Занимательная астрофизика

Таким образом, мы живем в нестационарной Вселенной, в которой на различных уровнях существования материи совершаются необратимые физические процессы. Осознание этого факта имеет существенное значение для всей нашей практической деятельности.

Так же тесно и весьма критическим образом свойства жизни на Земле связаны и со многими другими фундаментальными свойствами астрономического мира, в частности с конкретным ходом образования тяжелых элементов в процессе эволюции Вселенной. Выявляется грандиозная взаимозависимость между начальными условиями эволюции Вселенной и конкретными физическими предпосылками появления жизни. Становится ясно, что средой обитания жизни является не только поверхность нашей планеты, но и окружающий мир Солнечной систему, и Галактика с ее специфическими свойствами, и вся наша Вселенная.

Земная жизнь предстает закономерным результатом предшествующего развития материи не как локальное явление, а как глобальный итог множества различных причин и следствий, работающих во «вселенском» масштабе.

Наша Вселенная, ее фундаментальные свойства, в том числе структура, которой она обладает, начиная от элементарных частиц и вплоть до сверхскоплений галактик, самым тесным образом связаны и со значениями физических констант, а также формой действующих в ней физических закономерностей. Эти константы и закономерности обеспечили формирование в процессе эволюции нашей Вселенной таких условий, при которых возникает возможность образования сложных систем и сложных форм движения, а в конечном счете — жизни и человека.

Фундаментальные константы, определяющие свойства Вселенной, занимают среди огромного многообразия различных физических величин, которые входят в структуру основных физических теорий, совершенно особое место. К их числу относятся скорость света в пустоте (с), заряд (е) и масса (m_е) электрона, так называемая постоянная Планка (G), гравитационная постоянная (G) и некоторые другие. Эти константы отражают наиболее глубокие, основополагающие свойства окружающего нас мира, и поэтому их не случайно называют иногда «константами Вселенной». Они неизменно фигурируют в основных уравнениях современной теоретической физики. Постоянная Планка t_l=1,05·10^-27 эрг·с = 1,05·10^-33.Дж·с связывает между собой в квантовой теории энергию E и циклическую частоту фотона со известным соотношением Е=ђω.

Скорость света с входит в уже знакомое нам соотношение специальной теории относительности Эйнштейна, известное под названием принципа эквивалентности.

Что же касается заряда и массы электрона, то эти величины характеризуют не только свойства этой конкретной элементарной частицы, но и многих других материальных образований.

Фундаментальные константы тесно связаны с уже знакомыми нам четырьмя типами физических взаимодействий: ядерным, или сильным, электромагнитным, слабым и гравитационным. Так, постоянная тяготения G характеризует силу тяготения, а заряд электрона е является количественной характеристикой электромагнитных сил. Аналогичную роль для сильных и слабых взаимодействий играют соответственно константы g_s и g_F (постоянная Ферми).

С помощью фундаментальных констант можно охарактеризовать физические взаимодействия безразмерными константами: слабого взаимодействия a_w, электромагнитного а_e (так называемая «постоянная тонкой структуры»), сильного а_s; и гравитационного a_g. Их несложно получить, рассмотрев отношение энергии каждого из взаимодействий, скажем, с энергией фотона.

В результате мы определим следующие приближенные числовые значения констант взаимодействия:

где т_р — масса протона.

Путем сравнения полученных чисел нетрудно установить, что электромагнитное взаимодействие приблизительно в 100 раз слабее сильного, слабое в 1000 раз слабее электромагнитного, a гравитационное взаимодействие еще в 10³⁹ раз слабее.

В 1937 г. известный физик П. Дирак высказал предположение о том, что фундаментальные физические константы медленно изменяются с течением времени, и, следовательно, в отдаленном прошлом на ранних стадиях эволюции Вселенной их значения могли весьма существенно отличаться от современных.

В частности, согласно гипотезе Дирака гравитационная постоянная убывает пропорционально возрасту Вселенной. Подобное явление должно было бы вызывать определенные астрономические и геофизические следствия, например, некоторое расширение Земли и планет. Оценка возможных эффектов такого рода показала, что уменьшение G во всяком случае не превосходит 10^-10 в год. Однако изменяется ли фактически постоянная тяготения или нет, пока сказать нельзя. Во всяком случае специальные измерения и наблюдения, проведенные в последние годы, этой гипотезы не подтвердили. С большой степенью точности установлено, что значения фундаментальных констант остаются неизменными. Видимо, и в самом начале расширения они были такими же, как в нашу эпоху.