Текст книги "Мир вокруг нас"

Автор книги: Этэрнус

сообщить о нарушении

Текущая страница: 17 (всего у книги 22 страниц)

Планеты

Планета – это сферический объект, образующийся, в отличие от предыдущего уровня вещества – преимущественно благодаря гравитационному взаимодействию, что и обуславливает форму планеты как шарообразную (или близкую к таковой). Это также означает, что любая планета – должна находиться в гидростатическом равновесии, т. е. состоянии, где электромагнитное отталкивание – препятствует дальнейшему сжатию, но недостаточно велико, чтобы помешать обретению планетой сферической формы, под действием гравитации.

Объекты с недостаточной массой для достижения гидростатического равновесия и = обретения сферической формы, планетами – не являются: это – метеороиды, астероиды и ядра комет, в которых т. о. доминируют электромагнитные взаимодействия, подобно тому, как в камнях. Такие объекты – можно отнести, в целом, к предыдущему уровню, т. е. сложным молекулярным телам.

Планеты – находятся уровнем выше сложных молекулярных тел, но из последних (т. е. из сложных молекулярных тел) – может состоять только самая периферическая область небольших, т. н. каменистых, и достаточно остывших планет (где разбросаны камни, могут быть подвижные литосферные плиты, и т. п.).

Благодаря гравитации, для планет характерно слоистое внутреннее строение: гравитация – создаёт градиент давления и (частично) температуры, из-за которых, внутренние области планет – могут деградировать в сторону более низких уровней вещества. Даже в маломассивных и наиболее остывших, т. н. карликовых планетах, внутренние области могут представлять собой единое сложное молекулярное тело (а не совокупность тел). Для более крупных планет, в числе которых – Земля, этому, в целом, соответствует наружная часть мантии. Более глубокие слои, имеющиеся только у достаточно массивных планет (в т. ч. – у Земли) – могут понижать уровень вещества до простых молекулярных тел (предположительно – внутренняя мантия Земли), а центральные области, с высокой вероятностью – представляют собой единую молекулу, – т. н. ядро планеты (наружное, жидкое (расплавленное), и внутреннее, твёрдое), состоящее из атомов металлов (прежде всего – железа, и т. п.), а металлы, как известно, благодаря металлическим связям (и в условиях высокой температуры и давления) – способны соединяться в единую молекулу (монокристалл или расплавленный металл). Итак, в целом, рост концентрации энергии (давления и температуры) – уничтожает (разрушает) более высокие уровни вещества, при движении вглубь планеты.

У планет-гигантов, благодаря ещё большей массе, это выражено ещё в большей степени, и даже наружные слои, под атмосферой – уже могут представлять собой единое простое молекулярное тело, за которым следует строение в виде единой молекулы. Например, у наиболее массивного в Солнечной системе, Юпитера, строение в виде единой молекулы, как известно – начинается сразу под атмосферой и «океаном» из жидкого водорода, – т. н. металлический водород.

Далее: Изменения поверхности и недр планет с течением времени – называют геологическими процессами (многие из них присущи только каменистым планетам). На уровне вещества планет (и звёзд, но пока речь не о них) – возможны такие специфические явления как: землетрясения, движения литосферных плит, образование гор и ущелий, извержения вулканов, эрозия поверхности планеты, погружение тяжёлых элементов вглубь планеты, конвективные потоки в мантии, и т. д. Естественно, что такие явления – были невозможны на предыдущем уровне вещества (уровне сложных молекулярных тел).

Рассмотрим, подробнее, вопрос о разнообразии планет: На сегодняшний день, известны, помимо планет Солнечной системы – уже тысячи планет вне Солнечной системы [51], т. е. обращающихся вокруг других звёзд. Каждая известная планета, для человека – представляется уникальной. Однако выделяя общие свойства, можно объединять планеты в классы, т. е. создать классификацию планет. Общепринятая и устоявшаяся такая классификация – пока, в целом, отсутствует, т. к. изучение планет (в особенности, за пределами Солнечной системы) – практически, только начинается (например, лишь для немногих (внесолнечных) планет – известен (примерный) состав атмосферы, её температура, наличие воды, и т. п. частные свойства, которые могут объединяться в общие (например, схожий состав атмосферы)).

В целом, планеты – можно классифицировать по различным признакам, из которых, многие уже используются: масса, плотность, элементный состав, атмосферное давление у поверхности, возраст планеты, наличие или отсутствие жизни (о которой – ещё будем говорить, позже), эксцентриситет (вытянутость) орбиты, тип звезды и число звёзд в планетной системе, самостоятельность планеты (т. е. не является ли она спутником другой планеты), наличие и объём воды на поверхности, сила магнитного поля, окружающего планету, и ряд других свойств.

Рассмотрим, подробнее, некоторые свойства классов планет, на примере одного из (наиболее известных) классов:

Так, определённая масса и расстояние от звезды, взятые вместе – приводят к выделению такого класса планет, как т. н. горячие Юпитеры. Это – планеты-газовые гиганты, имеющие массу, сравнимую с массой Юпитера, и обращающиеся на малом расстоянии от звезды. На данный момент, это – один из самых многочисленных, класс планет, что связано с относительной лёгкостью их обнаружения.

Близкое расстояние от звезды – должно приводить к таким (специфическим) свойствам данного класса планет, как: нагрев атмосферы планеты извне, приводящий к возникновению более значительных атмосферных явлений, чем у планет Солнечной системы, а также значимой потере газов из атмосферы, уходящих в космос (для некоторых из горячих Юпитеров, эти явления уже подтверждены наблюдениями [52] [53]); большая масса – должна вести к отсутствию каменистой поверхности, а состав атмосферы – может преимущественно включать лёгкие газы, водород и гелий (т. к. планета была, изначально (при своём формировании), достаточно массивна для их удержания). Также предполагается, что горячие Юпитеры – всегда обращены к звезде одной стороной.

В целом, горячие Юпитеры – стали частью окружающего Мира, хотя более подробные данные о них, в т. ч. например, об их внешнем виде – всё ещё находятся на границе Мира, т. е. для планет этого класса, в той или иной мере – ещё ожидают непосредственного наблюдения, и на данный момент – весьма неопределённы (т. е. их описание – имеет вероятностный характер, см. пример на рис. 234).

Рис. 234 ^[XXV]. HD189733b в представлении художника, с учётом подтверждённого (в 2013 году) синего цвета планеты

Известны (выделены) уже десятки и других классов планет, помимо горячих Юпитеров, однако рассмотрение их – уже (относительно) частный вопрос, поэтому его опускаем, и переходим ко второму компоненту уровня вещества планет и звёзд, – звёздам:

Звёзды

Звёзды, как и планеты – это сферические объекты, обязанные своим существованием, преимущественно – гравитации. Разграничить планеты и звёзды, как уже отмечалось, можно по возможности термоядерных реакций в недрах (для чего объект должен иметь массу более 13-и масс Юпитера (= более 1,24% массы Солнца)).

Заглянув внутрь звёзд, можно обнаружить слоистое строение, как и в случае планет, но благодаря более высоким, чем у планет, давлению и температуре (= концентрации энергии), уровни вещества в звёздах – деградируют до ещё более низких уровней, чем в планетах. Например, существование атомов (а у самых лёгких и холодных звёзд, т. н. коричневых карликов – и молекул) – возможно лишь в наиболее разрежённых, периферийных слоях, – т. н. атмосфере звезды (где атомы или молекулы, хотя и в возбуждённом состоянии, но могут существовать). Но стоит опуститься ближе к «поверхности» – как происходит ионизация, т. е. разрушение атомов до более низких уровней вещества, с образованием плазмы, состоящей из отдельных атомных ядер и электронов, составляющей значительную долю объёма любой (типичной) звезды. (По уровню вещества, плазма – находится ниже, чем даже самые внутренние области (лёгких) планет).

В центральной области звезды – располагается ядро, в котором (или на периферии которого) – протекают термоядерные реакции. Рассмотрим их подробнее:

Суть термоядерных реакций

Термоядерные реакции, или реакции слияния ядер – протекают только при достаточно высоких температурах, недостижимых в недрах планет (отсюда – и название этих реакций: термоядерные). Высокая температура – необходима для того, чтобы придать ядрам (или протонам) достаточно большие импульсы, необходимые для преодоления электромагнитного отталкивания протонов (ядер) друг от друга, т. е. сближения до расстояний, где вступают в силу короткодействующие взаимодействия – мезонные и слабые (дающие разные типы реакций).

Самые неприхотливые к температуре, термоядерные реакции – это реакции т. н. горения дейтерия, = реакции слияния ядра дейтерия с протоном, а также двух ядер дейтерия друг с другом, и т. п., эффективно протекающие при 1 000 000 K [54]. Температура 10⁶ K – достижима уже на начальных этапах эволюции звёзд (формирующихся при сжатии участков межзвёздного газового / газо-пылевого облака).

Горение дейтерия – также практически единственная термоядерная реакция, возможная в недрах наиболее маломассивных звёзд – коричневых карликов. Это – главный источник термоядерной энергии в этих звёздах, который относительно быстро (не более чем за сто миллионов лет [55]) истощается. А т. к. реакции, требующие более высоких температур, в недрах данных звёзд невозможны (из-за малой массы звезды, а значит, недостаточной температуры в недрах) или непродолжительны, коричневые карлики, далее – остывают, при этом, со временем всё больше напоминая планеты, см. табл. 66.

Таблица 66 ^[56]

Сравнительная характеристика планет, коричневых карликов и более массивных, т.  н. красных карликов, по отношению к термоядерному горению водорода и дейтерия

Часть коричневых карликов (с массами 0,065–0,075 Солнечной), а также обычные (по массе) звёзды (в т. ч. Солнце (= т. н. жёлтый карлик)), и более массивные звёзды – сжигают запас ядер дейтерия на самой заре своего существования (за миллионы лет [57]), но затем, после дальнейшего сжатия и ещё большего гравитационного разогрева недр – переходят к реакциям, более требовательным к температуре – т. н. горению водорода (о чём, подробнее – чуть позже).

В целом, реакции горения дейтерия, как уже было сказано – основной источник (термоядерной) энергии (и части излучения, вторая часть – за счёт гравитационного сжатия) лишь для маломассивных коричневых карликов. Основная реакция горения дейтерия (определённая, исходя из теоретических и экспериментальных данных) – это слияние ядра дейтерия и протона, с образованием ядра гелия-3 и гамма-кванта [58]. На постнеклассическом этапе, исходные и конечные ядра в этой реакции, в т. ч. выгоду образования конечного ядра, можно представить в наглядном виде (как уже, в целом, рассматривалось ранее).

Горение дейтерия в коричневых карликах, как уже отмечалось – может быть относительно непродолжительным (до ста миллионов лет), т. к. запасы дейтерия – ограничены (его содержание в звезде – такое же, как и в межзвёздной газовой или газо-пылевой туманности, т. е. не более порядка 10^–5 от ядер водорода [59]). В коричневых карликах с массой более 0,065 массы Солнца, и более массивных звёздах, после истощения запасов ядер дейтерия, наступает дальнейшее гравитационное сжатие звезды, которое приводит к значительно более высоким температурам в недрах (около 10⁷ K), достаточным для протекания реакций горения водорода [54]. Последние – становятся основным источником энергии практически для всех звёзд (в т. ч. Солнца), на протяжении подавляющей части их жизни.

Горение водорода, в звёздах с массой от 0,065 до около 1,5 масс Солнца [60] – начинается (преимущественно) с реакции, обусловленной слабыми, а не мезонными взаимодействиями. В связи с этим, далее может быть рассмотрена:

Геометрия электрослабых взаимодействий

Реакция слабого взаимодействия между двумя протонами, приводящая к превращению одного из протонов в нейтрон – необходимая исходная реакция для горения водорода. Действительно, в звезде, как и в межзвёздной среде – практически нет нейтронов, т. к. нейтроны нестабильны (в среднем за 15 минут, распадаются в протоны). Для образования же ядер, т. е. в т. ч. скрепления протонов между собой – необходимы нейтроны, поэтому они должны вновь образоваться, в чём и заключается роль реакции слабого взаимодействия, превращающей протон в нейтрон, или два протона в ядро дейтерия, с вылетом W⁺ (= электрослабого) бозона.

