Rambler's Top100Astronet    
  по текстам   по ключевым словам   в глоссарии   по сайтам   перевод   по каталогу 		 

Как работают в космосе законы физики

K.A.Постнов

Современное понимание Вселенной неразрывно связано с фундаментальными представлениями о строении материи о основных формах взаимодействий между ее составными частями. В природе известны четыре типа взаимодействий - гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Гравитационное взаимодействие наиболее универсальное, оно существует между любыми формами материи - частицами и полями и не требует существования каких-либо специфических свойств (например, электрического или цветового заряда). Второе по распространненности в природе - электрослабое взаимодействие. Электомагнитное взаимодействие осуществляется между электрически заряженными лептонами и кварками с помощью квантов электромагнитного поля - фотонов, безмассовых частиц, движущихся со скоростью света. Безмассовость фотона обеспечивает дальнодействие (т.е. отсутствие выделенного масштаба взаимодействия и зависимость силы взимодействия обратно пропорционально квадрату расстояния между заряженными частицами). Слабое взаимодействие (т.е. процессы с участием нейтрино) происходит между лептонами (электронами, мюонами, нейтрино) и кварками, составляющими адроны (протоны, нейтроны, мезоны и т.д.). Это взаимодействие имеет место на малых расстояниях $\sim10^{-13}$см, т.к. переносчиком слабого взаимодействия служат массивные промежуточные частицы - электрически заряженные $W^\pm$ и нейтральный $Z^0$-бозоны с массами покоя около 100 МэВ (примерно 1/10 массы покоя протона). Наконец, сильное взаимодействие осуществляется в ядрах атомов между кварками с помощью промежуточных частиц - глюонов, обладающих цветовым зарядом (красный, зеленый, голубой). Характерный масштаб сильного взаимодействия $\sim10^{-15}$см. В отличие от остальных сил, ядерное взаимодействие между кварками растет с увеличением расстояния между ними (явление конфайнмента), поэтому в обычных условиях свободных кварков не существует. Основные взаимосвязи между силами в природе описываются с помощью физических законов и принципов. К ним относятся:

К этому списку следует добавить фундаментальные соотношения квантовой механики, описывающие микромир. К наиболее важным относится:

Кроме того, для любой замкнутой системы должны выполняться первое и второе начало термодинамики (закон сохранения энергии и закон неубывания энтропии). По своей сути законы физики являются феноменологическими, т.е. представляют собой обобщение опытных данных. В этом смысле космос часто по праву называют уникальной природной лабораторией, которой надо только умело пользоваться. Ниже мы рассмотрим некоторые наиболее яркие проявления законов физики в космосе.

Фундаментальные взаимодействия

Тяготение

Наблюдения астрономических явлений привело человечество к ряду важнейших открытий. Самый изветсный и важный пример -- закон всемирного тяготения. Этот закон был сформулирован И.Ньютоном на основе законов планетных движений, выведенных нем. астрономом И.Кеплером в начале 17 в. Закон всемирного тяготения Ньютона используется вплоть до настоящего времени для изучения движения естественных и искусственных космических тел в Солнечной системе, так как поправки к движению тела со скоростью $v$ в более точной релятивистской теории тяготения к закону Ньютона имеют порядок $(v/c)^2$ ($c$ -- скорость света). Для характерных скоростей тел в Солнечной системе в десятки км/с эти поправки, очевидно, малы. В 19 в. триумфом теории тяготения Ньютона и математических методов аналитической механики стало предсказание существования новой планеты - Нептуна - Адамсом и Ле Верье. В 1916 г. А.Эйнштейн, используя принципы эквивалентности и относительности, сформулировал релятивистское обобщение теории тяготения Ньютона - общую теорию относительности (ОТО). Согласно ОТО, любая форма материи и ее движение являются источником гравтиации, которая математически интерпретируется как "искривление" пространства-времени. Кривизна плоской кривой по определению обратно пропорциональна радиусу окружности, касающейся кривой в данной точке. Так, кривизна прямой линии равна нулю, а кривизна правильной окружности радиуса $R$ есть просто $1/R$. Аналогично, кривизна n-мерной поверхности определяется обратным радиусом (n+1)-мерной сферы, касающейся поверхности в данной точке, и т.д. В общей теории относительности роль "поверхности" играет 4-мерное пространство-время.

Всякое свободное движение тела в поле тяжести происходит по траекториям, называемым геодезическими линиями. В плоском пространстве-времени (т.е. без гравитации или вдали от тяготеющего центра) геодезические являются прямыми линиями. Чем сильнее поле тяготения, тем больше кривизна геодезической. Движение тела по кривой линии соответствует движению с ускорением, направленным внутрь кривизны траектории (ускорение силы тяжести). Движение с ускорением вдоль прямой возможно если это геодезическая, проходящая через центр тяжести тела (случай со свободным падением тел вблизи поверхности Земли). Этот случай реализуется, когда момент импульса тела (векторное произведение импульса тела на радиус-вектор) относительно центра тяжести системы точно равен нулю. Если есть составляющая вектора скорости, препендикулярная направлению вектора свободного падения, тело начинает двигаться по одному из конических сечений (эллипсу, параболе или гиперболе) с фокусом в центре притяжения (первый закон Кеплера!) в соответствии с тем, отрицательна, равна нулю или положительна полная энергия (кинетическая плюс потенциальная) системы взаимодейтсвующих гравитационно тел. Правильность представлений ОТО о тяготении стала подтверждаться уже вскоре после ее создания. В 1919 г. англ. астрофизик А.Эддингтон провел наблюдения отклонения лучей света звезд в поле тяготения Солнца во время полного солнечного затмения. Измеренный угол оказался около 2 угловых секунд, как следовало по теории Эйнштейна (по Ньютоновской теории этот угол должен быть вдвое меньшим). Более тонкий пример - объяснение смещения перигелия орбиты Меркурия на 43 угловых секунды в столетие. В рамках теории Ньютона такое смещение не удавалось объяснить сколь-нибудь естественным образом - так, например, для этого предлагалось искать еще одну внутреннюю планету, которой не было и нет. Этот эффект носит чисто релятивистский характер. Грубо говоря, он связан с тем, что в ОТО сила тяготения убывает с расстоянием несколько медленнее, чем по закону обратных квадратов. Возрастание роли релятивистских эффектов наглядно видно при уменьшении радиуса $R$ сферического тела постоянной массы $M$ (т.е. при увеличении плотности тела). Как уже отмечалось, эффекты ОТО становятся важными при скоростях тел, приближающихся к скорости света. Естественной скоростью для нашего тела служит вторая космическая скорость (параболическая скорость, или скорость убегани) $v^p=\sqrt{2GM/R\,}$, которую надо придать пробной частице на поверхности, чтобы она смогла уйти от тела на произвольно большое расстояние. Так как эффекты ОТО пропорциональны $(v/c)^2$, получаем, что для любого тела существует характерный радиус (называемый гравитационным радиусом), начиная с которого формально $v^p\geq c$. Величина гравитационного радиуса $R_g=2GM/c^2\approx3$ км. Пока $R\gg R_g$, можно во всех практически важных случаях пользоваться тяготением Ньютона. По мере приближения радиуса тела к $R_g$ роль релятивистских эффектов возрастает, и при $R=R_g$ возникает качественно новая ситуация - удаленный наблюдатель перестает получать с поверхности тела любую информацию, т.к. иначе ее следовало бы передавать со скоростью больше скорости света. Для удаленного наблюдателя образуется как говорят горизонт событий, причем для самого сжимающегося тела момент пересечения $R_g$ принципиально ничем не выделяется. Появление горизонта характеризует образование черной дыры. Падение частиц и полей в черную дыру всегда увеличивает размер ее горизонта (за исключением черных дыр очень малой массы, когда существенными становятся эффекты квантовомеханического испарения). Из современных астрофизических наблюдений следует существование очень массивных (в 100 млн. масс Солнца) черных дыр в ядрах активных галактик и квазарах. Известно также около 10 черных дыр с массой около 10 солнечных, входящих в состав тесных рентгеновских двойных звезд в нашей Галактике. Из ОТО вытекает существование гравитационных волн - распространяющихся со скоростью света малых возмущений пространства-времени. Доказано, что гравитационнные волны переносят энергию и момент импульса. Они столь слабы, что существенно излучаются лишь космическими телами больших звездных масс движущимися с околосветовыми скоростями. Наиболее известный пример космических источников гравитационных волн - двойные звездные системы, состоящие из двух нейтронных звезд с массами около 1.4 масс Солнца, вращаюшихся по вытянутым орбитам вокруг общего центра тяжести с периодами несколько часов. Такие системы обнаружены среди двойных радиопульсаров, когда одна нейтронная звезда из пары является радиопульсаром. Изучая времена прихода импульсов от пульсара, можно с помощью эффекта Допплера изучать тонике особенности движения такой нейтронной звезды. Из-за уноса энергии гравитационными волнами орбитальный период таких систем должен постоянно уменьшаться. Этот эффект был обнаружен у ряда двойных пульсаров (наиболее известный пример - PSR 1913+16), хотя изменение орбитального периода составляет крайне малую