к увеличению энтропии благоприятствует его рассеиванию. Дальнейшая битва может иметь много разных исходов, которые зависят от массы звезды и других ее свойств (например, скорости вращения звезды). Как мы увидим, эта драма будет разыгрываться снова и снова, пока звездные объекты населяют Вселенную.

Очень эффектным примером непрекращающейся борьбы между силой гравитации и энтропией служит эволюция самой Вселенной. С течением времени Вселенная расширяется и становится более размытой. Этому направлению эволюции противостоит гравитация, стремящаяся собрать расползающееся вещество Вселенной воедино. Если победителем в этой битве окажется гравитация, расширение Вселенной, в конце концов, прекратится и в какой-то момент будущего начнется ее повторное сжатие. С другой стороны, проиграй гравитация эту битву, Вселенная будет расширяться вечно. Какая из этих судеб ожидает нашу Вселенную в будущем - зависит от общего количества массы и энергии, содержащегося во Вселенной.

Пределы физики

Законы физики описывают, как Вселенная ведет себя на самых разных расстояниях: от чудовищно больших до ничтожно малых. Высшее достижение человечества - умение объяснить и предсказать, как ведет себя природа в условиях, крайне далеких от нашего повседневного житейского опыта. Столь значительное расширение нашего кругозора произошло, главным образом, в течение прошлого века. Сфера нашего знания протянулась от крупномасштабных структур Вселенной до субатомных частиц. И хотя такая область понимания может показаться большой, нельзя забывать, что обсуждения физического закона невозможно продолжить сколь угодно далеко ни в одном из этих направлений. Наибольший и наименьший масштабы остаются за пределами досягаемости нашего современного научного понимания.

Наше физическое представление наибольших масштабов Вселенной ограничивается причинностью. Информация, находящаяся за пределами некоторого максимального расстояния, попросту не успела дойти до нас за то относительно короткое время, в течение которого существует наша Вселенная. Согласно теории относительности Эйнштейна никакие сигналы, содержащие информацию, не способны передвигаться быстрее скорости света. Таким образом, если принять во внимание, что пока Вселенная прожила всего около десяти миллиардов лет, ни один информационный сигнал просто не имел времени, чтобы преодолеть расстояние, превышающее десять миллиардов световых лет. Именно на этом расстоянии находится граница той Вселенной, которую мы можем исследовать с помощью физики; эту границу причинности часто называют размером космологического) горизонта. Из-за существования этого барьера причинности крайне мало можно узнать о Вселенной на расстояниях, превышающих размер космологического горизонта. Этот размер горизонта зависит от космологического времени. В прошлом, когда Вселенная была гораздо моложе, размер горизонта был, соответственно, меньше. По мере старения Вселенной он продолжает расти.

Космологический горизонт - крайне важное понятие, ограничивающее поле деятельности науки. Как футбольный матч должен проходить в рамках четко определенных границ, так и физические процессы во Вселенной ограничиваются пределами этого горизонта в любое данное время. По сути, существование горизонта причинности приводит к некоторой двусмысленности в отношении того, что же на самом деле означает сам термин «Вселенная». Иногда этот термин относят только к веществу, находящемуся в пределах горизонта в данное время. Однако в будущем горизонт будет расти, а значит, в конце концов, включит в себя вещество, которое в настоящее время находится за его пределами. Является ли это «новое» вещество частью нашей Вселенной сейчас? Ответом может быть и да, и нет в зависимости от определения термина «Вселенная». Аналогично, могут существовать другие области пространства-времени, которые никогда не попадут в рамки нашего космологического горизонта. Ради определенности, мы будем считать, что такие области пространства-времени принадлежат к «другим вселенным».

На самых маленьких расстояниях предсказательная сила физики также ограничена, но по совершенно другой причине. В масштабе менее 10 -33 сантиметров (эта величина носит название длины Планка) пространство-время имеет совсем другую природу, нежели на больших расстояниях. На таких крошечных расстояниях наши традиционные понятия пространства и времени уже не применимы из-за квантово-механических флуктуаций. На данном уровне для описания пространства и времени физика должна одновременно включать как квантовую теорию, так и общую теорию относительности. Квантовая теория предполагает, что на достаточно малых расстояниях природа имеет волновой характер. Например, в обычном веществе электроны, движущиеся по орбите ядра атома, проявляют множество свойств волны. Квантовая теория объясняет эту «волнистость». Общая теория относительности утверждает, что геометрия самого пространства (вместе со временем: на этом фундаментальном уровне пространство и время тесно связаны) изменяется в присутствии больших количеств вещества, создающих сильные гравитационные поля. Однако в настоящий момент мы, к нашему великому сожалению, не располагаем полной теорией, которая объединила бы квантовую механику с общей теорией относительности. Отсутствие такой теории квантовой гравитации весьма существенно ограничивает то, что мы можем сказать о расстояниях, меньших, чем длина Планка. Как мы увидим, это ограничение физики в значительной степени препятствует нашему пониманию самых ранних моментов истории Вселенной.

Космологические декады

В этой биографии Вселенной уже минувшие десять миллиардов лет представляют очень незначительный период времени. Мы должны принять серьезный вызов - ввести шкалу времени, описывающую вселенски интересные события, которые, скорее всего, произойдут в течение следующих 10 100 лет.