Эта реакция, как и другие термоядерные реакции, требует высокой температуры, для преодоления взаимного отталкивания протонов, причём тут необходимы гораздо большие температуры, чем при горении дейтерия, т. к. кроме преодоления взаимного отталкивания, протоны должны вступить в слабое взаимодействие, с превращением протона в нейтрон, вероятность чего – крайне мала.

Попробуем представить реакцию слабого взаимодействия (ведущую к превращению протона в нейтрон), в наглядном виде: Первый этап этой реакции – см. на рис. 235-а. В реакции на рис., результатом является образование т. н. дипротона. Мезонное взаимодействие между протонами, тут – можно считать отсутствующим (т. к. нет нейтронов). Дипротон (как впрочем, и аналогичный ему, динейтрон), как известно, крайне нестабилен (и имеет отрицательную E связи на нуклон).

В подавляющем большинстве случаев, образовавшийся дипротон, далее – мгновенно или почти мгновенно, распадается на свободные протоны, и лишь с очень малой вероятностью, вместо этого – слабое взаимодействие приводит к превращению одного из протонов в нейтрон, см. рис. 235-б. Но какова вероятная геометрия кванта электрослабого взаимодействия, W⁺ бозона, в этой реакции? И почему эта реакция вообще возможна? Ответы на эти вопросы – поищем в наглядной геометрии: Выгоду реакции в целом – можно представить, исходя из (геометрической) выгоды образующегося ядра дейтерия (как уже рассматривалось ранее). Учтём, далее, не только верхние, но и «нижние» части протонов, как показано на рис. 236. Видно, что реакция превращения протона в нейтрон – не требует физического перемещения протона в верхнюю часть ядра, а производит только (вертикальный) сдвиг протона (что для элементарной частицы, как (нелинейной) волны – может интерпретироваться, как фазовый сдвиг волны), при этом происходит «сжатие» протона до нейтрона, в соответствии с выгодой геометрии образуемого ядра дейтерия (рис. 236).

Рис. 235

Рис. 236. Слева – протон спина –1/2 в дипротоне, с учётом «нижней» (в данном случае – расположена сверху), части; второй протон (т. е. со спином +1/2) – убран (т. о. можно видеть, что эпицентры кварков – располагаются в месте соприкосновения двух половин частицы, на вершинах правильных пирамид (одна из пирамид – для удобства, изъята)); в скобках – то же, вид сверху-сбоку; правее – нейтрон спина +1/2, в ядре дейтерия (нижняя часть (половина) нейтрона – находится ниже плоскости, и не показана), протон (спина +1/2) – для удобства, убран; в скобках – то же, вид сверху-сбоку / ядро дейтерия

Геометрия же кванта электрослабого взаимодействия (вероятная), и геометрия электрослабого поля в целом (возможная) – представлена на рис. 237. В отличие от мезонного поля, для подтверждения именно такой конфигурации Z⁰-бозона и W-бозонов, существует гораздо меньше экспериментальных данных, чем в случае мезонов (геометрия мезонного поля – может подтверждаться, исходя из строения ядер (изотопов), которых известны уже тысячи, и многие из которых рассматривались ранее, с т. зр. наглядной геометрии). Для электрослабого же взаимодействия – наблюдения весьма малы, и включают распады некоторых частиц (нейтрона, мюона и т. п.), упругое столкновение нейтрино и электрона, с обменом энергией, и немногочисленные др. процессы. Поэтому говорить о наглядном строении электрослабого поля – можно с меньшей вероятностью, но тем не менее, можно. Рассмотрим свойства электрослабых бозонов, вытекающие из предполагаемой их геометрии:

Как и пи-мезон, электрослабые бозоны, в той конфигурации, что представлена на рис. 237 – отражают поле, образовавшееся в процессе «поднятия» (включающего процесс разделения взаимодействий) при Большом Взрыве. Исходя из наглядной геометрии, можно показать, что образование электрослабого и сильного (мезонного) полей – должно было происходить одновременно: если (мысленно) надавить на альфа-частицу сверху, оба поля исчезают одновременно, см. рис. 238.

Рис. 237. Z⁰-бозон (и W-бозоны) в альфа-частице

Рис. 238

Электрослабое поле – расположено прямо напротив мезонного, являясь как бы его зеркальной противоположностью. Из-за нарушения симметрии (при откалывании грани = электрона), оба поля, геометрически – неравноценны: Если рассмотреть сам квант электрослабого поля (учитывая не только верхние, но и «нижние» части частиц, как показано на рис. 239), то видно, что электрослабый бозон не похож ни на одну из рассматривавшихся ранее, частиц: Эпицентры кварков в нём – не совпадают, а замкнутое движение на «полюсе» – оказывается незамкнутым в «нижней» части частицы (рис. 239). Т. е. верхняя и «нижняя» части электрослабого бозона – не совпадают друг с другом (чего не наблюдалось ни у одной из других элементарных частиц, но что неизбежно следует из занимаемого бозоном, места, в образующейся, в процессе поднятия, выгодной геометрии ядра гелия 4, см. рис. 240). Для существования частицы в таком состоянии, определённо требуется более высокая степень дислоцированности, и сама частица – напоминает сильно возбуждённое, почти «разорванное» состояние мезона. Из этого – можно предположить и причину сильного различия масс электрослабого бозона, и мезона: так, нейтральный пи-мезон – в 264 раза тяжелей электрона, а Z⁰-бозон – примерно в 178 500 раз, что на три порядка больше. Из высокой массы (и «неправильной» геометрии) – можно также увидеть причину очень короткого времени жизни электрослабых бозонов, и наибольшего короткодействия слабых полей.

Рис. 239

Рис. 240

Итак, мы рассмотрели первую реакцию, из реакций горения водорода в звёздах, что связано с рассмотрением электрослабого взаимодействия (в т. ч. его квантов), и т. о. дальнейшим рассмотрением уровня элементарных частиц и вакуума (что ещё будет продолжено, в отношении электрослабого поля, чуть позже).

Некоторые последующие реакции горения водорода – аналогичны реакциям горения дейтерия (основная из которых – уже рассматривалась ранее), только ядра дейтерия, в случае горения водорода – всё время возникают вновь, в рассмотренной реакции слабого взаимодействия. Основные реакции горения водорода (в звёздах с массой менее (примерно) 1,5 масс Солнца) – представлены на рис. 241. В конечном итоге, из ядер водорода, как видно, образуются выгодные ядра гелия, т. е. альфа-частицы (выгода которых, вытекающая из их наглядного (геометрического) строения, рассматривалась ранее).

Рис. 241 ^[XXVI]. Горение водорода в т. н. протон-протонной цепочке (преобладает в звёздах с массой менее 1,5 массы Солнца; процентные соотношения реакций – приведены для Солнца); примечания: pp, pep, hep – названия реакций; ppI, ppII, ppIII – разветвления протон-протонной цепочки

В реакции, следующей за реакцией слабого взаимодействия, т. е. во второй реакции на рис. 241, как и в ряде других реакций на этом рис. – наблюдается вылет гамма-кванта (фотона). Фотон, как известно – является квантом электромагнитного поля, входящего в состав электрослабого взаимодействия (= объединяющего электромагнитное и слабое поля), где фотон выступает наравне с рассматривавшимися выше, Z⁰– и W-бозонами (как уже говорилось – согласно электрослабой теории Вайнберга-Глэшоу-Салама). Согласно этой теории, электромагнитное и слабое взаимодействия (переносимые фотонами и Z⁰– и W-бозонами соответственно) – являются не более как различными проявлениями единого электрослабого поля, т. к. теряют различия (объединяются), при концентрации энергии выше порядка 100 ГэВ, – достаточной для рождения массивных Z⁰– и W-бозонов в реальном виде. (Этот же порядок энергии – оказался достаточен и для рождения бозона Хиггса, предсказываемого теорией).

Обратимся к этим, и др. вопросам электрослабого сектора – с т. зр. наглядной геометрии, и т. о. продолжим рассмотрение электрослабого взаимодействия:

Известно, что каждый из Z⁰– и W-бозонов – может существовать в трёх состояниях, различающихся проекцией спина на направление движения: эта проекция может принимать три значения: +1, –1 и 0. Вероятное наглядное представление этих состояний – можно видеть на рис. 242. Как видно из рис., при рассмотрении более подробной геометрии электрослабого поля, угадываются элементы геометрии тяжёлых атомных ядер (где альфа-частица 3d-энергоуровня, замыкает последний в ядре, и ведёт к снижению энергии связи у Zn (за Ni)), т. о. структура ядер – также может подтверждать геометрию слабого поля, как и ранее – мезонного.

Рис. 242

В отличие от Z⁰– и W-бозонов, спин кванта электромагнитного поля (фотона), может принимать только два значения: +1 и –1 (т. е. нет 0). Возможное наглядное представление фотона – см. на рис. 243. Согласно наглядной геометрии, фотон – должен быть плоской частицей (как и нейтрино), являющейся плоской, благодаря тому, что она лишена электрических осей (т. е. движений на этих осях), т. к. только при этом условии, фотон может (должен) всегда двигаться со скоростью света (и т. о. имеет наблюдаемую нулевую массу покоя). Состояние, геометрически равноценное фотону, но расположенное в проекции спина 0 – не могло бы двигаться со скоростью света, а значит и существовать (в плоском виде (или было бы нестабильным и обладающим массой покоя)), что можно понять уже из рассматривавшегося ранее, происхождения различий между магнитной и электрическими осями; это состояние – оказывается имеющим характеристики бозона Хиггса (и может быть интерпретировано в качестве бозона Хиггса и поля Хиггса).

Рис. 243

Далее – рассмотрим связь (= родственную природу) электромагнитного и слабого полей: Так, фотон – естественным образом, продолжает ряд Z⁰– и W-бозонов, представляя состояние, в котором движения на электрических осях – отсутствуют, см. рис. 244.

Рис. 244

Родственная связь квантов слабого и электромагнитного взаимодействия – также видна из механизма действия слабых полей, к рассмотрению которого и переходим:

Известно, что слабое взаимодействие – ответственно за распад нейтрона, заряженных пи-мезонов, и т. п., а также элементарных частиц второго и третьего поколений. Во всех случаях распада – испускается полу-«виртуальный» W⁺ или W^– бозон, который далее распадается на электрон и антинейтрино (или позитрон и нейтрино). Некоторые примеры таких реакций распада, т. е. обусловленных слабым взаимодействием – представлены на рис. 245. Как видно, W-бозоны, изображаемые в наглядном виде – способны выполнять функцию квантов, ответственных за эти (т. н. слабые) распады.

Рис. 245

Известно, что Z⁰-бозон, в отличие от W-бозонов – не участвует в слабых распадах. Т. е. реакции с изменением поколения элементарных частиц, с участием Z⁰-бозона – являются запрещёнными, см. рис. 246. Вылет Z⁰-бозона – переводит частицу саму в себя, и может изменять лишь спин, см. рис. 247. (Однако, обмен Z⁰-бозоном, как известно – необходим для объяснения возможности упругого столкновения нейтрино и электрона).

Рис. 246

Рис. 247

То же самое неучастие в распадах частиц с изменением поколения, свойственно и фотону, см. рис. 248. Неучастие фотона – можно понять из его аналогии с Z⁰-бозоном (фотон отличается от него лишь тем, что заряд 0 обусловлен не тем, что движения на электрических осях – взаимно скомпенсированы, но уничтожили друг друга (оставив частицу плоской)). Поэтому, по отношению к распадам частиц, Z⁰-бозон и фотон – ведут себя одинаково (при этом, Z⁰-бозон и фотон – были неразрывно связаны и неклассически (ненаглядно), где они возникают как суперпозиция = смешивание (ненаблюдаемых) исходных частиц, т. н. W⁰-бозона и B⁰-бозона, в процессе нарушения электрослабой симметрии (при концентрации энергии ниже порядка 100 ГэВ, и посредстве механизма Хиггса), см. рис. 249); наглядно же, общность фотона и Z⁰-бозона, можно видеть на рис. 244.

Рис. 248

Рис. 249 ^[61] (примечание: θ_W – слабый угол смешивания)

Итак, мы рассмотрели (наглядную) геометрию электрослабого взаимодействия (в т. ч. электромагнитного и слабого полей, в него входящих), в связи с разбором термоядерных реакций в звёздах. Термоядерные реакции, в т. ч. горение водорода, как уже говорилось, также связано с сильным (мезонным) взаимодействием, более фундаментальным проявлением которого, как известно – представляется глюонное поле. В связи с этим, далее может быть рассмотрен вопрос: