Основные физические законы

По своей сути законы физики являются феноменологическими, т.е. представляют собой обобщение данных, полученных в ходе эксперимента. Здесь вы познакомитесь с некоторыми наиболее яркими проявлениями законов физики в космосе, связанных с различными физическими взаимодействиями.

Наблюдая Астрономические явления, исследователи сделали ряд важнейших физических открытий. Самый известный пример — открытие закона всемирного тяготения, который был сформулирован Исааком Ньютоном на основе изучения движений Луны и планет. Закон всемирного тяготения широко используется в астрономии.

На знании этого закона основаны, например, прямые методы определения масс космических объектов всех типов (от астероидов до гигантских скоплений галактик), расчеты движения в космосе как для естественных тел, так и для искусственно созданных объектов, современные теории внутреннего строения звезд и планет, а также космогонические теории образования планет, звезд, галактик и крупномасштабной структуры Вселенной.

В XIX в. триумфом закона всемирного тяготения Ньютона стало предсказание и обнаружение новой планеты — планеты Нептун по расчетам Джона Кауча Адамса и Урбена Леверье.

Конечно, любой закон физики имеет ограниченную область применения. Так, например, уравнения газового состояния, полученные для идеальных газов, «не работают» в недрах исключительно плотных звезд — белых карликов и нейтронных звезд, да и вся классическая механика Ньютона малопригодна для описания взаимодействия элементарных частиц, анализа внутриатомных процессов или расчетов движения тел с околосветовыми скоростями.

Уже в первой половине XX в. ученые пришли к выводу, что закон всемирного тяготения Ньютона можно рассматривать лишь как предельный случай (пригодный только для слабых гравитационных полей) более общей теории.

Основной силой, с которой приходится иметь дело физикам и астрономам при изучении наблюдаемых явлений в космосе, является гравитация. Сформулированный Ньютоном закон всемирного тяготения - фундаментальный закон природы, который оказался действительно универсальным: он выполняется как на Земле, так и на любых расстояниях от нее.

Тела падают на поверхность Земли под действием той же силы, которая удерживает Луну на ее околоземной орбите, а ускорения, с которыми движутся планеты или кометы, оказались строго пропорциональными величине, обратной квадрату их расстояния от центра Солнца.

Однако астрономам пришлось иметь дело со столь сильными гравитационными полями (вблизи нейтронных звезд и черных дыр), что ньютоновский закон тяготения для них оказывается уже неприменимым. В этом случая астрономы используют более общую физическую теорию гравитации (ОТО)

В 1916 г. Альберт Эйнштейн (1879—1955) на основе принципов эквивалентности и относительности обобщил теорию тяготения Ньютона и сформулировал общую теорию относительности (ОТО).

Согласно ОТО, любая форма материи и ее движение являются источником гравитации, которая математически интерпретируется как изменение геометрических свойств, как «искривление» пространства-времени. Правильность представлений ОТО о тяготении стала подтверждаться уже вскоре после ее создания.

В 1919 г. английский астрофизик Артур Стэнли Эддингтон (1882-1944) наблюдал отклонения лучей света звезд в поле тяготения Солнца, которые можно измерить, только когда свет Солнца не мешает видеть звезды рядом с ним, т. е. во время полного солнечного затмения. Измеренный угол отклонения вблизи солнечного диска оказался равным около 2 (угловых секунд), как и следовало по теории Эйнштейна (по теории Ньютона этот угол должен быть вдвое меньшим).

К электромагнитным космическим явлениям, не понятым до сих пор. относятся космические гамма-всплески. когда на очень короткое время в небе появляются и исчезают источники гамма-лучей, которые, как выяснилось, связаны с далекими галактиками. Если источник излучает по всем направлениям, а не как прожектор, то в этих всплесках за 10-100 с выделяется электромагнитное излучение с энергией, сравнимой с энергией покоя всего Солнца (около 10⁴⁷Дж). Не исключено, что механизм генерации этой энергии тесно связан с наличием сверхсильных магнитных полей в космической плазме вблизи нейтронных звезд или черных дыр

Более тонкий пример — объяснение наблюдаемого смещения перигелия орбиты Меркурия на 43 в столетие (перигелий — ближайшая к Солнцу точка орбиты небесного тела, обращающегося вокруг него). В рамках теории Ньютона такое смещение объяснить не удавалось. Правда, предлагалось искать еще одну внутреннюю планету, которой в действительности нет.

На самом деле этот эффект носит чисто релятивистский характер (слово «релятивистский» означает, что эффект может быть правильно описан только с использованием теории относительности) и связан с тем, что в ОТО сила тяготения убывает с расстоянием несколько медленнее, чем по закону обратных квадратов.

На основе ОТО доказано существование гравитационных волн —малых возмущений пространства-времени, распространяющихся со скоростью света. Доказано, что гравитационные волны переносят энергию и момент импульса. Они столь слабы, что значительную мощность излучения могут создавать лишь космические тела больших (звездных) масс, движущиеся с околосветовыми скоростями.

Эдвин Хаббл у 48-дюймового телескопа в обсерватории Маунт-Паломар

Наиболее известный пример космических источников гравитационных волн — двойные звездные системы, состоящие из двух нейтронных звезд, вращающихся по вытянутым орбитам вокруг общего центра тяжести с периодами в несколько часов. Такие системы обнаружены среди двойных нейтронных звезд, где одна нейтронная звезда из пары является радиопульсаром, т. е. ее радиоизлучение имеет импульсный характер.

Изучая периоды прихода импульсов от пульсара, можно с помощью эффекта Доплера исследовать особенности движения такой нейтронной звезды (этот эффект основан на смещении длины волны спектральных линий в сторону красного конца спектра при удалении источника излучения и в сторону синего конца спектра —при приближении источника).

Вследствие уноса энергии гравитационными волнами орбитальный период этих систем должен постоянно уменьшаться. Такая закономерность была обнаружена у ряда двойных пульсаров, хотя орбитальный период у них изменяется на крайне малую величину — около одной десятитысячной доли секунды в год!

Именно общая теория относительности из-за универсального характера тяготения легла в основу описания строения и эволюции Вселенной как целого. Еще в начале 20-х гг. XX в. выдающийся советский математик и геофизик Александр Александрович Фридман (1888—1925) показал, что уравнения тяготения А. Эйнштейна имеют нестационарные решения, которые легли в основу современной космологии и позволили сделать вывод о нестационарности Вселенной как целого.

Это означает, что расстояние между любыми удаленными объектами, не связанными гравитационно (например, удаленными галактиками), должно непрерывно изменяться во времени. Этот революционный вывод вскоре подтвердил американский астроном Эдвин Хаббл (1889 — 1953) результатами наблюдений красных смещений в спектрах далеких галактик.

Основную информацию о космических объектах несет переменное электромагнитное поле — электромагнитные волны (фотоны), которые регистрируются на Земле. Генерация электромагнитных волн связана с ускоренным движением электрических зарядов, в основном электронов.

В отличие от гравитационных волн, генерация которых требует движения больших масс вещества, рождение электромагнитных волн в космосе происходит при хаотическом (тепловом) движении отдельных заряженных частиц космической плазмы, при энергетических переходах возбужденных атомов и при захвате свободных электронов ионами.

Кроме того, важным источником электромагнитного излучения во многих космических объектах являются релятивистские (т. е. имеющие околосветовые скорости) электроны, движущиеся в магнитном поле (синхротронное излучение).

Нет ни одного свойства электромагнитных волн, которое не проявилось бы в космических условиях. Например, по эффекту «расщепления» спектральных атомных линий в магнитном поле — хорошо известный в физике эффект Зеемана — определяют величину магнитного поля звезд. Слабое магнитное поле в межзвездной среде (с напряженностью, в 1 млн раз меньшей, чем поле Земли) может быть измерено путем наблюдения поворота плоскости поляризации электромагнитных волн от источников, «просвечивающих» межзвездную среду (так называемый эффект Фарадея, хорошо изученный в лабораторных экспериментах).

Слабое взаимодействие играет исключительно важную роль в эволюции звезд. Именно медленность основной ядерной реакции в центре Солнца (взаимодействие двух протонов, приводящее к образованию изотопа водорода — дейтерия, позитрона и электронного нейтрино) объясняет «долголетие» звезд типа Солнца. Если бы эта реакция шла значительно быстрее, то судьба звезд, их строение и продолжительность жизни были бы совсем иными.

Нейтрино — слабо взаимодействующие с веществом частицы, поэтому для нейтрино звезды «прозрачны». Нейтрино — прямой свидетель ядерных реакций в центре Солнца, поскольку поток частиц, рождающийся в солнечном ядре, беспрепятственно распространяется по всем направлениям со скоростью света. За 1 секунду Солнце покидают 10³³ нейтрино, уносящих несколько процентов генерируемой в термоядерных реакциях энергии. Поток нейтрино от Солнца в настоящее время достоверно зарегистрирован, однако он оказался примерно вдвое меньше ожидаемого. Это различие, видимо, можно объяснить фундаментальными свойствами нейтрино как элементарной частицы.

Пульсар – вращающаяся нейтронная звезда. Радиоизлучение генерируется в узком конусе, идущем от ее магнитных полюсов. Периодически попадая в этот конус, наблюдатель фиксирует последовательность радиоимпульсов с периодом Р

Отклонение луча в гравитационном поле. Видимое положение звезды смещено на малый угол по сравнению с ее положением в отсутствие тяготеющего тела (на рисунке - Солнца). Впервые экспериментально измерено в 1919 г.

В ходе эволюции звезд роль нейтрино в излучении энергии усиливается, а у массивных звезд становится определяющей на финальных этапах их существования. Нейтрино уносит основную энергию массивной звезды на стадии сверхновой, когда силам гравитации, сжимающим ядро звезды, не могут противостоять ни давление горячей звездной плазмы, ни даже квантово-механическое давление электронов.

Происходит процесс нейтронизации вещества, когда протоны соединяются с электронами, в результате чего образуются нейтроны и нейтрино. В процессе катастрофического сжатия (коллапса) центра звезды формируется компактная нейтронная звезда с массой, приблизительно равной массе Солнца, и радиусом около 10 км, а нейтрино уносят практически всю освободившуюся энергию (примерно 10⁴⁶Дж).

Правильность наших представлений о процессах слабого взаимодействия при коллапсе ядра звезды подтвердилась регистрацией потока нейтрино от вспышки Сверхновой 1987А в Большом Магеллановом Облаке.

Сильные (ядерные) взаимодействия обусловливают многие важные ядерные реакции в недрах звезд и образование тяжелых элементов. По современной теории «горячей Вселенной», возникновение основных химических элементов— водорода и гелия —завершилось еще на дозвездной стадии эволюции Вселенной в эпоху, когда температура плазмы была около 1 млрд градусов.

Более тяжелые элементы появились позже в ходе термоядерных реакций синтеза в недрах звезд. Однако в результате этих реакций могут образовываться химические элементы только до элементов группы железа (кобальт, никель, железо). Дальнейший рост атомного веса требует затрат энергии.

Более тяжелые элементы рождаются путем захвата ядрами нейтронов (протон захватить невозможно из-за огромных сил кулоновского отталкивания). Эти процессы происходят во время вспышек сверхновых звезд. Расчеты показывают, что путем последовательного захвата нейтронов можно «сконструировать» все стабильные элементы таблицы Менделеева.

Ядерные силы определяют специфическое состояние сверхплотной материи нейтронных звезд. Действительно, при массе, приблизительно равной массе Солнца, и радиусе около 10 км средняя плотность нейтронной звезды сравнима с плотностью атомного ядра (почти 10¹⁴ г/см³). В некотором смысле нейтронная звезда представляет собой гигантское электронейтральное атомное ядро.

В физике известно всего четыре вида фундаментальных взаимодействий и связанных с ними сил (см. табл.)

Принципиальное отличие, однако, состоит в том, что обычное ядро от распада на составные части удерживают ядерные силы, а нейтронная звезда существует благодаря колоссальной гравитации собранного в ней вещества. Точного описания поведения частиц вещества при таких плотностях в настоящее время не получено: это невероятно сложная задача.

Однако на основе астрофизических наблюдений пульсаров и рентгеновских источников удается восстановить многие макроскопические свойства нейтронных звезд — их массы, радиусы, скорости осевого вращения. В конечном счете, зная эти характеристики, физика гравитационных и сильных взаимодействий дает возможность теоретически описать физическое состояние недр нейтронных звезд.