10 100 - большое число. Если записать его без использования экспоненциального представления, оно будет состоять из единицы со ста нулями и будет иметь вид:

10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000.

Это число 10 100 не только слишком длинно для написания; крайне сложно также точно представить, как безмерно оно велико. Попытки визуально представить число 10 100 , вообразив собрание знакомых предметов, скоро сходят на нет. Например, число песчинок на всех пляжах мира часто приводят в качестве примера непостижимо большого числа. Однако приблизительные оценки свидетельствуют, что общее количество всех песчинок приблизительно равно 10 23 (единица с двадцатью тремя нулями) - большое число, но все равно безнадежно неадекватное для выполнения нашей задачи. Как насчет числа звезд в небе? Число звезд в нашей галактике близко к ста миллиардам - вновь относительно небольшое число. Число звезд во всех галактиках в нашей видимой Вселенной равно примерно 10 22 - тоже слишком мало. Вообще-то, общее число протонов, фундаментальных строительных кирпичиков, из которых состоит материя, во всей видимой Вселенной составляет всего 10 78: даже эта величина в десять миллиардов триллионов раз меньше требуемой! Число лет, отделяющих настоящий момент от вечности, воистину безмерно.

Чтобы описать временные масштабы, связанные с будущей эволюцией Вселенной, и не запутаться окончательно, воспользуемся новой единицей времени, называемой космологической декадой. Если за τ обозначить время в годах, то в экспоненциальном представлении τ можно записать в виде

τ = 10 η лет,

где η - некоторое число. В соответствии с нашим определением экспонента η - это число космологических декад. Например, сейчас Вселенной всего около десяти миллиардов лет, что соответствует 10 10 годам, или η = 10 космологическим декадам. В будущем, когда Вселенной исполнится сто миллиардов лет, это будет 10 11 лет, или η = 11 космологических декад. Значение этой схемы состоит в том, что каждая последующая космологическая декада представляет собой десятикратное увеличение общего возраста Вселенной. Таким образом, концепция космологической декады позволяет нам размышлять о безмерно долгих промежутках времени. Таким образом, вызывающе большое число из нашего примера, число 10 100 , соответствует гораздо более понятной сотой космологической декаде, или η = 100.

Космологические декады можно использовать и при обсуждении очень коротких, но богатых событиями отрезков времени непосредственно после Большого взрыва. В этом случае мы разрешаем космологической декаде иметь отрицательную величину. Благодаря такому расширению один год после Большого взрыва соответствует 10 0 годам, или нулевой космологической декаде. Тогда одна десятая, или 10 -1 , - это космологическая декада -1, одна сотая, или 10 -2 лет, - космологическая декада -2 и т. д. Начало времени, когда произошел сам Большой взрыв, соответствует τ = 0; в терминах космологических декад Большой взрыв произошел в космологическую декаду, соответствующую бесконечности со знаком «минус».

Пять великих временных эпох

Наше настоящее понимание прошлого и будущего Вселенной можно систематизировать, выделив определенные временные эпохи. По мере перехода Вселенной из одной эпохи в другую ее содержимое и характер меняются весьма значительно, а в некоторых отношениях - почти целиком. Эти эпохи, аналогичные геологическим эпохам, помогают составить общее впечатление о жизни Вселенной. С течением времени ряд естественных астрономических катастроф формирует Вселенную и управляет ее последующей эволюцией. Хроника этой истории может иметь следующий вид.

Первичная эпоха . -50 < η < 5. Эта эпоха включает раннюю фазу истории Вселенной. В то время, когда Вселенной не исполнилось и десяти тысяч лет, основная часть плотности энергии Вселенной существовала в виде излучения, поэтому этот ранний период часто называют эпохой излучения . Еще не успели образоваться никакие астрофизические объекты вроде звезд и галактик.

В эту короткую раннюю эпоху произошли многие важные события, определившие будущий курс развития Вселенной. Легкие элементы, типа гелия и лития, образовались в первые несколько минут этой первичной эпохи. Еще раньше сложные физические процессы вызвали небольшое преобладание обычного барионного вещества над антивеществом. Антивещество почти полностью аннигилировало с большей частью вещества, после чего осталась небольшая доля последнего, из которой и состоит современная Вселенная.

Если стрелки часов перевести на еще более раннее время, наше понимание становится куда менее твердым. В чрезвычайно ранний период, когда Вселенная была неимоверно горячей, судя по всему, произошло следующее: квантовые поля с очень высокой энергией вызвали фантастически быстрое расширение и создали очень малые возмущения плотности в однородной и ничем не примечательной Вселенной. Эти крошечные неоднородности сохранились и выросли в галактики, скопления и крупномасштабные структуры, населяющие современную Вселенную.

Ближе к концу первичной эпохи плотность энергии излучения стала меньше плотности энергии, связанной с веществом. Этот переход произошел, когда Вселенной было около десяти тысяч лет. Вскоре после этого произошло еще одно переломное событие: температура Вселенной стала достаточно низкой, чтобы позволить существование атомов (точнее говоря, атомов водорода). Первое появление нейтральных атомов водорода носит название рекомбинации . После рекомбинации возмущения плотности вещества во Вселенной позволили ему образовать комки, не подверженные действию вездесущего радиационного моря. Впервые начали формироваться знакомые нам астрофизические объекты вроде галактик и звезд.

Эпоха звезд . 6 < η < 14. Такое название обусловлено наличием звезд. В эту эпоху большая часть энергии, образующейся во Вселенной, возникает в результате реакций ядерного синтеза, которые происходят в обычных звездах. Мы живем в середине эпохи звезд - в то время, когда звезды активно рождаются, живут и умирают.

В самый ранний период эпохи звезд, когда Вселенной было всего несколько миллионов лет, родилось первое поколение звезд. В первый миллиард лет возникли первые галактики, и начались их объединения в скопления и сверхскопления.

Многие вновь появившиеся галактики переживают бурные фазы высоких энергий из-за всепожирающих черных дыр, расположенных в их центрах. Когда черные дыры разрывают звезды и окружают себя вихреподобными дисками горячего газа, высвобождаются огромные количества энергии. С течением времени эти квазары и активные ядра галактик медленно умирают.

В будущем, ближе к концу эпохи звезд, ключевую роль сыграют самые обычные звезды Вселенной - звезды с низкой массой, которые называют красными карликами. Красные карлики - это звезды, масса которых не превышает половины массы Солнца, но их так много, что их совокупная масса, бесспорно, превосходит массу всех более крупных звезд во Вселенной. Эти красные карлики - истинные скряги, когда дело доходит до превращения водорода в гелий. Они копят свою энергию и будут существовать даже через десять триллионов лет, тогда как более массивные звезды к тому времени уже давно истощат запасы своего ядерного топлива и эволюционируют в белых карликов или превратятся в сверхновые. Эпоха звезд завершится, когда в галактиках закончится водородный газ, прекратится рождение звезд, а звезды-долгожители (имеющие наименьшую массу), красные карлики, медленно погаснут. Когда звезды наконец перестанут светить, Вселенной будет около ста триллионов лет (космологическая декада η = 14).

Эпоха распада . 15 < η < 39. По завершении эпохи образования и эволюции обычных звезд большая часть обычного вещества во Вселенной окажется заключенной в вырожденных остатках звезд - единственном, что останется по окончании эволюции звезд. В этом контексте под термином вырожденность подразумевается особое квантово-механическое состояние вещества, а никак не состояние аморальности. В список вырожденных объектов входят коричневые карлики, белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. В эпоху распада Вселенная выглядит совсем не так, как сейчас. Нет видимого излучения обычных звезд, которое могло бы оживить небо, согреть планеты или придать галактикам слабое сияние, присущее им сегодня. Вселенная стала холоднее, темнее, а вещество в ней - еще более рассеянным.

И все же кромешную тьму непрерывно оживляют астрономически интересные события. Случайные столкновения разрушают орбиты мертвых звезд, а галактики постепенно изменяют свою структуру. Некоторые звездные остатки выбрасываются далеко за пределы галактики, другие же падают к ее центру. Изредка может вспыхнуть и маячок, когда в результате столкновения двух коричневых карликов появляется новая звезда с малой массой, которая впоследствии проживет триллионы лет. В среднем, в любое данное время, в галактике размером с наш Млечный Путь будут светить несколько таких звезд. Время от времени, в результате столкновения двух белых карликов, галактику потрясает вспышка сверхновой.

В эпоху распада белые карлики, самые распространенные звездные остатки, содержат наибольшую часть обычного барионного вещества Вселенной. Они собирают частицы темной материи, которые вращаются по орбите галактики, образуя огромный расплывчатый ореол. Однажды попав внутрь белого карлика, эти частицы^ впоследствии аннигилируют, тем самым обеспечивая Вселенную важным источником энергии. Действительно, в качестве основного механизма образования энергии традиционные реакции ядерного горения в звездах заменяет аннигиляция темной материи. Однако к тридцатой космологической декаде (η = 30) или даже раньше запас частиц темной материи истощается, в результате чего этот способ образования энергии подходит к своему логическому завершению. Теперь вещественное содержимое Вселенной ограничивается белыми карликами, коричневыми карликами, нейтронными звездами и мертвыми, разбросанными на большие расстояния друг от друга, планетами.

В конце эпохи распада масса-энергия, накопленная в недрах белых карликов и нейтронных звезд, рассеивается в виде излучения по мере распада протонов и нейтронов, составляющих эти звезды. Белый карлик, поддерживаемый протонным распадом, генерирует около четырехсот ватт: этого количества энергии достаточно для работы нескольких электрических лампочек. Общая светимость целой галактики таких старых звезд меньше, чем у одной обычной звезды, существующей за счет горения водорода, вроде нашего Солнца. С завершением процесса распада протонов эпоха распада подходит к концу. Вселенная - еще более темная, еще более разреженная - изменяется вновь.

Эпоха черных дыр . 40 < η < 100. По завершении эпохи распада протонов из всех подобных звездам астрофизических объектов остаются только черные дыры. Эти фантастические объекты обладают столь сильным гравитационным полем, что даже свет не может покинуть их поверхности. Распад протонов никак не влияет на черные дыры, так что по окончании эпохи распада они остаются целыми и невредимыми.

По мере испарения и исчезновения белых карликов черные дыры поглощают вещество и увеличиваются. И все же даже черные дыры не могут жить вечно. В конечном итоге, они должны испариться в ходе очень медленного квантово-механического процесса, называемого излучением Хокинга . Несмотря на свое название, черные дыры не являются абсолютно черными. На самом деле они светятся, хотя и чрезвычайно слабо, испуская тепловой спектр света и другие продукты распада. После исчезновения протонов испарение черных дыр становится основным источником уже почти невидимой энергии Вселенной. Черная дыра, имеющая массу Солнца, проживет около шестидесяти пяти космологических декад; большая черная дыра, имеющая массу галактики, испарится через девяносто восемь или сто космологических декад. Таким образом, всем черным дырам суждено погибнуть. Эпоха черных дыр заканчивается после испарения самых больших черных дыр.

Эпоха вечной тьмы. η > 101. По истечении ста космологических декад протоны уже давно распались, а черные дыры испарились. Сохраняются только остаточные продукты этих процессов: фотоны с огромной длиной волны, нейтрино, электроны и позитроны. Между эпохой вечной тьмы и первичной эпохой, когда Вселенной было менее миллиона лет, существует странная параллель. В каждую из этих эпох, весьма и весьма отдаленных во времени, полностью отсутствуют какие бы то ни было звездоподобные объекты, которые могли бы генерировать энергию.

В этом холодном далеком будущем активность во Вселенной практически завершилась. Энергия упала до крайне низких уровней, а временные промежутки просто ошеломляют. Дрейфующие в космическом пространстве электроны и позитроны встречаются друг с другом и время от времени образуют атомы позитрония. Однако эти столь поздно образующиеся структуры неустойчивы, а составляющие их частицы, рано или поздно, аннигилируют. Могут произойти, хотя и очень медленно, и другие аннигиляционные события низкого уровня.

По сравнению со своим расточительным прошлым, теперь Вселенная живет относительно консервативной и скромной жизнью. Или нет? Кажущаяся нищета этой столь далекой от нас эпохи, возможно, обусловлена неопределенностью нашей экстраполяции, а не реальным переходом Вселенной к старости.

Сохранение жизни

Наше общество с немалой долей беспокойства осознало, что вымирание человечества не является такой уж надуманной проблемой. Ядерная конфронтация, экологические катастрофы и распространяющиеся вирусы - это далеко не все перспективы конца света, на которые обращают всеобщее внимание осторожные, склонные к паранойе и думающие только о выгоде люди. Но что если мы примем, хотя и несколько устаревшую, но куда более романтическую перспективу о ракетах, колониях в космосе и завоеваниях Галактики? В таком будущем человечество без труда смогло бы отсрочить быстро приближающуюся гибель Земли, просто перебравшись в другие солнечные системы. Но сможем ли мы продлить жизнь самих звезд? Найдем ли способ обойти распад протона? Сумеем ли обойтись без свойств черных дыр, обеспечивающих Вселенную энергией? Смогут ли хоть какие-то живые организмы пережить финальное всеобъемлющее опустошение эпохи вечной тьмы?

В этой книге мы рассматриваем перспективы и возможности сохранения жизни в каждую эпоху будущей эволюции Вселенной. Этому анализу неизбежно сопутствует атмосфера некоторой неопределенности. Общее теоретическое понимание жизни блещет отсутствием такового. Даже в той единственной среде обитания, где мы имеем прямой опыт, на нашей родной Земле, возникновение жизни не понято до сих пор. Таким образом, в своих дерзких обсуждениях возможностей существования жизни в отдаленном будущем мы находимся в качественно ином положении, чем когда имеем дело с чисто астрофизическими явлениями.

Несмотря на то, что у нас нет прочной теоретической парадигмы, описывающей возникновение жизни, нам необходима хоть какая-то рабочая модель, которая позволила бы систематизировать нашу оценку перспектив сохранения и распространения жизни. Чтобы охватить хотя бы часть всего диапазона возможностей, мы основываем свои размышления на двух очень разных моделях жизни. В первом и наиболее очевидном случае мы рассматриваем жизнь, в основе которой лежит биохимия, приблизительно подобная земной. Жизнь такого рода может возникнуть на планетах, подобных Земле, или на больших лунах в других солнечных системах. Отдавая дань освященной веками традиции, бытующей в среде экзобиологов, предположим, что, пока на некоторой планете присутствует вода в жидком состоянии, на этой планете может зародиться и развиться жизнь, в основе которой лежит углерод. Требование, связанное с тем, что вода должна находиться в жидком состоянии, накладывает достаточно строгое температурное ограничение на любую потенциальную среду обитания. Например, для атмосферного давления температура должна быть больше 273 градусов по шкале Кельвина, что соответствует точке замерзания воды, и меньше 373 градусов по шкале Кельвина, что соответствует точке кипения воды. Этот диапазон температур исключает большую часть астрофизических сред.

Второй класс жизненных форм основан на гораздо более абстрактной модели. В этом, последнем, случае мы в большой степени используем идеи Фримена Дайсона, влиятельного физика, выдвинувшего гипотезу соответствия масштабов для абстрактных форм жизни. Основная мысль состоит в том, что при любой температуре можно вообразить некоторую абстрактную форму жизни, которая прекрасно себя чувствует именно при данной температуре, по крайней мере, в принципе. Более того, скорость, с которой это абстрактное создание расходует энергию, прямо пропорциональна ее температуре. Например, если мы представим какой-то организм Дайсона, живущий при некоторой заданной температуре, то, согласно закону соответствия масштабов, все жизненные функции другой качественно подобной формы жизни, довольствующейся вполовину более низкой температурой, должны быть замедлены в те же самые два раза. В частности, если рассматриваемые организмы Дайсона обладают разумом и некоей разновидностью сознания, то фактическая скорость ощущения ими происходящих событий определяется не реальным физическим временем, а так называемым масштабным временем, пропорциональным температуре. Другими словами, скорость осознания у организмов Дайсона, живущих при низких температурах, ниже, чем у (во всем остальном) аналогичной формы жизни, существующей при более высокой температуре.

Этот абстрактный подход переводит обсуждение далеко за пределы привычной углеродной формы жизни, существующей на нашей планете, но при этом он все же позволяет сделать некоторые допущения о природе жизни вообще. Прежде всего, необходимо принять, что первичная основа мышления заключается в структуре жизненной формы, а не в веществе, ее образующем. Например, у людей мышление каким-то образом возникает в ходе множества сложных биохимических процессов, протекающих в мозге. Вопрос в том, необходима ли эта органическая структура. Если бы мы могли каким-то образом создать другую копию всей этой конструкции - человека, - используя иной набор строительных материалов, смогла бы эта копия мыслить таким же образом? Считала бы копия, что она и есть этот самый человек? Если органическая конструкция по какой-то причине окажется необходимой, значит, ключевую роль играет вещество , из которого состоит жизнь, и возможность существования абстрактных форм жизни в обширном диапазоне различных сред весьма ограничена. Если же, напротив, как мы принимаем здесь, необходима лишь структура , то в обширном диапазоне различных сред могут существовать многие формы жизни. Гипотеза соответствия масштабов Дайсона дает нам приблизительное представление о скоростях обмена веществ и мышления этих абстрактных форм жизни. Эта система взглядов весьма оптимистична, но, как мы увидим, она имеет богатые и интересные следствия.

«Временной принцип Коперника»

По мере того как продолжается наше повествование, а великие эпохи сменяют друг друга, характер физической Вселенной меняется почти полностью. Прямое следствие этого изменения состоит в том, что Вселенная отдаленного будущего или далекого прошлого совершенно не похожа на Вселенную, в которой мы живем сегодня. Поскольку современная Вселенная достаточно удобна для жизни в том виде, в каком знаем ее мы, - у нас есть звезды, которые снабжают нас энергией, и планеты, на которых можно жить, - все мы совершенно естественно склонны считать современную эпоху в некотором смысле занимающей особое положение. В противовес этому мнению мы принимаем идею о «временном принципе Коперника», который достаточно просто гласит, что современная космологическая эпоха не занимает во времени особого места. Другими словами, в процессе эволюции и изменения Вселенной в ней не прекратятся интересные события. Хотя реальные уровни производства энергии и энтропии становятся вся более низкими, это компенсируется удлинением временных шкал, которые станут доступны в будущем. Еще раз перефразировав эту мысль, мы утверждаем, что законы физики предсказывают не то, что Вселенная однажды достигнет состояния полного покоя, а, скорее, что в настолько далеком будущем, в какое мы осмелимся заглянуть, не прекратятся интересные физические процессы.

Идея временного принципа Коперника служит естественным продолжением нашего непрерывно расширяющегося взгляда на Вселенную. Глобальная революция в мировоззрении произошла в шестнадцатом веке, когда Николай Коперник заявил, что Земля не является центром нашей Солнечной системы, как считалось ранее. Коперник совершенно правильно понял, что Земля - всего лишь одна из множества планет, которые вращаются по орбите вокруг Солнца. Это явное принижение статуса Земли, а следовательно, и человечества в то время вызвало сильнейший резонанс. Как обычно рассказывают, из-за еретических последствий подобного сдвига в мышлении Коперник вынужден был отложить публикацию своего величайшего труда De Revolutionibus Orbium Coelestium до 1543 года - года его смерти. Он колебался до самого конца и был близок к тому, чтобы скрыть свой труд. Во введении к своей книге Коперник пишет: «Я уже чуть было не положил свой завершенный труд в ящик, из-за презрения, которое я предчувствовал, имея на то причины, вследствие новизны и явного противоречия моей теории здравому смыслу». Несмотря на отсрочку, это сочинение, в конце концов, было опубликовано, и первая отпечатанная копия легла на смертный одр Коперника. Земля более не считалась центром Вселенной. Начался глобальный переворот.

После совершенной Коперником революции понижение нашего статуса не только продолжилось, но и ускорилось. Очень скоро астрономы установили, что другие звезды - это, на самом деле, объекты, подобные нашему Солнцу, и они могут, по крайней мере, в принципе, иметь свои собственные планетарные системы. Одним из первых к такому заключению пришел Джордано Бруно, который заявил, что у других звезд не только есть планеты, но и что эти планеты обитаемы! Впоследствии, в 1601 году, инквизиторы Римской католической церкви сожгли его на костре, хотя и якобы не из-за его утверждений, касавшихся вопросов астрономии. С тех пор мысль о том, что в других солнечных системах тоже могут существовать планеты, время от времени подхватывали выдающиеся ученые, включая Леонарда Эйлера, Иммануила Канта и Пьера Симона Лапласа.

Интересно, что на протяжении почти четырех веков идея о существовании планет за пределами нашей Солнечной системы оставалась чисто теоретической концепцией, в поддержку которой не было никаких данных. Только в последние несколько лет, начиная с 1995 года, астрономы точно установили, что планеты, вращающиеся по орбитам других звезд, действительно существуют. Имея новые возможности для наблюдения и проделав грандиозную работу, Джеф Марси, Мишель Майор и их соратники показали, что планетарные системы - явление относительно распространенное. Теперь наша Солнечная система превратилась всего лишь в одну из, возможно, миллиардов солнечных систем, существующих в Галактике. Начался новый переворот.

Поднимаясь на следующий уровень, мы обнаруживаем, что наша Галактика не единственная во Вселенной. Как в начале двадцатого века впервые осознали космологи, видимая Вселенная полна галактик, в каждой из которых существуют миллиарды звезд, вполне могущих иметь свои собственные системы планет. Более того, когда-то Коперник заявил, что наша планета не имеет особого места в рамках нашей Солнечной системы, - теперь же современная космология доказала, что и наша Галактика не занимает особого положения во Вселенной. В действительности, Вселенная, судя по всему, подчиняется космологическому принципу (см. следующую главу), который гласит, что на больших расстояниях Вселенная одинакова повсюду в космическом пространстве (Вселенная однородна) и что Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях (Вселенная изотропна). Космос не имеет ни привилегированных мест, ни предпочтительных направлений. Вселенная демонстрирует поразительную регулярность и простоту.

Каждое последующее понижение центрального статуса Земли приводит к бесповоротному заключению, что местоположение нашей планеты во Вселенной ничем не примечательно. Земля - это обычная планета, которая вращается по орбите умеренно яркой звезды в обыкновенной Галактике, расположенной в случайно выбранном месте Вселенной. Временной принцип Коперника распространяет эту общую идею из области пространства на область времени. Аналогично тому как наша планета, а значит, и человечество, не имеет особого местоположения во Вселенной, так и наша текущая космологическая эпоха не занимает особого места в громадных просторах времени. Этот принцип только продолжает разрушение той малой толики антропоцентрического мышления, что еще сохранилась.

Мы пишем эту книгу в самом конце двадцатого века - подходящее время, чтобы поразмыслить над нашим местом во Вселенной. Благодаря обширности понимания, обретенного в этом веке, мы можем, как никогда ранее внимательно, посмотреть на свое положение во времени и пространстве. В соответствии с временным принципом Коперника и широчайшим диапазоном астрофизических событий, которые еще только произойдут в необъятном будущем, мы утверждаем, что на момент завершения этого тысячелетия конец Вселенной не очень близок. Вооружившись четырьмя силами природы, четырьмя астрономическими окнами, чтобы обозревать Вселенную, и новым календарем, измеряющим время в космологических декадах, мы отправляемся в наше странствие по пяти великим эпохам времени.

Примечания:

О вращениях небесных сфер (лат.). - Прим. перев.

Какие силы природы называют фундаментальными? На каком принципе строятся фундаментальные взаимодействия? Возможно ли существование нового фундаментального взаимодействия? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Дмитрий Казаков.

Со школьной физики мы сталкиваемся с понятием «сила». Силы бывают разные: есть сила притяжения, сила трения, сила качения, сила упругости. Существует множество разных сил. Не все из этих сил являются фундаментальными - очень часто сила является вторичным явлением. Например, сила трения является вторичным явлением - на самом деле это взаимодействие молекул. И даже взаимодействие молекул может быть вторичным. Например, в молекулярной физике есть силы Ван-дер-Ваальса. Эти силы являются вторичным следствием электромагнитных взаимодействий.

Хочется докопаться до самой фундаментальной силы: что же является фундаментальными силами в природе, которые определяют все, из которых строятся все вторичные силы? Электромагнитные силы, или электрические силы, являются фундаментальными взаимодействиями, как мы их понимаем сейчас. Закон Кулона, известный еще со школьной физики, - это фундаментальный закон, но он имеет свое обобщение, он вытекает из уравнений Максвелла. Уравнения Максвелла описывают вообще все электрические и магнитные силы в природе, поэтому электромагнитные взаимодействия являются фундаментальными силами природы.

Другой пример фундаментальных сил природы - это тяготение. Со школы известен закон всемирного тяготения Ньютона, который теперь уже получил обобщение в уравнениях Эйнштейна - сейчас у нас есть теория тяготения Эйнштейна. Сила тяготения - это тоже фундаментальные взаимодействия в природе. И когда-то казалось, что существуют только эти две фундаментальные силы. Но впоследствии поняли, что это не так. В частности, когда было открыто атомное ядро и возникла проблема понять, почему же частицы удерживаются внутри ядра и не разлетаются, было введено понятие ядерных сил. Эти ядерные силы были измерены, поняты, описаны. Но впоследствии оказалось, что они тоже нефундаментальны - ядерные силы в некотором смысле напоминают силы Ван-дер-Ваальса.

Истинно фундаментальными силами, обеспечивающими сильное взаимодействие, являются силы между кварками. взаимодействуют друг с другом, и как вторичный эффект друг с другом взаимодействуют протоны и нейтроны в ядре. Фундаментальным взаимодействием является взаимодействие кварков с помощью обмена глюонами - это третья фундаментальная сила в природе.

Но и тут история не заканчивается. Оказывается, что распады элементарных частиц - а все тяжелые частицы распадаются на более легкие - описываются новым взаимодействием, которое получило название слабого взаимодействия. Слабого - потому что сила этого взаимодействия заметно слабее, чем электромагнитные силы. Но оказалось, что теория слабого взаимодействия, которая первоначально существовала и очень хорошо описывала все распады, плохо работала при повышении энергии, и она была заменена на новую теорию слабого взаимодействия, которая оказалась совершенно универсальной и построенной на том же принципе, на каком построены все остальные взаимодействия.

В современном мире есть четыре фундаментальных взаимодействия, про пятое я еще тоже скажу.

Четыре фундаментальных взаимодействия - электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное - строятся на одном принципе.

Этот принцип состоит в том, что сила между частицами возникает за счет обмена некоторым посредником, переносчиком взаимодействия.

Электромагнитное взаимодействие строится на основе обмена квантом света или квантом электромагнитных волн - это фотон. Фотон - это безмассовая частица, ею обмениваются заряженные частицы, и за счет этого обмена возникают взаимодействия между частицами, сила между частицами, закон Кулона тоже так описывается.

Другое взаимодействие - сильное. Там тоже есть посредник, частица, которой обмениваются кварки. Эти частицы называются глюонами, их восемь штук, это тоже безмассовые частицы.

Третья частица, третье взаимодействие - это слабое взаимодействие, и здесь тоже посредником выступают частицы, которые называются промежуточными векторными бозонами. Эти частицы, - их штуки, - массивны, то есть довольно тяжелые. Этой массой, тяжестью этих частиц и объясняется, почему слабое взаимодействие такое слабое.

Четвертое взаимодействие - гравитационное, и оно осуществляется путем обмена квантом гравитационного поля, его называют . Гравитон пока экспериментально не обнаружен, мы пока не вполне ощущаем и не вполне умеем описывать.

Все взаимодействия - это акт обмена некоторыми частицами. Здесь мы возвращаемся к . Всякое взаимодействие связано с симметрией. Симметрия говорит о том, сколько таких частиц и какова у них масса. Если симметрия точная - масса нулевая. У фотона масса 0, у глюона масса 0. Если симметрия нарушена - масса ненулевая. У промежуточных векторных бозонов масса ненулевая, там симметрия нарушена. Гравитационная симметрия не нарушена - у гравитона тоже масса 0.

Эти четыре фундаментальных взаимодействия объясняют все, что мы видим. Все остальные силы - это вторичный эффект этих взаимодействий. Но в 2012 году была обнаружена новая частица, которая стала очень знаменитой, - это так называемый . Хиггсовский бозон тоже является переносчиком взаимодействия между кварками и между лептонами. Поэтому сейчас уместно говорить о том, что появилась пятая сила, переносчиком которой является хиггсовский бозон. Здесь тоже симметрия нарушена - хиггсовский бозон является массивной частицей. Тем самым число фундаментальных взаимодействий - в физике частиц обычно употребляется слово не «сила», а «взаимодействие» - достигло пяти.

Есть ли новые взаимодействия? На самом деле мы этого не знаем. В физики элементарных частиц других взаимодействий нет, есть только пять. Но не исключено, что та модель, нами сейчас рассматриваемая и прекрасно описывающая все экспериментальные данные и все явления, которые мы наблюдаем в мире, возможно, все-таки неполна, и тогда, возможно, появятся какие-то новые силы и новые взаимодействия. Например, если существуют так называемые , то есть если существует новая симметрия в природе, то эта новая симметрия повлечет за собой появление новых частиц, которые являются посредниками между другими частицами, тем самым возникнет новая фундаментальная сила. Поэтому эта возможность до сих пор остается.

Интересно, что всякое новое взаимодействие всегда приводит к какому-то новому явлению. Скажем, если бы не было слабого взаимодействия, не было бы распада. Не было бы распада - мы бы не наблюдали ядерные реакции. Не было бы ядерных реакций - не светило бы Солнце. Не светило бы Солнце - на Земле не могла бы существовать жизнь. Так что наличие такого взаимодействия оказалось жизненно важным для нас.

Не будь сильного взаимодействия, не было бы стабильных атомных ядер. Не было бы ядер - не было бы атомов. Не было бы атомов - не было бы нас. То есть оказалось, что все силы вроде как необходимы. Вот электромагнитное взаимодействие: мы получаем энергию от Солнца - это лучи света, которые прилетают к нам от Солнца. Не будь его, Земля была бы холодной. Получается, все те взаимодействия, которые мы знаем, для чего-нибудь нужны. Хиггсовское взаимодействие с хиггсовским бозоном . Фундаментальные частицы получают массу за счет взаимодействия с полем Хиггса - без этого тоже жить нельзя. Про гравитационное взаимодействие я не говорю - мы бы улетели с поверхности планеты.

Все взаимодействия, которые есть в природе, которые сейчас открыты, являются жизненно важными, для того чтобы все, что мы понимаем и знаем, существовало.

А что было бы, если бы было какое-нибудь новое взаимодействие, которое еще не открыто? Вот еще один пример: протон в ядре стабилен, и очень важно, что он стабилен, иначе опять же не было бы жизни. Но экспериментально время жизни протона сейчас ограничено - 1034 лет. Это значит, что нет никакого запрета, чтобы протон распадался, но для этого нужна новая сила и новое взаимодействие. Есть теории, которые предсказывают распад протона, - в них есть более высокая группа симметрии, и в них есть новые взаимодействия, которые мы не знаем. Так ли это - это вопрос к эксперименту.

Все фундаментальные взаимодействия сейчас строятся по единому принципу, и в этом смысле есть единство природы. Иногда возникает вопрос: нельзя ли объяснить каким-либо образом, сколько взаимодействий есть в природе, то есть понять причину, почему их четыре или почему их пять, а может быть, еще есть больше? Существуют различные версии того, как можно было бы объяснить наличие определенного числа фундаментальных взаимодействий. Такие теории часто называют теориями Великого объединения. Эти теории объединяют между собой различные виды взаимодействий в одно. Это напоминает растущее дерево: есть единый ствол, потом он ветвится, и получаются различные ветви.

Идея состоит примерно в этом же: есть единый корень всех взаимодействий, единый ствол, а потом в результате нарушения симметрии этот ствол начинает ветвиться, и образуется несколько фундаментальных взаимодействий, которые мы экспериментально наблюдаем. Проверка этой гипотезы требует физики при очень высоких энергиях, которые недоступны современному эксперименту и, вероятно, никогда не будут доступны. Но зато можно обойти эту проблему. В конце концов, у нас есть естественный ускоритель - это Вселенная. Некоторые процессы, идущие во Вселенной, позволяют нам проверить смелые гипотезы о том, что есть единый корень всех взаимодействий.

Другая очень интересная задача в понимании взаимодействий в природе - понять, как гравитация соотносится со всеми остальными взаимодействиями. Гравитация стоит несколько особняком, хотя принцип построения теории очень похож. В свое время Эйнштейн пытался построить единую теорию гравитации и электромагнетизма. Тогда это казалось весьма реальным, но теории так и не получилось. Сейчас мы немного больше знаем. Мы знаем, что есть еще сильное взаимодействие, слабое взаимодействие, поэтому, если сейчас строить единую теорию, казалось бы, надо включить все эти взаимодействия вместе, но тем не менее такой единой теории до сих пор не создано, и до сих пор нам не удается объединить гравитацию с остальными взаимодействиями. Все взаимодействия, кроме гравитации, подчиняются законам квантовой физики - это квантовая теория. Все частицы - это кванты определенного поля. Квантовой гравитации пока не существует, пока ее создать не удается. В чем причина, что мы делаем не так, чего мы не понимаем - все это пока остается загадкой. Но количество фундаментальных взаимодействий, которое уже открыто, говорит о том, что, вероятно, какая-то единая схема существует.

Си́ла - векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности воздействия на данное тело других тел, а также полей. Приложенная к массивному телу сила является причиной изменения его скорости или возникновения в нём деформаций.

В современной науке выделяют 4 типа взаимодействий. Два из них, которые рассматриваются в механике, называются гравитационное и электромагнитное . Им соответствуют силы, которые нельзя свести к более простым, и поэтому они называются фундаментальными . Еще два: сильные и слабые являются ядерными. Сила притяжения и g. Деформация – это изменение размеров или формы тела под воздействием других тел. Как известно из курса школьной физики, все тела состоят из электрических зарядов. При деформации тел изменяются расстояния между зарядами, а это, в свою очередь, приводит к нарушению равновесия между силами притяжения и отталкивания между зарядами. При растяжении тела преобладают силы притяжения между зарядами и тело «сопротивляется» растяжению, аналогично, при сжатии преобладают силы отталкивания. Закон Гука. Сила реакции опоры и сила натяжения подвеса. Весом тела называют силу, с которой тело действует на опору или подвес. При взаимодействии тела с опорой или подвесом деформируется и само тело, что приводит к появлению силы упругости, действующей на опору или подвес. Силы веса и реакции опоры связаны между собой согласно третьему закону Ньютона. Аналогичное равенство имеется и для тела на подвесе. Т=Р. Сила трения.

В рамках классической механики гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы и , разделёнными расстоянием , пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния - то есть:

Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом. С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля.

В сильном взаимодействии участвуют кварки и глюоны и составленные из них частицы, называемые адронами (барионы и мезоны). Оно действует в масштабах порядка размера атомного ядра и менее, отвечая за связь между кварками в адронах и за притяжение между нуклонами (разновидность барионов - протоны и нейтроны) в ядрах.

Слабое взаимодействие , или слабое ядерное взаимодействие - одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в природе. Оно ответственно, в частности, за бета-распадядра. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвёртого из фундаментальных взаимодействий, гравитационного. Слабое взаимодействие является короткодействующим - оно проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра.