Законы квантовой механики и физика элементарных частиц

Исследуя звезды и изучая ранние стадии расширения Вселенной, астрономы столкнулись с необычным состоянием вещества, которое нельзя понять и описать без использования квантовой теории и теории элементарных частиц.

Законы квантовой механики приходится принимать во внимание во многих случаях. Например, без учета этих законов нельзя не только количественно рассчитать, но и качественно объяснить, как выделяется энергия при термоядерных реакциях в недрах звезд, а также понять процессы, происходящие с вырожденными звездами — белыми карликами и нейтронными звездами.

В начале 30-х гг. XX в. благодаря работам крупнейших физиков (Чандрасекара, Фаулера, Ландау) стало ясно, что само существование компактных горячих звезд—белых карликов, открытых в начале XX в., обусловлено проявлением специфических квантово-механических свойств вещества. Действительно, любая звезда находится в состоянии равновесия, при котором действию силы тяжести, стремящейся сжать звезду, противостоит сила давления упругого горячего газа звезды.

Так, в Солнце давление создается хаотическим движением частиц солнечной плазмы (протонов и электронов), которая может рассматриваться как идеальный газ. Иное дело — белые карлики. Эти звезды с массой, приблизительно равной массе Солнца, могут иметь радиусы в сотни раз меньше солнечного! Следовательно, средняя плотность вещества белых карликов иногда в миллион раз (!) выше солнечной. Простые оценки показывают, что при высоких плотностях просто необходимо учитывать квантово-механические эффекты. Именно они объясняют устойчивость белых карликов.

Известны три типа нейтрино (нейтрино - это частица, очень слабо взаимодействующая с веществом) и соответствующих антинейтрино - электронное, мюонное и тау-нейтрино. До недавнего времени (середина 90-х гг. XX в.) в прямом эксперименте не удавалось получить точные ограничения возможного числа существующих типов нейтрино. Однако еще в 1969 г. В. Ф. Шварцман доказал, что это ограничение может быть получено на основе анализа химического состава первичного вещества, которое существовало 8 природе до того, как появились звезды

Дело в том, что, согласно принципу Паули, в одном и том же квантово-механическом состоянии могут находиться не более двух электронов. В нормальных звездах число возможных квантово-механических состояний во много раз больше числа электронов, и они ведут себя так, как если бы принципа Паули не существовало.

По мере повышения плотности вещества электроны постепенно занимают все возможные квантовые состояния. Число этих состояний велико, но не бесконечно: оно определяется плотностью вещества. Пока остается много свободных состояний, электронный газ может рассматриваться как идеальный, однако когда «вакансий» для электронов не хватает, возникает огромное давление, называемое квантово-механическим давлением, которое, в отличие от давления идеального газа, не связано с хаотическим движением частиц (т. е. с их температурой), а зависит только от плотности вещества.

Такое состояние называют вырожденным, а газ электронов — вырожденным электронным газом. Именно давление вырожденного электронного газа противостоит силам гравитации в белых карликах. Похожая физическая картина имеет место в нейтронных звездах: для них, по принципу Паули, тоже существует эффект квантово-механического вырождения, но уже не электронов, а нейтронов.

Астрономические наблюдения показывают, что в современную эпоху расширение Вселенной происходит с ускорением. Такое возможно, если большая часть энергии во Вселенной находится в необычной форме — ее называют космологической постоянной или энергией вакуума, которая в больших масштабах действует как отталкивающая сила (антигравитация)

С физикой элементарных частиц астрономия тесно соприкасается и при исследовании Вселенной на ранних этапах ее расширения. Согласно современным космологическим представлениям, миллиарды лет назад, до того, как в природе появились первые поколения звезд и галактик, вещество Вселенной представляло собой горячую плазму, плотность и температура которой быстро падали по мере ее расширения. Уходя все глубже в прошлое, мы, таким образом, попадаем в эпоху очень высоких температур вещества (иными словами, в область весьма высоких энергий частиц).

Темные пятна на диске Луны («лунные моря») хорошо видны в бинокль или даже невооруженным глазом

Это именно то, чего добиваются физики-экспериментаторы, строя гигантские ускорители элементарных частиц. Многое из того, что пока недоступно проверке в земных условиях, может быть косвенно проверено по следам процессов, происходивших на ранних этапах существования Вселенной. Большую роль в эволюции «ранней Вселенной» могли сыграть элементарные частицы, еще не открытые в земных экспериментах. Теория «ранней Вселенной» и современная физика элементарных частиц оказались, таким образом, тесно связанными между собой.

На стыке космологии и физики высоких энергий возникло целое научное направление —космофизика, изучающая поведение материи на начальных стадиях расширения Вселенной. В условиях сверхвысоких плотностей и температур могли рождаться, распадаться и взаимодействовать между собой частицы, еще не открытые наукой. Есть предположение, что такие частицы, слабо взаимодействующие с веществом, могут в настоящее время заключать в себе основную массу во Вселенной — ее так называемую скрытую массу.