Гипотезы теории факты 143

Гипотезы теории факты 143

69. Откуда мы знаем, из чего состоят звезды?
В 1835 философ Огюст Конт заявил, как о чем-то совершенно бесспорном, что наука никогда не разгадает состав звезд. Он был неправ.
Природа благосклонна к нам. Атомы каждого элемента излучают свет, характеризующийся цветом/длиной волны, что позволяет определить химические элементы в составе звезд.
Уникальный «спектральный» отпечаток существует потому, что каждый атом конкретного химического элемента имеет уникальное расположение электронов на орбите.
Когда электрон перескакивает с одной орбиты на другую, излучается порция света. Ее энергия равна разности между энергиями электрона на двух орбитах.
Затруднение: звезды такие горячие, что у некоторых атомов большинство или все электроны оторваны. Таким образом, элемент, даже распространенный, может не обнаруживаться.
До того, как это было понято, люди ошибались, полагая, что Солнце состоит из железа, так как спектральные отпечатки железа были наиболее яркими.
В 1925 Сесилия Пейн совершила прорыв. Из состава солнечного света она вывела, что водород и гелий — 2 редких на Земле газа[17] (элемента) — составляют 98 % массы Солнца.
Пейн обнаружила состав Вселенной: 98 % всех атомов в космосе — водород и гелий. Все остальное составляет только 2 %.
Несмотря на то что Пейн написала важнейшую в XX в. диссертацию по астрономии, ее имя практически неизвестно[18]. Она пострадала оттого, что была женщиной-ученым в мужской среде.
Люди постепенно поняли, что в этих же пропорциях элементы присутствуют везде. Это означает, что процесс возникновения элементов универсален.
Но где же печь, в которой выплавлены элементы, из которых состоят наши тела? Укажем сначала на звезды, потом на Большой взрыв и потом снова на звезды.
Фред Хойл с соавторами описали в монументальном труде (1957) точные «ядерные» процессы, которые привели к рождению элементов внутри звезд.
Проблема теории: звезды не могут создать столько гелия, сколько мы видим во Вселенной. Природа непроста. Тяжелые элементы произведены звездами; легкие элементы — Большим взрывом.
Вилли Фаулер, коллега Хойла, в 1983 получил Нобелевскую премию по физике за описание происхождения элементов. Хойл был скандально проигнорирован.

13. Откуда мы знаем, что Земля круглая?
<<< Назад
Земля
Вперед >>>
14. Почему наши ноги приклеены к земле?

Скрыть рекламу в статье
13. Откуда мы знаем, что Земля круглая?
Это неочевидно. Не считая складок, таких как горы, Земля кажется плоской. Но это потому, что она слишком большая, и ее кривизна незаметна.
Имеются многочисленные доказательства кривизны. В море корабли исчезают за горизонтом, оставаясь значительными в размерах. На плоской Земле они должны были бы сначала обратиться в точки. И…
Во время лунного затмения, когда Земля проходит между Солнцем и Луной, тень Земли на Луне изогнута. И…
Если люди плывут или летят достаточно далеко в одну сторону, в конце концов они возвращаются в исходную точку. И…
Даже авиакомпании при совокупном определении расстояния между любыми четырьмя городами — от 1 до 2, от 2 до 3 и т. д. — учитывают округлость Земли. Было бы по-другому, если бы Земля была плоской. И…
…Есть множество фотографий Земли, снятых из космоса, в частности с Луны, которые показывают — наша планета действительно круглая!
В 240 г. до н. э. Эратосфен (директор Александрийской библиотеки) стал первым человеком, оценившим размер Земли.
Во время летнего солнцестояния вертикальный столб в Сиене (ныне Асуан) не имеет тени, так как Солнце находится в зените. Но столб в Александрии отбрасывает тень.
Оказывается, Солнце отклоняется на 7 градусов от вертикали в Александрии — это соответствует примерно 1/50 окружности. Расстояние от Сиены до Александрии известно. Так…
Эратосфен рассчитал, что длина окружности Земли равна примерно 39 000 км, и ошибся всего на 1000 км.
На самом деле Земля не является идеальным шаром. На экваторе скорость вращения Земли равна примерно 1700 километров в час Здесь «талия» планеты выпирает наружу.
Неравномерность расплавленных внутренних недр планеты приводит к вариации среднего уровня земной коры, создавая грушеобразную фигуру, называемую «геоидом».
 
Вопрос возраста Земли связан с возрастом Солнца, так как Солнце не может быть моложе (тогда Земля была бы замерзшей).
То, как долго Солнце светит, зависит от того, насколько много тепла оно отдало и каков источник его энергии. Самые ранние измерения были произведены в XIX в.
В XIX в., когда все работало на пару и угле, у физиков напрашивался вопрос: не является ли Солнце гигантской глыбой горящего угля?
Сколько времени могла бы глыба угля размером с Солнце — прародительница всех глыб угля — поддерживать тепловыделение Солнца до израсходования угля? Приблизительно 5000 лет.
5000 лет оказалось слишком мало даже для ирландского архиепископа Ашшера, который вывел из Библии, что Земля была создана в воскресенье 23 октября 4004 г. до н. э. — в 9:00.
Геология и биология говорят нам, что Земле по крайней мере сотни млн лет. Ведь необходимы долгие годы для формирования гор…
…и для того, чтобы все живое могло эволюционировать от одного общего предка. Физики тоже имеют свои весомые соображения относительно возраста Земли.
Радиоактивный уран в горных породах превращается в свинец с известной скоростью, так что соотношение между их количествами может быть использовано в качестве «часов». Возраст Земли составляет миллиарды лет.
В 1907 американский физик Бертрам Болтвуд из данных по радиоактивному распаду датировал горные породы из Шри-Ланки. Их возраст оказался колоссальным — 2,2 млрд лет.
Фактически самым древним породам, найденным на Земле, около 4 млрд лет. Но Земля, конечно, должна быть еще старше. Вопрос в том, сколько ей лет?
Самая точная оценка возраста Земли достигается радиоактивным датированием метеоритов, строительных обломков, оставшихся после рождения Солнечной системы: 4,55 млрд лет.
Итак, возраст Солнца и Земли составляет примерно треть от возраста Вселенной, которая возникла в результате Большого взрыва около 13,7 млрд лет назад.
Солнце горит в миллион раз дольше, чем могло бы, если бы было сделано из угля. Так что источник энергии должен быть в миллион раз мощнее той энергии, которую может обеспечить уголь.
Источник энергии в миллион раз мощнее угля существует: это ядерная энергия. Солнце осуществляет термоядерный «синтез» водорода с получением гелия. Побочным продуктом является солнечный свет.
 
32. Откуда взялась Луна?
Происхождение Луны является давней тайной. Нигде нет другой луны, такой большой по сравнению с родительской планетой.
Миссии Аполло обнаружили важную информацию. Луна состоит из материала, подобного мантии Земли. Лунные скалы содержат намного меньше воды, чем скалы на Земле.
1975. Вильям Хартманн и его коллеги предложили теорию гигантского столкновения. Вскоре после своего формирования Земля столкнулась с небесным телом с массой Марса (его назвали Тейя).
Из-за своей тяжести железное ядро Тейи попало в центр Земли. Расплавленная мантия выплеснулась в космос. Сформировалось кольцо вокруг Земли.
Кольцо остывающих осколков соединилось в Луну: она была в 10 раз ближе, чем сегодня, в 10 раз больше и вызывала в 1000 раз большие приливы.
Теория объясняет, почему Луна походит на мантию Земли; почему не имеет железного ядра; почему она настолько сухая (вода улетучилась при супергорячем агрессивном ударе).
Кроме большой Луны, возможно, также сформировались меньшие луны, которые позже столкнулись с большой. Этим можно объяснить толстую корку на обратной стороне Луны.
Проблема теории: Тейя не разрушила Землю. Это означает, что она должна была врезаться в нашу планету с необъяснимо малой скоростью.
Объяснение Ричарда Готта и Эда Белбруно: Тейя и Земля факт чески имели общую орбиту, подобно тому, как «троянские» астероиды Юпитера сегодня входят в его орбиту.
Так верить этому или нет? Возможно, когда-то у Земли был собрат, ярко светившийся в ночном небе!
Если Тейя сформировалась в устойчивой «точке Лагранжа», на 60° впереди или позади Земли на ее орбите, и была из нее выбита, то она могла медленно приближаться к Земле.
Энергия, теряемая во взаимодействии с приливами, постепенно уменьшала энергию Луны на орбите, сдвигая ее к существующему местонахождению. Сегодня Луна по-прежнему отступает на 4 см в год.
Проведем урок по внеземной жизни. Климат Земли устойчивым для жизни сохраняет большая Луна. Ее появление потребовало уникальных условий. Поэтому жизнь на других планетах может оказаться редкостью.
VI. Откуда взялась материя?
 
Вероятно, самое важное, что объясняет инфляция, — то, откуда в нашей Вселенной взялся один лишний барион на миллиард и откуда вообще во Вселенной появилась материя. Но сначала нам нужно заполнить пару пробелов, имеющих отношение к материи и антиматерии.
Мы уже упоминали о том, что частицы и античастицы — попросту злобное альтер-эго друг друга. Заметим ли мы, если какой-нибудь маньяк примчится на крыльях ночи и заменит все кварки антикварками, все электроны позитронами, а все нейтрино — антинейтрино и так далее? Это физики называют зарядовой симметрией. Согласно всему, что мы вам до сих пор говорили, все останется прежним.
До сих пор мы не говорили о том, каким образом зарядовая симметрия влияет на нашу Вселенную, но влияние это должно быть очень сильным, ведь очевидно, что все сделано именно из материи, а не из антиматерии. Как выясняется, нейтрино и антинейтрино не совсем одинаковы. Оба вертятся, как заведенные, но эксперименты показывают, что все нейтрино крутятся по часовой стрелке, а все антинейтрино — против часовой стрелки.
На первый взгляд кажется, что это не играет никакой роли, — но получается, что если заменить все частицы античастицами, разница все-таки будет. Но все можно исправить — стоит лишь не только заменить частицы античастицами, но и поменять местами право и лево. Это называется четностью или симметрией четности. В результате «по часовой стрелке» превратится в «против часовой стрелки» и наоборот.
Главный вопрос: если мы изменим и зарядовую, и параллельную симметрию, будет ли физика вести себя по-прежнему?[121]
Если да, значит, Вселенная не различает материю и антиматерию, и у нас нет ни малейшего представления, почему в нашей Вселенной в избытке и того и другого.
Тут к нам на помощь в очередной раз приходят эксперименты с ускорителями. При высоких энергиях производятся частицы под названием каоны — вместе со своими античастицами. По большей части. каоны и антикаоны ведут себя одинаково и при распаде образуют очень похожие продукты. Однако примерно в одном случае из тысячи каоны производят не такие Продукты распада, как антикаоны. Это крошечный феномен — но он показывает, что Вселенная на самом деле различает материю и антиматерию.
Суть в том, что как раз в конце эпохи великой унификации энергии были достаточно высоки, чтобы создавать гипотетическую частицу под названием Х-бозон. Х-бозоны были очень массивны и быстро распадались на другие частицы, в том числе на кварки и антикварки, — но их было не поровну.
А вот анти-Х-бозон, по всей видимости, вел себя как раз противоположным образом, и в среднем эти частицы взаимоуничтожались. С другой стороны, если считать, что Х-бозоны вели себя как каоны, то есть античастицы не всегда в точности отражали обычные частицы, значит, мы получали несколько дополнительных кварков, а в конечном итоге — несколько лишних барионов.
Так что если вы хотите сказать крошке Вилли, откуда он (и вся остальная материя во Вселенной) взялся, следует сказать ему, что все мы произошли от нарушения симметрии в первые 10-35 секунд жизни Вселенной.
 
II. Разве Вселенная не наполнена (до половины) антиматерией?
Говорят, нет ничего хуже полузнания, но в этом случае его как раз хватает. Напомним вам два важных факта, а затем выжмем из них все возможное[113], чтобы описать происходившее в ранней Вселенной. Итак, напоминаем:
1. Е = mc2.
2. Если столкнуть частицу с античастицей, они обе будут уничтожены и превратятся в высокоэнергичные фотоны. Сколько именно у них будет энергии? См. выше факт № 1.
Если электрон и позитрон (или любая частица с античастицей) способны сталкиваться друг с другом и превратиться в свет, обратное тоже может случиться — фотоны, сталкиваясь друг с другом, создают позитрон и электрон. Или, если уж на то пошло, могли бы создать протон и антипротон. Только поди их поймай.
Создание частиц происходит, только если энергии фотонов достаточно высоки. Чтобы сделать электроны, нужно много энергии, но чтобы сделать протоны и нейтроны и их античастицы, энергии нужна просто прорва, поскольку массы у них гораздо больше.


Но постойте! Если вы внимательно следили за ходом нашей мысли, то заметили, что космический бульон кишмя кишел высокоэнергичными фотонами — настолько энергичными, что они могли создавать тяжелые частицы. Они повсюду. В ранней Вселенной постоянно создавались с нуля большие тяжелые частицы и античастицы: кварки с антикварками, мюоны с антимюонами, электроны с позитронами — в общем, сами понимаете. Но время не стоит на месте, и при этом фотоны становятся менее энергичными, а это значит, что можно создавать все менее и менее массивные частицы и античастицы, а в конце концов они вообще перестают получаться. Примерно это и происходит сегодня.
Проиллюстрируем это числами: когда Вселенная насчитывала от роду около одной миллионной доли секунды, она остыла до температуры примерно 10 триллионов градусов Цельсия. Это сокрушительно горячо — гораздо горячее, чем нынешние температуры даже в центрах звезд. Даже настолько энергичные фотоны все равно уже ослабели настолько, что не могли производить протоны с антипротонами и нейтроны с антинейтронами. Однако при столкновении двух фотонов по-прежнему хватало энергии на производство кучи всякой всячины — в том числе электронов и позитронов, — и эта всякая всячина производилась целых пять секунд после Большого взрыва.
Только подумайте, Вселенная-то, оказывается, вундеркинд! Почти все, что касается сотворения материи, она проделала в первые пять секунд после рождения. Мы в ее годы только пищали и писались, а она уже создавала все вещество, которое нам понадобится в жизни.
Есть и еще одна тонкость, которая на поверку оказывается очень важной. Когда фотоны сталкиваются, то создают частицу и античастицу, а частица и античастица полностью уничтожают друг друга и создают фотоны. Пока что, насколько мы видели, нет ни одного взаимодействия, при котором создается или уничтожается только частица, без античастицы. Из этого следует, что нельзя создать протон без антипротона или электрон без позитрона. А значит, частиц и античастиц, то есть материи и антиматерии, во Вселенной всегда должно быть строго поровну.
Если вы не понимаете, в чем тут сложность, мы бы попросили вас объяснить, как так вышло, что мир состоит исключительно из материи. И ведь не только Земля. Если бы Луна состояла не из обычной материи, бедняга Нейл Армстронг был бы покойник, стоило ему коснуться поверхности в своем модуле «Орел». Солнце тоже состоит из обычной материи, как и все остальные звезды в нашей Галактике. Если бы это было не так, то космические лучи, бомбардирующие Землю, производили бы уйму антипротонов — а это не так.
А вдруг существуют галактики, состоящие из антиматерии? Вполне вероятно. Только галактики то и дело сталкиваются друг с другом, а мы никогда не видели внегалактического столкновения, при котором выделилось бы столько чистой неукротимой энергии, сколько получилось бы, если бы галактика из материи столкнулась с галактикой из антиматерии. Короче говоря, по всему выходит, что наша Вселенная состоит только из материи. Так вот, если материя и антиматерия создаются и уничтожаются в равном количестве, почему у нас оказалось столько лишней материи?
Во-первых, мы должны кое в чем признаться. На самом деле мы не знаем, чем объяснить такой дисбаланс, но чем бы он ни был вызван, этот процесс произошел почти сразу после большого взрыва, когда энергии были очень высоки. Однако хотя мы не можем объяснить, откуда взялась асимметрия, зато можем объяснить, насколько она велика. В самом начале во Вселенной было примерно миллиард один протон на миллиард антипротонов и примерно столько же фотонов. Затем, когда Вселенная остыла настолько, что протоны уже не могли создаваться, каждый миллиард антипротонов был уничтожен вместе с миллиардом протонов, после чего остался всего один протон на каждый миллиард фотонов, и это соотношение мы и наблюдаем сейчас.


Что же изменилось с тех пор и до наших дней? Почему в те далекие времена нейтроны могли превращаться в протоны, а мы не можем это сделать, не создав тут же еще и антипротон или антинейтрон? Почему раньше так не было?